傳感器技術課件

章傳感器技術概述1.傳感器定義傳感器——將被測量按一定規(guī)律轉換成便于應用的某種物理量的裝置。被測量電量目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。2021/6/2712.傳感器的作用傳感器——類似于人的感覺器官，是人類感官的延伸。作用：將被測量轉換成電信號,傳送給測試系統中的后續(xù)環(huán)節(jié)。人體系統與機器系統的對應關系2021/6/272激勵裝置傳感器被測對象信號調理反饋、控制顯示紀錄信號處理觀察者復雜測試系統(振動測量)簡單測試系統(紅外體溫)2021/6/2733.傳感器的構成（1）組成：振動膜片、剛性極板、電源和負載電阻

（2）原理

：振膜—一次敏感元件電容器—敏感元件2021/6/274分類法型式說明按被測量種類位移、溫度、壓力、流量這種分類便于傳感器的管理按工作原理分類應變式、電容式、電感式、壓電式、光電式以傳感器對信號轉換的原理命名按被測量轉換特征（構成原理）結構型，如電容式，電阻應變片；通過改變傳感器元件的參數實現信號轉換。物性型，如壓電式，水銀溫度計，雙金屬片依靠敏感元件本身物理性質隨被測量變化實現信號轉換。按能量傳遞方式能量控制型，如RLC式傳感器輸出能量由外部供給，但受被測量控制。能量轉換型，如熱電偶溫度計傳感器輸出量直接由被測量能量轉換而得。按輸出量模擬式輸出量為模擬信號數字式輸出量為數字信號4.分類：2021/6/2755.傳感器選用原則

1.靈敏度：傳感器的靈敏度越高，可以感知越小的變化量，即被測量稍有微小變化時，傳感器即有較大的輸出。2.線性范圍：線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。3.響應特性：在所測頻率范圍內盡量保持不失真。4.穩(wěn)定性：經過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。5.精確度:表示傳感器的輸出與被測量的對應程度。傳感器精確度愈高，價格越昂貴，因此應從實際出發(fā)來選擇。6.其它選用原則2021/6/2766.傳感器技術的應用

1、日常生活

在家電產品和辦公自動化產品設計中，人們大量的應用了傳感器和測試技術來提高產品性能和質量。全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質傳感器，水溫傳感器，水質傳感器，洗凈度傳感器,液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。指紋傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器透光率傳感器2021/6/277（1）產品質量測量

在汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其性能質量進行測量和出廠檢驗。

2、機械行業(yè)

機床加工精度測量汽車扭距測量2021/6/278（2）新產品開發(fā)廣州中鳴數碼的機器狗轉動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。（3）自動控制香港理工AGV自動送貨車模型2021/6/279石化企業(yè)輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。（4）故障診斷2021/6/2710（5）其他應用航天農業(yè)交通醫(yī)療2021/6/2711第二章

傳感器的基本特性1、理想定常線性系統輸入輸出關系：在靜態(tài)測量時，理想定常線性系統呈單調、線性比例的關系，即輸入、輸出關系是一條理想的直線，斜率為常數。一、靜態(tài)特性：在靜態(tài)測量情況下描述實際測試系統與理想定常線性系統的接近程度。2021/6/27122、實際測試系統輸入輸出之間的關系

實際測試系統是非理想定常線形系統，輸入輸出之間的關系是通過實驗方法測到的，通常是一條曲線——定度曲線。3、描述靜態(tài)特性的參數（1）非線性度：定度曲線與擬合直線的接近程度。非線性度常用百分數表示2021/6/2713擬合直線的確定，常用的主要有兩種：端基直線和獨立直線。（1）端基直線是指通過測量范圍的上下限點的直線。顯然用端基直線來代替實際的輸入、輸出曲線，其求解過程比較簡單，但是其非線性度較差。（2）獨立直線是指使輸入與輸出曲線上各點的線性誤差

最小的直線。2021/6/2714（2）靈敏度☆作用：用來描述測試系統對輸入信號變化的一種反應能力。1、對于定常線性系統，其靈敏度恒為常數。2、實際的測試系統，靈敏度為定度曲線上該點處切線的斜率。3、量綱：取決于輸入和輸出量的單位。2021/6/2715（3）分辨力：測試系統所能檢測出來的輸入量的最小變化量。通常是以最小單位輸出量所對應的輸入量來表示。數字測試系統－－輸出顯示系統的最后一位模擬測試系統－－輸出指示標尺最小分度值的一半即回程誤差（4）回程誤差：同一輸入量的兩條定度曲線之差的最大值與標稱的輸出范圍A之比。2021/6/27165.漂移：指測試系統在輸入不變的條件下，輸出隨時間而變化的趨勢。產生原因：儀器自身結構參數的變化；周圍環(huán)境的變化（如溫度、濕度等）對輸出的影響。最常見的漂移是溫漂，即由于周圍的溫度變化而引起輸出的變化。進一步引起測試系統的靈敏度和零位發(fā)生漂移。零點漂移靈敏度漂移2021/6/2717二、傳感器的動態(tài)特性

傳感器的動態(tài)特征是指在輸入量隨時間變化時,測試系統對輸入信號的響應特性。1、動態(tài)特性的描述方法（1）時域微分方程2021/6/2718在初始條件為零的前提下，定義傳遞函數其中s為復變量，特點：（2）傳遞函數

只反映系統本身的輸出特性,與輸入和初始狀態(tài)無關。

只反映系統的傳輸特性,與系統具體的物理結構無關。

分母中的最高次冪n代表系統微分方程的階數。2021/6/2719求法：對系統的微分方程作拉普拉斯變換求得。例1：求一階系統的傳遞函數，系統微分方程為例2：求振動系統的傳遞函數。2021/6/2720（3）頻率響應函數在初始條件為零的前提下，定義頻率響應函數求法：

即得(1)若已知,則在中，令，將其代入(2)若已知微分方程，作傅里葉變換，則(3)用實驗方法求得：在初始條件全為零的條件下，同時測得輸入和輸出，由其傅里葉變換求得。2021/6/2721物理意義：描述了系統的頻率特性。系統的幅頻特性系統的相頻特性

描述系統的簡諧輸入和其穩(wěn)態(tài)輸出的關系，不包含瞬態(tài)響應信息。例1:已知系統的頻率響應函數，求其幅頻特性和相頻特性及作圖。2021/6/2722例２：設，，求系統的穩(wěn)定輸出。（4）脈沖響應函數系統的輸入為單位脈沖函數,即時，系統的輸出即為脈沖響應函數。它是對測試系統動態(tài)特性的時域描述。系統的動態(tài)特性描述頻域－頻率響應函數復數域－傳遞函數時域－脈沖響應函數拉普拉斯變換對傅里葉變換對2021/6/2723h(t)H(s)H(

)傅里葉變換拉普拉斯變換s=j

傳遞函數、頻率響應函數、脈沖響應函數的關系：2021/6/2724二、環(huán)節(jié)的串聯和并聯任何高階系統均可看成若干個一階系統或二階系統的串聯或并聯。1.環(huán)節(jié)的串聯兩個傳遞函數分別為和的環(huán)節(jié)串聯，假設它們之間沒有能量交換，在初始條件為零的情況下，串聯后的系統傳遞函數為：2021/6/2725若系統由n個環(huán)節(jié)串聯而成，其傳遞函數為相應地，系統的頻率響應為其幅頻特性：相頻特性：2.環(huán)節(jié)的并聯系統總輸出為若系統由n個環(huán)節(jié)并聯而成，其傳遞函數為系統的頻率響應為2021/6/27263.負載效應：實際情況下各環(huán)節(jié)相聯時，后環(huán)節(jié)總是成為前環(huán)節(jié)的負載，環(huán)節(jié)間總是存在著能量交換和相互影響，以致系統的傳遞函數不再是各組成環(huán)節(jié)傳遞函數的疊加或相乘。某系統由于后接另一系統而產生的種種現象。VER1R2Rm2021/6/2727三、實現不失真測試的條件一、不失真?zhèn)鬏敎y試系統０ｔ２３１０ｔ當輸出信號為時，系統就實現了不失真?zhèn)鬏敗?021/6/2728二、不失真測試條件輸入為，輸出為傅里葉變換可得：系統的頻率響應為幅頻特性：相頻特性：測試系統不失真測試的條件。002021/6/2729思考題：若系統問此系統是否滿足不失真測試條件？例1:已知系統的幅頻特性和相頻特性如圖，對于輸入，求輸出，判斷是否失真。1002021/6/2730100例2:已知系統的輸入，判斷是否失真。例3:已知系統的輸入，判斷是否失真。2021/6/2731電阻式傳感器一、變阻式傳感器1.結構：2021/6/27322.測量電路：不考慮外接電路影響時：考慮外接電路影響時：2021/6/27333.特點：(1)結構簡單、使用簡便、穩(wěn)定性好。(2)分辨力低，受電阻絲直徑的限制。適合大位移的測量。(3)噪聲大。二、電阻應變式傳感器1.結構：絲式、箔式、金屬膜片2.工作原理：基于金屬的電阻應變效應。若金屬絲的長度為L，截面積為S，電阻率為ρ，其未受力時的電阻為R，則:2021/6/2734如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形，靈敏度：3.特點：金屬應變片的靈敏度較低，但其溫度穩(wěn)定性好，可用于對精度要求較高的測量。2021/6/2735三、壓阻式傳感器1.原理：壓阻效應靈敏度：2021/6/2736兩種應變片在工作原理上的區(qū)別：金屬應變片－金屬材料受力后幾何變形→電阻的相對變化半導體應變片－半導體材料受力后電阻率變化→電阻的相對變化2.特點：優(yōu)點：靈敏度高，分辨率高，橫向效應，機械滯后小。缺點：溫度穩(wěn)定性差，在較大應變下，非線性誤差大。3.類型：半導體應變式傳感器、擴散型壓阻式傳感器2021/6/2737三、應變片的應用1.直接測定結構的應變或應力。2.作為傳感器的測量參數。四、轉換電路

應變電壓或電流的變化2021/6/27384.4電感式傳感器

一、可變磁阻式傳感器按結構型式變氣隙式螺管式變面積式2021/6/2739線圈自感量為當氣隙較小，且不考慮磁路的鐵損時，總磁阻于是，1.變氣隙式：靈敏度特點：靈敏度高，線性誤差小，適于測小位移。2021/6/27402.變面積式靈敏度特點：線性度好，量程大，但靈敏度較低。2021/6/27413.螺管式當鐵芯在線圈中運動時，將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。特點：靈敏度低，但測量范圍大，適用于較大位移測量。2021/6/27424.差動式5.測量電路:交流電路2021/6/2743二、電渦流式傳感器原理：利用金屬體在交變磁場中的渦流效應。按電渦流在導體內的貫穿情況高頻反射式低頻透射式1.高頻反射式可以作為位移、振動測量，也可進行材質鑒別或探傷、測溫度等。2021/6/27442.低頻透射式適于測量金屬材料的厚度。2021/6/27453.特點：結構簡單，安裝方便，靈敏度高，抗干擾能力強。4.應用電感式紙頁厚度測量儀原理圖2021/6/2746三、差動變壓器式傳感器原理：利用電磁感應中的互感現象。1.互感現象2.差動變壓器式傳感器(1)結構變氣隙式變面積式螺管式2021/6/2747(2)原理(3)特點：精度高，線性范圍大，穩(wěn)定性好。2021/6/27484.5電容式傳感器一、工作原理為真空介電常數，分類變－面積變化型變－介質變化型變－極距變化型2021/6/27491.極距變化型C與成反比關系。靈敏度為使用時，減小初始極距來提高靈敏度。由于電容量C與極距δ呈非線性關系，將引起非線性誤差。為了減小這一誤差，通常規(guī)定測量范圍實際應用中常采用差動形式，可使靈敏度提高一倍。特點：靈敏度高，有線性誤差，適于小位移測量。2021/6/27502.面積變化型(1)直線位移型若兩極板間相互覆蓋長為，寬為，覆蓋面積為則電容靈敏度2021/6/2751(2)角位移型若覆蓋面積對應的中心角為，極板半徑為r

，覆蓋面積為

則電容靈敏度2021/6/2752(3)圓柱體線位移型動板左右移動時，，則電容靈敏度2021/6/2753(4)差動圓柱體線位移型動板上下移動時，上下兩個電容量一增一減。特點：線性關系好，量程大；與極距變化型相比，靈敏度較低。適用于較大角位移及直線位移的測量。2021/6/27543.介電常數變化型

(1)測厚度、位移介質層的溫度、濕度、厚度變化時，變化，從而引起變。(2)測液面高度2021/6/2755二、測量電路被測量→電容變化→電壓、電流、頻率變化1.交流電橋2.運算放大器電路：可解決極距變化型電容傳感器的非線性問題。2021/6/2756三、電容傳感器特點與應用

1.優(yōu)點:(1)輸入能量小而靈敏度高。(2)信噪比大，穩(wěn)定性好。(3)動態(tài)特性好，可用于動態(tài)測量。(4)能量損耗小。(5)結構簡單，適應性好。2.缺點:(1)極距變化型，非線性大。(2)電纜分布電容影響大。解決辦法：利用測量電路。解決辦法：利用集成電路；采用屏蔽電纜。2021/6/27573.應用舉例(1)電容式測厚儀(2)電容式轉速傳感器2021/6/27584.6壓電式傳感器

工作原理是以某些物質的壓電效應為基礎。既可將機械能→電能，又可將電能→機械能。一、壓電效應

1.壓電效應：2.逆壓電效應（電致伸縮效應）：施加電場，這些物質就在一定方向上產生機械變形或機械應力，當外電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失。如果在這些物質的極化方向時，在表面上將產生電荷；當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)的現象。某些材料，當沿著一定方向對其加力而使其變形2021/6/2759二、壓電材料及其特性具有壓電效應的敏感功能材料叫壓電材料。常用的壓電材料：壓電單晶體、壓電陶瓷、新型壓電材料1.壓電單晶體－石英()、鈮酸鋰()2021/6/27602.壓電陶瓷鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛特點：壓電常數大，靈敏度高，價格低廉。3.新型壓電材料2021/6/2761

在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，因此就構成一個電容器。其電容量為三、等效電路2021/6/2762電荷等效電路電壓等效電路壓電式傳感器適合作動態(tài)測量。2021/6/2763四、壓電元件常用的結構形式串聯

并聯適合以電壓作為輸出的場合。適合測量緩變信號和以電荷量作為輸出的場合。2021/6/2764五、應用壓電式壓力傳感器2021/6/2765壓力變送器加速度計力傳感器產品:壓電材料換能器2021/6/27664.7磁電傳感器包括磁電感應傳感器、霍爾傳感器。一、磁電感應傳感器(感應式傳感器、電動傳感器)

根據法拉第電磁感應定律，線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中會產生的感應電動勢

恒定磁通式變磁通式根據改變參數的不同2021/6/27671.恒定磁通式2021/6/27682021/6/27692.變磁通式常用來測量旋