《传感器与检测技术》学习资料.docx
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《传感器与检测技术》学习资料
0传感器与检测技术概念
传感器的定义:
传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。
敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分
转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的电信号部分。
传感器组成方框图
传感器的分类
按输入量分类:
位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器
按工作原理分类:
应变式、电容式、电感式、压电式、热电式
传感器技术的主要发展动向:
一是开展基础研究,发展新现象,开发传感器的新材料和新工艺;二是实现传感器的集成化与智能化。
1.发现新现象
2.开发新材料
3.采用微细加工技术
4.研究多功能集成传感器
5.智能化传感器
6.新一代航天传感器研究
7.仿生传感器研究
1传感器的特性
传感器的静态特性的主要指标(*概念)
1.线性度(书本5-7页)
2.迟滞:
传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出输入曲线不重合。
3.重复性:
指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。
4.灵敏度:
传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。
(书本8页)
5.分辨率:
指传感器能检测到的最小的输入增量。
6.稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化,有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。
7.多种抗干扰能力:
传感器对各种外界干扰的抵抗能力。
例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等,评价这些能力比较复杂,一般也不易给出数量概念,需要具体问题具体分析。
传感器的动态特性指标
1.与阶跃响应有关的指标:
时间常数
2.与频率响应特性有关的指标:
固有频率和阻尼比
2电阻式传感器
【1】电位器式电阻传感器
阶梯特性(书本24-26页)
电刷与相邻两匝线圈相继接触时电阻突然增加,特性曲线出现阶跃。
局部剖面和阶梯特性曲线图
应用(*书本29-30)
【2】应变片式电阻传感器
电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应,即在导体产生机械变形时,它的电阻值应发生变化。
设电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩),则:
金属丝伸长后几何尺寸变化
结论:
为电阻丝的灵敏系数,即单位应变所引起的电阻的相对变化。
它受两个因素的影响:
一是
它是由电阻丝几何尺寸改变引起的,对某种材料来说,它是常数;另一个是
,它是由电阻丝电阻率的改变而引起的,对于金属材料,其值也是常数,但往往比
小很多,可以忽略,故
对于金属材料,灵敏系数
将保持不变,即值是恒定的。
因此:
可见,当金属电阻丝受到外界应力的作用时,其电阻的变化与受到应力的大小成正比。
K与k0的关系
灵敏系数k
当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时,试件受力引起的表面应变,将传递给应变片的敏感栅,使其产生电阻相对变化ΔR/R。
理论和实验表明,在一定应变范围内ΔR/R与ε的关系满足下式:
定义k=(ΔR/R)/ε为应变片的灵敏系数。
它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时,引起的电阻相对变化(ΔR/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变ε之比。
*应变片的灵敏系数K并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数k0,一般情况下,k 应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。 因此,K值通常采用从批量生产中每批抽样,在规定条件下,通过实测来确定。 应用: 一、应变式测力传感器 二、应变式压力传感器 三、应变式扭矩传感器 3电感式传感器 优点: 结构简单可靠,输出功率大,抗干扰能力强,对工作环境要求不高,分辨率较高(如在测量长度时一般可达0.1um),示值误差范围的0.001—0.005,稳定性好。 缺点: 频率响应低,不宜用于快速动态测量。 电感式传感器种类很多,有利用自感原理做成的自感式传感器(通常称电感式传感器)和利用互感原理做成的差分变压器式传感器。 此外,还有利用涡流式传感器、利用压磁原理做成的压磁式传感器和利用互感原理做成的感应同步器。 【1】自感式传感器: 灵敏度及非线性(书本48页) 应用(书本52-53) 【2】涡流式传感器: 金属导体置于变化着的磁场中,导体内就会产生感应电流,称之为电涡流或涡流。 这种现象称为涡流效应。 应用(书本65页) 【3】压磁式传感器: 压磁效应;某些铁磁物质在外界机械力的作用下,某内部产生机械应力,从而引起磁导率的改变。 磁致伸缩: 某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形,有些伸长,有些则压缩。 4电容式传感器 工作原理: 由物理学可知,两个平行金属极板组成的电容器,如果不考虑其边缘效应,其电容为 式中ε--两个极板间介质的介电常数;εr--介质的相对介电常数;ε0--真空介电常数(ε0=8.85×10-12F/m);s--两个极板相对有效面积;d--两个极板间的距离优点: 1.温度稳定性好 2.结构简单,适应性强 3.动态响应好 4.可以实现非接触测量,具有平均效应 缺点: 1.输出阻抗高,负载能力差 2.寄生电容影响大 3.输出特性非线性 应用: 1.差分式电容压力传感器 2.电容式料位传感器 3.电容式位移传感器 5磁电式传感器 磁电式传感器是通过磁→电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。 【1】磁电感应式传感器 磁电感应式传感器也称为电动式传感器或感应式传感器,它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的原理工作的。 (发电机原理) 特点: 不需要供电电源 工作原理(书本88—90页) 动态特性分析(书本90—94页) 磁电式传感器直接输出感应电动势,所以任何具有一定工作频带的电压表或示波器都可以采用。 并且由于该传感器通常具有较高的灵敏度,所以一般不需要增益放大器。 但磁电感应式传感器是速度传感器,如要获取位移或加速度信号,就需配用积分电路或微分电路。 应用: 一、磁电感应式振动速度传感器 二、磁电感应式转速传感器 【2】霍尔式传感器 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量、如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。 霍尔效应: 一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中,如图5-20所示。 当有电流I流过时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。 这种现象称为霍尔效应。 霍尔式传感器是由霍尔元件所组成。 6压电式传感器 压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。 它的工作原理是基于压电材料的压电效应。 某些晶体或陶瓷: 当沿着一定方向受到外力作用时,内部就产生极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去掉后,又恢复到不带电状态;当作用力方向改变时,电荷的极性也随着改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 上述现象称为正压电效应。 反之,如对晶体施加一定变电场,晶体本身将产生机械变形,外电场撤离,变形也随着消失,称为逆压电效应。 压电材料: 石英、钛酸钡陶瓷 7光电式传感器(重点) 【1】光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后产生的电效应。 从传感器的角度看光电效应应可分为两大类型: 外光电效应和内光电效应。 红限频率: 每一种物体都有一个对应的光频阈值。 光电管及光电倍增管的工作原理是基于外光电效应。 光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的,为纯电阻元件,其阻值随光照增强而减小。 模拟式光电传感器的形式(书本137到138页): 吸收式反射式遮光式辐射式 【2】光纤传感器 光导纤维(书本140页) 光纤工作的基础是光的全内反射。 功能型光纤传感器可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型 【3】电荷耦合器件(CCD——Charge-CoupledDevices)是典型的固体图象传感器,它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发明的,它与光敏二极管阵列集成为一体,构成具有自扫描功能的CCD图象传感器。 CCD是一种半导体器件 CCD应用: 一、尺寸自动检测 二、缺陷检测 8热电式传感器(重点) 热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置,它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。 【1】热电阻(基本特性) 热电阻测温原理: 大多数金属的电阻率随温度升高而增大,即具有正温度系数。 材料: 铂和铜、铁和镍、(铟电阻和锰电阻) 分度表 【2】热电偶 分度表 热电效应(塞贝克效应): 热电偶产生的热电势称为温差电势或塞贝克电势,通称热电势。 回路中产生的电流称为热电流,导体A、B称为热电极。 测温时结点1置于被测的温度场中,称为测量端(工作端、热端);结点2一般处在某一恒定温度,称为参考端(自由端、冷端)。 接触电动势(书本162页) 单一导体的温差电动势(书本163页) ***热电偶基本定律(书本163到165页) 1.中间导体定律 2.标准电极定律 3.连接导体定律和中间温度定律 【3】热敏电阻 电阻-温度特性(书本172页) 热敏电阻的特性线性化(书本174页) 11集成智能传感器 【1】单片集成化智能传感器 智能传感器的定义: 就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。 智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。 智能传感器的功能 1.具有自动调零、自校准、自标定功能 2.具有逻辑判断和信息处理功能,能对被测量进行信号调理或信号处理(对信号进行预处理、线性化、或对温度、静压力等参数进行自动补偿) 3.具有自诊断功能 4.具有组态功能,使用灵活 5.具有数据存储和记忆功能,能随时存储检测数据 6.具有双向通信功能 智能传感器的特点 1.高精度 2.宽量程 3.多功能 4.自适应能力强 5.高可靠性 6.高性价比 7.超小型化,微型化 8.微功耗 9.高信噪比 【2】单片指纹传感器 生物识别技术的发展概况(书本212-213页) 三大特点: 人各有异终身不变随身携带 现代科学技术发展同时具备这三个特点的人体生物特征主要有指纹、虹膜(视网膜毛细血管分布图)和人体细胞的遗传基因(DNA) 识别率: 和其他生物识别系统一样,指纹识别系统的识别正确率也不可能达到100%。 根据标准错误率即可比较识别率的高低。 标准错误率有两种表述方法,一种是错误接受率(FAR),它表示冒名顶替者可能进入系统的百分比;另一种是错误拒绝率(FRR),即真正的注册用户不能进入系统的百分比。 12传感器的标定 静态标准是指没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测物理量)及环境温度一般为室温(20+-5摄氏度),相对湿度不大于85%,大气压力为7kPa的情况。 可靠性就是指产品在规定条件下、规定时间内,完成规定功能的能力。 14检测技术基础(***重点) 检测技术研究的主要内容是被测量的测量原理、测量方法、测量系统、测量系统和数据处理四个方面。 偏差式测量、零位式测量和微差式测量 (1)偏差式测量在测量过程中,用仪表指针的位移(即偏差)决定被测量的测量方法,称为偏差式测量法。 此方法测量过程比较简单,迅速,但精度较低。 压力表 (2)零位式测量在测量过程中,用指零仪表的零位指示,检测测量系统的平衡状态;在测量系统达到平衡时,用已知的基准量决定被测未知量的测量方法,称为零位式测量法。 采用零位式测量法进行测量时,优点是可以获得比较高的测量精度。 但是,测量过程比较复杂,在测量时,要进行平衡操作,花费时间长。 仅适用于测量变化缓慢的信号。 (3)微差式测量微差式测量法是综合了偏差式测量法与零位式测量法的优点而提出的测量方法。 这种方法是将被测的未知量与已知的标准量进行比较,并取得差值,然后,用偏差法测得此差值。 微差式测量法的优点是反应快,而且测量精度高,它特别适用于在线控制参数的检测。 测量数据处理方法: 1.测量误差: 就是测量值与真实值之间的差值,它反映了测量的精度。 (1)绝对误差: 是指测量结果的测量值与被测量真实值(真值)之间的差值。 (2)相对误差: 表示和比较测量结果的精确程度。 (3)引用误差: 它是指测量仪表中相对仪表满量程的一种相对误差。 电工仪表的精度等级就是用引用误差大小划分的 我国电工仪表的精度等级大小分为七级: 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0。 2.误差按其规律性分为三种,即系统误差、偶然误差和疏失误差。 (1)系统误差: 当我们对同一物理量进行多次重复测量时,如果误差按照一定的规律出现,则把这种误差称为系统误差。 系统误差包括仪器误差、环境误差、读书误差及由于调整不良、违反操作规程所引起的误差。 系统误差出现的原因 工具误差(又称仪器误差或仪表误差): 由于测量仪表或仪表组成元件本身不完善所引起的误差。 方法误差: 指由于对测量方法研究的不够所引起的误差。 定义误差: 由于对被测量的定义不够明确而形成的误差。 理论误差: 由于测量理论本身不够完善、而只能进行近似的测量所引起的误差。 环境误差: 由于测量仪表工作环境(温度、气压、湿度等)不是仪表校验时的标准状态,而是随时间在变化,从而引起的误差。 安装误差: 由于测量仪表的安装或放置不正确所引起的误差。 个人误差: 个人误差是指由于测量者本人不良习惯或操作不熟练所引起的误差。 (2)偶然误差: 由大量偶然因素的影响而引起的测量误{决定了测量的精密度、正态分布} (3)疏失误差: 由于测量者在测量时的疏忽大意而造成的,例如,仪表指示值被读错、记错,仪表操作错误,计算错误等。 疏失误差的数值一般都比较大,没有规律性。 系统误差、偶然误差、疏失误差之间的关系: 在测量中,若系统误差很小,称测量的准确度高,若偶然误差很小,称测量的精密度很高,若二者都很小,称测量的精确度很高;在工程测量中,有疏失误差的测量结果是不可取的;在测量中,系统误差与偶然误差的数量级必须相适应,即偶然误差很小(表现为多次重复测量的测量结果的重复性好),但系统误差很大是不好的,反之,系统误差很小,偶然误差很大,同样是不好的,只有偶然误差与系统误差两者数值相当才是可取的。 减小系统误差的方法: 1.引入更正值法 2.替换法 3.差值法 4.正负误差相消法 5.选择最佳测量方案 ***有效数字及其计算法则(书本289到291页) 15多传感器信息融合技术 传感器信息融合的定义: 它是将经过集成处理的多传感器信息进行合成,形成一种对外部环境或被测对象某一特征的表达方式。 单一传感器只能获得环境或被测对象的部分信息段,而多传感器信息经过融合后能够完善地,准确地反映环境的特征。 经过融合后的传感器信息具有以下特征: 信息冗余性、信息互补性、信息实时性、信息获取的低成本性。
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