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1、第一章 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。,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。,2.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(tǒng)中的后續(xù)環(huán)節(jié)。,人體系統(tǒng)與機器系統(tǒng)的對應關系,復雜測試系統(tǒng)(振動測量),簡單測試系統(tǒng)(紅外體溫),3. 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,4.分類 ：,5 .傳感器選用原則,1.靈敏度：傳感器的靈敏度

2、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(nèi)盡量保持不失真。,4.穩(wěn)定性：經(jīng)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,6. 傳感器技術的應用,1、日常生活,在家電產(chǎn)品和辦公自動化產(chǎn)品設計中，人們大量的應用了傳感器和測試技術來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。,全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)

3、傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)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,透光率傳感器,（1）產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)量進行測量和出廠檢驗。,2、機械行業(yè),（4）故障診斷,（5）其他應用,航天,農(nóng)業(yè),交通,醫(yī)療,第二章 傳感器的基本特性,1、理想定常線性系統(tǒng)輸入輸出關系：,在靜態(tài)測量時，,理想定常線性系統(tǒng)呈單調(diào)、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(shù)。,2、實際測試系統(tǒng)輸入輸出之間的關系,實際測試系統(tǒng)是非理想定常線形系統(tǒng)，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

4、、描述靜態(tài)特性的參數(shù),（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(shù)表示,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）靈敏度 ,作用：用來描述測試系統(tǒng)對輸入信號變化的一種反應能力。,1、對于定常線性系統(tǒng)，其靈敏度恒為常數(shù)。,2、實際的測試系統(tǒng)，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。,（3）分辨力：測試系統(tǒng)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。,

5、數(shù)字測試系統(tǒng)輸出顯示系統(tǒng)的最后一位,模擬測試系統(tǒng)輸出指示標尺最小分度值的一半,5.漂移：指測試系統(tǒng)在輸入不變的條件下，輸出隨時間而變化 的趨勢。,產(chǎn)生原因：儀器自身結構參數(shù)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(tǒng)的靈敏度和零位發(fā)生漂移。,零點漂移,靈敏度漂移,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(tǒng)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,在初始條件為零的前提下，定義傳遞函數(shù),其中s為復變量，,特點：,（2）傳遞函數(shù),只反映系統(tǒng)

6、本身的輸出特性,與輸入和初始狀態(tài)無關。 只反映系統(tǒng)的傳輸特性,與系統(tǒng)具體的物理結構無關。 分母中的最高次冪n代表系統(tǒng)微分方程的階數(shù)。,求法：對系統(tǒng)的微分方程作拉普拉斯變換求得。,例1：求一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，系統(tǒng)微分方程為,（3）頻率響應函數(shù),在初始條件為零的前提下，定義頻率響應函數(shù),求法：,(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。,物理意義：描述了系統(tǒng)的頻率特性。,描述系統(tǒng)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(tǒng)的頻率響應函數(shù) ，求其幅頻 特性和相頻特性

7、及作圖。,（4）脈沖響應函數(shù),頻域頻率響應函數(shù),復數(shù)域傳遞函數(shù),時域脈沖響應函數(shù),,,,,拉普拉斯變換對,傅里葉變換對,傳遞函數(shù)、頻率響應函數(shù)、脈沖響應函數(shù)的關系：,二、環(huán)節(jié)的串聯(lián)和并聯(lián),任何高階系統(tǒng)均可看成若干個一階系統(tǒng)或二階系統(tǒng)的串聯(lián)或并聯(lián)。,1.環(huán)節(jié)的串聯(lián),若系統(tǒng)由n個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，其傳遞函數(shù)為,相應地，系統(tǒng)的頻率響應為,其幅頻特性：,相頻特性：,2.環(huán)節(jié)的并聯(lián),,,系統(tǒng)總輸出為,若系統(tǒng)由n個環(huán)節(jié)并聯(lián)而成，其傳遞函數(shù)為,系統(tǒng)的頻率響應為,3.負載效應：,某系統(tǒng)由于后接另一系統(tǒng)而產(chǎn)生的種種現(xiàn)象。,三、 實現(xiàn)不失真測試的條件,一、不失真?zhèn)鬏?當輸出信號為 時，系統(tǒng)就實現(xiàn)了不失真?zhèn)鬏?/p>

8、。,二、不失真測試條件,傅里葉變換可得：,系統(tǒng)的頻率響應為,幅頻特性：,相頻特性：,測試系統(tǒng)不失真測試的條件。,電阻式傳感器,一、變阻式傳感器,1.結構：,2.測量電路：,不考慮外接電路影響時：,考慮外接電路影響時：,3.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。,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。,三、壓阻式傳感器,1.原理：壓阻效應

9、,靈敏度：,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,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(shù)。,四、轉換電路,應變 電壓或電流的變化,4.4 電感式傳感器,一、可變磁阻式傳感器,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

10、位移。,2.變面積式,靈敏度,特點：線性度好，量程大，但靈敏度較低。,3.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。,4.差動式,,,,,,,5.測量電路:交流電路,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。,1.高頻反射式,可以作為位移、振動測量， 也可進行材質(zhì)鑒別或探傷、 測溫度等。,2.低頻透射式,適于測量金屬材料的厚度。,3.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,三、差動變壓器式傳感器,原理：利用電磁感應中的互感現(xiàn)象。,1.互感現(xiàn)象,2.差動變壓

11、器式傳感器,(2)原理,(3)特點：精度高，線性范圍大，穩(wěn)定性好。,4.5 電容式傳感器,一、工作原理,為真空介電常數(shù)，,1.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。,2.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,(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,(3)圓柱體線位移型,動板左

12、右移動時， ，,則電容,靈敏度,,(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。,3.介電常數(shù)變化型,,,,,,,介質(zhì)層的溫度、濕度、厚度變化時， 變化，從而引起 變。,(2)測液面高度,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。,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

13、) 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。,3.應用舉例,(1)電容式測厚儀,(2)電容式轉速傳感器,4.6 壓電式傳感器,工作原理是以某些物質(zhì)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）：,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( ),2.壓電陶瓷,鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛

14、,特點：壓電常數(shù)大，靈敏度高，價格低廉。,3.新型壓電材料,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,,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。,四、壓電元件常用的結構形式,,串聯(lián) 并聯(lián),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。,五、應用,,壓電式壓力傳感器,壓力變送器,加速度計,力傳感器,產(chǎn)品:,壓電材料換能器,4.7 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(jù)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

15、所在磁場的磁通變化時，線圈中會產(chǎn)生的感應電動勢,恒定磁通式,變磁通式,根據(jù)改變參 數(shù)的不同,1.恒定磁通式,2.變磁通式,常用來測量旋轉物體的角速度。,二、霍爾傳感器,霍爾效應：金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢。,1.工作原理,霍爾電勢:,利用霍爾元件基于霍爾效應將被測量轉換成電動勢輸出。,2.霍爾元件,目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、 砷化銦(InAs)等半導體材料。,3.應用,4.特點,體積小，結構簡單，使用方便，可用于非接觸測量，但受溫度影響較大。,,4.8 光電傳感器將光信號轉換成電信號的光敏器件,

16、一、光電效應,工作原理：基于半導體材料的光電效應。,1.外光電效應金屬中的自由電子吸收光能而逸出金屬表面的 現(xiàn)象。如光電管，光電倍增管。,2.內(nèi)光電效應,光電導效應光敏電阻、光敏二極管、三極管,光生伏特效應光電池,可用于檢測直接引起光強度變化的非電量，也可檢測能轉換成光量變化的其他非電量。,二、光電器件,1.光敏電阻,工作原理：光電導效應。,2.光電池,工作原理：光生伏特效應。,利用光電池檢查零件表面的缺陷。,三、光敏晶體管,光敏二極管：,光敏三極管：,特點：靈敏度高，響應快，有良好的溫度穩(wěn)定性和低工作電 壓的優(yōu)點。,三、光電式傳感器的形式,按接收狀態(tài),模擬式光電傳感器,脈沖光電傳感器,吸收式,反射式,遮光式,輻射式,