传感器与自动检测技术

• ​传感器与检测技术概论

  • ​传感器基本功能

    • ​检测信号

    • ​信号转换

  • ​传感器组成

    • ​敏感元件

      • ​直接感受被测量

    • ​转换原件

      • ​非电量直接转换成电量

    • ​基本转换电路

  • ​传感器的分类

    • ​按入量分类

      • ​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

      • ​电阻式

      • ​电容式

      • ​电感式

      • ​压电式

      • ​热电式

    • ​按输出信号分类

      • ​模拟式传感器

      • ​数字式传感器

    • ​按敏感材料

      • ​半导体传感器

      • ​陶瓷传感器等

  • ​静态性与性能

    • ​定义

      • ​传感器的输出与输入之间的关系特性

    • ​分类

      • ​静态特性

        • ​被测量不随时间变化

          • ​描述：灵敏度，线性度等

          • ​输入量输出量的表示

            • ​

      • ​动态特性

        • ​被测量随时间变化快

    • ​传感器的无失真测试条件

      • 时域条件​

        • ​

      • ​频域条件

        • ​

• ​检测系统的误差合成

  • ​误差的分类

    • ​按表示方法划分

      • ​相对误差

        • ​实际相对

        • ​标称相对

        • ​满度相对误差

      • ​绝对误差

        • ​指示值与被测量值之间的代数差

          • ​

      • ​引用误差

        • ​

    • ​按误差出现的规律

      • ​系统误差

      • ​随机误差

      • ​粗大误差

    • ​按被测量随时间变化的速度

      • ​静态误差

      • ​动态误差

  • ​测量误差

    • ​真值

      • ​约定真值：对给定的目的而言

      • ​相对真值：满足相对规定准确度时来代替真值使用

    • ​标称值

      • ​计量或测量器具上标注的量值

    • ​市值

      • ​检测仪器指示或显示的值

  • ​随机误差及其处理

    • ​正态分布

      • ​对称性

      • ​抵偿性

      • ​单峰性，有界性

    • ​均匀分布

  • ​方差的估计值

    • ​

  • ​置信度：测量结果值得信赖的程度

    • ​置信区间

    • ​置信概率

    • ​超差概率

    • ​置信系数

  • ​系统误差的判别和确定

    • ​实验比对

    • ​原理分析与理论计算

    • ​改变外界测量条件

  • ​减小，消除误差

    • ​采用修正方法

    • ​采用交叉读数

    • ​采用半周期法

• ​常用传感器的工作原理（续）

  • ​热电偶传感器

    • ​定义：将温度变化转化为电动势变化

    • ​优点：结构简单、测量范围宽、准确度高、输出信号为电信号

    • ​工作原理

      • ​热电效应

        • ​两种不同的导体连接处温度不同，此时闭合回路有电流产生

        • ​热电式

          • ​温差电式

            • ​实在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一种电动势

            • ​公式

              • ​

          • ​接触电势

            • ​由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势

            • ​公式

              • ​

        • ​回路总电势

          • ​由导体材料组成的闭合回路，节点温度为T、T0如果T>T0则存在两个接触电势和温度电式

          • ​公式

            • ​

    • ​热电偶的基本定律

      • ​匀质导体定律

        • ​由一种军匀质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流；反之，如果有电流流动，此材料一定非匀质，热电偶必须用两种不同材料作为电极。

        • • ​检验两个热电极材料：同名极检验法

      • ​中间导体定律

        • ​在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。

        • ​用途：纯金属很多，合金更多

      • ​连接导体定律

        • ​如果不同两种导体材料组成热电偶回路接点温度分别为T1,T2电动势为E，当接点温度为T3,T4时电动势为E则

        • ​

        • ​用途：制定热电式分度表奠定温度为理论基础0度

      • ​参考电极定律

        • ​在工作端和自由端温度为T，T0时用导体A,B组成热电偶的热电动势等于AC热电动势和BC热电动势的代数和

        • ​

    • ​常用材料与结构

      • ​外形

        • ​接线盒、引出线套管、不锈钢保护套、固定螺纹

      • ​热电偶的种类

        • ​标准化热电偶

          • ​普通型热电偶

          • ​铠装热电偶

        • ​非标准化热电偶

      • ​材料

        • ​铂铑10-铂热电偶（S）

          • ​优点：准确度高、稳定性好、测温温区使用寿命长，物理化学性能良好

          • ​缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机器强度下降

          • ​铂铑30-铂铑6（B）

            • ​优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长

            • ​缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机器强度下降

        • ​镍铬-镍硅热电偶K

          • ​优点

            • ​线性度好、热电势较大、灵敏度较高，稳定性和复现性好

          • ​缺点

            • ​不能用于真空中

        • ​镍铬-铜镍热电偶E

          • ​该热电偶电动势大，灵敏度高宜制作热电偶推来测量微小温度变化

          • ​具有稳定性，抗氧化性能高价格便宜等优点，不能在高温下用于还原气氛中

    • ​冷端处理及补偿

      • ​当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为0度

      • ​补偿原因

        • ​热电偶热电式的大小是热端温度和冷端温度的函数差，为保证输出热电式是被测温度的单值函数，必须使冷端保持恒定；

        • ​热电偶分度表给出的热电式是以冷端温度0度为依据，否则会产生误差。

        • ​热电偶热端与冷端离的近，冷端暴露与空间，容易受温度的影响，因而冷端温度不恒定，需补偿。

      • ​冷端处理方法

        • ​补偿导线法

          • ​组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层

          • ​功能

            • ​实现了冷端迁移

            • ​降低了电路成本

          • ​分类

            • ​延长型

              • ​用字母X附在热电偶分度号后表示

            • ​补偿型

              • ​字母C附在热电偶分度号后表示

            • ​外型图

              • ​

        • ​热电偶冷端温度恒温法

          • ​适用于实验室中的精确测量和检定电偶的使用

          • ​参比端置于冰水混合物容器里，T0=0度

        • ​计算修正法

          • ​用普通室温计算出参比端实际温度T

          • ​计算公式

            • ​

        • ​冷端补偿电桥法

          • ​利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端变化而引起热电势的变化值

          • ​原理图

            • ​

    • ​应用

      • ​热电偶侧金属表面温度

      • ​测温应用

  • ​智能式传感器

    • ​智能式传感器的设计

      • ​硬件设计

        • ​微处理系统的设计

        • ​微处理器系统主要由中央处理器、存储器、总线结构、输入输出口组成

        • ​微处理器系统是智能式传感器的核心

        • ​任务在智能式传感器中微处理是用于数据处理仅仅起控制作用

        • ​字长较长，能处理较宽范围内的算术值

      • ​信号调理电路的设计

        • ​作用

          • ​一方面是将微弱的低电平信号放大到模数转换器所要求的信号电平

          • ​抑制干扰，降低噪声，保证信号检测的精度

        • ​信号调理电路中的放大器

        • ​测量放大器也称仪用放大器

        • ​程控测量放大器

      • ​A/D、D/A的设计

        • ​A/D转换器

          • ​外部特性主要是模拟信号的输入方式，数字量输出方式，启动外部的控制信号

          • ​分辨率

          • ​转换时间与转换频率

          • ​稳定性和抗干扰能力

        • ​D/A转换器

          • ​分辨率

          • ​转换时间

          • ​精度

      • ​软件设计

        • ​软件设计思想

          • ​模块化程序设计

          • ​由顶向下程序设计

          • ​结构化程序设计

            • ​顺序结构

            • ​条件结构

            • ​循环结构

        • ​数据处理算法

          • ​检索与分类

          • ​非线性特性的校正

    • ​主要功能

      • ​自校零、自标定、自动校正功能

      • ​自动补偿功能

      • ​自动采集数据，对数据进行预处理

      • ​自行检验、自选量程、自寻故障

    • ​组成

      • ​传感器单元

      • ​致动器单元

        • ​主要指标：最大应变量、弹性模量、频率带宽、线性范围

        • 材料：形状记忆合金、压电材料、电致和磁致伸缩材料，以及电测流体​

      • ​信息处理和控制

    • ​应用

      • ​航天国防科技和工农业生产等各个领域

      • ​医学领域

        • ​测量糖尿病患者的血糖浓度水平

• ​常用传感器的工作原理

  • ​电阻式传感器

    • ​电阻式传感器一般是利用电阻应变效应，由电阻应变片和弹性敏感元件组

    • ​应变效应

      • ​导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象

      • ​

      • ​结构类型

        • ​金属应变片

          • ​金属丝式

            • ​优点：稳定性和温度特性好

            • ​缺点：灵敏度系数高

          • ​箔式

          • ​薄膜式

        • ​半导体应变片

      • ​应变片的材料选择

        • ​K应尽量大

        • ​电阻率要大

        • ​电阻温度系数要小

        • ​优良加工焊接性能

    • ​测量电路

      • ​应变转化为电阻的变化

        • ​电压灵敏度

          • ​

          • ​电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压

          • ​电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数

      • ​减小克服非线性误差：差动电桥

    • ​半导体应变片

      • ​工作原理：压阻效应

      • ​

    • ​应用

      • ​桥梁固有频率检测

      • ​电子秤等

  • ​电感式传感器

    • ​工作原理

      • ​结构：线圈、铁芯、衔铁组成

      • ​衔铁移动气隙厚度变化，磁阻变化，线圈电感值变化

      • ​变气隙式自感传感器

        • ​特点：线性度差、市值范围窄、自由行程小

      • ​差动变隙式电感传感器

      • ​线管型电感传感器

      • ​变面积型电感传感器

    • ​零点残余电压

      • ​定义：衔铁处输出电压为0，实际不为零，存在某个值，这个不为零电压

      • ​产生原因

        • ​两电感线圈的等效参数不对称

        • ​铁芯磁路存在非线性

      • ​减小的方法

        • ​提高对称性

        • ​减少电源谐波成分

        • ​采用电路补偿等

    • ​应用

      • ​接触测量：位移测量、振动、压力、流量

    • ​测量转换电路

      • ​查分相敏检波电路

      • ​差分整流电路

        • ​电流输出型

          • ​全波电流输出型

          • ​半波电流输出型

        • ​电压输出型

          • ​全波电压输出型

          • ​半波电压输出型

      • ​差动整流电路

      • ​相敏整流电路

  • ​电涡流式传感器

    • ​传感器基本工作原理

      • ​基于法拉第电磁感应原理

      • ​基于电涡流效应制成的传感器

      • ​分类

        • ​高频反射型

        • ​低频透射型

      • ​传感器特点

        • ​可实现非接触测量

        • ​灵敏度高、抗干扰能力强

        • ​频率响应宽、体积小

    • ​结构与测量转换电路

      • ​传感器结构组成

        • ​线圈、线圈管架、壳体、输出电缆、接插件等

      • ​测量转换电路

        • ​调幅式AM

          • ​

        • ​调频式FM

          • ​

    • ​应用

      • ​位移测量

        • ​定量测量：厚度、形状、电导率等

        • ​定性测量：开关、报警

      • ​振幅测量

      • ​转速测量

      • ​涡流探伤

      • ​厚度测量

  • ​压电式传感器

    • ​工作原理

      • ​机械能转化为电能、电能转化为机械能

      • ​特点：体积小、重量轻、工作频带宽

      • ​压电材料

        • ​压电晶体：石英晶体

        • ​压电陶瓷：人工多晶体

          • ​陶瓷片极化

          • ​正电压效应

        • ​有机压电材料

          • ​压电半导体

          • ​高分子压电材料

    • ​等效电路及信号变换电路

      • ​压电元件的等效电路

        • ​电荷等效

          • ​

        • ​电压等效

          • ​

      • ​压电式传感器的信号调理电路

        • ​作用

          • ​微弱信号放大

          • ​高阻抗变换为低阻抗

        • ​电压放大器

        • ​电荷放大器

    • ​应用

      • ​动态作用力

      • ​加速度的测量

      • ​压力

      • ​压电式加速度传感器

      • ​压电式测力传感

      • ​压电式压力传感器

      • ​声震动报警器

  • ​热电式传感器

    • ​集成温度传感器组成

      • ​温度敏感器件、信号放大电路、温度补偿电路等

    • ​分类

      • ​模拟集成温度传感器

        • ​电压输出型

        • ​电流输出型

      • ​数字集成温度传感器

      • ​逻辑输出型温度传感器

    • ​特性

      • ​线性度好

      • ​灵敏度高

      • ​输出信号大

      • ​外围电路简单

      • ​测温范围小

    • ​应用

      • ​电流型集成AD590系列

      • ​电压型集成AN6701S、LM35

      • ​数字输出型DS18B20

  • ​光电式传感器

    • ​定义：光元件作为转换原件

    • ​用途：光信号转换为电信号，测量光强、光照度

    • ​特点：结构简单、精度高、相应快、非接触

    • ​光电式对射管

      • ​作用

        • ​浊度检测

        • ​烟雾检测

        • ​循迹、避障

    • ​光电效应及其光元件

      • ​外光电效应

      • ​内光电效应

        • ​光电导效应

        • ​光生伏特效应

          • ​光电池、光敏二极管、三极管

      • ​光电转换器件

        • ​外光电转换器件

          • ​光电管

          • ​光电管增管

          • ​光电倍增管

            • 灵敏度高，信噪比大，线性好​

        • ​内光电转换器件

          • ​光敏电阻

          • ​光电池

    • ​应用

      • ​光电比色温度计

      • ​光电式烟尘浓度计

      • ​反射式烟雾报警器

  • ​霍尔传感器

    • ​工作原理

      • ​霍尔效应

    • ​基本电路

      • ​组成：霍尔片、四根引线、壳体

    • ​应用

      • ​微位移和压力测量

      • ​磁场的测量

    • ​主要特性参数

      • ​灵敏度K、输出电阻、输入电阻、电阻温度系数等

      • ​最大激励电流

      • ​温度误差及其补偿

        • ​减小温度误差

          • ​采用温度系数小的原件

          • ​恒温措施

          • ​恒流源供电

    • ​优点：结构简单、体积小、重量轻、频带宽

  • ​光纤传感器

    • ​特点

      • ​电绝缘性能好、抗电磁干扰能力、非入侵性

    • ​应用

      • ​测量位移、速度、加速度、液位、压变、流量

      • ​光纤转速传感器、电式光纤液位、光纤高温温度、气体成分传感、光谱

    • ​原理：利用全反射原理，光导纤维输出光信号

      • ​单模光纤

      • ​多模光纤

    • ​基本组成：光源、光纤、传感头、信号处理电路

  • ​超声波传感器

    • ​产生超声波和接收超声波的装置

    • ​应用

      • ​超声波传播时间、目标探测、流量液位探测

    • ​特点

      • ​精度高、被测物体不受影响

    • ​结构

      • ​直探头、斜探头、双探头和液浸探头

    • ​工作原理

      • ​压电式、磁致伸缩式、电磁式

  • ​红外传感器

    • ​红外探测器

      • ​组成：由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元

      • ​热探测器

        • ​：热释电型、热敏电阻型、热电偶

        • ​特点：不需冷却、相应时间长

      • ​光子探测器

        • ​光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电池

        • ​特点：灵敏度高、响应速度快、一般在低温下工作

    • ​应用

      • ​红外测温仪

        • ​特点：远距离、非接触、反应速度快、准确度高、应用广泛

      • ​红外热成像

      • ​条形码扫描器，打印机