传感器复习归纳总结

1 / 83 传感器复习归纳总结 红色为重点，最低要求概念要理解，背下来 ? 智能传感器与传感系统介绍 ? 传感器系统的基本特性与技术指标 ? 非线性自校正 ? 自校准 ? 自补偿 ? 增益的自适应控制 ? 传感器系统的自检 ? 自诊断 ? 噪声抑制与弱信号检测 2 / 83 ? 多传感器 信息融合 ? 模糊技术 ? 人工神经网络技术 ? 总线技术概述 ? IEEE 1451 标准 ? 无线传感器网络概述 ? WSN 支撑技术 ? 蓝牙技术 ? ZigBee 技术 ? 蓝牙与 zigbee的对比优缺点 1、智能传感系统的概念： 3 / 83 传感器与微处理器赋予智能的集合，兼有信息检测与信 息处理功能的传感器 (系统 ) 2、传统传感器的缺点 结构尺寸大，时间频率响应特性差； 输入输出存在非线性，且随时间漂移； 参数易受环境条件变化的影响而漂移； 信噪比低，易受噪声干扰； 存在交叉灵敏度，选择性、分辨性不高。 3、传 统传感器由三部分组成： 敏感元件 信号调理模块 4 / 83 传感器接口 4、 Smart传感器整机内的硬件结构可以概括为： 传感器 +微处理器 +无线接口。 5、智能传感器的功能 ?自我完善能力方面：改善静态性能提高系统响应速度抑制交叉敏 感 ?自我管理和自适应能力方面： 具有自检验、自判断、自寻故障、自恢复功能； 具有判断、决策、自动量程切换与控制功能。 ?自我辨识与运算处理能力方面 具有从噪声中辨识微弱信号与消噪的功能 具有多为空间的图像辨别与模式识别功能 具有数据自动采集、存储、记忆与信息处理功能。 5 / 83 ?交互信息能力方面 双向通信 标准化数字接口 以及拟人类语言符号等多种输出功能。 6、智能传感器的特点 精度高高可靠性与高稳定性高信噪比与高分辨率 强自适应性较高的性价比 7、目前智能传感器实现沿着 3条途径： 非集成化实现 将传统的经典传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统。 6 / 83 集成化实现 集成化实现智能传感系统的两个基础： a、大规模集成电路工艺技术 将由硅材料制 作的敏感元件、信号调理电路、微处理单元集成在一块芯片上。 b、现代传感器技术 1）现代传感器特征：以具有优良电性能、机械性能极好的硅材料为基础；极高精度的加工技术。 2） 集成 /固态传感器特点：微型化、结构一体化、精度高、多功能、阵列式。 混合式实现 (来自 : 海 达范文网 :传感器复习归纳总结 ) 根据不同的要求，将系统各个环节以不同的组合方式集成在两块或者三块芯片上，并装在一个外壳里，实现混合集成。 7 / 83 8、现场总线仪表的主要特点 具有多种基本的智能化功能，可以用于改善静态、动态特性，提高精度和稳定性。 具有控制与基本参数存储功能，可实现自我管理并提高自适应能力。 开放性与互换性。 带有数字总线接口，实现通讯功能。 第二章 1、静态特性与静态技术指标 1）静态参数：零位；量程；灵敏度；分辨率 2）静态性能指标：迟滞；重复性；线性度；准确度和温度系数与温度附加误差。 8 / 83 2、动态特性与动态技术指标 1)动态特性：时域中的微分方程、复频域中的传递函数 H(s)、频率域中的频率特性 H(jw)。 2 动态技术指标：时间常数 ，无阻尼固有角频率 0 非线性自校正 3、概念：智能化非线性自动校正技术是通过软件来实现的。前提是传感器的输入 输出特性具有重复性。 4、采用方法 : 查表法就是对非线性校正曲线进行分段线性插值的方法。 曲线拟合法 :核心思想是利用次多项式来实现非线性校正曲线，多项式的系数由最小二乘法确定。 自校准 5、通过与微处理器的结合，实现了零位漂移和灵敏度的自动校正。 6、实现自校准功能的方法一 9 / 83 标准发生器首先产生标准电压和零点标准值，然后微处理器控制多路分时段选通，以分别选通标准电压和零点标准值，并记录下这两种情况下的调理电路输出，从而最终消除零点漂移和灵敏度漂移对传感器性能的影响。 实现自校准功能的方法二 方法二和方法一的 区别，在于方法二能够实现自校准包含传感器在内的整个传感器系统。 实现自校准功能的方法三 原理上讲可通过增加标定点数的方法来实现，但为了增加标定的实时性，点数又不宜增加过多。因此，通常采用施加三个标准值的标定方法。 1 依次输入三个标准值得到对应输出 2 列出非线性自校准曲线： , 应用最小二乘法求得系数。 3求出系数后， 智能传感器即转入测量状态，根据传感器的输出结果反推至传感器输入端，即可得到校准后的真实传感10 / 83 器输入信号。 自补偿 7、温度补偿 关键问题：把温度引起的干扰信号分离出来，而干扰信号包含零点漂移和灵敏度漂移两部分。 经典传感器 -采用结构对称方式来消除其影响。 智能传感器 -采用监测补偿法，即通过对干扰量的监测，再经过相应的软件处理来达到误差补偿的目的。 8、零点漂移补偿 前提：传感器的特性具有重复性。 ? 基本思想：假定传感器的工作温度为 T，则在传感器输出值 U中减去该工作温度下对应的零点电压 U0。 ? 关键：先测出传感器的零点漂移特性，并保存至11 / 83 内存中。 9、常用的温度补偿方法： . 在压阻式压力传感器的温度变化范围内，分成多组测量不同温度下的特性，然后，根据实际工作温度插值获取所应施加的补偿电压。 . 采用非线性拟合的方法，拟合传感器输出与温度间的非线性关系，嵌入到微处理器中进行补偿。 10、频率补偿 频率补偿的实质：拓展智能传感器系统的带宽，以改善系统的动态性能。 (1)、数字滤波法 :：给当前传感器系统附加一个传递函数为H 的环节，于是新系统的总传递函数，可以满足动态性能要求。 (2)、频域校正法四步骤：采样、快速傅里变换、复数除法运算、快速傅里叶反变换 12 / 83 11、对于非温度传感器而言，温度是传感器系统中最主要的干扰量。 增益的自适应 12、 增益过小：数据字的容量会浪费信噪比可能很低测量误差大 增益过大：信息会因系统内的数据字信息容量不够而损失掉 13、增益自适应控制的出发点是固定增益电路出现了难以避免的不足，而增益自适应控制的优点也正是弥补了这个不足。 传感器的自检 14、定义： 智能传感器自动开始或人为触发开始执行的自我检验过程。 作用 : 对智能传感器系统的软硬件功能进行检测，给出检测结果以判断传感器的 13 / 83 性能，有助于提供智能传感器系统的可靠性。 实现方式： 1. 开机自检 2. 周期性自检 3. 键控自检 15、 ROM自检： 通常采用 “ 校验和法 ” ，在 ROM保存一个单元，写入校验字，使 ROM 中的每一列具有奇数个 “1” ，使ROM校验和全为 1，称 ROM 奇 16、特殊功能寄存器自检 标志寄存器的测试：将相应标志位置 “1” 执行一条条件转移指令 可读 /写寄存器的检查：通过先写入、再读出的方法来判断寄存器的正确性。 17、 RAM自检 RAM为空白： 目的：判断其能否正确写入和读出。 14 / 83 方法：写 入 “AA” ，逐字读出，检查是否存在问题；再写入“55” 以执行同样的过程，若没有问题则自检通过。 RAM已写入数据 采用 “ 异或 ” 的方法：先读出 RAM 单元中的数据，存入寄存器，将其求反后与原单元内容作 “ 异或 ” 运算，若结果全为“1” ，则表面单元工作正常。 18、总线自检 总线自检的目的：检查经过缓冲器的总线传递信息是否正确 CUP 首先对相应锁存器执行一条输出指令，使地址总线和数据总线上的信息保存在锁存器中。 对锁存器进行读入操作，即将锁存器中的地址和数据总线信息重新读入 CPU，并和原来的输出信息进行比较，即可判断出外部总线是否存在故障。 19、 A/D 和 D/A 自检、 I/O 接口电路自检、插件自检、显示面板自检等等 15 / 83 智能传感器设 计中，自检是必需的，自检项目越多，使用和维修越方便，但是相应的用于自检的软、硬件结构也越复杂。 自诊断 20、传感器故障诊断方法 硬件冗余方法解析冗余方法人工神经网络方法 21、硬件冗余方法核心思想： 对容易失效的传感器设置一定的备份，然后通过表决器的方法进行管理。 优点：不需被控对象的数学模型，且鲁棒性很强。 缺点：设备复杂，体积和质量很大，成本很高。 22、解析冗余方法的优缺点 优点： 能够定位故障来源，并可估计故障大小和严重程16 / 83 度。 不需增加硬件设备，成本较低。 缺点： 鲁棒性不强。 必须知道被控对象的精确数学模型 能够进行传感器的故障诊断，但不 能恢复故障传感器的信号。 噪声抑制技术和弱信号检测技术 23、噪声抑制技术： 滤波：噪声和信号频谱不重合 相关：噪声和信号频谱有重叠 24、弱信号检测技术 窄带滤波法： 17 / 83 利用信号的功率谱密度较窄，而噪声的功率谱密度相对很宽的特点，使用一个窄带通滤波器，将有用信号的功率提取处理。 锁定接收法 取样积分法 25、噪声与干扰有何区别？ 噪声： 扣除被测信号真实值之后的各个测量值，是由于材料或器件的物理原因引起的扰动。 不能完全消除，只能设法减小。 干扰： 可以减小或消除的外部扰动，由非被测信号或非被测量系统引起，是外界影响造成的，属于理想上可排除的噪声。 可以通过接地、屏蔽、滤波等手段加以消除或削弱。 18 / 83 多传感器信息融合 26、传感器互相之间工作方式主要分为三种： 互补方式、竞争方式、协同方式 27、信息融合的级别： 数据级：直接对传感器的原始数据进行融合处理 特征级：特征向量的融合处理 决策级：直接针对具体决策目标的，融合结果直接影响决策水平。 模糊技术 28、模糊关系表示两个以上集合元素之间关联、交互或互联存在或不存在的程度。 29、模糊综合评价一般步骤： 19 / 83 确定评价对象的因素集确定评语集作出单因素评价综合评价。 30、模糊传感器： 模糊传感器是以数值测量为基础，能产生和处理与其相关的符号信息，实现被测对象信息自然语言符号化的智能传感器。 基本功能：学习、推理联想、感知、通信 31、导师指导信号的获取步骤如下： 确定测量范围的上下限 选择论域上描述被测符号的个数 选择被训练概念 输入该被训练概念对应隶属度为 1的特征测量点 输入该被 训练概念对应的关键点 通过相应训练算法产生概念的隶属函数。 20 / 83 人工神经网络技术 32、神经网络是由多个简单的处理单元彼此按某种方式相互连接而形成的系统 , 按拓扑结构：有反馈 和无反馈； 按学习过程：有监督和无监督； 按网络性能：连续型和离散型。 33、神经网络的学习步骤 1）选定初始权值 2）用一组训练样例对网络进行训练，每一个样例都包括输入及期望的输出两部分 此份要重点看 1. 测量系统的静态特性指标主要有力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。 2. 霍尔元件灵敏度的物理意义是制电流时的霍尔电势的21 / 83 大小。 3. 光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面 后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应 ,这类元件有光电管、光电倍增管；第二类是 利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电 效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。 4.热电偶所产生的热电动势是温差电动势组成的，其表达式为 Eab=(T?T0)lnk eNAT?T0(?A?B)dT。在热电偶温度补偿中补偿导线法是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是 将热电偶的参考端移 至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。 22 / 83 5.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下， 其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。 相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象 称为负压电效应。 6. 变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁心时，铁心上的线圈电 感量 8. 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除外是线性的。 四、下面是热电阻测量电路，试说明电路工作原理 23 / 83 答：该热电阻测量温度电路由热敏电阻、测量电阻和显示仪表组成。 图中 G 为指示仪表， R1、 R2、 R3 为固定电阻， Ra为零位调节电阻。热电阻都通过电阻分别为 r2、 r3、 Rg 的三个导线和电桥连接， r2 和 r3 分别接在相邻的两臂，当温度变化时，只要它们的 Rg 分别接在指示仪表和电源的回路中，其电阻变化也不会影响电桥的平衡状态，电桥在零位调整时，应使 R4=Ra+Rt0 为电阻在参考温度时的电阻值。三线连接法的缺点之一是可调电阻的接触电阻和电桥臂的电阻相连，可能导致电桥的零 点不稳。 一、选择与填空题： 1. 变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量。 2. 在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，是线性的关系。 3. 在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感 M 的大小与一次侧线圈的匝数成，与二次侧线圈的匝数成，与回路中磁阻成。 24 / 83 4. 出信号的器件或装置，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件 和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。 5. 导体的温差电动势组成。 1. 简述霍尔电动势产生的原理。 答：一块长为 l、宽为 d 的半导体薄片置于磁感应强度为磁场中，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，也是霍尔电动势的产生原理。 2. 简述热电偶的工作原理。 答：热电偶的测温原理基于物理的 “ 热电效应 ” 。所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。两点间的温差越大，产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小， 就可测得温度的大小。 25 / 83 3. 以石英晶体为例简述压电效应产生的原理。 答：石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电 极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之，如对石英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，变形也随之消失，称为逆压电效应。 石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应 。 4. 简述电阻应变片式传感器的工作原理 答：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，它的电阻值相应发生变化。 5. 分析电位器式传感器由于测 量线的线路中的负载电阻 RL带来的负载误差，并计算它与位移 x 之间的关系。 26 / 83 Uo=U/+） =RL*Rx*U/(RL*Rx)+(Rmax-Rx)*(RL+Rx) =RL*Rx*U/ =(RL*Rx*U/Rmax ） / =RL*(U/Rmax） * 当 RL=无穷大时， Uo=(U/Rmax)*(X/L) 误差 E=RL*(U/Rmax） *-(U/Rmax)*(X/L) =(U/Rmax)*(X/L)(RL/) 二、下图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡 电桥的简化电路，图中 R2=R3=R 是固定电阻， R1 与 R4 是电阻应变片，工作时 R1受拉， R4受压， R=0 ，桥路处于平衡状态，当应27 / 83 变片受力发生应变时，桥路失去平衡，这时，就用桥路输出电压 Ucd 表示应变片变后电阻值的变化量。试证明：Ucd=-(R/R) 。 a R1 b Ucd R34 证明： R1?R?R R4?RE ?R RR2R?RE?E?2E 2R?R?RR?R?R4R?R E?R略去 ?R的二次项 ,即可得 Ucd? 2RUcd?Ucb?Udb? 三、什么叫做热电动势、接触电动势和温差电动势？说明热电偶测温原理及其工作定律的应用。分析热电偶测温的误差因素，并说明减小误差的方法。 答： 热电动势：两种不同材料的导体 A、 B 串接成一个闭合回路，并使两个结点处于不同的温度下，那么回路中就会存在热电动势。因而有电流产生相应的热电动势称为温差电动势或 塞贝克电动势，通称热电动势。 接触电动势：接触电动势是由两种不同导体的自由电子，其密度不同而在接触处形成的热电动势。它的大小取决于两28 / 83 导体的性质及接触点的温度，而与导体的形状和尺寸无关。 温差电动势：是在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一种电动势。 热电偶测温原理：热电偶的测温原理基于物理的 “ 热电效应 ” 。所谓热电 1.传感器的作用 传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。 传感器所检测的信号品种极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。 2.传感器定义： “ 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件组成 ” 。传感器有时也叫换29 / 83 能器、变换器、变送器或探测器。从定义中可看出传感器有两个功能：既敏感和变换。 3. 传感器通常由敏感元件、转换元件二部分组成，有时也将测量电路及辅助电源作为传感器的组成部分。 4.传感器的输出 输入关系特性就是传感器的基本特性。 传感器的静态特性是指传感器在被测量处于稳定状态时的输出 输入关系。 5 衡量传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、精确度、迟滞、重复性和分辨率等。 6 线性误差 (Linearity Error) 线性误差是指在规定条件下得出输出 -输入特性曲线与拟合直线 (fitting straight line)间最大偏差与满量程FS full span）输出值的百分比称为线性误差 7 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化量与输入变化量的比值，即 K=输出变化量 /输入变化量 =Y/X 30 / 83 灵敏度越高，系统反映输入微小变化的能力就越强。在电子测量中，灵敏度越高往往容易引入噪声并影响系统的稳定性及测量范围，在同等输出范围的情况下，灵敏度越大测量范围越小，反之则越大。 8. 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力 9，是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。 10.准确度指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。 11传感器的动态特性是指传感器在测量动态信号时，输出对输入的响应特性 12传感器的发展趋势 1）开发新型传感器 2）开发新材料 3）新工艺的采用 4）集成化、多功能化 5）智能化 第二章 光电式传感器 31 / 83 1.将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。 光电传感器的工作基础是光电效应。 2 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应 3. 光敏二极管的基本特性包括光谱特性、伏安特性、光照特性、温度特性好响应特性。 光敏管的光谱特性是指在一定照度时， 输出的光电流与入射光波长的关系 伏安特性 指在一定照度下的电流电压特性。当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大，在不同的照度下，伏安32 / 83 特性曲线几乎平行，所以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。 光照特性近于线性，即输出电流随光照线性增加。说明光敏二极管适合作检测元件 4. 2. 光敏电阻的主要参数 光敏电阻的主要参数有： (1) 暗电阻 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 (2) 亮电流 光敏电阻在受光照射时 的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 (3) 光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。 5 光敏电阻的基本特性 (1) 伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光电流I 和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。故光敏电阻不宜作定量检测元件，而常在自动控制中作光电 开关。 (3) 光谱特性 频率特性 实验证明，光敏电阻的光电流33 / 83 不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示 6 光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适 宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。 7 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源光电池的工作原理是基于“ 光生伏特效应 用光电池作 为测量元件时， 应把它当作电流源的形式来使用， 不宜用作电压源。 开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。 8 光电池应用 将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能， 34 / 83 即太阳能电池。将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率 9 利用物质在光照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。 光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述 10光电倍增管是光子技术器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、 浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。 11 电荷耦合器件 (CCD) 它以电荷作为信号 , 基本功能是进行光电转换电荷的存储35 / 83 和电荷的转移输出。 广泛应用于自动控制和自动测量 , 尤其适用于图像识别技术。 12.光纤的结构 基 本采用石英玻璃， 主要由三部分组成 中心 纤芯 (5-75m) ； 外层 包层； 护套 尼龙料，光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质 光纤的传光原理 1)斯乃尔定理 当光由光密物质 (折射率大 )入射至光疏物质时发生折射，如图 (a)，其折射角大于入射角，即 n1 n2 时， r i n1sini=n2sinr 13光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关，与纤芯 包层相对折射率有关 NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在 2i 张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。 36 / 83 一般 NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易 光纤按照传输模式分为： 单模光纤：纤芯直径很小，接受角小，传输模式很少。这类光纤传输性能好，频带宽，具有很好的线性和灵敏度，但制造困难。 多模光纤：纤芯尺寸较大，传输模式多，容易制造，但性能较差，带宽较窄。 14 光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件 (光纤或非光纤的 )、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，由光发送器发出的光源经光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经 接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。 15 光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类 16 光纤传感器的应用温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种。 37 / 83 压力的检测 种类：强度调制型、相位调制型和偏振调制型三类液位、流量、流速的检测 1、液位的检测技术 球面光纤液位传感器 17 激光传感器利 用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。 激光的特性：单色性好 方向性强 亮度强 相干性好 按工作物质激光器分为固体激光器 气体激光器 液体激光器 半导体激光器 应用举例 1.激光测距 2激光测流速 、长度 3激光陀螺 17核辐射传感器是基于被测物质对射线的吸收、反射、散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。 利用这38 / 83 些特性制成的传感器可用来测量物质的密度、厚度，分析气体成分，探测物体内部结构等 ，它是现代检测技术的重要部分 第 3 章 数字式传感器 1 数字传感器的特点 具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。 测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。 采用高电平数字信号时，对外部干扰 稳定性好，易于微机接口，便于信号处理和自动化测量。 2 光栅的构成： 光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹的玻璃构成，称之为透射光栅，或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射的条纹，称为反射光栅。利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位39 / 83 移的光栅为圆形，称之为圆光栅。 二 .光栅位移数字转换的基本原理 1. 光栅传感器输出信号波形 当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化 磁栅传感器是利用磁栅与磁头的电磁作用进行测量的位移传感 器。它是一种新型的数字式传感器。 特点： 1 成本较低且便于安装和使用； 2 制作简单，复制方便 3 精度较高 4 测量范围宽 应用：磁栅作为检测元件可用在数控机床和其他测量机上 编 码 器 40 / 83 将机械转动的模拟量转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、 高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。 接触式编码器 1 工作原理 编码盘或编码尺是一种按一定的编码形式，如二 进制编码、二 十进制编码、格 莱码等，将一个圆盘或直尺分成若干等分，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测 2 位移量大小的各等分上的编码转换成便于应用的其他二进制表达方式的测量装置。 接触式编码盘的优点：简单，体积小，输出信号强，不需放大； 缺点：是存在电刷的磨损问题，故寿命短，转速不能太高 (几十转分 )，而且精度受到最高位 (最内圈上 )分段宽度的限制 3 光学码盘式传感器 - 用光电方法将被测角位移转化成41 / 83 数字电信号特点：高精度、高分辨力、可靠性好 应用： 小范围绝对位置测量 -角度、直线位置；小范围位移、速度检测 频率式数字传感器 频率式数字传感器是能直接将被测非电量转换成与之相对应的、便于处理的频率信号 振弦的激振方式：间歇激发；连续激发 热敏电阻 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。 特点 1）温度系数大 灵敏度高 2）结构简单坚固，体积小 能承受较大的冲击、振动；可以测 量点温度 3）电阻率高、热惯性小 ，响应速度快 适于动态测温 易于维护、使用寿命长 适于现场测温 5）很好地与各42 / 83 种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响； 6）成本低，应用广泛 7）互换性差，非线性严重，精度低 8）元件易老化，稳定性较差；除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合 0 150 范围，使用时 必须注意。 热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。 热电阻主要缺点是需要电源激励、有自热现象以及测量温度不能太高。 热电偶测温 它的工作原理是基于热电效应 热点偶的工作原理 热电效应及基本定律 两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成闭合回路，当两个接触点 (称为结点 )温度t 和 t0不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。 当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势 43 / 83 那么热电势的大小为多少呢？以下两者之和：接触电势 + 温差电势 传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立其输出量和输入量之间的对应关系 标定的主要作用是： 确定仪器或测量系统的输入输出关系，赋予仪器或测量系统分度值； 确定仪器或测量系统的静态特性指标； 消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度 传感器与检测技术知识总结 1：传感器是能感受规定的被检测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置。 一、传感器的组成 2：传感器一般由敏感元件，转换元件及基本转换电路三部44 / 83 分组成。 敏感元 件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件。 转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数及电流或电压等电信号。 基本转换电路是将该电信号转换成便于传输，处理的电量。 二、传感器的分类 1、按被测量对象分类 内部信息传感器主要检测系统内部的位置，速度，力，力矩，温度以及异常变化。外部信息传感器主要检测系统的外部环境状态，它有相对应的接触式和非接触式。 2、传感器按工作机理 物性型传感器是利用某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的。 结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的。 3、按被测物理量分类 如位移传感器用于测量位移，温度传感 器用于测量温度。 4、按工作原理分类主要是有利于传感器的设计和应用。 5、按传感器能量源分类 无源型：不需外加电源。而是将被测量的相关能量转换成电45 / 83 量输出又称能量转化型； 有原型：需要外加电源才能输出电量，又称能量控制型。 6、按输出信号的性质分类 开关型：是 “1” 和 “0” 或开 (ON)和关； 模拟型：输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电量，其输入 /输出可线性，也可非线性； 数字型： 计数型：又称脉冲数字型，它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数与输入量成正比； 代码型：输出的信号是数字代码，各码道的状态随输入量变化。其代码“1” 为高电平， “0” 为低电平。 三、传感器的特性及主要性能指标 1 性和动态特性。 2 缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系，叫静态特性，简称静特性。 表征传感器静态特性的指标有线性度，敏感度，重复性等。 3、传感器的动态特性是指传感器的输出量对于随时间变化46 / 83 的输入量的响应特性称为动态特性，简称动特性。传感器的动态特性取决于传感器的本身及输入信号的形式。传感器按其传递，转换信息的形式可分为 接触式环节； 模拟环节； 数字环节。评定其动态特性：正弦周期信号、阶跃信号。 4、传感器的主要性能要求是： 1）高精度、低成本。 2）高灵敏度。 3）工作可靠。 4）稳定性好，应长期工作稳定，抗腐蚀性好； 5）抗干扰能力强； 6）动 态性能良好。 7）结构简单、小巧，使用维护方便等； 四、传感检测技术的地位和作用 1、地位：传感检测技术是一种随着现代科学技术的发展而迅猛发展的技术，是机电一体化系统不可缺少的关键技术之一。 2、作用：能够进行信息获取、信息转换、信息传递及信息处理等功能。应用：计算机集成制造系统、柔性制造系统、加工中心、计算机辅助制造系统。 五、基本特性的评价 1、测量范围：是指传感器在允许误差限内，其被测量值的范围； 量程：则是指传感器在测量范围内上限值和下限值之差。 2、过载能力：一般情况下，在不引起传感器的规定性能指标永47 / 83 久改变条件下，传感器允许超过其测量范围的能力。过载能力通常用允许超过测量上限或下限的被测量值与量程的百分比表示。 3是指传感器输出量 Y与引起此变化的输入量的变化 X之比。 4、灵敏度表示传感器或传感检测系统对被测物理量变化的反应能力。灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，传感器所能感知的变化量越小，即被测量稍有微小变化，传感器就有较大输出。 K 值越大，对外界反应越强。 5、反映非线性误差的程度是线性度。线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较，用其不一致的最大偏差Lmax 与理论量程输出值 Y的百分比进行计算。 6/输出特性不发生变化的能力，影响传感器稳定性的因素是时间和环境。 7、温度影响其零漂，零漂是指还没输入时，输出值随时间变化而变化。长期使用会产生蠕变现象。 8、重复性：是衡量在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的不一致程度的指标； 48 / 83 9 实际值之间的符合程度，是测量值的精密程度与准确程度的综合反映。 10、分辨力是指传感器能检出被测量的最小变化量。 11、动态特性：反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性，传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不失真测量条件。一般地，利用光电效应、压电效应等物性型传感器，响应时间快，工作频率范围宽。 12、环境参数：指传感器允许使用的工作温度范围以及环境压力、环境振动和冲击等引起的环境压力误差，环境振动误差和冲击 误差。 六、传感器的标定与校准 1、标定是指在明确传感器输入 /输出变换关系的前提下，利用某种标准器具产生已知的标准非电量输入，确定其输出电量与其输入量之间的过程。 2、校 准是指传感器在使用前或使用过程中或搁置一段时间再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以确保传感器的测量精度。 49 / 83 3、标定系统的组成： 被测非电量的标准发生器； 待标定传感器； 它所配接的信号调节显示、记录器等。 4、静态标定是给传感器输入已知不变的标准非电量，测出其输出，给出标定方程和标定常数，计算其灵敏度，线性度，滞差，重复性等传感器的静态指标。 5、传感器的静态标定设备有力标定设备，压力标定设备，温度标定设备等。 6、对设备要求： 具有足够的精度； 量程范围应与被标定传感器的量程相适应； 性能稳定可靠，使用方便，能适应多种环境。 7、传感器的 动态标定的目的是检验测试传感器的动态性能指标。 8、动态标定指标是通过确定其线性工作范围，频率响应函数，幅频特性和相频特性曲线，阶跃响应曲线，来确定传感器的频率响应范围，幅值误差和相位误差，时间常数，阻尼比，固有频率等。 50 / 83 9、常用的标准动态激励设备有激振器、激波管、周期与非周期函数压 力发生器； 10、传感器与检测技术的发展方向： 开发新型传感器。 传感检测技术的智能化。 复合传感器 研究生物感官，开发仿生传感器。 11、开发新型传感器： 利用新材料制作传感器； 利用新加工技术制作传感器； 采用新原理制作传感器。 12、传感检测技术的智能化：传感检测系统目前迅速地 由模 拟式、数字式向智能化方向发展。 功能： 自动调零和自动校准； 自动量程转换； 自动选择功能； 自动数据处理和误差修正； 自动定时测量； 自动故障诊断。 第二章 位移检测传感器 1、移可分为线位移和角位移两种，测量位移常用的方法有：机械法，光测 法，电测法。 51 / 83 2、位移传感器的分类：参量型位移传感器，发电型位移传感器，大位移传感器。 一、参量型位移传感器 1、参量位移传感器的工作原理：将被测物理量转化为电参数，即电阻，电容或电感等。 2、电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特征，即 R=p L/S 电位计由骨架、电阻元件、电刷等组成； 电位计优点：结构简单，输出信号大，性能稳定，并 容易实现任意函数关系，缺点：是要求输入量大，电刷与电阻元件之间有干摩擦，容易磨损，产生噪声干扰。 3、 线性电位计的空载特性： Rx=RX/L=KrX(Kr 电位计的 电 阻 灵 敏 度 ) 。 电 位 计 输 出 空 载 电 压 为Uo=UiX/L=KuX(Ku 电位计的电压灵敏度 ) 非线性电位计 空载特性：其电阻灵敏度 Kr=DR/Dx,电压灵52 / 83 敏度 Ku=Duo/Dx 4、电阻应变式位移传感器：是将被测位移引起的应变元件产生的应变，经后续电路变换成电信号，从而测出被测位移。 5、电容式位移传感器：是利用电容量的变化来测量线位移或角位移的装置。 (1)变极距型的电容位移传感器：有较 高的灵敏度，但电容变化与极距变化之间为非线性关系，其它两种类型的位移传感器具有比较好的线性，但敏度比较低。 (2)变极板面积型电容位移传感器：用于线位移测量，也可用于角位移测量。 (3)变介质型电容式位移传感器：用于位移或尺寸测量的改变介质型电容位移传感器，一般都具有较好的线性特性， 但也有输入 /输出呈非线性关系。 (4)容栅式电容位移传感器是在面积型电容位移传感器的基础上发展来的，可分为长容栅和圆容栅。若绝缘材料性能不佳，绝缘电阻随环境温度和湿度而 53 / 83 变化， 还会使电容位移传感器的输出产生缓慢的零位漂移； 绝缘材料应具有高的绝缘电阻、低的膨胀系数、几何尺寸的长期稳定性和低的吸潮性； 通常对电容位移传感器及其引线采取屏蔽措施，即将传感器放在金属壳内，接地应可靠； 可以消除不稳定的寄生电容，还可以消除外界静电场和交变磁场的干扰。 7、电感式位移传感器：将被测物理量位移转化为自感 L,互感 M 的变化，并通过测量电感量的变化确定位移量。主要类型有自感式、互感式 、涡流式和压磁式。输出功率大，灵敏度高，稳定性好等优点。 自感式电感位移传感器原理：缠绕在铁心的线圈中通以交变电流，产生磁通，形成磁通回路。 为了提高自感位移传感器的精度和灵敏度，增大特性的线性度，实际用的传感器大部分都作为差动式 54 / 83 改善其性能考虑的因素有： 1）损耗问题， 2）气隙边缘效应的影响， 3）温度误差， 4）差动式电感位移 传感器的零点剩余电压问题。 互感式位移传感器：将被测位移量的变化转换成互感系数的变化，基本结构原理与常用变压器类似，故称为变压器式位移传感器。 涡流式位移传感器：利用电涡流效应将被测量变换为传感器线圈阻抗 Z变化的一种装置。只要分为高频反射和低频透射两类。 二、发电型位移传感器 1、发电型位移传感器是将被测物理量转换为电源性参量。 2、压电式位移传感器的基本工作原理是将位移量转换为力的变化，然后利用压电效应将力的变化转换为点信号。 三、大位移传感器 1 传感器，分别用于测量线位移和角位移。磁头分动态和静态。 2、当磁头不动时，输出绕组输出一等幅的正弦或余弦55 / 83 电压信号，其频率仍为励磁电压的频率，其幅值与磁头所处的位置关系。当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化。 4、光栅式位移传感器有测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。其性质：光栅移动方向与莫尔条纹移动方向垂直。 5、两块光栅作为一个标尺光栅和一个指示光栅，标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量程 决定。 6、莫尔条纹的性质： 当两个光栅沿刻线垂直方向相对移动时，莫尔条纹相对栅外不动点沿着近似垂直的运动方向移动，光栅移动一个栅距 W，莫尔条纹移动一个条纹间距 B； 光 栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变； 光栅条纹的光强度随条纹移动按正弦规律变化。 7、感应同步器是利用电磁感应原理将线位移和角位移转换成点信号的一种装置。根据用途，可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量线位移和角位移。 原理：当滑块的两相绕组用交流电励磁时，由于电磁感应，在定尺的绕组中会产生与励磁电压同频率的交变感应电动势 E。当滑尺相对定尺移动时，滑尺与定尺的相对位置发生变化，改变了 通过定尺绕组的磁通，从而改变了定尺绕组中56 / 83 输入的感应电动势 E。 根据对滑尺的正、余弦绕组供给励磁电压方式的不同，又分为鉴相和鉴幅型测试系统。 特点： 精度较高，对环境要求低，可测大位移； 工作可靠，抗干扰能力强，维护简单，寿命长； 对局部误差有平均化作用。） 8、激光式位移传感器结构由：激光器、光学元件、光电转换元件组成激光测试系统，将被测位移量转化成电信号。 9、激光干涉测长技术用途： 精密长度测量； 精密机床位移检测与校正； 集成电路制作中的精密定位。 10、常用的激光干涉测长传感器： 单频激光干涉传感器； 双频激光干涉传感器。 第三章 力、扭矩和压力传感器 一、测力传感器 57 / 83 1 发电型。参量型测力传感器有电阻应变式， 电容式，电感式，发电型测力传感器有压电式，压磁式。 2：电阻