传感器与检测技术周杏鹏.docx

CHAPTER1检测系统传感器介绍1. 传感器定义：以一定精度把某种被测量按照一定规律转换成另一参量的器件或者测量装置。实物测量装置 由敏感器件和转换器件和基本转换电路组成2.计量：用精度等级更高的标准量具、器具对被测样品进行考核性质的测量。非实时、离线、标定检测：在生产、实验等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。3. 检测技术作用：（1）城市生活污水处理 （2）新型武器和设备的研制与测试 （3） 先进医疗检测仪 （4）生活中化学成分检测 （5）防火防盗及家用电器安全监测4. 检测系统组成：稳压电源+输入设备+传感器+信号调理+数据采集+信号处理+信号显示+信号输出信号调理：对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续处理或显示。组成：滤波、放大、线性化、要求：能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号信号处理：进行数据处理和各种控制的中枢环节。组成：嵌入式微控制器、DSP专用高速数据处理器、大规模集成电路5. 检测系统分类：（1）按被测量（电工量、热工量、机械量、光学量、状态量）（2）被测量的检测转换方法（电磁转换、光电转换、其他能/电转换）（3）使用性质（实验室表、工业用表、标准表）6. 传感器分类：（1）按输入参量（位移传感器，压力传感器）（2）按转换机理（电阻式、电容式、压电式、超声波式）（3）按物理现象（结构型、物性型）（4）按能量关系（能量转换自源型、带激励源型、能量控制外源型）（5）按输出信号（模拟式、数字式）7. 检测系统发展：（1）不断拓展测量范围、努力提高检测精度和可靠性；（2）重视非接触式检测技术研究；（3）模拟式，数字式，向智能化发展8. 传感器发展：（1）研发新型传感器（2）采用新技术提高现有传感器的性能（3）微型化，智能化，集成化9.测量单位、测量仪器与设备是测量的“三要素”。CHAPTER2检测知识1. 量：物体和物质可以定性区别和定量确定的一种属性。量值：由一个数和一个计量单位表示的量。2. 量值：真值（理想情况下表征一个物体的真实的值）3. 约定真值按照国际公认的定义，利用现科技高水平的技术所复现的单位基准约定、4. 相对真值实际值，满足规定准确度时用以代替真值的值）5. 标称值+示值6. 测量误差（因内外因素使得测量结果不能准确的反映真值而存在的偏差）：绝对误差 相对误差（与真值的比例） 引用误差（与量程有关） 最大引用误差7. 相对误差表示形式：实际，标称，引用相对误差8. 精度等级（最大引用误差）：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0选大不选小，测量值不小于满量程的2/39. 测量误差分类：系统误差（在一定条件下，其数值遵循某一确切函数规律的误差、残差观察法、马利科夫准则+阿贝赫梅特准则） 随机误差（相同条件下多次重复测量同一物理量，测量结果仍结果一些时大时小、杂乱变化的误差） 粗大误差（明显与实际结果事实不相符、无规律的误差）10. 测量方法：（1）按测量方式：直接测量、间接测量、联立测量（2）按测量方法：偏差时测量法、零位式测量法、微差式测量法CHAPTER3静态动态特性1. 静态特性：灵敏度：被测量系统在静态测量时，输出量的增量与输入量的增量之比。线性度：输出与输入之间数量关系的线性程度 重复性：传感器或检测系统中在输入量按同一个方向做全量程连续多次变动时所的特性不一致的程度。迟滞：传感器在输入量从小到大到从大到小变化期间输入输出曲线不重合的现象或程度测量范围 死区：失灵区、钝感区、阈值。指在量程起始点能引起输出量变化的最小输入量。分辨力 2. 动态特性：固有频率 频率响应特性3. 动态数学模型：线性时不变常系数微分方程4. 传递函数：输出响应函数Y（t）的拉普拉斯变换Y（s）与输入激励函数X（t）的拉普拉斯变换X（s）的比5. 频率响应特性：输出Y（t）的傅里叶变换Y（jw）与输入X（t）的傅里叶变换X（jw）之比。6.CHAPTER4结构型传感器1. 电阻应变式传感器：应变片电阻应变效应：电阻值随应变变化2. 金属应变效应与其尺寸变化为主；半导体应变效应与其材料压阻效应为主3. 应变计类型：按加工方法（丝式应变片、箔式X、半导体X、薄膜X）按敏感栅材料（金属应变计、半导体应变计）4. 应变计结构：敏感栅、基底、盖片、引线、黏结剂5. 应变：应力形变。弹性材料在应力作用下的相对形变。6. 应力：物体单位面积上所受的力。7. 应变计主要特性：（1）静态特性灵敏度系数、横向效应、机械滞后、蠕变和零漂、应变极限、绝缘电阻和最大工作电流。（2）动态特性疲劳寿命、动态响应特性8. 零漂：温度恒定，不受应变时温度随时间变化。蠕变：温度和承受应变都恒定时温度随时间变化。9. 横向效应：直的金属丝绕成敏感栅，长度相同应变不同了，灵敏度K下降了。10. 应变片温度误差原因：（1）敏感栅金属丝自身电阻随温度变化（2）敏感栅与试件热膨胀吸收不一样，产生附加变形影响阻值。11. 应变片温度补偿法：（1）温度自补偿法（2）桥路补偿法12. 电容式传感器应用：变极距（分辨力极高、测量微小变化的量）变面积（线位移角位移）变介质（测量固体厚度或液位高低或粮食湿度）13. 消除边缘效应（极板厚度与极距厚度相对比较大）：减小极板厚度+带保护环结构。14. 消除寄生电容（电缆的寄生电容影响传感器电容）：驱动电缆法+整体屏蔽法+组合式与集成技术15. 容栅传感器：多个差动式变面积型的电容传感器，具有误差平均效应。测量精度很高。16. 电感式传感器（变磁阻式）分类：按转换原理（自感式、互感式=差动变压器）按结构形式（气隙式、螺管式）17. 差动变压器零点残余：在中心位置时输出电压不为0的电压。18. 差动电桥测量电路优点：非线性大大减小、灵敏度提高一倍、补偿了温度对两个线圈参数的影响。19. 差动变压器（互感式）：变气隙、变面积、螺管式20. 差动变压器测量电路：差动相敏检波+差动整流电路（既能辨别衔铁移动的方向和大小，又能消除零点残余电压）21. 电涡流式传感器电涡流效应：块状金属导体置于变化的磁场中，或者切割磁场线，导体内部产生旋涡状的感应电流，这种现象叫做涡流效应。CHAPTER5物性型传感器1. 压阻式两种类型：应变片（电阻应变效应）、扩散型压敏电阻（压阻效应、半导体制成、制成固态压阻式传感器）2. 压阻效应：半导体电阻率随应变变化所引起的变化3. 压电式传感器压电材料三大类：压电晶体（石英晶体）、压电陶瓷、新型压电材料4. 压电效应：正压电（用力方向改变，电荷极性也发生改变）逆压电电致伸缩效应（施加电场会发生几何变形）5. 石英晶体：6. 压电陶瓷压电机理：（1）极化处理（2）压电特性7. 光电效应：光照射在物体上，物体吸收了光能转换为物体中某些电子的能量而产生的电效应。8. 外光电效应：光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射9. 内光电效应：光照下，处于价带的电子吸收了光子能量，从通过禁带跃入导带，使导带内的电子浓度和价带内的空穴增多，激发出光生电子空穴对。（1）光电导效应：光线照射下产生光生载流子引起电阻率或电导率改变（2）光生伏特：光线作用下引起PN结两端产生一定方向的电动势10. 外光电效应材料：光电管+光电倍增管11. .内光电效应材料：光敏电阻（高灵敏度：暗电阻与亮电阻差值大）、光敏二极管（反向电压工作）、光敏三极管（bc结/集电结光敏二极管）、光电池7. 光照特性：光敏电阻（非线性）光敏晶体管（线性度好、线性转换原件和开关元件、军事工业）光电池（非线性、开关元件）8. 光电式传感器分类：模拟式光电传感器、开关式光电传感器、其他光电式传感器9. 模拟式光电传感器（将测量转化成连续变化的光电流）分类：吸收式（被测参数）、反射式（表面缺陷粗糙）、遮光式（长度线位移角位移）、辐射式（高温计红外遥感）10. 开关式传感器：通过光照有无，作出电信号有无输出的反应，将被测量转换成通或断的开关信号CHAPTER6固态传感器1. 磁敏传感器（磁物理量转换成电信号）分类：体型（霍尔式、磁敏电阻） 结型（磁敏二极管、磁敏三极管）2. 霍尔效应：在金属或半导体薄片上通以电流，然后在垂直方向上施加磁场，则在垂直于磁场和电流方向的输出端之间会产生霍尔电动势。3. 不等位电势：当磁场强度为0，元件通以额定激励电流I，霍尔电势应该为0，但是实际不是。产生原因：两个霍尔电极的位置不在同一等位面上，或者材料不均匀或者工艺不良4. 磁阻效应：载流导体外外加磁场，电阻值随磁场变化而变化。5. 湿度：大气中水汽含量的物理量6. 绝对湿度：单位体积大气中水汽的质量7. 相对湿度：某一被测气体的绝对湿度与在同一温度T下水蒸气已达到饱和的气体的绝对湿度之比。8. 湿敏传感器（将湿度转换成与其成一定比例的电信号输出）主要特性：湿度量程、灵敏度系数、相对湿度特性曲线负、湿度温度系数CHAPTER7其他传感器1. 超声波波形：横波（振动方向与传播方向垂直，只能在固体介质中传播） 纵波（振动方向与传播方向一致，可在固体液体气体介质中传播）表面波（沿着介质表面传播，只在表面传播）2. 超声波传播速度与介质密度、弹性特性有关。3.超声波特点：反射、折射、波形转换、衰减4.光纤（折射率较大的纤芯和折射率较小的包层构成的双层同心圆柱结构）传感器组成：光源、敏感元件（光纤/非光纤）、光探测器+光纤（传输信息用）5.光纤传感器分类：FF功能型/传感型（光纤作为敏感元件直接感知信息，单模光纤) NF非功能型/传光型(光纤只作为传输介质，多模光纤）CHAPTER9温度检测技术温标：为了保证温度量值的准确和统一，需要建立一个衡量温度的标尺。T=9/5t+32 华氏温标：冰点32 沸点212 摄氏温标：冰点0沸点1001. 热电阻传感器热电阻种类：热电阻（铂电阻、铜电阻）热敏电阻（半导体材料）2. 金属热电阻测温电路引线形式：两线制（有引线电阻的附加误差，影响精度）三线制（测温范围窄或导线长或导线途中温度易发生变化的场合优先考虑）四线制（欧姆表测量法）3. 热敏电阻按温度特性分类：负温度系数、正温度系数、临界温度系数（某一特定温度下电阻值发生突变、做恒温检测装置的温度开关报警）4. 热电效应（塞贝克效应）：不同导体AB练成闭合回路，当接点处温度不同时，回路中将产生热电势（温差电势、接触电势）。5. 热电偶主要规律：中间导体定律 中间温度定律 标准电极定律6. 热电式传感器中，能将温度变化转换为电阻变化的为热电阻和热敏电阻，能将温度变化转换为电势变化的称为热电偶。其中热电偶传感器在应用时需要做温度补偿（冷端补偿）7. 热电偶冷端补偿：（1）补偿导线法改善热电偶测温线路的机械与物理性能。降低测量线路的成本。但各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用。（2）冰点槽法（3）计算修正法（4）冷端补偿器法（5）软件修正法8. 热电阻优点：灵敏度高、易于连续测量、可以远传、稳定性高、互换性好。9. 热敏电阻优点：（1）灵敏度高（2）体积小，可以测量点温度（3）电阻率高、热惯性小。适合动态测量（4）阻值与温度变化呈非线性关系（5）稳定性和互换性较差10. 热电偶特点：结构简单、测量范围宽、准确度高、热惯性小，用来测量流体，固体以及固体面的温度。11. 温敏二极管工作原理：在一定电流下，正向电压随温度变