传感与检测是实现自动控制.doc

。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，是机电一体化系统的感受器官。传感器是一种以一定的精度将被测量转换位于只有确定对应关系的、易于精度处理和某测量物理量的测量部件或装置。传感器的狭义定义: 能把外界非电信号转换成电信好输送的器件或装置。传感检测环节的处理结果是系统控制指令的主要依据。传感器是监测和控制系统的首要环节。大多数非电量可以准确地转化为相应的电量、于是非电量可用电量的测量技术对其测量，就是非电量检测技术，也称非电量电测技术。非电量的分类：热工量、机械量、物理和成分量、状态量。用电测技术的方法对非电量进行测量，称为非电量的检测技术，即非电量电测或非电量电测量。非电量检测技术系统有传感器、测量电路和输出电路所组成。传感器的功能;是一种能敏锐感知被测参量功能转换的元件；是光、磁、热、力、超声、气氛、射线和酶等物理学、化学、生物学等的非电参量转换成与之有对应关系和易于精度处理的或其他形式的信号。测量电路的功能是将传感器输出的电信号经过必要的转换或信号处理，是指便于驱动显示、记录执行机构或进行微机数据处理。测量方法的分类; 按测量手续：直接测量、间接测量、联立测量 按测量方式;偏差式测量、零位式测量、微差式测量 按测量敏感元件是否与被测介质接触分;接触式测量、非接触式测量 按被测量变化快慢分：静态测量、动态测量按测量系统是否向被测对象施加能量分;主动式测量、被动式测量按被测物理量是否在变化过程中被测分类;在线测量、离线测量。偏差式测量过程简单常用于工程测量中。零位式测量有比较高精度，不适用于测量变化迅速的信号，用于测量变化较缓慢的信号。微差式测量综合偏差式测量与零位式测量法的优点。误差的分类：按误差的表示方法;绝对误差、相对误差、1） 绝对误差:某已被测量的测量值X与真值A0差值为绝对误差2） 相对误差：相对误差常用来表示测量精度的高低，相对误差有:3） 实际相对误差实际相对误差使用绝对误差与被测量的约定值A的百分比来表示的相对误差 示值相对误差 满度（或引用）相对误差4） 电工仪表精确度等级分为01,02,05,10,15,25,50七级5） 按误差的性质分为：（1）系统误差 在相同条件下多次测量同一物理量时，其误差的绝对值合符号保持恒定（2）随机误差（3）粗大误差6） 作为传感器工作物理基础的基本定律主要有一下四种类型：（1）守恒定律：包括能量，动量 ，电荷量等守恒定律。这些定律是我们研究，开发新型传感器时，或分析，综合现有传感器时，都必须严格遵守的基本法则。（2）场的定律：包括动力场的运动定律，电磁场的感应定律等，其作用与物体在空间的及分布状态有关。例如:7） 利用静电场定律研制的电容式传感器；利用电磁感应定律研制的电磁式传感器；利用运动定律与电磁感应定律研制的电动势传感器等等。利用场的定律构成的传感器，可统称为”结构型传感器“。（3）物质定律：它是表示各种物质本身内在性质的定律（如虎克定律，欧姆定律等）可分别做成压敏，热敏，光敏，湿敏等传感器可制成压电传感器可统称为“物理性传感器”。传感器由敏感元件、传感元件、基本转换电路组成。传感器的分类：按基本效应分物理型、化学型、生物型；按构成原理结构型、物性型；按能量关系分能量转换型、能量控制型；按作用原理分应变式、电容式、压电式、热电式、。最有效的描述方法是传感器的数学模型。传感器常有动态模型和静态模型。传感器的静态特征：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨力、阀值、稳定性、精确度。改善传感器性能的主要技术途径：差动技术、平均技术、稳定性技术、屏散隔离与干扰抑制技术、补偿校正技术、集成化与智能化技术、合理选择传感器材料结构与参数。传感器技术的发展趋势：开发新型传感器、传感器集成化、传感器的功能化、智能化、开发仿生传感器。电阻式传感器是一种能把非电物理量转换成与之有确定对应关系的电阻阻值。电阻应变计的转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。电阻应变效应是指金属电阻丝的电阻随着它所承受机械变形的大小而发生改变的一种物理现象。实际工作测量中常用的温度补偿方法：1)桥路补偿法用于常温下测量、2）温度自补偿应变计，用于高温下测量。应变计粘贴到试件上，由于环境温度变化的影响，将是电阻产生相对变化这种想象称为应变计的温度效应。而由于温度变化的应变输出称为热输出。当电桥各桥臂电阻满足如下条件R1*R2=R2*R3电桥的输出电压U0为零，即电桥处于平衡状态，成为电桥的平衡条件。电阻应变计的补偿：热输出补偿（温度自补偿应变计，用于高温下测量；桥路补偿法用于常温下测量）、感器电路补偿（初始不平衡补偿、零点漂移补偿、输出灵敏漂移的补偿、输出灵敏度调整、非线性补偿）。压阻式压力传感器可以测量绝对压力、表压力及差动压力。电感式传感器与其它类型的传感器，有如下优点：灵敏度高、分辨力高、线性较好、输出功率大，缺点是频率响应较低 。电传感器有三种类型：变气隙型、变面积型、螺管插铁型。螺管型差动变压器按绕组排列有二节式、三节式、四节式和五节式。螺管型差动变压式的工作原理：可以用一般变压器来解释所不同的是，一般变压器的磁路是闭合的，而差动变压器是开路的；一般变压器当结构确定后，初、次级线圈之间的互感量为常数，而差动变压器初、次级线圈间的互感量则随活动衔铁的移动而变化，差动变压器的工作也正是建立在互感变化的基础上。零位输出电压通常又称零位电压，它是指差动变压器衔铁位于中间位置时，按理论分析并无输出电压，而实际上有一残余电压输出其数值从几毫伏到几十毫伏。零位电压产生的原因是:由于两个次级线圈的感应电势的幅值不完全相等，相位也不完全相反造成。零位点位最根本的消除方法是传感器的几何尺寸和电磁参数严格地均匀对称，并使导磁体避开饱和区，这就要求传感器的制造工艺必须非常精密，材料要非常均匀才行。一般要采用合适的测量电路来减少零位电压，使其达到实用的要求和精度。电涡流式传感器是一种建立在电涡流效应原理的传感器，最大的特点是可以对物体表面为金属导体的多种物理量实现非接触测量。置于交变磁场的金属导体，当交变磁场穿过导体时，将在导体内产生感应电流，这种感生电流的流线在导体内自行闭合，像流水中的漩涡一样，故称电涡流。根据影响电容器电容的三个变化参数，把电容式传感器分为变极间距离（d）、变相互覆盖面积A和变极间介质()。容栅传感器是在变面极性电容传感器的基础发展而成的一种新型传感器。可分为长容栅和园容栅。当可动容栅相对固定容栅位移时，每对电容面积变化，因而电容值随之变化，即测出线位移或角位移。电容式传感器的测量电路有电桥电路、调频电路和脉冲宽度调制电路。有一些电介质，由于其晶体结构的特殊性，当沿着一定方向受到作用时，内部产生极化现象（电介质内部晶格结构在外部力场的作用下，使晶格的正、负电荷中心不重合，出现电偶极距，从而产生了电极化），同时，在介质的某两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，电荷消失，恢复到不带电的状态，称为正电荷效应。反之，当在电介质的极化方向施加电场时，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外加电场撤去后，这些变形或应力也随之消失，称为逆压电效应，逆向电效应称为电致伸缩效应。压电材料分类：压电单晶（石英晶体、其它压电单晶）；压电多晶压电陶瓷；有压电材料。石英晶体中X轴称为电轴，Y轴称为机械轴，Z轴称为光轴或中性轴。与压电元件等效的电路一般有：电荷等效电路和电压等效电路。电压放大器的功用是将压电元件的高输出阻抗变为低阻抗，将压电效应产生的微弱电压信号进行放大。用电压放大器作压电的测量电路时，压电元件与放大器间的接线电缆将影响传感器的输出电压和电压灵敏度。电荷放大器克服了电压放大器的引线电缆影响传感器输出和电压灵敏度的缺点。电荷放大器的输出电压仅压电元件的电荷量和反馈电容有关，不受电缆电容等其它因素的影响。作为测量温度用热电阻材料有以下特点：1）高温度系数、高电阻率，这样加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和质量2)化学、物理量性能稳定，保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性3)良好的输出特性4)l良好地工艺型。适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍等金属。铂、铜热电阻不适宜低温和超低温的测量。铟电阻适宜在-269-258温度范围内使用，测量精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但复杂性差。锰电阻适宜在-271-210温度范围内使用 。热电阻与仪表或放大器接线有三种方式：两线制、三线制和四线制。热敏电阻一般是由金属氧化物陶瓷半导体材料经成型、烧结等工艺制成。热敏电阻从特征分：1）负温度系数的热敏电阻2）正温度系数的热敏电阻3）温度热敏电阻，热敏电阻有珠粒状、圆柱状和圆片状。热敏电阻的特点：1）电阻温度系数绝对值大，因灵敏度高，约为热敏电阻的10倍，测量线路简单，甚至不用放大器便可输出几伏的电压。2）体积小，质量轻，热惯量小，可以测量点温度，适宜动态测量3)；本身电阻不大，不需要考虑引线长度误差，因此适宜于远距离测量4)热敏电阻产品已系列化，便于设计选用5）工作寿命长，而且价格便宜6)非线性大，在电路上要进行线性化补偿7）稳定性稍差，并有老化现象8）同一型号有3%5%阻值误差。将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路，若节点处于不同温度时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电现象。热电效应产生的热电势由接触电势和温度电势。当两种金属接触在一起时，在结点处就会发生电子迁移扩散。失去自由电子的金属成正电位，得到电子的金属成负电位。当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电势，称为接触电势。导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持其两端温度相同，则对回路热电式无影响称为中间导体定律，利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表。铠装热电偶是由热电偶丝、绝缘材料及不锈钢保护管经拉制工艺制成。标准规定基准接点的热电势为0时的热电势。基准接点补偿的方法：1)冷端温度补偿器2)采用PN结温度传感器作冷端补偿3）二端集成温度传感器补偿。磁电感应式传感器主要是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势。霍尔效应的实质磁电转换效应。在稳定状态下，半导体片两侧面的负电荷和正电荷相对积累形成电势，这种现象称为霍尔效应。由此产生的电动势称为霍尔电势。气敏元件工作时必须加热，其目的是:加速被测气体的吸附、脱出过程;烧去气敏元件的油垢或污物，其清洗作用;控制不同的加热温度，能对不同的被测气体具有选择作用。光电效应是物体吸收了光能后，转换为该物体中某些电子的