传感器知识点

传感器与自动检测技术 第一章 1 检测的定义 检测是利用各种物理 化学反应 选择合适的方法与装置 将生产 科研 生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或者定量结果的过程 能够 自动的完成整个检测处理过程的技术成为自动检测与转换技术 2 检测系统的一般构成框图 数据显示 纪录 分析 综合判断 决策 监控 通信接口和总线 信号调理电路 传感器 底层显示分析处理 信号调理电路 底层显示分析处理 传感器 1 传感器是检测系统的第一环节 设计时要充分考虑被测量和被测对象的特点 在了解 被测对象和各种传感器的特性的基础上 根据被测量精度的要求 被测量变化范围 被测量所处的环境条件 传感器的体积以及整个检测系统的性能要求等限制 合理地 选择传感器 2 信号调理电路是对传感器的传输电信号做进一步的加工处理 多数是进行信号之间的 转换 包括对信号的转换 放大滤波等 3 纪录 显示仪器是将所测的信号变成一种能成为人们所理解的形式 以供人们观察和 分析 4 信号分析处理用来对测试所得的实验数据今夕处理 运算 逻辑判断 线性变换 对 动态测试结果做频谱分析 幅值谱分析 功率谱分析 相关分析等 完成 这些工作 必须采用计算机技术 数据处理结果通常送到显示器和执行机构去 所谓的执行机 构通常指各种继电器 电磁铁 电磁阀门 电磁调节阀 伺服电动机等 他们在电路 中是起通断 控制 调节 保护等作用的电气设备 3 传感器的定义 能够感受 或响应 规定的被测量 并按照一定规律转换成可用输出信 号的期间或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 4 传感器一般由敏感元件 转换元件和其他辅助元件组成 1 敏感元件 感受被测量 并输出与被测量成确定关系的其他量的元件 2 转换元件 又称传感元件 是传感器的重要组成元件 5 信号调理与转换电路 能把传感元件输出的电信号转换成便于显示 纪录和控制点有 用信号的电路 传感器组成框图 敏感元件转换元件信号调理电路 辅助电源电路 被测信息 输出信息 6 通常用来描述静态响应特性的指标有测量范围 灵敏度 非线性度 回程误差等 7 精确度 精度 指标有三个 精密度 正确度和精确度 1 精密度 说明结果的分散性 越小说明结果越精密 对应随机误差 2 正确度 说明测量结果偏离真实值大小的程度 对应系统误差 3 精确度 含有精密度和正确度两者之和的意思 即测量的综合优良程度 7 系统的动态响应特性一般通过描述系统的微分方程 传递函数 频率响应函数 单位脉 冲响应函数等数学模型来进行研究 8 要实现不是真检测 检测系统的幅频特性应为常数 相频特性应为线性 A G j A 常数 引起的失真称为幅值失真 与 之间不满足线性关系引起的失真称为相 位失真 第二章 1 真值 指一定的时间及空间条件下 被测量客观存在的实际值 2 标称值 计量或测量器具上标注的量值 3 示值 由测量仪器给出或提供的量值 也称测量值 4 测量结果的精密度 反映测量结果与真值接近程度的量 它与误差大小对应 即 误差 大 精度低 误差小 精度高 可细分为 一 准确度 反应测量中系统误差的大小 即 测量结果偏离真值的程度 二 精密度 反应测量中随机误差的大小 即测量结果的分散 程度 三 精确度 反应测量中系统误差与随机误差综合影响的程度 其中 精密度与准确度的区别由图 2 1 可知 曲线 1 表示准确却不精密 小 大 的 测量 曲线 2 表示精密却不准确 小 大 的测量 要同时兼顾准确度和精密度 才能成为精确的测量 5 测量误差分为系统误差 随机误差和粗大误差三大类 1 系统误差 在相同条下 对同一被测量进行多次重复测量时 出现某种保持恒定或按一定规律变化着的误差称为系 统误差 凡误差的数值固定或按一定规律变化者 均属于系统误差 2 随机误差 在相同条件下 对同一被测量进行多次重复测量时 受偶然因素影响而出 现误差的绝对值和符号以不可预知的方式变化着 则此类误差称为随机误差 随机误差不 可能修正 6 系统误差的判别 a 大体上正负相间无显著变化规律 不存在系差 b 有规律地向一个方向成比例变 化 有线性系差存在 c 有规律地重复交替呈周期性变化 周期性系差存在 d 呈周期性与线性复合变化 复杂系差存在 7 通常 用绝对误差来评价相同被测量测量精度的高低 相对误差可用于评价不同被测量 测量精度的高低 为了减少仪器表引用误差 一般应在满量程 2 3 范围以上进行测量 第三章 1 半导体应变片是用半导体材料 采用与丝式应变片相同方法制成的半导体应变片 2 电阻式传感器的测量电路常用桥式测量电路 3 电容式传感器是利用将非电量的变化转化为电容量的变化来实现对物理量的测量 可分 为变极距型 变极板面积型 变介质型三种类型 4 电感式传感器是利用电磁感应原理将被测的非电量的变化转换成线圈的自感系数 L 或 者互感系数 M 的变化的装置 可分为自感系数变化型和互感系数变化型 5 可变磁阻型自感式传感器又分为气隙厚度变化型 气隙面积变化型和螺管型三种类型 6 电感传感器所采用的测量电路一般为交流电桥 7 互感式传感器则是把被测量的变化转换为变压器的互感变化 由于变压器的二次线圈常 接成差动形式 故又称为差动变压器式传感器 差动变压器式传感器的应用非常广泛 凡 是与位移有关的物理量均可经过它转换成电量输出 常用于测量振动 厚度 应变 压力 加速度等各种物理量 8 根据电涡流效应制成的传感器叫做电涡流式传感器 可分为高频反射型和低频投射型两 类 9 用于电涡流式传感器的测量电路主要有调频式 调幅式电路两种 10 压电式传感器是以具有压电效应的元件作为转换元件的有源传感器 11 压电效应 当某些物质沿其一定方向施加压力或者拉力时 会产生形变 此时这种材 料的两个表面将产生符号相反的电荷 12 压电材料可分为 压电晶体和压电陶瓷 常见的压电晶体有天然和人造石英晶体 压电陶瓷是人造多晶体系压电材料 常用的有钛酸钡 锆钛酸铅 铌酸盐系压电陶瓷 13 压电传感器可用来测量力 压力 加速度 位移等物理量 14 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量 如振动 位移 转速等 转换成电信号的一种 传感器 也成电磁感应传感器 根据结构方式不同 磁电感应式传感器通常有两种 动圈 式和磁阻式 15 热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置 16 将两种不同材料的导体 A 和 B 串接成一个闭合回路 当两个接点温度不同时 在回路 中就会产生热电势 形成电流 此现象称为热电效应或赛贝克效应 17 热电偶的热电势由接触电势和温差电势两部分组成 18 实践证明 在热电偶回路中起主要作用的是两个结点的接触电势 因而将单一导体的 温差电动式忽略不计 则 19 热电偶定律 1 中间导体定律 在热电偶测温回路内 接入第三种导体时 只要第三种导体的两端温度 相同 则对回路的总热电势没有影响 000 TTETETETTE ABABABABC 2 中间温度定律 在热电偶测温回路中 Tm 为热电极上某一点的温度 热电偶 AB 在接 点温度为 T T0 时的热电势 EAB T T0 等于热电偶 AB 在接点温度 T Tm 和 Tm T0 时的热电势 EAB T Tm 和 EAB Tm T0 的代数和 00 TTETTETTE mABmABAB 20 热电阻传感器 利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理 热阻效应 制成 的传感器 热电阻传感器分为 金属热电阻和半导体热电阻 金属热电阻 热电阻 半导体热电阻 热敏电阻 21 热电阻材料主要是铂 铜 镍 钅因 锰等 用得最多的是是铂 铜 镍和铁的电阻 温度系数大 电阻率高 可用于制成体积大 灵敏度高的热电阻 但由于容易氧化 化化学稳定性差 不易提纯 重复性和线性度差 目前应用还不多 22 按半导体电阻 温度特性 热敏电阻可分为三类 负温度系数的热敏电阻 NTC 正温度系数的热敏电阻 PTC 临界温度系数的热敏电阻 CTR 23 最常见的热敏电阻是由金属氧化物组成的 如锰 钴 铁 镍 铜等多种氧化物烧结 而成 24 光电式传感器是将光信号转换为电信号的光电器件 可用于检测直接引起光强变化的非 电量 也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量 25 光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应 光电效应可分为两类 外光电效应 和内光电效应 1 外光电效应 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 2 内光电效应 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 内光电效应又可分为光电导效应和光伏特效应 光伏特效应 在光照条 件下 半导体材料吸收光能后 引起 PN 结两端产生电动势现象称为光伏特效应 26 基于光电导效应工作原理制成的光电器件有光敏电阻 光敏电阻又称光导管 几乎都 用半导体材料制成的光电 27 基于光生伏特效应原理制成的光电器件有光电二极管 光电三极管和光电池 28 电荷耦合器件 Charge Couple Device 缩写为 CCD 是一种大规模金属氧化物半导体 MOS 集成电路光电器件 电荷耦合器件以电荷为信号 具有光电信号转换 存储 转移并读出信号电荷的功能 29 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏式传感器 30 光纤传感器 FOS 是基于光纤纤维的新型传感器 31 振动频率 20KHz 以上的机械波成为超声波 32 微波是指波长为 1mm 1m 的电磁波 33 微波传感器可以分成反射式和遮断式 34 微波传感器的优点 1 可以实现非接触测量 因而可以进行活体检测 大部分测量不需要采样 2 检测速度快 灵敏度高可以进行动态检测和实时处理 便于自动控制 3 可以在恶劣环境条件下进行检测 如在高温 高压 有毒 有放射线环境条件下工作 4 输出信号可以方便地调制在载波信号上进行发射与接收 便于实现遥测与遥控 35 微波传感器存在的问题 主要问题是零点漂移和标定问题 这些问题尚未得到很好的 解决 另外 是用微波传感器的时候外界的因素影响比较多 如温度 气压 采样位置等 36 红外线 比红光波长更长的光叫红外线 是一种不可见光 由于位于可见光中红外线 以外的光 故称红外线 37 核辐射传感器是根据被测物质对射线的吸收 反 散射或射线对被测物质的电离激发 作用而进行工作的 它是利用放射性同位素来进行测量的 38 数字传感器 就是把被测模拟量直接转换成数字量输出的传感器 39 数字传感器的特点 1 具有高抗干扰能力和高性噪比 有利于杂恶劣的环境下是用 通常免于噪声和外来信号 的干扰 特别是用于远距离传输 2 数据可以高速远距离传输 而不会引入动态滞后 3 能同时做到高测量精度和大测量范围 4 易于与计算机接口 便于信号处理和实现自动控制 可以进行大量数据的高速处理 如 压缩 调制和解调 显示 存储和反复阅读及调用 5 响应速度受各种因素的制约 有的相对较低 主要是频率式的 6 数字式传感器与数字式执行器配合使用 特别适用于重复性的工作中 7 数字式传感器便于动态及多路测量 使用方便 易于和其他各种数字电路接口 实现积 木化 为非专业人员所熟悉和使用 变成一个大众化的传感器 8 工作可靠性高 安装方便 维护简单 40 光电式编码器用光电方法 将转角和位移转换成各种代码形式的数字脉冲 41 光栅式传感器 是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅 主要用于位移测量及与位 移相关的物理量 如 速度 加速度 振动 质量 表面轮廓等方面 测量 42 直线感应同步器和圆感应同步器的工作原理基本相同 都是利用电磁感应原理工作 43 生物传感器是利用各种生物或生物物质 是指酶 抗体 微生物等 作为敏感材料 并将其生产的物理量 化学量的变化转换成电信号 用以检测与识别生物体内的化学成分 的传感器 44 几种生物传感器 酶传感器 微生物传感器 免疫传感器 45 智能式传感器 是基于人工智能 信息处理技术实现的具有分析 判断 量程自动转 换 漂移 非线性和频率响应等自动补偿 对环境影响的自适应 自学习以及超限报警 故障诊断等功能的传感器 46 与传统传感器相比 智能传感器有以下特点 精度高 可靠性与高稳定型强 高性噪比 与高分辨率 自适应性强 性能价格比高 47 MEMS 通常称微机电系统 定义 将传感器 信号处理器和执行器以微型化结构形式集 成一个完整的系统 而该系统具有 敏感 决定 和 反应 的能力 48 模糊传感器 是在经典传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集成 以自然语言 符号的描述形式输出的传感器 其基本功能 学习 推理联想 感知和通信功能 49 网络传感器 是指传感器在现场级实现网络协议 使现场测控数据就近登录网络 在网 络所能及的范围内实时发布和共享 50 网络传感器主要是由信号采集单元 数据处理单元及网络接口单元组成 其核心是 使 传感器本身实现网络通信协议 51 网络传感器基本结构图 调 理 电 路 A D 转换 微 处 理 器 网 络 接 口 敏 感 元 件 信号采集单元数据处理单元网络接口单元 第四章 1 力测量所依据的原理是力的静力效应和动力效应 2 位移 是一个向量 包括线位移和角位移 3 位移测量分为模拟测量和数字测量两大类 1 常见的模拟测量传感器 电阻式传感器 电位器式和应变式 电感式传感器 差动电 感式和差动变压器式 电容式传感器 变极距式 变面积式和变介质式 电涡流式传感 器 光电式传感器及光导纤维传感器 超声波传感器 激光及辐射式传感器 薄膜传感器 2 常见数字式转化装置有感应同步器 直线式 圆形 旋转变压器 磁尺 带状 线状 圆形 光栅 直线式 圆形 和各种脉冲编码等 4 物位是指各种容器设备中液体介质液面的高低 两种不相溶的液体介质的分解面的高低 和固体粉末状物料的堆积高度等的总称 包括液位 料位 界位 5 超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的 原理 超声波发射和接收换能器可以设置在液体中 这样 超声波将在液体中传播 对于 单换能器 如图 4 35 中左边两种结构 若超声波从发射到液面 又从液面反射到换能器的 时间为 t 则换能器距液面的距离 h 为 对于双换能器 如图 4 35 中右边两种结构 若超声波发射点到换能器的距离为 s 则从发 射到被接收经过的路程为 2s 设两个换能器之间的距离为 2a 那么可以推算出液位高度为 2 vt h 22 ash 超声波传感器具有精度高和使用寿命长的特点 但若液体中有气泡或液面发生波动 便会 有较大的误差 在一般使用条件下 它的测量误差为 0 1 检测物位的范围为 m 42 10 10 6 厚度测量的传感器 1 绝对测厚 低频透射式电涡流测厚 超声波测厚 微波测厚 核辐射测厚 2 相对测厚 极距变化性电容传感器 高频反射式涡流传感器 7 有些频率的声音直接或间接地影响着人们的生活品质和身心健康 影响着机器设备的工 作性能和寿命 通常称之为噪声 8 声波具有一般波动特性 在空间传播过程中遇到阻碍物时会产生反射 折射和衍射和干 涉等典型波动现象 两个同频率的声波在声场中相遇时会发生干涉 相遇处的声波互相加 强或消弱 9 噪声的强弱通常采用声压 声强和声功率等参量来度量 10 频率是决定声音高低的主要因素 11 人耳判断声音响和程度用响度来度量 响度的单位为宋 sone 12 一般多采用近声场的测量法 将传声器置于距被测产品 1m 距地面 1 5 m 的地方来测 量 13 温度是表征物体冷热程度的物理量 是物体内部分子无规则剧烈运动程度的标志 14 温标就是温度的数值表示的标尺 是温度的单位制 15 按照国际温标 ITS 90 摄氏温度 t oC 和国际开尔文温度 T K 之间的关系为 15 273 Tt 16 温度测量方法按照感温元件是否与被测介质接触 可以分为接触式与非接触式两大类 17 论述什么是接触式 非接触式测温方法 答 接触式测温的方法就是使温度敏感元件与被测温度对象相接触 之间进行充分的热交 换 当热交换平衡时 温度敏感元件与被测温度对象的温度相等 测温传感器的输出大小 即反映了被测温度的高低 常用的接触式测温的温度传感器主要有热膨胀式温度传感器 热电偶 热电阻 热敏电阻和温敏晶体管等 这类传感器的优点是结构简单 工作可靠 测量精度高 稳定性好 价格低 缺点是有较大的滞后现象 测温时由于要进行充分的热 交换 不方便于运动物体的温度测量 被测对象的温度场易受传感器接触的影响 测温范 围受感稳元件材料性质的限制等 非接触式测温的方法就是利用被测温度对象的热辐射能量随其温度的变化而变化的原 理 通过测量与被测温度对象有一定距离处被测物体发出的热辐射强度来测得被测温度对 象的温度 常见非接触式测温的温度传感器主要有光电高温传感器 红外辐射温度传感器 等 这类传感器的优点是不存在测量滞后和温度范围的限制 可测高温 腐蚀 有毒 运 动物体及固体 液体表面的温度 不影响被策温度 缺点是受被测温度对象热辐射率的影 响 测量精度低 使用中测量距离和中间介质对测量结果有影响等 18 对红外温度传感器的测温原理作简单介绍 红外光向外界辐射出能量的大小与该物体热力学温度的 4 次方成正比 4 0 4 TTE 利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度传感器 这种测量不需要与被测对象接触 因此属于非接触式测量 能量主要集中在中红外和远红外波长 红外温度传感器测温原理图 第五章 1 微弱信号检测学 就是研究从噪声中提取信息的方法及技术的学科 2 从广义讲 噪声可以分为两类 即干扰和噪声 狭义 一 干扰是指非被测信号或非测 量系统所引起的噪声 干扰属于理想上可排除的噪声 二 狭义噪声是指来自于被测对象 传感器 比较测定系统内部的广义噪声 其特点 不可能彻底排除 只能设法减少 这些 噪声是随机的 3 微弱信号检测方法可分为两大类 一类是时域处理方法 即信号的所有处理都是在时域 内进行 另一类是频域处理方法 即将信号变换到频域 然后按照信号的频域特性对信号 进行处理 一 时域处理方法又分 常规方法 相关检测方法 周期信号的取样积分方法 离散量的计数统计 并行检测 二 频域检测方法又分 窄带化检测技术及相干检测技术 4 微弱信号检测技术 电容检测 压阻检测 压电检测 隧道检测 热流式检测 谐振 式检测 光纤式检测 混沌检测 第六章 1 按干扰的来源 可以将干扰分为内部干扰和外部干扰 一 外部干扰 就是指那些与系 统结构无关 由使用条件和外部环境因素所决定的干扰 主要来源于自然界的干扰以及周 围电气设备的干扰 自然干扰主要有地球大气放电 如雷电 宇宙干扰 如太阳产生的无 线电辐射 地球大气辐射以及水蒸气 雨雪 砂尘 烟尘作用的静电效应等 电气设备的 干扰主要高压输电线 内燃机 荧光灯 电焊机等设备产生的放电干扰 二 内部干扰 就是指系统内部的各种元器件 信道 负载 电源等引起的各种干扰 常见的如信号通道 干扰 电源电路干扰 和数字电路干扰 2 干扰的引入和传播主要有以下几种 静电耦合 又称静电感应 电磁耦合 电磁感应 共阻抗耦合 辐射电磁干扰和漏电流耦合 3 干扰抑制问题 主要从硬件和软件两个方面来考虑 接地 屏蔽 去耦 以及软件抗干 扰等是抑制干扰的主要方法 4 检测系统的接地类型主要有两种 1 保护接地 2 工作接地 系统内印制电路板接地的基本原则是高频电路应就近多接地 低频电路应一 点接地 一般来说 频率在 1MHz 以下 可用一点接地 其地线长度就不要超过波长的 1 20 否则应采取多点接地 而高于 10MHz 应多点接地 5 信号地 传感器地 一般以 5 导体 接地电阻 一点接地 注意这种地是不浮空的 6 功率地 电流较大 接地线的线径应较粗 且与小信号地线分开 接直流地 7 走线原则 在长线传输中 为了防止窜扰 行之有效的办法是采用交叉走线法 8 软件抗干扰的主要措施 一 数字滤波 二 软件陷阱 三条指令 NOP NOP 三 技术 第七章 信号调理电路是测量系统的组成部分 它的输入是传感器输出电信号 输出为适合传 输 显示 纪录或者更好地满足后续标准设备或装置要求的信号 信号调理电路通常具有 放大 电平移到 阻抗匹配 滤波 调制 解调等功能 信号调理过程示意图 传感器输出为模拟量的 传感器输出为数字量的 A D 转 换 采 样 保 持 存 储 器 滤 波 放 大 器 传 感 器 控制系统 总线 传 感 器 存 储 器 计 数 器 整 形 电 路 控制电路 总线 隔离放大器主要由输入部分 输出部分 信号耦合器和隔离电源组成 滤波是测量系统排除干扰 抑制噪声常用的方法 滤波技术分为硬件滤波和软件滤波 5 使用多传感器数据融合技术将使测量系统具有如下优势 增加测量维数 增加容错功能 改进系统的可靠性和可维护性 提高精度 在传感器测量中 不可避免地存在各种噪声 而同时使用描述同一特征的多 个不同信息 可以减少这种由测量不精确所引起的不确定性 显著提高系统的精度 扩展了空间和时间的覆盖 提高了空间分辨率及环境的适应能力 改进探测性能 增加响应的有效性 降低了对单个传感器的性能要求 提高信息处理的 速度 降低信息获取的成本 信息融合的结构形式 串行融合 并行融合和混合融合 第八章 1 所谓计算机检测 是将温度 压