传感器技术及应用教案及习题

传感器技术及应用教案及习题 第一章引言?教学要求1掌握传感器的基本概念。 2掌握传感器的组成框图（p2，图1.1）。 3掌握传感器的静态性能和动态性能。 4了解传感器的课程性质和课程任务。 5了解传感器的分类和发展趋势。 ?教学内容1.1传感器的发展和作用了解。 1.2什么是传感器传感器定义能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。 根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即敏感元件、转换元件、转换电路。 1.3传感器的分类1根据被测物理量分类速度传感器、位移传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。 2按工作原理分类应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等。 3按能量的传递方式分类有源的和无源的传感器。 1.4传感器的性能和评价1.4.1传感器的静态特性传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响应特性，称静态响应特性。 通常用来描述静态特性的指标有测量范围、精度、灵敏度、稳定性、非线性度、重复性、灵敏阈和分辨力、迟滞。 ?稳定性传感器的稳定性，一是指传感器测量输出值在一段时间内的变化，即用所谓的稳定度表示；二是指在传感器外部环境和工作条件变化时而引起输出值的变化，即用影响量来表示。 ?灵敏度传感器灵敏度是表示传感器的输入增量与由它引起的输出增量之间的函数关系。 更确切地说，灵敏度k等于传感器输出增量与被测量增量之比，是传感器在稳态输出输入特性曲线上各点的斜率。 用公式表示为?灵敏阈与分辨力灵敏阈是指传感器能够区分出的最小读数变化量。 对模拟式仪表，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个阶梯所代表的输入量的大小。 对于数字式仪表，灵敏度阈就是分辨力，即仪表指示数字值的最后一位数字所代表的值。 从物理含义看，灵敏度是广义的增益，而灵敏度阈则是死区或不灵敏度。 ?迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输入特性曲线不重合的程度称为迟滞。 ?线性度传感器的输出输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称为该传感器的“非线性误差”或称“线性度”，也称“非线性度”。 1.4.2传感器的动态特性动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。 只要输入量是时间的函数，则其输出量必将是时间的函数。 研究动态特性的标准输入形式有三种，即正弦、阶跃和线性，而经常使用的是前两种。 ?零阶传感器动态特性指标零阶传感器，其输入量无论随时间如何变化，其输出量的幅值总是与输入量成确定的比例关系，在时间上也不滞后，幅角等于零。 所以零阶传感器的动态特性指标就是静态特性指标。 ?一阶传感器动态特性指标一阶传感器动态特性指标有静态灵敏度和时间常数。 如果时间常数越小，系统的频率特性就越好。 在弹簧阻尼系统中，就要求系统的阻尼系数小，而弹簧刚度要大。 ?二阶传感器动态特性指标二阶传感器的传递函数频率函数为幅频特性为相频特性为上面各式中0系统无阻尼时的固有振动角频率；k弹簧常数；m质量；相对阻尼系数；C阻尼器阻尼系数；K静态灵敏度。 由于大多数传感器均为二阶系统，所以我们要专门讨论二阶系统的阶跃响应。 根据二阶系统相对阻尼系数的大小，将其二阶响应分成三种情况既1时过阻尼；1=时临界阻尼；1时欠阻尼。 在一定的值下，欠阻尼系统比临界阻尼系统更快地达到稳态值；过阻尼系统反应迟钝，动作缓慢，所以一般传感器都设计成欠阻尼。 一般取值为0.60.8。 第二章应变式传感器第二章应变式传感器?教学要求1掌握电阻应变效应的基本概念。 2掌握电桥原理与电阻应变计桥路。 3掌握应变计的静态性能和动态性能。 4.掌握温度误差产生的原因及其补偿方法。 4了解应变计的分类和命名规则。 5了解应变计的应用和发展现状。 ?教学内容2.1电阻应变效应2.1.1电阻应变效应定义导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。 设有一段长为l，截面积为A，电阻率为的导体(如金属丝)，它具有的电阻为lRA=式中电阻丝的电阻率；l电阻丝的长度；A电阻丝的截面积。 2.1.2应变计的分类了解。 2.1.3应变计型号命名了解。 2.2应变计的主要特性2.2.1应变计的灵敏度系数当具有初始电阻值的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化。 实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系第二章应变式传感器RRk=式中，k为电阻应变计的灵敏度系数。 必须指出，应变计的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏度系数，一般情况下，0k kn2时，ri。 n 1、n 2、r、i间的数学关系为n1sini=n2sinr （1）当r=90?时，i仍90?，此时，出射光线沿界面传播，称为临界状态。 临界角i0为i0=arcsin(n2/n1) （2）当ii0并继续增大时，r90?，这时便发生全反射现象，其出射光不再折射而全部反射回来。 4.1.3光纤的几个重要参数1数值孔径NA入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入第四章光纤传感器射光才可以。 这个角度就称为光纤的数值孔径。 定义为221212,NA n n nn=?为纤芯折射率，为包层折射率。 数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。 CCITT建议多模光纤的数值孔径取值范围为0.180.23，其对应的光纤端面接收角c=1013。 2传播模式采用“V值”表述光在阶跃型折射率光纤中的传播特性12221202aV()nn=?a为纤芯半径，0为入射光在真空中的波长。 光纤V值越大,则光纤所能拥有的,即允许传输的模式(不同的离散波)数越多。 当V值低于2.404时,只允许一波或模式在光纤中传输。 3.传播损耗光从光纤一端射入，从光纤另一端射出，光强发生衰减，通常用传播率A来表示传播损耗:1010lg(/)IIA dBkml?=式中l为光纤长度，1I为输出端光强，0I为输入端光强。 4.1.4光纤的类型1按折射率变化类型分类阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。 2按传播模式的多少单模光纤和多模光纤。 3从传感器机理上来说第四章光纤传感器光纤传感器可分为振幅型（也叫强度型）和相位型（也叫干涉仪型）两种。 振幅型光纤传感器具有结构简单、与多模光纤技术的相容性好、信号检测较容易等优点，但其灵敏度较低。 相位型光纤传感器的优点是灵敏度高，但其机构及检测手段复杂。 强度型(振幅型)光纤传感器4.2.1反射式光纤位移传感器结构反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。 其原理如图4.1所示光纤采用型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。 原理光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。 当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。 显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。 随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。 图4.2所示就是反射式光纤位移传感器的输出特性曲线，利用这条特性曲线可以通过对光强的检测得到位移量。 特点反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。 图4.1反射型光纤传感器的结构图2位移输出信号曲线4.2.2光纤测压传感器4.2.3移动光栅光纤传感器4.2.4微弯光纤传感器第四章光纤传感器以上各节要求了解。 他们均属于强度调制型传感器。 4.3相位调制型光纤传感器4.3.1基本原理基本换能机理在一段单模光纤中传输的相干光，因待测能量场的作用，而产生相位调制。 测量机构分类迈克尔逊马赫-泽德萨格奈克和法布里-珀罗。 特点结构上都由空气光路和多个光学器件（分光束和平面镜）组合而成。 在每种传感器中，光源的输出光束均被分成两束或两束以上的光。 这些分开的光束沿不同光路传输之后，又重新合路并激励光敏检测器。 4.3.2光纤（强度）干涉仪光纤耦合器光纤耦合器（Coupler）又称分歧器（Splitter），是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属于光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到。 光纤耦合器可分标准耦合器（双分支，单位12，亦即将光讯号分成两个功率）、星状树状耦合器、以及波长多工器（WDM，若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属於DWDM），制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（Micro Optics）、光波导式（Wave Guide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90）。 4.4光纤传感器的应用举例1相位检测其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。 通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。 这类传感器的灵敏度很高。 但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。 第四章光纤传感器2.光纤声传感器通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器。 光纤声压传感器利用了双路光纤干涉原理制成的。 3.光纤磁传感器利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器。 4.光纤电流传感器（了解）第五章变磁阻式传感器第五章变磁阻式传感器?教学要求1掌握变磁阻式传感器的原理。 2掌握差动式电感传感器的工作原理。 3掌握差动变压器式传感器的基本原理。 4.了解电动式传感器的原理。 ?教学内容 一、工作原理变磁阻式传感器的结构如图所示。 它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成,在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为,传感器的运动部分与衔铁相连。 当衔铁移动时,气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定:IwIwIL=第五章变磁阻式传感器式中线圈总磁链；I通过线圈的电流；w线圈的匝数；穿过线圈的磁通。 由磁路欧姆定律,得mRIw=式中mR磁路总磁阻。 对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为002221112S SLSLRm+=式中1铁芯材料的导磁率；2衔铁材料的导磁率；1L磁通通过铁芯的长度；2L磁通通过衔铁的长度；S1铁芯的截面积；S2衔铁的截面积；0空气的导磁率；S0气隙的截面积；气隙的厚度。 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即111002s uLsu22xxs uLsu则磁阻mR可近似为002s uRm=联立式以上各式,可得第五章变磁阻式传感器xx2S wRwLm=上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变或S0均可导致电感变化,因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积S0的传感器。 使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。 二、输出特性设电感传感器初始气隙为0,初始电感量为0L,衔铁位移引起的气隙变化量为,从式xx2S wRwLm=，可知L与之间是非线性关系,特性曲线如图表示。 在很小时，电感的相对变化量为00=LL，灵敏度为0001=LLK第五章变磁阻式传感器由此可见,变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。 为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。 三差动电感传感器差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈、和磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连,当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等,方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。 当衔铁往上移动时,两个线圈的电感变化量L 1、L2分别由及表示,当差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与L有关,其具体表达式为002=LL灵敏度K0为0002=LLK比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到如下结论:差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。 差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以0/因子,因为0/1,所以,差动式的线性度得到明显改善。 为了使输出特性能得到有效改善,构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。 四、测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。 第五章变磁阻式传感器五差动变压器式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。 这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且次级绕组都用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式较多,有变隙式、变面积式和螺线管式等,但其工作原理基本一样。 5.3.1形差动变压器的输出特性形差动变压器的灵敏度表达式201sc srUU NKN=?可知传感器的灵敏度将随电源电压scU和变压比21NN的增大而提高，随起始间隙增大而降低。 5.3.2螺管形差动变压器非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器,它可以测量1100mm范围内的机械位移,并具有测量精度高,灵敏度高,结构简单,性能可靠等优点。 六、变磁阻式传感器的应用变隙电感式压力传感器由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成,衔铁与膜盒的上端连在一起。 当压力进入膜盒时,膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。 于是衔铁也发生移动,从而使气隙发生变化,流过线圈的电流也发生相应的变化,电流表指示值就反映了被测压力的大小。 第五章变磁阻式传感器图4-8变隙电感式传感器结构