传感器复习课件

传感器与检测技术,复习课,填空题（共20分每题2分）选择题（共20分每题2分）简答题（共30分每题6分）计算题（共30分1小题6分，其余各题8分）,1.1自动检测技术概述,1.1.1自动检测技术的重要性1.1.2自动检测系统的组成1.1.3自动检测技术的发展趋势,1.1.2自动检测系统的组成,检测系统的组成,传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。测量电路：把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。输出单元：指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。,1.2传感器概述,1.2.1传感器的定义1.2.2传感器的组成1.2.3传感器分类,1.2.2传感器的组成,敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量转换电路上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出,1.3.1测量误差的概念和分类,1.有关测量技术中的部分名词2.误差的分类,2.误差的分类,（1）系统误差（2）随机误差（3）粗大误差,1.3.3测量误差的表示方法,(1)绝对误差(2)相对误差,(1)绝对误差,绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。设被测量的真值为A0，器具的标称值或示值为x，则绝对误差为（1.3.1）由于一般无法求得真值A0，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值，即实际值A代替真值A0。x与A之差称为测量器具的示值误差，记为（1.3.2）通常以此值来代表绝对误差。,(2)相对误差,相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。相对误差有以下表现形式：实际相对误差。示值相对误差。满度（引用）相对误差,1.3.6粗大误差（3）,判别粗大误差最常用的统计判别法：如果对被测量进行多次重复等精度测量的测量数据为x1，x2，xd,，xn其标准差为，如果其中某一项残差vd大于三倍标准差，即则认为vd为粗大误差，与其对应的测量数据xd是坏值，应从测量列测量数据中删除。,1.系统误差的发现,理论分析及计算实验对比法残余误差观察法残余误差校核法计算数据比较法,（1）理论分析及计算因测量原理或使用方法不当引入系统误差时，可以通过理论分析和计算的方法加以修正。（2）实验对比法实验对比法是改变产生系统误差的条件进行不同条件的测量，以发现系统误差，这种方法适用于发现恒定系统误差。（3）残余误差观察法根据测量列的各个残余误差的大小和符号变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差，这种方法主要适用于发现有规律变化的系统误差。,（4）残余误差校核法,用于发现累进性系统误差马利科夫准则：设对某一被测量进行n次等精度测量，按测量先后顺序得到测量值x1，x2，xn，相应的残差为v1，v2，vn。把前面一半和后面一半数据的残差分别求和，然后取其差值用于发现周期性系统误差阿卑-赫梅特准则：,则认为测量列中含有周期性系统误差。,当存在,设,静特性指标,线性度灵敏度迟滞重复性零点漂移温度漂移,第二章电阻式传感器原理与应用,2.1.1工作原理,1.金属的电阻应变效应,电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化,电阻丝的灵敏系数,温度补偿,单丝自补偿法自补偿法组合式自补偿法线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿,2.1.3电阻应变片的测量电路,1直流电桥2非线性误差及其补偿,压阻式传感器的基本原理,压阻效应压阻式传感器的测量电路：,3.1.1工作原理,线圈自感,线圈总磁链,单位：韦伯；I通过线圈的电流，单位：安培；W线圈的匝数；Rm磁路总磁阻，单位：1/亨。,a)气隙型b)截面型c)螺管型自感式传感器原理图,3.2差动变压器,差动变压器是把被测的非电量变化转换为传感器线圈的互感系数的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组常用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。,相敏检波电路的两个作用,1、相敏检波电路的输出幅度代表了衔铁的运动幅度，输出极性代表了衔铁的移动方向；2、能够减小零点参与电压；,1.工作原理,S极板相对覆盖面积；d极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数（8.85pF/m）；电容极板间介质的介电常数。,2.变面积型电容传感器,当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为,C与x间呈线性关系,电容式角位移传感器,当=0时,当0时,传感器电容量C与角位移间呈线性关系，但如果输出是，则是非线性关系。,3.变介电常数型电容式传感器,初始电容,电容式液位传感器,电容与液位的关系为：,电涡流传感器,原理电涡流效应电涡流传感器的两种类型,1.基本原理,线圈置于金属导体附近：线圈中通以高频信号i1正弦交变磁场H1金属导体内就会产生涡流涡流产生电磁场反作用于线圈，改变了电感,电感变化程度取于线圈L的外形尺寸，线圈L至金属板之间的距离，金属板材料的电阻率和磁导率以及的频率等,光电式传感器,当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。,光电管,4.1.2光电倍增管,在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极,1.光敏电阻的工作原理及结构（内光电效应）,当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加,4.3.2CCD图像传感器,利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。,光纤导光,n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故n01,当r=90的临界状态时，,定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）,相对折射率差,arcsinNA是一个临界角，iarcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；iarcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。,光纤传感器光学测量的基本原理,光就是一种电磁波，,光的电矢量E,被测量调制：光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制,莫尔条纹形成原理,横向莫尔条纹的斜率,莫尔条纹间距,莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定,光栅是基于莫尔条纹现象制成的一种计量光栅。当两组间隔W相同，并有一夹角的光栅相互错动时，会形成明暗相间的移动条纹，称为莫尔条纹。莫尔条纹的宽度BH可表示为：BH=W/，当角很小时，即活动光栅每移动一个W距离，莫尔条纹能移动一个BH的距离，由于角很小，因此，BH比W要大的多，有放大的作用。光栅式传感器就利用了这一原理。,5.2.1霍尔传感器工作原理,在金属或半导体薄片的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势（霍尔电势），这种现象称为霍尔效应。,霍尔效应原理,霍尔常数,载流子受洛仑兹力,霍尔电场强度,平衡状态,电子运动平均速度,霍尔电势,霍尔常数,霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。,霍尔元件灵敏度（灵敏系数）,半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，,5.2.2霍尔元件的结构和基本电路,霍尔元件,5.3.1压电式传感器的工作原理,电势型传感器以压电效应为基础压电效应可逆“双向传感器”正压电效应加力变形产生电荷逆压电效应施加电场电介质产生变形应力常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。,1.压电元件的等效电路,压电式传感器的等效电路,(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca和一个电容Ca的串联电路,两个压电片的联接方式,（a）“并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（b）“串联”Q=Q，U=2U，C=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。,1、金属热电阻传感器,工业广泛使用，200+500范围温度测量。在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至更低，1K左右。高温端可测到1000。温度测量的特点：精度高、适于测低温。传感器的测量电路：经常使用电桥、精度较高的是自动电桥。为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。,三线制,热电阻测温电桥的三线制接法,工业用热电阻一般采用三线制,G检流计，R1，R2，R3固定电阻，Ra零位调节电阻，Rt热电阻,四线制接法,热电阻测温电桥的四线制接法,精密测量中，采用四线制接法,6.3.1热电偶测温原理,热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路当两个接触端TT0时，回路中会产生热电势,热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定,1.接触电势,k玻耳兹曼常数；T接触面的绝对温度；e单位电荷量；NA金属电极A的自由电子密度NA金属电极B的自由电子密度,接触电势帕尔帖电势,2.温差电势,汤姆逊系数，它表示温度为1时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。,温差电势（汤姆逊电势）,6.3.2热电偶的基本定律,1.匀质导体定律2.中间导体定律3.连接导体定律,1.匀质导体定律,由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。热电偶必须采用两种不用材料的导体组成，热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。,2.中间导体定律,在热电偶回