传感器与检测技术1

信号输出非电量电量信号输出非电量电量被测号传感信号调理记录信号分析输出显示信息在线处理辅助电源1测试的含义用了所有近代新技术和新理论。的数值结果，即以确定被测对象的量值为目的的全部操作。试验是对被研究的对象或系统进行试验性研究的过程。较法利用仪器仪表把待测物理量的变化变换成与之保持已知函数关系的另一种物理量的变化。测量原理及过程（1）进行处理和分析。信号检测信号检测信号分析典型非电量电测法测过程（2）信号分析是测试系统更为重要的一个环节。将调理电路输出的信号直接送到信号分析设备中进行处理，称为在线处理，并以数据或图像的形式通过输出显示装置进行显示。测试技术的典型应用产品质量测试设备运行状态监控系统家电产品中的传感器数宇自动化传感器技术的发展实现信号转换的装置。集成化、智能化传感器的开发。第二章测试系统的基本特性测试系统的概念测试系统是指为完成某种物理量体。

由具有某一种或多种变换特性的物理装置构成的总而测试系统的特性：迭加性、比例特性、微分特性、积分特性和频率特性（P82-2）测试系统的静态特征（1）测试系统的静态特征是指当输出信号为不变或缓变信号时测试系统处于静止状态，输入和输出的各阶导数均为零。yyt)b0xt)Sxt)a0上式是常系数线性微分方程的特例，称为测试系统的静态传递方程，简称静态方程。测试系统的静态特性的主要定量指标有：精确度、灵敏度、非线性度、回城误差、重复性、分辨率、漂移和死区等。（2）绝对误差Ｅ是指测量值（指示指）与真值（或准确值）之差：Ｅ＝ｙ－ｘｙ为测量值（指示指，x为真值（或准确值相对误差是绝对误差与被测量真值之比，即相对误差yx100%x在实际过程中，用相对误差表示整个量程内仪表的准确度，往往感到不便，因此，用引用误差即引用误差 绝对误

100%测量范围的上线值满量程值(3) 不变，或改变条件（如环境条件，测量条件）后按一定规定变化的误差。常，但随着测量次数的增加又符合统计规律的误差。件、突然变化所造成的。（4）精密度是精度的组成部分，他表示多次重复测量中，测量值彼此之间的重复性或愈好，精密度愈高。准确度则表示多次重复测量中，测量平均值与真值接近的程度。正确度反映系统误差的大小，系统误差愈小，测量平均值就愈接近真值，正确度愈高。精确度（精度）是指由测试系统的输出所反映的测量结果和被测参量的真值相符合的程度，综合反映系统误差和随机误差。精密度高，但准确度差，其精密不会好，反之，准确度好。（5）灵敏度是指测试系统在静态条件下，响应量y的变化y和与之相对应的输入量x变化量x的比值，即ysx理想测试系统输入/输出特性为线性关系，则有sy

yb

常数x x a灵敏度表征测试系统对输入信号变化的一种反应能力。灵敏度漂移时由于环境温度的变化而引起的测量和放大电路特性的变化，最终反映为灵敏度发生变化。测试系统的动态特性（1）测试系统的动态特征是指输入量随时间作快速变化时，系统的输出随输入而变化的关系。(2) 传递函数a传递函数与微分方程有直接联系。b传递函数有微分方程一样（元件）中输出信号与输入信号之间的变化规律，而不反映原来物理系统（元件）即对于许多物理性质截然不同的系统（元件，可以具有相同形式的传递函数。c传递函数是复变量s的有理真分式函数，即n系统物理性质决定的。d传递函数只与系统（元件）传递函数只表征系统（元件）本身的特性。（3）频率特性对于稳定的常系数线性系统，可用傅里叶变换代替拉氏变换:b(j)mb bbm 1 0a(j)na aan 1 0H(j)称为测量系统的频率响应函数，简称为频率响应或频率特性。定义：测量系统的频率响应H(j)就是在初始条件为零时，输出的傅里叶变换与输入的傅里叶变换之比，是在“频域”对系统传递信息特性的描述。一阶系统的传递函数为 Y(s H(s) X(s) s1H(H(j)1j11j1

A()

1()arctan()1()arctan()二阶系统的传递函数为Y(s) H(s) S n X(s) s2s2频率响应函数： H(j)

n n12 幅频特性： A()

1 n

2jn相频特性：

()arctan

()1[1(1[1()2]242()2nn1()2n第三章传感器及其应用概述传感器是一种获取被测信号的装置，是测试系统的首要环节。传感器的定义包括4层含义：传感器是测量装置，能完成检测任务。即可以是电量也可以是非电量。按一定的规律转换成易于传输和出理的信号，而且这种规律是可复现的。从传感器的输出端看，传感器的输出信号中不仅承载着待测的原始信号，而且是主要是电信号。传感器的组成传感器的组成通常由敏感元件、转换元件和信号调节和转换电路组成。辅助电源辅助电源被测量电量敏感元件转换元件信号调节转换电路传感器组成框图传感器的分类表3.1）被测物理量按传感器工作原理按能量传递方式按内部物理结构按输出信号特征电阻传感器化。电阻传感器的种类：①电位器式②电阻应变式③热敏电阻④光敏式⑤气敏式⑥湿敏式变阻器式传感器结构简单，性能稳定，使用方便。但因受电阻丝直径的限制，分辨率很难优于20um。触点和电阻丝由于接触表面磨损、尘埃附着等原因，将使触点移动中的接触电阻发生不规则的变化，产生噪声。应变效应应变效应是指金属导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理量。根据欧姆定律，导体的电阻R与电阻ρ及长ι 成正比，与截面积A成反比的关系，即 （p32）R截面积Ar2

lAdR

2drd电阻的相对变化量 R l r dν为泊桑系数，为导体电阻率相对变化，与导体所受的轴向应力有关dEE为导线材料的弹性模量，λ为压阻系数，与材质有关，即dRERdRRdRRS

12E应变片的种类应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片。金属应变片有丝式、箔式和薄膜式三种。金属丝式应变片使用更早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属大批量、一次性实验。有利于散热，因此稳定性好，因此目前大多使用金属箔式应变片。金属薄膜式应变片是采用真空镀膜（如蒸发或沉积）方式，其优点是应变灵敏度系数高，允许电流密度大，易于实现工业化生产，是一种很有前途的新型因变片。半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。其优点是体积100～175便等，因此其适用范围受到一定限制。热电阻式传感器热电阻式传感器分为金属丝热电阻传感器和热敏电阻传感器。热敏电阻分为以下三种类型:① 负温度系数热敏电阻（NTC，其电阻值随温度升高而下降。② （PTC高而增加。③ （CTR少。光敏电阻光敏电阻传感器的工作原理是基于内光电效应或光导效应，即某些半导体电阻降低；光照停止，自由电子与空穴逐渐复合，又恢复原电阻值。光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应范围很大，从紫外区到红外区，而且体积小、性能比较稳定、价格比较价廉。由于光敏电阻的输出/输入特性的线性度很差，因此不宜用作测试元件。光敏电阻主要被用作自动控制中的开关元件，也称光电导管。湿敏电阻传感器生，其典型的外形和结构。湿敏电阻的种类很多，目前工业上流行的湿敏电阻主要有氧化锂湿敏电阻品的互换性差。气敏电阻传感器气敏电阻由氧化锡、氧化锰等半导体材料制成，这些材料在吸收了氢、一氧化碳、烷、醚、醇、笨以及天然气等可燃气体烟雾时，发生还原反应，放出能量，是元件温度相应增高，电阻发生变化。大气污染检测、CO电容传感器是电容的变化量。平板电容器的电容为AC 0A为极板相互覆盖面积为极板间介质相对介电常数； 为真空中的介电0常数， 8.8541012/m，为极板间距；C为电容量。0电容传感器可分为三种：① 变极距型电容传感器② 变面积型电容传感器③ 灵敏度近似为（P40）SdC

A 0d 20为了提高灵敏度和线性度，克服外界条件，如电源电压、环境温度等的影响，常采用差动结构：CC1 2

C0

C0

C2C（P413.2）① 直线位移型平面线位移型圆柱体线位移型② 角位移型变介电常数型电容传感器变介电常数型电容式传感器大多用来测量材料的厚度、液体的液面、容量及温度、湿度等能导致极板间介电常数变化的物理量。电感传感器电感传感器按其转换方式的不同分为自感式、互感式和涡流式。自感式传感器自感式传感器大多属于变磁阻式，即被测量的变化引起电感元件的磁路磁阻变化从而使线圈的电感值发生变化。I，产生磁通Φ的自感量为W

LWI（P453.3）① 变间隙型电感传感器② 变面积型电感传感器③ 螺管式电感传感器际使用中的差动变压器多是螺线管型的。涡流式电感传感器涡流式电感传感器的工作原理是基于涡流效应，即当金属平面置于交变磁场中时，就会产生电感应电流，这种电流在金属平面内是闭合的，称为涡流。电涡流的产生必然会消耗一部分能量，从而是产生磁场的线圈阻抗发生变化，这种现象称为涡流效应。高频发射式涡流传感器的工作原理在电感线圈中通以高频）h低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器是利用互感原理工作的，它多用于测量材料的厚度。磁电传感器种传感器，也称为电动式传感器或感应式传感器。磁电式传感器类型有动圈式、磁阻式两种。动圈式传感器动圈式传感器按结构分为线速度型与角速度型。①线速度型传感器的工作原理，在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一而产生感应电势，其大小为：eWBldxsinWBlsindtW为线圈匝数；B为磁场的磁感应强度；ι 为线圈的长度

dx即，为线圈dt与磁场相对运动速度；α为线圈运动方向与磁场方向的夹角。在设计时，若使900，则可写为eWBl② 角速度型传感器工作原理。线圈在磁场中转动时，产生的感应电势为ekWBAω为线圈转动的角速度；A为单匝线圈的截面积；k为与结构有关的系数，k<1。磁阻式磁电传感器传感器在工作是，线圈与磁钢都不动，由运动着的物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，引起通过线圈的磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电势。压电传感器的转换。和切向压电效应。电压陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下通过强电场的作用，对其作极化处理。压电元件及等效电路压电传感器的压电元件是在两个工作方面上蒸镀有金属膜的压电片，金属膜构成两个电极。压电放大器的传感器--电缆--放大器系统等效应电路。放大器的输入电压ei为系统输出电压为

eCCCqia c iqie qKy CCCa c i上式表明测量系统的输出电压对电缆电容Cc

C就变c化，使得放大器输入电压ei

变化，系统的电压灵敏度也将发生变化，这就增加了测量的困难。电荷放大器则克服了电压前置放大器的缺点，它是一个高增益带电容反馈Ra

Ri

影响时，有qeC

e C eCe Ci a c

i y f

i y fe为放大器输入端电压；ei

为放大器输出端电压，ey

Kei

；K为电荷放大器开Cf

为电荷放大器反馈电容。则放大器输出端电压ey

与传感器电荷q的关系为e qy CCf

KCff 当放大器的开环增益足够大时，则有KC CC，上式简化为f e qy Cf电荷放大器的灵敏度调节，可采用切换运算放大器反馈电容Cf的办法。采用电放大器的主要优点。光电传感器转换器件（也称光敏开关。外光电效应是指在光照作用下，物体内的电子物理表面逸出的现象。内光电效应是指在光照作用下，其内部的原子释放出电子，但这些电子并（P62）（P62）4种基本形式。① 辐射式光电传感器 光辐射本身是被测物，被测物发出的光通量射光电元件