信号检测技术

第4章信号检测技术一、传感器概述二、长度及位移检测三、角度及角位移检测四、绝对测距五、力/压力检测六、速度/加速度检测七、温度检测八、流量检测九、电磁量检测十、视觉检测系统二、长度及线位移检测1、电感式位移传感器W---线圈匝数Rm---磁路总磁阻li---各段导磁体的长度ui---各段导磁体的磁导率Ai---各段导磁体的截面积二、长度及线位移检测(1)变气隙式电感位移传感器—基本形式思考：灵敏度？线性度？

线圈铁芯衔铁改进方法？差动式(2)变面积式(3)螺管式二、长度及线位移检测电感位移传感器意大利Marposs:二、长度及线位移检测电感位移传感器中国中原量仪:二、长度及线位移检测(1)光栅传感器原理(莫尔条纹)

构成：叠合主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动条纹宽度：W-栅距，a-线宽，b-缝宽W=a+b

，a=b=W/2

主光栅---标尺光栅，定光栅；指示光栅---动光栅二、长度及线位移检测(2)光栅传感器特点

①精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μm，测角±0.1″②量程大：透射式---光栅尺长（<1米），反射式--->几十米③响应快：可用于动态测量④增量式：增量码测量→计数断电→数据消失⑤要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度⑥成本高：电路复杂二、长度及线位移检测(3)光栅传感器结构

1–主光栅尺（定光栅）2–指示光栅（动光栅）3–光电元件4–透镜5–光源透射式结构：反射式结构：

光源→指示光栅→透射→主光栅→光电元件光源→主光栅→反射→指示光栅→光电元件二、长度及线位移检测(4)代表性产品：

德国Heidenhain（海德汉）：封闭式：量程3000mm，分辨力0.1m开放式：量程1440mm，分辨力0.01m开放式：量程270mm

分辨力1nm二、长度及线位移检测英国Renishaw（雷尼绍）：量程：任意分辨力：0.1m0.01m中国长春光机所：量程：1000mm分辨力：0.01m精度：2

m二、长度及线位移检测2、光学干涉（Interference）干涉原理（单频干涉）：两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹，其亮暗程度取决于两束光间的相位差Δφ

亮条：暗条：Δφ=2kπ,k=0,1,l,2,…

相消干涉Δφ=2kπ,k=0,1,l,2,…

相长干涉

二、长度及线位移检测双频激光干涉位移传感器测量原理：

激光器发出一束激光，含有两束偏振光：左旋光，频率f1

右旋光，频率f2，振幅相同，频率相差约2MHz。激光束分光器参考光束测量光束光电检测λ/4波片渥氏棱镜f2→光电检测f1→角锥棱镜参考信号测量信号f2-f1±Δff1±Δf1f2-(f1±Δf)三、角度及角位移检测1、绝对码光电编码器原理：平行光源→码盘→光电元件→电信号输出码盘：光学玻璃，透光/不透光→照相腐蚀要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）光源：LED→光学系统→平行光→投影精确光电元件：硅光电池，光电晶体管滞后→响应速度码道：位数→每个码道对应一个光电元件→分辨率角度分辨率：α=360º/2nn-码道数（位数）组成：光源、码盘、光电元件

增加码道、增大码盘尺寸→有限提高精度光学细分→附加码道三、角度及角位移检测测量电路：编码码制：十进制码---0123456789二进制码---00000001001000110100格雷码---循环码：相邻两数只有一位不同每次只有一位变化→转换放大→足够电平，驱动整形→接近理想方波细分→提高分辨率（光学+电路）多位码同时动作→同步误差→错码读数直观，不易电路处理直观，易于后续电路和计算机处理三、角度及角位移检测3、圆光栅传感器工作原理：莫尔条纹技术类型：(1)直线莫尔条纹：条纹---直线(2)圆型莫尔条纹：条纹---圆型RENISHAW

圆光栅：角度分辨率为0.01″

系统精度为±0.7″(a)径向光栅---圆弧形莫尔条纹光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向莫尔条纹在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹其他位置上上，称为斜向莫尔条纹条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径圆弧四、绝对测距2、激光测距传感器(1)激光测距特点：测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）(2)激光测距方法：飞行时间法、相位差法(a)飞行时间法：被测距离:c---光速t---往返飞行时间(b)相位差法：被测距离:c---光速f0---脉冲频率

-相位差激光器被测目标原理：激光器发出单个激光脉冲原理：激光器发出连续激光脉冲激光器被测目标特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离（地球-月球：分辨力达到1m

）特点：测量精度高，测量范围大（短距离–超长距离）（相机自动调焦）四、绝对测距范围：0.2~300m分辨力：3mm德国俫卡手持式：范围：0.2~200m分辨力：0.2mm美国bushwell单目军用范围：1000m分辨力：1m四、绝对测距3、超声测距传感器超声测距原理：被测距离:c---声速t---往返飞行时间应用：适于大目标、近距离、一般精度测距手持测距仪---盲人导盲汽车倒车雷达---汽车安全工业应用---超声测量液位、物位特点：超声波束发散，测量范围小波束聚焦困难，测量精度低测量目标不能太小；超生探头被测目标超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。五、温度检测1、概述

温度分类:应用:测温接触测温非接触测温热辐射测温热传导测温压电效应热阻效应热电势效应金属热电阻半导体热敏电阻热电偶温度传感器压电陶瓷（热释电效应）→敏感元件→电参数光电效应红外温度传感器、光纤温度传感器热电阻电涡流传感器PN结热电效应热敏二极管/三极管、集成温度传感器工作原理：

(1)热电阻原理与特性:

要求：（1）温度系数、电阻率较高→提高灵敏度，体积小，反应快（2）理化性能稳定→提高稳定性和准确性，复现性好（3）良好的输入-输出特性→线性/接近线性，测量精度高（4）良好的工艺性→批量生产，降低成本材料：纯金属---铂、铜、镍、铁（5）较大的测温范围→特别是在低温范围五、温度检测2、热电阻原理：热能热电阻电阻值温度热电阻阻值特点：0~+850℃：0~-200℃：应用：(1)在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好(2)输入输出特性接近线性(4)贵重金属，成本较高标准温度计，高精度工业测温，高低温测试构成：金属铂丝(0.02~0.07mm)绕制成线圈(3)测量精度高：<0℃:±1℃、

0~100℃:±0.5℃、

100~650℃:±0.5%五、温度检测Pt100：R0：0℃时的温度–标准值(Pt100,Pt500)(2)铂电阻(Pt)特点：-50~180℃：应用：(1)易于提纯，在-50~150℃范围内性能稳定，价格低(2)输入输出特性接近线性:(3)电阻率低（为铂电阻的1/6），体积较大(Cu50,Cu100)(4)高温易被氧化，易被腐蚀(5)测量精度低于铂电阻：-50~50℃:±0.5℃、50~150℃:±1%小范围，较低温度，测量精度要求低，没有浸蚀性介质，代替铂五、温度检测构成：金属铂丝(0.02~0.07mm)绕制成线圈(3)铜电阻(Cu)R0：0℃时的温度–标准值材料：特点：分类：（1）温度系数大→灵敏度高（为热电阻10~100倍）（2）结构简单，体积小→可以测量点温度（3）电阻率高、热惯性小→适于动态测温（4）易于维护、使用寿命长→适于现场测温（5）互换性差，非线性严重，精度低正温度系数热敏电阻(PTC)负温度系数热敏电阻(NTC)临界温度系数热敏电阻(CTR)半导体---半导体热电阻（6）成本低，应用广泛3、热敏电阻

五、温度检测非线性热敏电阻的应用家用电器电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电烤箱、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、汽车电子电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅测量仪器流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、环境监测仪、办公设备复印机、传真机、打印机、扫描仪农业园艺温室控制、人工气候箱、烘干系统、医疗器具体温计、人工透析、散热系统工业生产电动机过热保护、五、温度检测应用实例：基于热敏电阻的电机过热保护器：Rt1Rt2Rt3：热敏电阻(NTC)，安装在三相绕组附近温度低时

：电阻高三极管不导通继电器不吸合电机运行温度高时

：电阻低三极管导通继电器吸合电机停止五、温度检测4、热电偶

五、温度检测(1)工作原理:两种不同导体构成闭合回路两个节点（A、B）温度不同热电势温差电势：σA-温差系数

TA,TB-A、B两节点绝对温度k-波尔兹曼常数e-电子电荷NA,NB-导体AB的自由电子密度→材料T-节点绝对温度接触电势：不同导体→自由电子密度不同→扩散→电势（帕尔帖）同一导体→两端温度不同→电子迁移（高→低）→电势若两种导体相同：σA=σB→E=0若两端无温差：T=T0→E=0两种情况导体不同两端温差条件(2)常用热电偶材料：五、温度检测材料测温范围特点应用铂铹10纯铂0~1000℃准确性高，成本高工业铱铹10纯铱0~2100℃科学研究铱铹40铂铹400~1900℃氧化、中性气体镍铁镍铜50~500℃<50℃无电势火灾报警镍铬康铜-200~900℃各种场合镍铬镍硅-50~1300℃电势大，线性好各种场合、常用铜康铜-200~400℃各种场合镍铬金铁-270~10℃低温铜金铁-270~-250℃灵敏度高低温(3)热电偶结构：五、温度检测a)普通热电偶：应用：测量气体、蒸汽、液体等介质温度结构：1-热电极2-绝缘套管

3-保护套管4-接线盒b)铠装热电偶：结构：热电极+绝缘材料

+金属保护套特点：细长(1~3mm)，可以弯曲，挠性好，强度高测端热容量小，动态响应快(0.01s)，应用：适于狭小空间、点温度c)其他热电偶：薄膜热电偶、浸入式热电阻、(4)热电偶的冷端补偿

热电势:a)恒温法：测温:获得T→T0固定→T0=0℃（冷端）冷端：干扰、波动T00误差冷端温度补偿标准大气压下，冷端→冰水混合液（保温容器）b)系数修正法：T0≠0℃→精确计算→修正T：测端温度T0：参考端（冷端）温度Tn：测量温度k：修正系数（表7-5）五、温度检测恒温控制→0℃←实验室（半导体制冷器）冷端温度补偿方法：d)电桥补偿法：全臂电桥：R1,R2,R3---锰铜线绕制电阻（固定电阻）

R4---铜线绕制补偿电阻（热电阻）

R---限流电阻E---电桥电源平衡：调整R4，使得电桥输出Uab=0补偿：冷端温度↑热电偶输出热电势Ex↓R4↑→失衡→Uab↑若Ex↓=Uab↑→输出不变c)延伸电极法：需要长线传输信号热电偶长度1米左右延伸电极(补偿导线)拉大测端与冷短距离方法：延伸电极与热电偶的材质尽可能接近，延伸电极与热电偶的两个节点温度相等五、温度检测PN结温度特性：热量→PN半导体PN结→分子热运动热电流电子→N空穴→P温度越高→热电流愈大特点：分辨力高