《机电一体化技术》课件-第四章 传感器检测技术

第四章传感器检测技术4.1传感器基础目录

传感器的基本概念1

检测系统分类3传感器测试系统组成2

误差认识4定

义传感器（国标GB/T7665－2005）：能感受被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器基本概念传感器基本概念

被测量的分类电量电压电阻功率电流电感电容传感器基本概念

被测量的分类机械量位移振动速度加速度力热工量温度压力流量化工量浓度成分湿度非电量测试系统组成

测试系统组成

传感器是获得信息的重要手段。它所获得信息的正确与否，关系到整个检测系统的精度，因而在非电量检测系统中占有重要的地位。信号处理电路把传感器输出的电学量变成具有一定功率的模拟电压（电流）信号或数字信号，以推动后级的输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构。

显示装置常用有四种：模拟显示、数字显示、图像显示和记录仪数据处理装置用来对被测结果进行处理、运算、分析，对动态测试结果作频谱分析、能量谱分析等，完成这些工作必须用计算机技术。检测系统分类

开环系统闭环系统误差的认知

一.测量的概念测量：测量过程实际上是一个比较过程，就是将被测量与同种性质的标准量进行比较，从而获得被测量大小的过程。

测量可分为狭义测量和广义测量两种。简单的比较过程称为狭义测量，而能对被测量完成检出、变换、分析、处理显示和控制的综合过程，则称为广义测量。误差的认知

二.测量的方法

1.直接测量：利用测量仪器，直接读取被测量的测量结果。

2.间接测量：已知被测量与其他几个量有确定的函数关系，可以分别测出其他几个量,再利用函数关系求出被测量。实现被测量与标准量比较得出的比值的方法，称为测量方法。

3.组合测量:是指在一个测量过程中同时采用直接测量和间接测量两种方法进行测量的测量方法。

误差的认识

按测量结果的方式分类按测量结果的方式分类偏差式测量零位式测量微差式测量误差的认识

按测量精度因素条件分类1.等精度测量:是指在整个测量过程中，如果影响和决定误差大小的全部因素(条件)始终保持不变，比如由同一个测量者，用同一台仪器、同样的测量方法，在相同的环境条件下，对同一被测量进行多次重复测量的测量方法。

2.不等精度测量:是指有时在高精度测量中，在不同的测量环境条件下，用不同精度的仪表、不同的测量方法、不同的测量次数，以及不同的测量者进行测量和对比的测量方法。

误差的认识

按测量对象的变化特点分类

1.静态测量:是指被测对象的大小不随时间变化而变化，处于稳定状态下进行的测量方法.

2.动态测量:是指被测对象的大小在测量过程中是随时间不断变化的，处于非稳定状态下进行的测量方法，称为动态测量。

误差的认识

按测量敏感元件是否与被测介质接触分类1.接触测量:是指传感器直接与被测对象接触，感受被测量的变化，从而获取信号，并测量出其大小的方法。

2.非接触测量:是指传感器不直接与被测对象接触，而是间接感受被测量的变化，从而获取信号，并测量出其大小的方法。

误差的认识

粗大误差1.粗大误差是指明显偏离测量结果的误差，又称过失误差。

2.引起粗大误差的根本原因主要是由测量人员操作失误、读数错误、记数错误而引起的，也完全没有规律。

误差的认识

随机误差

1.在相同条件下，对同一被测量进行多次重复测量时，受偶然因素的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。

2.随机误差能够反映测量结果的分散程度，通常称为精密度。随机误差越小，说明多次测量时的分散性越小，精密度要高。

第四章传感器检测技术4.2压电传感器目

录压电传感器

1压电材料25压电传感器的应用4等效电路与测量电路压电传感器的工作原理3压电传感器压电传感器能量转换型

机械能

电能有源传感器压电效应压电材料压电材料

压电多晶

压电单晶

有机压电材料压电陶瓷石英晶体偏聚氟乙烯压电传感器的工作原理机械能电能压电元件正压电效应逆压电效应压电传感器的工作原理是对压电材料按固定方向施力，令其发生机械形变，压电材料内部产生极化现象，同时在它的某两个表面上分别产生正、负电荷，产生内电场。当去掉外力后，又重新恢复不带电状态的现象。正压电效应压电传感器的工作原理瞬时性正压电效应♦当力的方向改变时,电荷的极性立即随之改变。不稳定性♦当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。压电传感器的工作原理逆压电效应是指在压电材料的极化方向施加电场时，会在压电材料的一定方向上产生机械变形或机械应力。当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。也被称为“电致伸缩效应”。逆压电效应等效电路与测量电路等效电路与测量电路压电传感器看成一个电流源与一个电容并联的电荷发生器。电容量为：电流源等效电路等效电路与测量电路压电传感器看成一个电压源与一个电容串联的电压源。电压为：电流源等效电路等效电路与测量电路测量电路的形式：压电传感器的测量电路♦用电阻反馈的电压放大器：其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；♦用带电容板反馈的电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。等效电路与测量电路电压放大电路等效电路与测量电路电荷放大电路压电传感器的应用压电传感器的应用压电式打火机压电传感器的应用压电式声传感器铝头螺钉黄铜尾部压电陶瓷圆环压电传感器的应用压电式流量计流量显示输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电传感器的应用压电式传感器管道检漏地面ABO点LALBL压电传感器的应用压电式玻璃破碎传感器压电测振薄膜压电传感器的应用压电式传感器周界报警压电传感器的应用压电式传感器交通检测系统第四章传感器检测技术4.3超声波传感器目

录超声波传感器定义

1超声波传感器原理25超声波传感器性能指标4超声波传感器特性超声波传感器结构3超声波传感器定义在高电压、窄脉冲的作用下能产生较大功率的超声波。石英晶体高猛碳酸晶体超声波传感器定义焊接集成电路探测海底沉船B超防盗无损探伤超声波传感器原理

20HZ

20KHZ次声波可闻声波超声波什么是超声波？超声波传感器原理超声波传感器结构

发送器：通过振子（一般为陶瓷制品，直径约为15mm）振动产生超声波并向空中幅射。接收器：振子接收到超声波时，根据超声波发生相应的机械振动，并将其转换为电能量，作为接收器的输出。超声波传感器结构

控制部分：通过用集成电路控制发送器的超声波发送，并判断接收器是否接收到信号（超声波），以及已接收信号的大小。电源部分：超声波传感器通常采用电压为DC12V±10%或24V±10%外部直流电源供电，经内部稳压电路供给传感器工作。超声波传感器结构压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用：降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块,当激励的电脉冲信号停止时,晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。超声波探头结构如图所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。超声波传感器结构接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；超声波传感器特性频率特性♦传感器的带宽较窄、具有单峰特性，即在中心频率处灵敏度最高，输出信号幅度最大，也几乎在这个频点，接收器的接收灵敏度最高，而在中心频率两侧则迅速衰减。接收超声波发送超声波超声波传感器特性阻抗特性♦超声波传感器具有高阻特性，驱动电流小，要求驱动电压较高，是电压驱动型传感器。超声波传感器性能指标工作频率♦工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。工作温度♦由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作