杭电科大测试技术与信号处理实验指导01信号检测与传感器技术基础

和计算，确定该物理量的大小，并用数字给出结果，还有一些物体数量特征较少，或某种现象不十分明显，常常被很多其它量或现象所掩盖，能否检出这些被掩盖量的存在，进而得出这些量的大小的、易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置。随着现代电子技术、微电子技术及通信技术的发展，在各种“可用信号”中，电信号最便于处理、传输、显示和记录。因此，可把传感器1．1信号检测这些参量绝大多数是非电量，而且在种类和数量上远比电量数量多。这些量有大有小，有强有弱；有些不随时时间而变化，有些随时间而变化；有些是标量，有些是矢量；有些是离散的，有些是连续的；这些物理量涉及到机械、热工、化学、光学和声学等不同领域。在科学技术的研究、工业生产应用过程中，对这些量往往不仅要进行测量，而且要对其进行控制、变换、传输、显示、记录、存储等。在实践的过程中，人们逐步认识到电量具有容易测得等优点，而且大多非电量可以精确地用非电量检测技术的方法对非电量进行测量，它首先把非电量转换成电信号、然后对其进行测为实现非电量的电测量，首先需要解决的是从非电量到电量的变换，这一变换主要靠传感器来运算和数字化等。测量结果由输出电路显示或记录。为显示被测量的变化过程，可以采用光线示波因此，一个非电量检测系统，不论多么复杂，主要是由三个基本部分—传感器、测量电记录执行机构或进行微机数据处理。测量电路的组成与传感器输出测量信号的形式和系统的功能要传感器的输出信号为开关信号，如电触点或光线的通断信号，传感器输出模拟信号。电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电式及某些光电传感器基本转换电路的功能是将传感器的参数变化转换为电量输出。比如传感器为电参量式，即被测除此之外，为了使测量信号具有区别于杂散信号的特征，以提高其抗干扰能力，常采用对信号对于某一传感器，有一量程。在测量不同范围的参数时，为提高测量精度，可以使用传感器线由传感器或基本转换电路送来的测试信号往往很微弱，通常最大为为此常要求放大器低噪声、高稳定性、低漂移、高抗干扰性能、高输入阻抗、高共模抑制比、高线放大有零漂和级间耦合等问题，因此，往往需要把缓变信号先变为频率适当的交流信号，然后利用），作有规律的变化，以利于实现信号的放大与传输。根据被控制量（幅值、频率或相位）的不同，调制分为调幅、调频、调相。一般将控制高频振荡的缓变信号称为调制波；载送缓变信号的高频振荡滤波器是一种具有选择频率功能的装置。它使信号中特定的频率成分通过而极大地衰减其它频根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为低通、高通、带通和带阻滤波器四类；根据构成滤将其分为有源和无源滤波器两大类；根据滤波器处理的信号性质，又可将其分为所谓数字滤波是指通过一定的计算程序对采样信号进行平滑加工，提高其有用信号的比重，消常用的数字滤波方法有限幅滤波法、中位值滤运算电路在测量电路中的作用主要有两个方面：其一，有些量是间接测量的，必须经过计算才能得到被测量；其二，有些被测量的变化是非线性的，如按指数规律变化，后续处理不方便。如果模拟测量电路，从传感器到运算电路处理的都是模拟信号，而计算机处理的都是数字量。如果路来完成。若需推动控制系统的执行元件或模拟显示、记录仪器，则要将计算机处理输出的数字信编码测量电路主要包括绝对码测量电路和增量码测量电路，其中常用的为增量码测量电路。光非线性、干扰噪声大等问题。因此，需要经过一些必要的预处理才能交付后面的应用程序使用。信计算机、单片微机在测量系统中的应用，使测量系统可以说产生了质的飞跃。微机可以对信号进行分析、判断、推理，并产生控制量进行自动控制。同时，为计算机的虚拟仪器的应用提供了工1．2传感器技术传感器是实现信号检测的关键环节，它与信息系统的输入端相连，并将检测到的信号输送到信在科学实验和生产实际中，很多物体和现象，具有明显和稳定的数量特征，我们可以通过测量和计算，确定该量的大小，并用数字给出结果。还有一些物体数量特征较少，或某种现象不十分明传感器是一种以一定的精度将被测量（如位移、力、加速度、温度等）转换为与之有确定对应关系的，易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置；是把外界非电量信号转换成电信号传感器应由敏感元件、转换元件和其它辅助元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）与检出被测对象的待测信息（非电量）的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）出的信息直接转换成电信号的部分。例如，应变式压力传感器是由弹性元件和电阻应变应该指出的是，并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出传感器按被测物理量分类有温度传感器、光敏传感器、压敏传感器、磁感传感器、转速传感器等。传感器的基本技术参数为灵敏度、响应速度、稳定性和线性度等。下面简单地介绍部分传感器铂是一种贵重金属，铂在氧化性介质中的物理化学性能稳定，尤其是材料，铂电阻具有精度高、稳定性好、性能可靠等优点。铂电阻的温度测量范围在-200℃—+850℃左右200℃时，非线性误差＜0.3它的电阻值R=At+BA，B为常数；A为热敏系数(△R/℃)。铂电阻的阻值比较小，常用的有Pt10和Pt100、它们在0℃的阻值分别为10Ω和100Ω,温度-铂电阻是一种高性能的金属热电阻，相应地价格较贵，在被测温度较高而精度也要求高的微机热敏电阻是一种半导体热电阻，按半导体电阻随温度变化的典型特性，热敏电阻有三种类型：00热敏电阻的温度测量范围为-100℃—+350℃。由于热敏电阻具有灵敏度高、体积小、响应速度快、结构简单、寿命长等优点，非常适宜于测量微弱的温度变化和温度差。热敏电阻的缺点是阻值度不同时，则在回路中产生一个热电动势，这种现象称做热电效应。这两种不同导体的组合称为热），EAB（t，t0）=f（t）-f（t0）=eAB（t）-eAB（t01-3）EABt，t0）=EAB（t，tn）-EABt，t01-4）热电偶另一重要性质是在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种导线的两端温度相同不会影响热电偶的热电势，由于这个性质，在回路中才可以引人各种仪表和连接导线等。常用的压敏传感器是将压力信号转换成电信号的器件，它们的电阻或电容等参数随所受外力的变化而式中ΔL／L0是金属材料的应变，设定ΔL／L0=ε,则上式（1-5）在式（1-6）中Δρ/ρ0是单位应变引起的电阻率变化，金属材料在正常应变范围内Δρ/ρ0很小用半导体作为敏感栅材料的半导体应变片。当一块半导体在某一晶向上施加应力时，其电阻率若给压电体加驱动电压则压电体会产生机械形变，这种现象称逆压电效应。由于压电体受力产生的静电容易泄漏，故通常利用正压电效应检测动态冲击力。检测静态力通常用逆压电效应，即让压电最常用的磁敏传感器为霍尔元件，它是根据霍尔效应制成，在一个半导体薄片相应两侧面通以在控制旋转体的转速时需要用转速传感器检测转速。常用的转速传感器有测速发电机、倔电式直射式光电转速传感器是将开有孔的圆盘按装在转轴上，光源的光线通过转盘的孔或缝隙射到安装在背面的光敏元件上，开孔盘随旋转体转一周，光敏元件上照到的次数等于盘上的开孔数或缝电平兼容。在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢，小磁钢愈多其分辨光敏电阻是利用某些半导体材料（如金属硫化物、硒化物等）在光线作用下引起电阻率偏差的的，硫化镉的灵敏度峰值在可见光区域，而硫化铅在红外区域灵敏度最高。因此在选择光敏电阻时应考虑光源特性。光敏电阻具有灵敏度高，光谱响应范围广（从紫外线至红外区）等优点，但有响光电池是根据物体受光照射产生电势的现象—光生伏特效应制成的。光电池种类有很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池