2010级《传感器与检测技术》复习.ppt

1、红河学院工学院自动化系,传感器与检测技术,2020/8/2,传感器的定义: 传感器（Transducer/Sensor）：根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器是能感受规定的被测量并按照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。 传感器组成方块图,2020/8/2,1. 有关测量技术中的部分名词,（1）等精度测量： 在同一条件下所进行的一系列重复测量称为等精度测量。 （2）非等精度测量： 在多次测量中，如对测量结果精度有影响的一切条件不能完全维持不变的测量称为非等精度测量。 （3）真值：指一定的时间及空间条件下，某物理量体现的真实数值。真值是客观存在

2、，但不可测量的，是一个理想的概念。在测量中，一方面无法获得真值，而另一方面又往往需要运用真值。因此，在实际计量和测量工作中，经常使用“约定真值”和“相对真值”。,2020/8/2,（4）实际值： 测量次数无限多，其测量结果的算术平均值接近于真值，由于系统误差不可能完全排除，因此把精度更高一级的标准器所测量的值作为真值，为了强调它并非真值，故称为实际值。 （5）标称值： 测量器具上所标出的数值。 （6）示值： 由测量器具上所指示出来的被测量值。 （7）测量误差： 测量的目的是希望通过测量求取被测未知量的真实值。由于种种原因，造成被测参数的测量值与其实值并不一致，即存在测量误差。,2020/8/2

3、,2. 误差的分类按照误差出现的规律，可把误差分为系统误差、随机误差、粗大误差,（1）系统误差 在同一条件下，多次测量同一量值时绝对值的符号保持不变，或在条件改变时按一定规律变化的误差称为系统误差。 （2）随机误差 在同一条件下，多次测量同一量值时绝对值的符号以不可预见的方式变化着的误差称为随机误差。 （3）粗大误差 超出规定条件下预期的误差称为粗大误差。,6,3 精度,（1）准确度：反映系统误差影响的程度。 （2）精密度：精密度则是反映随机误差影响的程度 （3）精确度：又称为精度，它反映系统误差和随机误差综合影响的程度；因此，精度高说明准确度和精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。,在科

4、学研究及科学实验中，精度是首要的； 在工程实际中，稳定性是首要的，精度只要满足工艺指标范围即可。,2020/8/2,4 测量误差的表示方法,(1) 绝对误差：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 (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,2020/8/2,最大允许误差,指示仪表的最大满度误差不许超过该仪表准确度等级的百分数，即 当示值为x时可能产生的最大相对误差为 用仪表测量示值为x的被测量时，比值越大，测量结果的相对误差越大。选用仪表时要考虑被测量

5、的大小越接近仪表上限越 好。被测量的值应大于其测量上限的2/3。,误差的综合计算： 利用绝对误差、相对误差判断仪表或传感器是否合格,2020/8/2,静特性指标,线性度 灵敏度 迟滞 重复性 零点漂移 温度漂移,2020/8/2,第3章 电阻式传感器原理与应用,1 工作原理 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即导体在外界作用下产生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为电阻应变效应。,只要测出R /R 或R的数值，即可获知试件受力的大小,2020/8/2,R1+R1,R2,R4,R3,U,IL,RL,2、测量电路：电桥,单臂电桥,单臂电桥输出,近似为,当R1R2R3R

6、4=R,2020/8/2,双臂电桥（半桥）输出,当R1R2R3R4=R,全电桥输出,2020/8/2,温度误差及其补偿,温度误差：应变片由于温度变化引起电阻值发生变化所产生的误差。 1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化时，引起的电阻相对变化为,2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化时，应变丝受热膨胀，粘贴在试件上的应变丝膨胀，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 。,2020/8/2,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,2020/8/2,电感式传感器：是利用线圈自感

7、或互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。 电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时。一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。,1 自感式传感器,自感式传感器的工作原理：是利用线圈自感的变化来实现测量的一种装置，将被测参数的变化转换成自感的变化。,变S0、变l0 使的L变化,2020/8/2,自感式传感器测量电路： 自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化。为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理。就要用转换电路把电感变化转换成

8、电压(或电流)变化。把传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将电感变化转换成电压(或电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。,2020/8/2,(1) 相敏检波电路,+,-,使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向， 而且还消除零点残余电压的影响，,差动变压器,工作原理： 变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的一种磁电机构，很象变压器的工作原理，因此常称变压器式传感器。这种传感器多采用差动形式。,气隙型差动变压器式传感器,截面积型差动变压器式传感器,差动变压器式传感器测量电路,1、相敏检测电路：如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检

9、波电路，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。 2、差分整流电路 可以不考虑相位调整和零点残余电压的影响,电感式传感器应用：可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。,差分整流电路,3 电容式传感器,工作原理： 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容为C= s /d 由上式可知，改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两个极板间的距离。而得到电参数的输出为电容值的增量C，这就成了电容式传感器。,测量电路：一般归结为两大类型 1、

10、调制型（调频、调幅、电桥等） 2、脉冲型(或称为电容充放电器) 应用：测量力、压力、压差、物位等。,2020/8/2,电容式传感器测量电路,(1) 电桥电路 (2) 运算放大器电路 (3) 脉宽调制电路 (4) 调频电路 (5) 双T型电桥电路,2020/8/2,差动脉冲调宽电路原理图,2020/8/2,4 涡流式传感器,工作原理： 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。,当电涡流线圈与金属板的距离x 减小时，电涡流线圈的等效电感L 减小，等效电阻R 增大。感抗XL 的变化比 R 的变化

11、大 得 多，流过电涡流线圈的电流 i1 增大。,2020/8/2,涡流式传感器的测量电路： 被测量数变化可以转换成传感器线圈的品质因素Q、等效阻抗Z和等效电感L的变化。转换电路的任务是把这些种参数转换为电压或电流输出。 一、桥路 二、谐振调幅电路 三、谐振调频电路 应用：测量振动、位移、转速、测厚及探伤等,2020/8/2,磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。,第4章 电动式传感器原理与应用,1 磁电感应式传感器,工作原理：磁电感应式传感器也称为电动式传感器，或感应式传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势的。因此它是一种机

12、一电能量换型传感器，不需供电电源，是直接从被测物体吸取机械能量并转换成电信号输出。,若线圈相对磁场运动为速度v或角转度时， e-WBlv 或 e-WBs (5-2) 在传感器中，当结构参数确定后即B、l、W、s均为定值，那么感应电势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比。 根据上述原理。人们设计了两种类型的结构：一种是变磁通式；另一种是恒定磁通式。,2020/8/2,2 霍尔式传感器,霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量、如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。,霍尔效应 ： 一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)

13、中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。这种现象称为霍尔效应。霍尔式传感器是由霍尔元件所组成。,应用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度,2020/8/2,压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。,3 压电式传感器,压电效应：某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形

14、，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；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。,压电式传感器只能用于动态测量!,2020/8/2,压电材料：压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 一类是压电晶体（如石英晶体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。,测量电路： 电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比。 电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。,应用：压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换为力的多种物理量。（动态量） 在检测技术中，常用来

15、测量力、振动和加速度。,温度检测,热电式传感器的定义：热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。,1 热电阻,热电阻测温的原理：电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数 测温范围:-200+5000C 特点: 精度高，适宜于测低温,热电阻的材料：金属材料制成。铂电阻、铜电阻,2 半导体热敏电阻,利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结 优 点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（49倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。 (3) 结构简单、机

16、械性能好。 缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。,2020/8/2,正温度系数(PTC) 负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR),热敏电阻典型特性,2020/8/2,3 热电偶,工作原理：利用热电效应进行温度测量。 热电效应：两种不同的导体A、B串接成一个闭合回路，使两个接点处于不同的温度，回路中就会有电势产生，这一现象称为热电效应。 热电偶的结构：两种不同的导体焊接而成。 对于匀质导体A、B组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电势之和。,如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同(TT0)。但总输出电势仍为零。因此必须由两种不同的材料才能构成热电偶。 如果热电偶两结点温度相同，则回

17、路中的总电势必等于零。 热电势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分布无关。,2020/8/2,几种冷端处理方法：,1. 补偿导线法 2. 热电偶冷端温度恒温法 3. 计算修正法 4. 冷端补偿电桥法,2020/8/2,使用补偿导线时注意问题：,补偿导线只能用在规定的温度范围内（0100）； 热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同； 不同型号的热电偶配有不同的补偿导线； 补偿导线由正、负极需分别与热电偶正、负极相连； 补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。,2020/8/2,计算修正法,在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0C，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小

18、，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。,可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出的E(T1,0)值， 然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值， 反查分度表即可得到准确的被测温度值。,中间温度定律,2020/8/2,光电式传感器原理与应用,工作原理： 光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。,光电效应：由于物体吸收了能量为E的光后产生的电效应。 外光电效应: 指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这一类。 内光电效应: 指在光的照射下，材料的电阻率发生改变

19、的现象。光敏电阻即属此类。 光生伏特效应: 在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。如光电池、光敏晶体管等,1 光电效应和光电器件,2020/8/2,光电器件,光电管与光电倍增管：受光照射后产生电流 光敏电阻：受光照射后电阻率发生改变 光敏二极管和光敏三极管：受光照射后PN结电流增大，光敏二极管工作是加反向电压 光电池：受光照射后产生电压,测量电路： 根据不同的光电器件、不同的用途采用不同的电路。,7.1 光纤传感器,一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。,(1) 光

20、纤在传感器中的作用,功能型 非功能型 拾光型,在锻造厂里，工件在锻造之前需要在加热炉内加温到900C，其误差不得超过50C，否则会影响锻件的质量，所以控制锻件的温度是一关键问题。以往的办法是由工人目测温度，看到差不多了，把烧红的锻件取出放锻锤之下进行锻压。而现在采用红外辐射测温计，通过加热炉口可以直接对准工件的表面，可以测量出工件的温度，如图所示。 当锻件加热到900C时，红外探测器便输出电信号，启动电动机将锻件从加热炉中由传送带送到锻锤之下进行锻压加工。这样利用红外探测器就可以对整个工作过程实现生产自动化。,7.3 红外传感器,一、热释电效应 当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符

21、号 相反的电荷，这种由于热变化而产生的电极化现象、称为 热释电效应。能产生热释电效应的晶体称为热释电体。 二、热释电红外传感器 应用：探测人体用的红外传感器用于防盗报警、来客告知 及非接触开关等 供测温使用的热释电红外传感器，其测温范围可达801500。,7.3.3热释电红外探测器,7.4超声波传感器 产生超声波和接收超声波的装置，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。 1）组成：由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜等组成 2）工作原理：逆压电效应将高频电振动转换成机械振动，以产生超声波。正压电效应将接收的超声振动转换成电信号。,为直探头，可发射和接收纵波； 为斜探头，可发射和接收横波； 为双探

22、头 ，一个发射，一个接收； 为水浸探头，可浸在液体中。,3、超声检测方法 1）透射法 用两个探头，分别置于被测对象的相对两侧，一个发 射超声波，一个接收超声波。 2）反射法 通常采用一个超声波探头，兼做超声波发射和接收 用。 3）频率法 是利用超声波测量流速时采用的方法，见10.3节,超声波探伤,超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。,A型超声探伤反射波形,裂纹,7.4.2 核辐射传感器,射线,带正电荷的高速粒子流; 射线,带负电荷的高速粒子流电子流; 射线,一种光子流，不带电，以光速运动，由原子核内放射出;

23、 X射线,由原子核外的内层电子被激发而放出的电磁波能量;,核辐射传感器的工作原理是基于射线通过物质时产生的电离作用；或穿过物质时，一方面由于物质吸收作用使粒子能量损失，另一方面会有一些粒子散射出来；或利用射线能使某些物质产生荧光，再配以光电元件，将光信号转变为电信号。,射线、射线、射线电离作用、射程、穿透能力比较,核辐射线与物质的相互作用,射线,作用,1、核辐射传感器主要由放射源和探测器组成。,（1）放射源 要求：采用的同位素有较长的半衰期及合适的放射强度应使射线从测量方向射出，而其它方向则必须使射线的剂量尽可能小。,（2）探测器 可做为核辐射传感器的有：电离室和比例计数器；气体放电计数器；闪

24、烁计数器；半导体检测器。,无损探伤,10.3 流量的电测法,流量定义：指单位时间内流体(气体、液体或固体颗粒等)流经管道或设备某处横截面的数量，又称瞬时流量。 体积流量：当流体以体积表示时称为体积流量。 质量流量：当流体以质量表示时称为质量流量。,V -体积；M-质量；t-时间； A-截面面积；-流体的密度,流体在管道内作稳定流动的情况（流场中任意点的流速不随时间变化的流动 ）：,1 连续性方程(Equation of Continuity),1,2,截面积：A1 A2 流 速： 密 度：1 2,为某截面积上的平均速度,不可压缩的流体在稳定流动时，流过各截面流体的体积为常量。,流量方程,2 伯

25、努利方程(Bernoullis Equation),动能,压力能,势能,+,流体能,伯努利方程的构成,h1,h2,能量守恒：,v1,p1,v2,p2,. 差压式流量计组成,差压式流量计组成框图,节流装置：安装于管道中产生差压，节流件前后的差压与流量成开方关系。 引压导管：取节流装置前后产生的差压，传送给差压变送器。 差压变送器：产生的差压转换为标准电信号（4-20mA）。,2020/8/2,测量原理,当流体流经管道内的节流件时，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。 流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。 基础：流体连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）。 压差影响因素： 流量、节流装置形式、管道内流体的物理性质（密度、粘度）,转子流量计,测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时， 浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系