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传感器与检测技术2202第一章：概述传感器的定义:传感器是能够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。第一节：机电一体化常用传感器一传感器的组成1敏感元件：一直感受被测物力量并以确定关系输出另一物理量元件2转换元件：将敏感元件输出的非电量转换成电路参数3基本转换电路：将电信号转换成便于输出，处理的电量传感器的组成原理：被测量------敏感元件---转换元件---基本转换电路----电量二传感器的分类1按被测量对象分类①内部信息传感器：主要检测系统内部的位置，速度，力，力矩，温度以及异常变化②外部信息传感器：主要检测系统外部环境，它与人体五种器官相对应的接触式和非接触式2按工作机理分类①物性型传感器：利用某种物质的某种性质随被测参数的变换而变化的激励制成的如光电式传感器，压电式传感器等②结构型传感器：利用物理学中厂的定律和运动定律等构成的，其被测参数变化引起传感器的结构变换，从而使输出电量变化，电感式传感器，电容式传感器，关山是传感器都是这种类型。3按照被测物理量分类表明了传感器的用途，便于使用者选择。4按照工作机理5按照传感器能量源分类①无源型（能量转换型）：不需要外加电源，而是将被测相关两转换成电量输出如压电式磁电感应式，电热式，光电式等传感器②有源型（能量控制型）：需要外加电源这类传感器有电阻式，电容式，电感式，霍尔式等，电阻式有光敏电阻，热敏电阻，湿敏电阻等形式6按照输出信号的性质分类①开关型（二值型）：接触型（微动开关，行程开关，接触开关）非接触型（光电开关，接触开关）模拟型：电阻型（电位器，电阻应变片）电压电流型（热电偶，光电电池）传感器电感，电容型（电感，电容式位置传感器）数字型：计数型代码型三传感器的特性及主要性能指标传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系，有静态特性和动态特性1．静态特性：当传感器的输入量为常数或随时间作缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系2．动态特性：传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性3．传感器的性能指标（P5牢记）传感器的性能要求①高精度，低成本②高灵敏度③工作可靠④稳定性好⑤抗干扰能力强⑥动态特性好⑦结构简单，小巧第二节传感检测技术的地位和作用第三节重点：传感器及检测系统基本特性的评价值白哦与选择则原则一、测量范围及量程①测量范围：传感器在允许误差限内，其被测量值的范围②量程：传感器在测量范围内的最高值与最低值之差③过载能力：在不导致引起传感器规定性能直白哦永久改变的条件下传感器允许超过其测量范围的能力④过载能力通常用超值除以量程二灵敏度①灵敏度：传感器的输出量的变化量与引起变化的输入量的变化量之比②总灵敏度：k=k1*k2.....kn③灵敏度误差：rs=k0/k0④灵敏度表示传感器或者传感器检测系统对被测物理量变化的反应能力。⑤一般灵敏度越高越好，因为灵敏度高，传感器所能感知的变化量越小三线性度（越趋近于直线越好）用手写上四重复性①重复性是衡量在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的不一致程度②所得结果分散范围越小，重复性越好五稳定性①稳定性：在相同时间，相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力。②稳定性一般以室温条件下经过一定时间后传感器的输出与起始标定时输出的差异来表示③影响传感器稳定性的因素是时间和环境六精确度（高-----越接近实际值）①精确度简称精度：传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度，是检测值的精密程度与准确程度的综合反映七动态特性①传感器的动态特性反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性②传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不是真的测量条件第四节传感器的标定与校准标定：在明确传感器输入输出变换关系的前提下，利用某种标准器具产生已知的标准非电量输入，确定其输出电量与输入量之间的关系的过程校准：进行校核传感器的标定系统的组成①被测非电量的标准发生器或被测非电量的标准测试系统②待标定传感器③它所配接的信号调节器及显示，记录器等力值传递系统①国家标准测力计（国家一级计量中心）-----允许测量误差：正负0..001%②一级标准测力机(省部一级计量站)----------------------------------正负0.01%③二等标准测力计（市企业计量站）--------------------------------正负0.1%④三等标准测力计，传感器-------------------------------正负0.3-0.5%注意：力值传递系统只能按此系统用上一级标准装置检测下一集传感器及配套仪表一静态标定①静态标定：给传感器输入已知不变的标准非电量，测出其输出，给出标定曲线，标定方程和标定常数，计算其灵敏度，线性度，等传感器的静态指标②静态标定系统的关键在于被非电量的标准发生器及标准测试系统二动态标定①动态标定的目的：检验测试传感器的动态性能指标。第五节传感器与检测技术的发展方向一、开发新型传感器①利用新材料制作传感器②利用新加工技术制作传感器③采用新原理制作传感器二传感器检测技术的智能化①传感检测系统目前正由模拟式，数字式向智能化方向发展三复合传感器①复合传感器是同时检测几种物理量具有复合检测功能的传感器四研究生物感官，开发仿生传感器第二章位移检测传感器位移：线位移和角位移电测法：利用各种传感器讲位移量变换为电量或电参数，再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检测的一种方法第一节：参量型位移传感器参量型位移传感器工作原理：将被测物理量转化为电参数（电阻，电感，电容）一、电阻式位移传感器①其电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特性公式如下②改变其中任意参数都可以使电阻值发生变化。③电位计和应变片就是根据这个原理制成的④电位计是一种常用的机电元件⑤电位计的电阻元件通常有：1线绕电阻2薄膜电阻3导电塑料⑥电位计优点：结构简单，输出信号大，性能稳定，并容易实现任意函数关系。缺点：要求输出能量大，电刷与电阻元件之间有干摩擦，产生噪音公式如下⑦阶梯特性：对于线绕电位计，其电阻和电压输出空载特性并不是一条理想直线，而是成阶梯状它限制了线绕电位计的精度和分辨力⑧非线性电位计空载特性：非线性电位计其输出电压与电刷位移直接按具有非线性函数关系。⑨阶梯误差不是常数，最大阶梯误差发生在特性曲线斜率最高处二电阻应变式位移传感器①电阻应变式位移传感器是将被测位移引起的应变元件产生改变，经后续电路变换成电信号输出，从而测出位移三电容式位移传感器①电容式位移传感器是利用电容量的变化来测量线位移或角位移的装置②分类：变极距型，变面积型，变介质型。1．变极距型（小位移）公式如下2变面积型①可用于线位移测量和角位移测量②分类：平板型极板，圆筒型极板或者锯齿型。这类传感器输入/输出具有线性特性公式如下3变介质型（测液面）公式如下4容栅式电容位移传感器（大量程）①容栅式电容位移传感器是在面机型电容位移传感器发展起来的一种新型电容位移传感器②分为：长容栅和圆容栅公式如下③容栅式电容传感器因多级电容及平均效应，所以分辨率高，精度高，量程大（测量范围大）四电感式位移传感器电感式位移传感器是将被测物理量位移转化为自感，护肝的变化，并通过测量电感量的变化确定位移量主要类型：自感事，互感式，涡流式，压磁式。电感式位移传感器优点：输出功率大，灵敏度高，稳定性好①自感式②互感式位移传感器--差动变压器的工作原理与结构互感式位移传感器是将被测位移量的变化转换成互感系数的变化，其基本结构原理与常变压器类似（变压器式位移传感器）互感式位移传感器常接成差动形式故称--差动变压器式位移传感器产生零点残压的原因：由于两次侧线圈的结构不对称，一次侧线圈铜损电阻的存在，铁磁材料不均匀，线圈间的分布电容等因素③涡流式位移传感器涡流式位移传感器：是利用电涡流效应将被测量变换为传感器线圈阻抗Z变化的一种装置。涡流：块状金属属于变化的磁场中或在磁场中运动史，金属体内都要产生感应电流，此电流的流线在金属体内自己闭合分类：高频反射，低频透射流式位移传感器的特点：结构简单，易于进行非接触测量，灵敏度高，应用广泛，可测位移，厚度，振动第二节发电型位移传感器------------电压位移传感器①发电型位移传感器是将被测物理量转换为电源性参量，如电动势，电荷②压电式位移传感器的工作原理是将位移量转换为力的变化，然后利用压电效应将力的变化转换为电信号第三节大位移传感器一磁栅式位移传感器①分类：长礠栅用于测量线位移圆磁珊用于测量角位移②磁头：a.动态磁头（速度磁头），只有一个绕组，当磁头相对运动是再有信号输出输出正弦波，同名磁极处输出信号最强b.静态磁头（磁通响应式磁头），有两个绕组：励磁绕组，输出绕组公式如下③实际上静态磁头有两种二光栅式位移传感器①分类：长光栅-----测量线位移圆光栅-----测量角位移②长光栅位移传感器的工作原理：长光栅式在两个光学玻璃上或具有强反射能力的金属表面上，客商相同的均匀密集的平行线。如果将这两块玻璃板重叠放置，并在可仙剑留一小角，由于光的干涉效应在光栅垂直方向产生明暗相间的条文，莫尔条纹，根据莫尔条纹设计的光栅传感器公式如下三感应同步器①感应同步器是利用电磁感应原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。②感应同步器有一个固定绕组和一个可动绕组③鉴相式：根据脉冲发生器发出频率一定的脉冲序列，经脉冲相位变换器进行分频，输出参考信号方波和指令信号方波鉴幅式：根据感应电动势的幅值鉴别位移量x的大小公式如下四激光式位移传感器①组成：激光器，光学元件。光电转换元件，构成了激光测量系统，将被测量转换为电信号②优点：精度高，测量范围大，测试时间段，非接触，易数字化，效率高第三章力，扭矩和压力传感器第一节测力传感器用于测量力的传感器多为：电气式。电气式测力传感器，根据转换方式分为：1参量型电阻应变式电容式电感式2发电型压电式压磁式一电阻应变式测力传感器①工作原理：将力作用在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变，利用贴在弹性元件上的应变片将应变转换为电阻的变化②弹性元件：柱形薄壁环型梁型③金属丝的作用：感受机械测试的应变变化④压阻效应：固体受到应力作用时，其电阻率发生变化⑤应变效应：电阻丝的集合尺寸发生变化引起的⑥半导体应变片的应变灵敏度系数比电阻应变片大，因而适用于需要大信号输出的场合。此外，半导体应变片横向效应小，其横向灵敏度几乎是0，机械滞后小，可以做成小型和超小型片子，这对测量局部应变很有用。⑦半导体应变片缺点：离散性大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大。二压电式力传感器①压电式力传感器是基于电压元件的压电效应而工作的②压电效应：1正压电效应：当某些晶体沿着某一方向受外力作用变形时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态2逆压电效应：在某些晶体的极化方向施加外电场，晶体本身将产生机械变形，当外电场撤去后，变形也随之消失P42重点③压电式力传感器是利用电晶体的纵向和剪切向电效应。三压磁式力传感器①压磁效应：在机械力作用下，铁磁材料内部产生力，或应力变化，是磁阻率变化。②常用的铁磁材料：硅钢片坡莫合金用铁磁材料做成的弹性体称为铁磁体称为铁磁体或者压磁元件第二节扭矩传感器pass第三节压力传感器一液柱式压力转换原理①液柱式压力计是利用液柱产生的压力与被测介质压力相平衡的原理进行测压。二活塞式压力转换原理①广泛应用与基准和标定工作中，利用力的平衡原理制成三弹性式压力传感元件①指针式压力计和压力传感器都是根据弹性变形原理工作的。②感受压力的弹性元件是压力传感器的关键元件③弹性敏感元件：波灯管膜片波纹管（大多数指针压力机的弹性元件）四电量式压力计电量式压力计是用各种传感器或测量元件将压力变换成电量或电参数，在京后接相应电路进一步变换，最后由显示和记录仪显示或记录下来以实现压力测量的装置①电容式压力传感器：将压力转换成电容的变化，经电路变换成电量输出特点：灵敏度高，适合测量微压，抗干扰能力较强②应变式压力传感器：利用应变片将弹性元件在压力作用下产生的应变转换成电量的变化。③压阻式压力传感器：利用压阻效