《传感器与检测技术》教案.docx

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《传感器与检测技术》教案

重庆工学院备课纸

教学重点、难点：

传感器的定义、组成、分类；传感器的作用和地位；传感器技术的发展动向；检测技术的定义、作用

教学方法、手段：

教学基本内容：

第1章传感器与检测技术概念

0.1传感器的组成与分类

1．传感器的定义

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。

敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分。

转换元件是指传感器能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。

常见的信号调节与转换电路有：

放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等。

例如：

我们要测量一个直线运动的汽车的加速度（规定的被测量）。

可以设计一个简单的实验装置（如教材图示）

2．传感器的分类

Ø按输入量分类:

位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等

Ø按工作原理分类:

应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等

Ø按物理现象分类:

结构型传感器、特性型传感器

Ø按能量关系分类:

能量转换型传感器、能量控制传感器

Ø按输出信号分类:

模拟式传感器、数字式传感器

0.2传感器的作用与地位

传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即检测与控制系统之首。

因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。

所以，80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，倍受重视。

0.3传感器的发展动向

当前传感器技术的主要发展动向：

开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺，实现传感器的集成化与智能化。

Ø发现新现象

Ø开发新材料

Ø采用微细加工技术

Ø研究多功能集成传感器

备注：

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教学重点、难点：

教学方法、手段：

教学基本内容：

Ø智能化传感器

Ø新一代航天传感器研究

Ø仿生传感器研究

0.4检测技术的定义

1．检测技术属于信息科学的范畴,与计算机技术、自动控制技术和通信技术构成完整的信息技术学科。

2．测量是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作。

测试是具有试验性质的测量,或者可以理解为测量和试验的综合。

0.5检测技术的作用

1．检测技术的作用

客观世界的一切物质都以不同形式不断地运动着。

运动着的物质是以一定的能量或状态表现出来的，这就是信号。

人们为了认识物质世界，就必须寻找表征物质运动的各种信号以及信号与物质运动的关系。

这就是检测的任务。

2．检测技术所涉及到的领域

Ø在工业生产这个领域内

Ø在科学研究领域内

Ø在现代人们的日常生活中

备注：

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教学重点、难点：

静态特性：

线性度、灵敏度、静态误差；动态特性：

动态特性的数学描述、线性系统的传递函数

教学方法、手段：

教学基本内容：

第2章传感器的特性

传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。

而传感器的输入—输出特性是其基本特性，一般把传感器作为二端网络研究时，输入—输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。

1.1传感器的静态特性

1．线性度

（1）传感器的输入—输出关系或多或少地都存在非线性问题。

在不考虑迟滞、蠕变等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程来表示：

静态特性曲线需要进行线性化处理。

（2）常用拟和方法（各种直线拟合方法图示如教材所示）

Ø理论拟合

Ø过零旋转拟合

Ø端点拟合

2．迟滞

（1）传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出与输入曲线不重合时称为迟滞。

迟滞大小一般由实验方法测得。

迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示。

（2）迟滞特性曲线（如教材）

3．重复性

（1）传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。

（2）重复特性曲线（如教材）

4．灵敏度与灵敏度误差

（1）静态灵敏度：

传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。

（2）灵敏度误差：

备注：

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教学重点、难点：

教学方法、手段：

教学基本内容：

5．分辨率与阈值

（1）分辨率：

传感器能检测到的最小的输入增量。

分辨率可用绝对值表示，也可用与满量程的百分比表示。

（2）阈值

在传感器输入零点附近的分辨率。

6．稳定性

（1）稳定性：

传感器在长时间工作情况是输出量发生的变化。

有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。

（2）稳定性误差：

前后两次输出之差。

可用相对误差表示，也可用绝对误差来表示。

7．温度稳定性

（1）温度稳定性：

又称为温度漂移。

它是指传感器在外界温度变化情况下输出量发生的变化。

（2）温度稳定性误差：

测试时先将传感器置于一定温度（例如20℃）下，将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数（例如5℃或10℃），再读出输出值，前后两次输出之差即为温度稳定性误差。

温度稳定性误差用每若干℃的绝对误差或相对误差表示，每℃的误差又称温度误差系数。

8．多种抗干扰能力

传感器对各种外界干扰的抵抗能力。

例如抗冲击和振动能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等，评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。

9．静态误差

（1）静态误差：

传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。

（2）静态误差的求取方法：

把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差，看成随机分布，求出其标准偏差σ，即：

取2σ或3σ值即为传感器静态误差。

静态误差也可用相对误差表示，即：

备注：

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静态误差是一项综合性指标，基本上包含了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等。

所以也可以把这几个单项误差综合而得，即：

1.2传感器的动态特性

研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。

经常采用的输入信号为单位阶跃输入和正弦输入。

1．动态特性的数学描述

（1）解析法求解线性系统对激励的响应步骤：

I建立描述该系统的数学方程

II求满足初始条件的解

（2）将输出量与输入量联系起来的方程是微分方程，是基本的数学方程；集总参数的线性系统可用有限阶的线性常系数微分方程来描述：

2．线性系统的传递函数

系统的传递函数是在线性常系数系统中，当初始条件为零时，系统输出量的拉氏变换Y（s）与输入量的拉氏变换X（s）之比，用G（s）表示为：

3．传感器的动态特性指标

动态响应特性一般并不能直接给出其微分方程，而是通过实验给出传感器与阶跃响应曲线和幅频特性曲线上的某些特征值来表示仪器的动态响应特性。

Ø与阶跃响应有关的指标

Ø与频率响应特性有关的指标

图1-5两条典型的阶跃响应曲线、图1-6对数幅频特性曲线（见教材）

4．动态响应分析的基本方法

（1）瞬态响应的分析方法

用拉氏变换分析线性系统响应四个步骤：

Ø建立网络的传递函数G（s）；

Ø求输入量（激励）的拉氏变换，即输入的象函数。

Ø由变换函数和输入的拉氏变换可求输出响应的拉氏变换，即输出象函数。

备注：

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教学基本内容：

Ø对响应的象函数求原函数，即进行拉氏反变换，可得出输出的时间函数。

（2）正弦激励下的稳态频率响应

当测量系统的输入为正弦信号时，无论它是电量还是非电量。

从数学角度看都是一样。

当输入量加入后，由于暂态响应的存在，开始时输出并不是纯正弦波，当暂态响应逐渐衰减直至消失后（理论上需要无限长时间）输出只存在稳态正弦量，它与输入信号的频率相同，但幅值和相移都是频率的函数，这就是网络反映出来的频率响应特性。

图1-7频率响应特性曲线、图1-8输入输出关系曲线图（见教材）

5．典型环节的动态响应特性

（1）一阶（惯性）系统的动态响应

Ø一阶系统的零输入响应

Ø一阶系统的冲激响应（权函数）

Ø一阶系统的阶跃响应

Ø一阶系统的频率响应特性

（2）二阶（振荡）系统的动态响应

Ø二阶系统的零输入响应

Ø二阶系统的冲激响应（权函数）

Ø二阶系统的阶跃响应

Ø二阶系统的频率响应

备注：

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教学重点、难点：

电阻应变片的工作原理、应变电阻传感器的测量电路、直流电桥平衡条件、直流电桥电压灵敏度

教学方法、手段：

教学基本内容：

第2章电阻式传感器

电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。

电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。

目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。

2.1电位器式传感器（不要求）

2.2应变片式传感器

1．电阻应变片的工作原理

电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。

如图所示,一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为：

当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为：

（应变）

则：

通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。

其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为

备注：

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教学基本内容：

灵敏度系数受两个因素影响:

一个是受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;另一个是受力后材料的电阻率发生的变化,即（Δρ/ρ）/ε。

对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半导体材料的（（Δρ/ρ）/ε）项的值比（1+2μ）大得多。

大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。

对于半导体材料：

半导体应变片的灵敏系数比金属丝高50~60倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重。

使它的应用范围受到一定的限制。

用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。

当测得应变片电阻值变化量ΔR时,便可得到被测对象的应变值。

根据应力与应变的关系,得到应力值σ为：

这就是利用应变片测量应变的基本原理。

2．金属电阻应变片主要特性

（1）金属电阻应变片结构及材料

（2）电阻应变片主要特性

Ø灵敏系数

Ø横向效应

Ø机械滞后，零漂及蠕变

Ø温度效应

Ø应变极限、疲劳寿命

Ø动态响应特性

3．温度误差及补偿

在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数αt及栅丝与试件膨胀系数（βg及βs）之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。

必须采取补偿温度误差的措施。

通常温度误差补偿方法有两类：

（1）自补偿法

Ø单丝自补偿法

Ø组合式自补偿法

（2）线路补偿法

4．应变片式电阻传感器的测量电路

（1）直流电桥

A．直流电桥平衡条件：

电桥如图所示,E为电源,R1、R2、R3及R4为桥臂电阻,RL为负载电阻。

备注：

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教学基本内容：

当电桥平衡时，

。

则：

或

这说明欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。

B．电压灵敏度

R1为电阻应变片，R2,R3,R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。

应变片工作时,其电阻值变化很小,电桥相应输出电压也很小,一般需要加入放大器放大。

当产生应变时,若应变片电阻变化为ΔR,其它桥臂固定不变,电桥输出电压Uo≠0,则电桥不平衡输出电压为

设桥臂比n=R2/R1，则，

电桥电压灵敏度定义为：

从上式分析发现:

电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压,供电电压越高,电桥电压灵敏度越高,但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制,所以要作适当选择。

电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数,恰当地选择桥臂比n的值,保证电桥具有较高的电压灵敏度。

当E值确定后,n值取何值时使KU最高？

求得n=1时,SU为最大值。

这就是说,在电桥电压确定后,当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有：

备注：

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从上述可知,当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时,电桥的输出电压及其灵敏度也是定值,且与各桥臂电阻阻值大小无关。

C．非线性误差及其补偿方法

上面求出的输出电压因略去分母中的ΔR1/R1项而得出的是理想值,实际值计算为

非线性误差为：

如果是四等臂电桥,R1=R2=R3=R4,则

对于一般应变片来说,所受应变ε通常在5×10-3以下,若取SU=2,则ΔR1/R1=SUε=0.01,代入式（3-38）计算得非线性误差为0.5%;若SU=130,ε=1×１0-3时,ΔR1/R1=0.130,则得到非线性误差为6%,故当非线性误差不能满足测量要求时,必须予以消除。

D．为了减小和克服非线性误差,常采用差动电桥,在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个受压应变,接入电桥相邻桥臂,称为半桥差动电路,该电桥输出电压为

若ΔR1=ΔR2,R1=R2,R3=R4,则得

由式（可知,Uo与（ΔR1/R1）呈线性关系,差动电桥无非线性误差,而且电桥电压灵敏度SU=E/2,比单臂工作时提高一倍,同时还具有温度补偿作用。

若将电桥四臂接入四片应变片,即两个受拉应变,两个受压应变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上,构成全桥差动电路,若ΔR1=ΔR2=ΔR3=Δ

备注：

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R4,且R1=R2=R3=R4,则

此时全桥差动电路不仅没有非线性误差,而且电压灵敏度是单片的4倍,同时仍具有温度补偿作用。

（2）交流电桥

根据直流电桥分析可知,由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用交流电桥。

由交流电路分析可得

要满足电桥平衡条件,即

则有

对这种交流电容电桥,除要满足电阻平衡条件外,还必须满足电容平衡条件。

为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。

电桥平衡调节电路见教材。

当被测应力变化引起Z1=Z0+ΔZ,Z2=Z0-ΔZ变化时,则电桥输出为：

5．应变式传感器应用（见教材）

备注：

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第3章电感式传感器

电感式传感器是利用线圈自感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。

3.1自感式传感器

1．自感式传感器的工作原理

电感值与以下几个参数有关：

与线圈匝数w平方成正比；与空气隙有效截面积S0成正比；与空气隙长度l0所反比。

类型：

气隙型和截面积型

差分形式，其优点。

2．灵敏度及非线性

偏差式结构气隙型的灵敏度推导。

推导过程中的关于灵敏度和非线性的矛盾关系，及解决办法。

差动式结构的灵敏度和非线性分析。

3．等效电路

非纯电感，考虑铁心涡流和磁滞损耗、分布电容。

根据等效电路分析其在应用中测量结果和实际量之间的关系。

4．转换电路

（1）调幅电路

本质就是电桥电路。

（2）调频电路

电感量改变与频率关系分析。

（3）调相电路

相位与电感量变化之间的关系分析。

5．零点残余电压

零点残余电压产生的原因分析。

零点残余电压的消除方法。

6．自感式传感器的特点及应用

特点。

应用。

3.2变压器式传感器

1．工作原理

变压器式传感器名称的本质含义。

大概工作原理阐述。

气隙型和截面积型的大概工作原理分析。

备注：

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2．等效电路及其特性

变压器式传感器的电路等效，及电路分析。

输出电势的表达式

分析互感系数跟磁阻的关系。

根据各个参数之间的关系逐步推导输出电势和被测量之间的关系。

得出结论。

变压器式传感器灵敏度

如何提高、稳定灵敏度的方法和途径。

3．差分变压器式传感器的测量电路

需要考虑的问题：

（1）小位移如何测量

（2）位移是矢量，输出是交流，如何辨别方向？

A．相敏检测电路

详细分析电路

根据载波所在上下半周以及衔铁所在位置。

分析信号的大小和方向改变情况。

B．差分整流电路

电路结构分析，注意全波电压输出和电流输出电路的异同。

电路工作原理分析，分析电流的走向。

4．零点残余电压的补偿

本质类似电桥的补偿。

5．应用举例

3.3涡流式传感器

1．工作原理

涡流产生的原因。

原理阐述分析。

2．转换电路

（1）桥路

电路分析

（2）谐振调幅电路

调幅电路分析

（3）谐振调频电路

调频电路分析

3．涡流式传感器的特点及应用

轨迹仪原理阐述。

备注：

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