【正文】 傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程　　復(fù)習(xí)分析頻響常用正弦分析瞬時(shí)常用階躍動(dòng)態(tài)測(cè)量輸入信號(hào)規(guī)律性的隨機(jī)性的 周期性的 非周期性的非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程 正弦周期輸入 復(fù)雜周期輸入 階躍輸入 線性變化輸入 其它變化輸入各態(tài)歷經(jīng)過(guò)程非各態(tài)歷經(jīng)過(guò)程傳感器在檢測(cè)系統(tǒng)中有什么作用和地位？什么是敏感元件？什么是傳感器？1． 特性？有哪些主要指標(biāo)？線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度、靜態(tài)誤差、分辨力與閥值等的概念和計(jì)算。？動(dòng)特性：傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的物理概念。？ 傳感器的基本概念 一、傳感器的定義及構(gòu)成 傳感器(Transducer/Sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。 通常傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路組成。其中敏感元件(Sensing element)是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件(Transition element)是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵隽哭D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。基本轉(zhuǎn)換電路:將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量轉(zhuǎn)換成便于顯示、記錄和處理的電量輸出。 二、傳感器的分類 （被測(cè)量量）的類型分類 ⑴ 模擬式傳感器； ⑵ 數(shù)字式傳感器 （有源、無(wú)源） ⑴ 有源傳感器（能量轉(zhuǎn)換型傳感器） ⑵ 無(wú)源傳感器（能量控制型傳感器） 三、傳感器的數(shù)學(xué)模型 在靜態(tài)信號(hào)(輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化)的作用下，輸出量Y與輸入量X間的關(guān)系。(忽略蠕動(dòng)、遲滯)一般可用多項(xiàng)式表示。 y = a0+a1x + a2x2 + a3x3 + ┅ a0 ━ 零位輸出 a1 ━ 線性靈敏度 a2 ～ an ━ 非線性系數(shù) 2. 動(dòng)態(tài)模型 在動(dòng)態(tài)信號(hào)(輸入信號(hào)隨時(shí)間變化)的作用下，輸出量Y與輸入量X間的關(guān)系?？梢杂?微分方程 或 系統(tǒng)函數(shù) (傳遞函數(shù) )來(lái)描述。 一階傳感器 傳遞函數(shù) 可用拉普拉斯變換表示系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)Ｈ(S )。 四、傳感器的基本特性 1. 靜態(tài)特性 ⑴ 線性度 實(shí)際的輸出 —— 輸入曲線與擬合曲線(工作曲線)間最大偏差的相對(duì)值 即為線性度。 ⑵ 靈敏度 Sn Sn 的定義是傳感器輸出的變化量 與引起該變化量的輸入變化量 之比即為其靜態(tài)靈敏度。 ⑶ 重復(fù)性 重復(fù)性 指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜻B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度。 ⑷ 遲滯現(xiàn)象（回差） 回差反映了傳感器的輸入量在正向行程和反向行程全量程多次測(cè)試時(shí)，所得到的特性曲線的不重合程度。 ⑸ 分辨率（△xmin ） 在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)，傳感器所能檢測(cè)出輸入量的最小變化值。 ⑹ 穩(wěn)定性 傳感器在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍保持其原性能的能力。 ⑺ 漂移 傳感器在外界的干擾下，輸出量發(fā)生了與輸入量無(wú)關(guān)的變化，主要有“零點(diǎn)漂移”和“靈敏度漂移”，這兩種漂移又可分為“時(shí)間漂移 —— 零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間而發(fā)生緩慢的變化”和“溫度漂移 —— 零點(diǎn)或靈敏度隨環(huán)境溫度的變化而改變”。 2. 動(dòng)態(tài)特性 ⑴ 頻率響應(yīng) 傳感器的頻率響應(yīng)是指各種頻率不同而幅值相同的正弦信號(hào)輸入時(shí)，其輸出的正弦信號(hào)的幅值、相位(與輸入量間的相差）與頻率之間的關(guān)系。即幅頻特性和相頻特性。 分析切入點(diǎn)：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 ⑵ 階躍響應(yīng) 給原來(lái)處于靜態(tài)狀態(tài)傳感器輸入階躍信號(hào)，在不太長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，傳感器的輸出特性即為其階躍響應(yīng)特性。 ① 一階傳感器的階躍響應(yīng)特性 ② 二階傳感器的階躍響應(yīng)特性 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝工作原理、轉(zhuǎn)換電路、主要特性參數(shù)計(jì)算。說(shuō)明電阻應(yīng)變片的組成和種類。電阻應(yīng)變片有哪些主要特性參數(shù)？直流電橋、電橋的非線性。應(yīng)變片產(chǎn)生誤差的原因是什么？如何減少或補(bǔ)償溫度誤差？ 應(yīng)變式電阻式傳感器 電阻應(yīng)變效應(yīng)是指電阻絲在外力作用下，發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象基于這種原理制成的傳感器有金屬應(yīng)變片式和半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩種。 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)有幾何尺寸，初始值電阻R0 和允許工作電流，且應(yīng)變片的初始電阻值R0有120Ω、200Ω、350Ω、600Ω、1000Ω等類型，其中最常的有120Ω和350Ω。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度改變時(shí)，會(huì)引起應(yīng)變片電阻的附加變化量，該變形給測(cè)量帶來(lái)附加誤差（即應(yīng)變片的溫度誤差）。產(chǎn)品該誤差的原因是電阻絲溫度系數(shù)的存在和電阻絲線膨脹系數(shù)不同。 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償和自動(dòng)補(bǔ)償兩大類。其中最常的是電橋補(bǔ)償法，它是將工作應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片接到電橋的兩個(gè)橋臂，利用它們對(duì)電橋輸出電壓，平衡原理，而起到溫度補(bǔ)償作用。通常采用的半橋差動(dòng)電路或全橋差動(dòng)電路，橋路不存在非線性誤差，而且電壓靈敏度也比單臂橋時(shí)高，同時(shí)還能起到溫度補(bǔ)償作用，但應(yīng)清楚完全補(bǔ)償?shù)臈l件。一、應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ) 1．金屬導(dǎo)體的電阻定律 2．材料的泊松比μ — dL/L、dA/A 在力的作用下的相互關(guān)系 3．金屬材料應(yīng)變電阻效應(yīng) 4．半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng) 二、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及工作方式 1． 基本結(jié)構(gòu) 2． 分類 (按敏感柵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和構(gòu)成材料進(jìn)行分類) 3． 工作方式 (工作原理)： 應(yīng)變片是用來(lái)測(cè)量試件表面的應(yīng)變的。粘貼時(shí)需使柵絲的軸線沿應(yīng)變方向。 三、電阻應(yīng)變片應(yīng)變電阻的測(cè)量 1．直流電橋法： 電壓靈敏度SV 非線性誤差γ 2．非線性誤差的補(bǔ)償方法 ①差動(dòng)電橋法 a．半橋差動(dòng)電路 純線性，靈敏度提高了一倍。 b．全橋差動(dòng)電路 ②恒流源供電法 a． 恒流源供電電橋 b． 雙恒流源電路 應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用 一、力（荷重）傳感器 1. 柱式力傳感器（柱的截面積為A） 2 .梁式荷重傳感器（特點(diǎn)：可以使用差動(dòng)電橋測(cè)量應(yīng)變） ⑴ 等截面梁式荷重傳感器 ⑵ 等應(yīng)力（等脅強(qiáng)）梁式荷重傳感器 二、應(yīng)變式加速度傳感器（二階傳感器的典型例子） ⒈ 基本原理：F = m a 。 ⒉動(dòng)態(tài)特性 三、應(yīng)變式壓力（壓強(qiáng)）傳感器 ⒈ 薄板式(膜片式)壓力傳感器 根據(jù)薄板形變(應(yīng)變)與壓強(qiáng)的關(guān)系來(lái)測(cè)量壓強(qiáng)，(應(yīng)變片測(cè)薄板應(yīng)變) ⒉ 筒式應(yīng)變壓力傳感器 性能特點(diǎn)：可用于高壓測(cè)量。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：圓柱盲孔，環(huán)向應(yīng)變。 四、固態(tài)壓力傳感器(壓阻效應(yīng))，特點(diǎn)：集成電路工藝生產(chǎn) 受壓圓膜的應(yīng)力分布/應(yīng)變分析特點(diǎn)。 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝3．　電感式傳感器自感式位移傳感器是一種基于電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)量（位移）變化轉(zhuǎn)換為自感L或互感M參數(shù)變化的部件。即稱電感式傳感器或變磁阻式傳感器。該傳感器可分為自感式和互感式兩大類。電感式傳感器常用來(lái)測(cè)量位移、尺寸、振動(dòng)、力、壓力、轉(zhuǎn)矩、應(yīng)變、流量及比重等非電量。其基本構(gòu)成是由鐵芯、線圈和銜鐵三部分組成。？它們的工作原理是什么？磁路歐姆定律：，式中稱磁感阻，nI為磁通勢(shì)。 則 變磁阻（自感）式傳感器 一、結(jié)構(gòu)及工作原理 二、輸出特性 —— 具有非線性的輸出特性。 三、差動(dòng)自感傳感器(非線性補(bǔ)償) 互感式傳感器 在自感式傳感器中δ不能太大，否則漏磁的影響將使輸出性能嚴(yán)重劣化。所以大位移測(cè)量時(shí)常采用互感式傳感器。 一、結(jié)構(gòu)、工作原理及等效電路 二、測(cè)量電路： ； 電渦流式傳感器＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝4　電容式傳感器 電容式壓力傳感器是種將被測(cè)量尺寸，壓力的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的部件（即可變電容器），其定義為C=εs/d。按其工作原理，電容式傳感器可分為變間隙式，變截面式和變介電常數(shù)式三種類型，其中第一種常用于測(cè)量微小線位移；第二種常用于測(cè)量角位移或較大的線位移；第三種常用于測(cè)量固體或液體的物位。 電容式傳感器的初始電容很小，因此在使用中的最關(guān)鍵問(wèn)題是分布電容的影響極為嚴(yán)重，這不僅會(huì)造成傳輸效率降低，靈敏度變差而且會(huì)產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。由于電容式傳感器動(dòng)極板移動(dòng)過(guò)程中無(wú)摩擦，機(jī)械損耗小以及兩極板間靜電引力小等原因，故該傳感器幾手沒有零漂。 電容式傳感器配用的測(cè)量電路很多，常用的有交流電橋、緊耦合電橋電路、脈沖電路運(yùn)算放大電路等。 一、 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理 二、變極距型電容式傳感器（平行板電容器式） 三、變極板面積形電容傳感器 四、動(dòng)介質(zhì)型電容式位移傳感器 五、電容式傳感器的輸出特性 變極距型電容式傳感器僅在Δd/d 較小時(shí)呈近似線性關(guān)系，存在一定的非線性誤差。 六、 電容式傳感器的信號(hào)變換電路 差動(dòng)脈寬調(diào)制電路、運(yùn)算放大電路 七、 電容式傳感器的應(yīng)用 1. 電容式壓力傳感器； 2. 電容式物位傳感器（物位計(jì)）工作原理、轉(zhuǎn)換電路、計(jì)算。推導(dǎo)差動(dòng)式電容傳感器的靈敏度，并與單極式相比較。根據(jù)電容式傳感器的工作原理說(shuō)明它的分類，電容傳感器能夠測(cè)量哪些物理參量？電容傳感器的轉(zhuǎn)換電路及信號(hào)調(diào)制電路。總結(jié)電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，主要應(yīng)用場(chǎng)合及使用中應(yīng)注意的問(wèn)題。簡(jiǎn)述電容式傳感器用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路的工作原理。＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝五、磁電式傳感器磁電感應(yīng)式速度傳感器是一種利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、速度、扭矩等動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量。變磁通式、恒定磁通式按運(yùn)動(dòng)性質(zhì)分為直線運(yùn)動(dòng)磁電傳感器和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)磁電傳感器。前者定義為e=NBlv；其靈敏度K=e/v=NBL；后者定義為e=NBSW，其靈敏度則為K=e/w=NBS。 提高磁電感應(yīng)式傳感器靈敏K值應(yīng)考慮幾個(gè)因素。一是線圈直流電阻R與負(fù)載電阻RL的匹配問(wèn)題，一般要求R=RL；二是線圈發(fā)熱問(wèn)題，要求滿足S0≥I2RSn；及溫度影響問(wèn)題，要求采用熱磁分路對(duì)磁通量進(jìn)行補(bǔ)償和線圈采用溫度系數(shù)小的金屬導(dǎo)體。 磁電式速度傳感器可用相對(duì)速度和絕對(duì)速度來(lái)表示。目前工程界最常用，性能價(jià)格比高的速度測(cè)量傳感器有磁敏電阻測(cè)速傳感器和霍爾齒輪測(cè)速傳感器。它們的共同特點(diǎn)是：一、被測(cè)對(duì)象為運(yùn)動(dòng)著的鐵磁材料。（齒輪、齒條、凸輪等）；二、輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)。具有安裝方便，配用檢測(cè)電路簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。磁電式傳感器與電感式傳感器有哪些不同？磁電式傳感器主要用于測(cè)量哪些物理參數(shù)？霍爾元件能夠測(cè)量哪些物理參數(shù)？霍爾元件的不等位電勢(shì)的概念是什么？什么溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ心膸追N？簡(jiǎn)述霍爾效應(yīng)及構(gòu)成以及霍爾傳感器可能用的場(chǎng)合。 霍爾傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，有普通型、高靈敏度型、低溫度系數(shù)型、測(cè)溫測(cè)磁型和開關(guān)式的霍爾元件。 一、霍爾效應(yīng) ——霍爾效應(yīng)是導(dǎo)體中自由電荷受洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。 霍爾元件的靈敏度不僅與元件材料的霍爾系數(shù)有關(guān)，還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)?；魻栐`敏度KH與霍爾元件的厚度 d 成反比。 霍爾元件的霍爾效應(yīng)是置于磁場(chǎng)中的靜止截流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上垂直于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，其數(shù)學(xué)定義式為UH=RHIB/d =KHIB/d。 霍爾元件外部有兩對(duì)電極，一對(duì)用來(lái)施加激勵(lì)電壓或電流，叫控制電極；另一對(duì)用來(lái)引出霍爾電勢(shì)，叫霍爾電極。霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，因而其有關(guān)的量和參數(shù)都隨溫度的變化而變化，使用時(shí)，霍爾式傳感器有溫度誤差。減少溫度誤差的措施用恒流源供電；減少由于輸入電阻引起的誤差起的誤差。 不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)它進(jìn)行補(bǔ)償。若將霍爾元件視為一個(gè)四臂電阻電橋，則不等位電勢(shì)相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓，因而所有能使電橋達(dá)到平衡的方法均可用于不等位電勢(shì)的補(bǔ)償。 霍爾式傳感器基本上由兩部分組成，一是彈性元件，另一是霍爾元件和磁路系統(tǒng)。要求霍爾元件所使用的氣隙磁場(chǎng)具有均勻梯度。二、霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù) 1．額定功耗P0 霍爾元件在環(huán)境溫度T＝25℃時(shí)，允許通過(guò)霍爾元件的控制電流I和工作電壓V的乘積即為額定功耗。一般可分為最小、典型、最大三檔，單位為mw。當(dāng)供給霍爾元件的電壓確定后，根據(jù)額定功耗可以知道額定控制電流I。有些產(chǎn)品提供額定控制電流和電壓，不給出額定功耗。 2．輸入電阻Ri和輸出電阻R0 Ri是指流過(guò)控制電流的電極（簡(jiǎn)稱控制電極）間的電阻值，R0是指霍爾元件的霍爾電勢(shì)輸出電極（簡(jiǎn)稱霍爾電極）間的電阻，單位為Ω?？梢栽跓o(wú)磁場(chǎng)即B＝0時(shí)，用歐姆表等測(cè)量。 3．不平衡電勢(shì)U0 在額定控制電流I之下，不加磁場(chǎng)時(shí)，霍爾電極間的空載霍爾電勢(shì)稱為不平衡(不等)電勢(shì)，單位為mV。不平衡電勢(shì)和額定控制電流I之比為不平衡電阻r0。 4．霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)α 在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化1℃時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率稱為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)α，單位為1／℃。 三、霍爾元件連接方式和輸出電路 1．基本測(cè)量電路 由于霍爾元件必須在磁場(chǎng)與控制電流作用下，才會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)UH，所以在測(cè)量中，可以把I與B的乘積、或者I