傳感與檢測是實現(xiàn)自動控制.doc

。傳感與檢測是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)的感受器官。傳感器是一種以一定的精度將被測量轉(zhuǎn)換位于只有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于精度處理和某測量物理量的測量部件或裝置。傳感器的狹義定義: 能把外界非電信號轉(zhuǎn)換成電信好輸送的器件或裝置。傳感檢測環(huán)節(jié)的處理結(jié)果是系統(tǒng)控制指令的主要依據(jù)。傳感器是監(jiān)測和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。大多數(shù)非電量可以準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電量、于是非電量可用電量的測量技術(shù)對其測量，就是非電量檢測技術(shù)，也稱非電量電測技術(shù)。非電量的分類：熱工量、機(jī)械量、物理和成分量、狀態(tài)量。用電測技術(shù)的方法對非電量進(jìn)行測量，稱為非電量的檢測技術(shù)，即非電量電測或非電量電測量。非電量檢測技術(shù)系統(tǒng)有傳感器、測量電路和輸出電路所組成。傳感器的功能;是一種能敏銳感知被測參量功能轉(zhuǎn)換的元件；是光、磁、熱、力、超聲、氣氛、射線和酶等物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等的非電參量轉(zhuǎn)換成與之有對應(yīng)關(guān)系和易于精度處理的或其他形式的信號。測量電路的功能是將傳感器輸出的電信號經(jīng)過必要的轉(zhuǎn)換或信號處理，是指便于驅(qū)動顯示、記錄執(zhí)行機(jī)構(gòu)或進(jìn)行微機(jī)數(shù)據(jù)處理。測量方法的分類; 按測量手續(xù)：直接測量、間接測量、聯(lián)立測量 按測量方式;偏差式測量、零位式測量、微差式測量 按測量敏感元件是否與被測介質(zhì)接觸分;接觸式測量、非接觸式測量 按被測量變化快慢分：靜態(tài)測量、動態(tài)測量按測量系統(tǒng)是否向被測對象施加能量分;主動式測量、被動式測量按被測物理量是否在變化過程中被測分類;在線測量、離線測量。偏差式測量過程簡單常用于工程測量中。零位式測量有比較高精度，不適用于測量變化迅速的信號，用于測量變化較緩慢的信號。微差式測量綜合偏差式測量與零位式測量法的優(yōu)點。誤差的分類：按誤差的表示方法;絕對誤差、相對誤差、1） 絕對誤差:某已被測量的測量值X與真值A(chǔ)0差值為絕對誤差2） 相對誤差：相對誤差常用來表示測量精度的高低，相對誤差有:3） 實際相對誤差實際相對誤差使用絕對誤差與被測量的約定值A(chǔ)的百分比來表示的相對誤差 示值相對誤差 滿度（或引用）相對誤差4） 電工儀表精確度等級分為01,02,05,10,15,25,50七級5） 按誤差的性質(zhì)分為：（1）系統(tǒng)誤差 在相同條件下多次測量同一物理量時，其誤差的絕對值合符號保持恒定（2）隨機(jī)誤差（3）粗大誤差6） 作為傳感器工作物理基礎(chǔ)的基本定律主要有一下四種類型：（1）守恒定律：包括能量，動量 ，電荷量等守恒定律。這些定律是我們研究，開發(fā)新型傳感器時，或分析，綜合現(xiàn)有傳感器時，都必須嚴(yán)格遵守的基本法則。（2）場的定律：包括動力場的運動定律，電磁場的感應(yīng)定律等，其作用與物體在空間的及分布狀態(tài)有關(guān)。例如:7） 利用靜電場定律研制的電容式傳感器；利用電磁感應(yīng)定律研制的電磁式傳感器；利用運動定律與電磁感應(yīng)定律研制的電動勢傳感器等等。利用場的定律構(gòu)成的傳感器，可統(tǒng)稱為”結(jié)構(gòu)型傳感器“。（3）物質(zhì)定律：它是表示各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律（如虎克定律，歐姆定律等）可分別做成壓敏，熱敏，光敏，濕敏等傳感器可制成壓電傳感器可統(tǒng)稱為“物理性傳感器”。傳感器由敏感元件、傳感元件、基本轉(zhuǎn)換電路組成。傳感器的分類：按基本效應(yīng)分物理型、化學(xué)型、生物型；按構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型、物性型；按能量關(guān)系分能量轉(zhuǎn)換型、能量控制型；按作用原理分應(yīng)變式、電容式、壓電式、熱電式、。最有效的描述方法是傳感器的數(shù)學(xué)模型。傳感器常有動態(tài)模型和靜態(tài)模型。傳感器的靜態(tài)特征：線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度、分辨力、閥值、穩(wěn)定性、精確度。改善傳感器性能的主要技術(shù)途徑：差動技術(shù)、平均技術(shù)、穩(wěn)定性技術(shù)、屏散隔離與干擾抑制技術(shù)、補(bǔ)償校正技術(shù)、集成化與智能化技術(shù)、合理選擇傳感器材料結(jié)構(gòu)與參數(shù)。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢：開發(fā)新型傳感器、傳感器集成化、傳感器的功能化、智能化、開發(fā)仿生傳感器。電阻式傳感器是一種能把非電物理量轉(zhuǎn)換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電阻阻值。電阻應(yīng)變計的轉(zhuǎn)換原理是基于金屬電阻絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變效應(yīng)是指金屬電阻絲的電阻隨著它所承受機(jī)械變形的大小而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。實際工作測量中常用的溫度補(bǔ)償方法：1)橋路補(bǔ)償法用于常溫下測量、2）溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計，用于高溫下測量。應(yīng)變計粘貼到試件上，由于環(huán)境溫度變化的影響，將是電阻產(chǎn)生相對變化這種想象稱為應(yīng)變計的溫度效應(yīng)。而由于溫度變化的應(yīng)變輸出稱為熱輸出。當(dāng)電橋各橋臂電阻滿足如下條件R1*R2=R2*R3電橋的輸出電壓U0為零，即電橋處于平衡狀態(tài)，成為電橋的平衡條件。電阻應(yīng)變計的補(bǔ)償：熱輸出補(bǔ)償（溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計，用于高溫下測量；橋路補(bǔ)償法用于常溫下測量）、感器電路補(bǔ)償（初始不平衡補(bǔ)償、零點漂移補(bǔ)償、輸出靈敏漂移的補(bǔ)償、輸出靈敏度調(diào)整、非線性補(bǔ)償）。壓阻式壓力傳感器可以測量絕對壓力、表壓力及差動壓力。電感式傳感器與其它類型的傳感器，有如下優(yōu)點：靈敏度高、分辨力高、線性較好、輸出功率大，缺點是頻率響應(yīng)較低 。電傳感器有三種類型：變氣隙型、變面積型、螺管插鐵型。螺管型差動變壓器按繞組排列有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式。螺管型差動變壓式的工作原理：可以用一般變壓器來解釋所不同的是，一般變壓器的磁路是閉合的，而差動變壓器是開路的；一般變壓器當(dāng)結(jié)構(gòu)確定后，初、次級線圈之間的互感量為常數(shù)，而差動變壓器初、次級線圈間的互感量則隨活動銜鐵的移動而變化，差動變壓器的工作也正是建立在互感變化的基礎(chǔ)上。零位輸出電壓通常又稱零位電壓，它是指差動變壓器銜鐵位于中間位置時，按理論分析并無輸出電壓，而實際上有一殘余電壓輸出其數(shù)值從幾毫伏到幾十毫伏。零位電壓產(chǎn)生的原因是:由于兩個次級線圈的感應(yīng)電勢的幅值不完全相等，相位也不完全相反造成。零位點位最根本的消除方法是傳感器的幾何尺寸和電磁參數(shù)嚴(yán)格地均勻?qū)ΨQ，并使導(dǎo)磁體避開飽和區(qū)，這就要求傳感器的制造工藝必須非常精密，材料要非常均勻才行。一般要采用合適的測量電路來減少零位電壓，使其達(dá)到實用的要求和精度。電渦流式傳感器是一種建立在電渦流效應(yīng)原理的傳感器，最大的特點是可以對物體表面為金屬導(dǎo)體的多種物理量實現(xiàn)非接觸測量。置于交變磁場的金屬導(dǎo)體，當(dāng)交變磁場穿過導(dǎo)體時，將在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種感生電流的流線在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，像流水中的漩渦一樣，故稱電渦流。根據(jù)影響電容器電容的三個變化參數(shù)，把電容式傳感器分為變極間距離（d）、變相互覆蓋面積A和變極間介質(zhì)()。容柵傳感器是在變面極性電容傳感器的基礎(chǔ)發(fā)展而成的一種新型傳感器?？煞譃殚L容柵和園容柵。當(dāng)可動容柵相對固定容柵位移時，每對電容面積變化，因而電容值隨之變化，即測出線位移或角位移。電容式傳感器的測量電路有電橋電路、調(diào)頻電路和脈沖寬度調(diào)制電路。有一些電介質(zhì)，由于其晶體結(jié)構(gòu)的特殊性，當(dāng)沿著一定方向受到作用時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象（電介質(zhì)內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)在外部力場的作用下，使晶格的正、負(fù)電荷中心不重合，出現(xiàn)電偶極距，從而產(chǎn)生了電極化），同時，在介質(zhì)的某兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，電荷消失，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，稱為正電荷效應(yīng)。反之，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場時，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外加電場撤去后，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)，逆向電效應(yīng)稱為電致伸縮效應(yīng)。壓電材料分類：壓電單晶（石英晶體、其它壓電單晶）；壓電多晶壓電陶瓷；有壓電材料。石英晶體中X軸稱為電軸，Y軸稱為機(jī)械軸，Z軸稱為光軸或中性軸。與壓電元件等效的電路一般有：電荷等效電路和電壓等效電路。電壓放大器的功用是將壓電元件的高輸出阻抗變?yōu)榈妥杩?，將壓電效?yīng)產(chǎn)生的微弱電壓信號進(jìn)行放大。用電壓放大器作壓電的測量電路時，壓電元件與放大器間的接線電纜將影響傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度。電荷放大器克服了電壓放大器的引線電纜影響傳感器輸出和電壓靈敏度的缺點。電荷放大器的輸出電壓僅壓電元件的電荷量和反饋電容有關(guān)，不受電纜電容等其它因素的影響。作為測量溫度用熱電阻材料有以下特點：1）高溫度系數(shù)、高電阻率，這樣加快反應(yīng)速度，提高靈敏度，減小體積和質(zhì)量2)化學(xué)、物理量性能穩(wěn)定，保證在使用溫度范圍內(nèi)熱電阻的測量準(zhǔn)確性3)良好的輸出特性4)l良好地工藝型。適宜制作熱電阻的材料有鉑、銅、鎳等金屬。鉑、銅熱電阻不適宜低溫和超低溫的測量。銦電阻適宜在-269-258溫度范圍內(nèi)使用，測量精度高，靈敏度是鉑電阻的10倍，但復(fù)雜性差。錳電阻適宜在-271-210溫度范圍內(nèi)使用 。熱電阻與儀表或放大器接線有三種方式：兩線制、三線制和四線制。熱敏電阻一般是由金屬氧化物陶瓷半導(dǎo)體材料經(jīng)成型、燒結(jié)等工藝制成。熱敏電阻從特征分：1）負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻2）正溫度系數(shù)的熱敏電阻3）溫度熱敏電阻，熱敏電阻有珠粒狀、圓柱狀和圓片狀。熱敏電阻的特點：1）電阻溫度系數(shù)絕對值大，因靈敏度高，約為熱敏電阻的10倍，測量線路簡單，甚至不用放大器便可輸出幾伏的電壓。2）體積小，質(zhì)量輕，熱慣量小，可以測量點溫度，適宜動態(tài)測量3)；本身電阻不大，不需要考慮引線長度誤差，因此適宜于遠(yuǎn)距離測量4)熱敏電阻產(chǎn)品已系列化，便于設(shè)計選用5）工作壽命長，而且價格便宜6)非線性大，在電路上要進(jìn)行線性化補(bǔ)償7）穩(wěn)定性稍差，并有老化現(xiàn)象8）同一型號有3%5%阻值誤差。將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A、B組成閉合回路，若節(jié)點處于不同溫度時，兩者之間將產(chǎn)生一熱電勢，在回路中形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢和溫度電勢。當(dāng)兩種金屬接觸在一起時，在結(jié)點處就會發(fā)生電子遷移擴(kuò)散。失去自由電子的金屬成正電位，得到電子的金屬成負(fù)電位。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到平衡時，在兩種金屬的接觸處形成電勢，稱為接觸電勢。導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時，只要保持其兩端溫度相同，則對回路熱電式無影響稱為中間導(dǎo)體定律，利用這個定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表。鎧裝熱電偶是由熱電偶絲、絕緣材料及不銹鋼保護(hù)管經(jīng)拉制工藝制成。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基準(zhǔn)接點的熱電勢為0時的熱電勢?；鶞?zhǔn)接點補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?)冷端溫度補(bǔ)償器2)采用PN結(jié)溫度傳感器作冷端補(bǔ)償3）二端集成溫度傳感器補(bǔ)償。磁電感應(yīng)式傳感器主要是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動產(chǎn)生感應(yīng)電勢?；魻栃?yīng)的實質(zhì)磁電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，半導(dǎo)體片兩側(cè)面的負(fù)電荷和正電荷相對積累形成電勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。由此產(chǎn)生的電動勢稱為霍爾電勢。氣敏元件工作時必須加熱，其目的是:加速被測氣體的吸附、脫出過程;燒去氣敏元件的油垢或污物，其清洗作用;控制不同的加熱溫度，能對不同的被測氣體具有選擇作用。光電效應(yīng)是物體吸收了光能后，轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的