傳感器技術(shù)課件.ppt

1、第一章是傳感器技術(shù)概述。1.傳感器的定義，它是一種將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用的物理量的設(shè)備。目前，傳感器轉(zhuǎn)換的信號(hào)大多是電信號(hào)。因此，從狹義上講，傳感器是一種將外部輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。傳感器的功能類似于人類的感覺器官，是人類感官的延伸。功能：將測(cè)量的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并傳輸?shù)綔y(cè)試系統(tǒng)的后續(xù)環(huán)節(jié)。人體系統(tǒng)與機(jī)器系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)(振動(dòng)測(cè)量)，簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)(紅外線體溫)，3。傳感器組成，(1)組成：隔膜，剛性極板，電源和負(fù)載電阻，(2)原理：隔膜初級(jí)傳感器電容傳感器，4。分類：5。傳感器選擇原則，1。敏感度：線性范圍：線性范圍越寬，傳感器的工作范圍越大。3。響應(yīng)特性：盡量在測(cè)

2、量的頻率范圍內(nèi)不失真。4.穩(wěn)定性：長期使用后其輸出特性不變的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素有時(shí)間和環(huán)境。精確度：表示傳感器輸出和測(cè)量值之間的對(duì)應(yīng)程度。傳感器的精度越高，它就越貴，所以應(yīng)該從現(xiàn)實(shí)中選擇。6.其他選擇原則。傳感器技術(shù)的應(yīng)用，1。在日常生活中，在家用電器和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，人們應(yīng)用了大量的傳感器和測(cè)試技術(shù)來提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器、衣物質(zhì)量傳感器、水溫傳感器、水質(zhì)傳感器、清潔度傳感器、液位傳感器和電阻傳感器(衣物烘干檢測(cè))。指紋傳感器、透光率傳感器，(1)產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)量。當(dāng)汽車、機(jī)床和其他設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和其他零件出廠時(shí)，必須對(duì)它們的性能和質(zhì)量

3、進(jìn)行測(cè)量和檢查。2.機(jī)械工業(yè)，(4)故障診斷，(5)其他應(yīng)用，航空航天，農(nóng)業(yè)，運(yùn)輸，醫(yī)療，第2章傳感器的基本特性，1。理想穩(wěn)態(tài)線性系統(tǒng)的投入產(chǎn)出關(guān)系：在靜態(tài)測(cè)量中，理想穩(wěn)態(tài)線性系統(tǒng)具有單調(diào)的線性比例關(guān)系，即投入產(chǎn)出關(guān)系是一條斜率恒定的理想直線。2.實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系是一個(gè)非理想的穩(wěn)態(tài)線性系統(tǒng)，輸入輸出關(guān)系是用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量的，通常是一條曲線標(biāo)定曲線。3。描述靜態(tài)特性的參數(shù)，(1)非線性：校準(zhǔn)曲線和擬合直線之間的接近度。非線性通常用百分比來表示。擬合直線有兩種：端基直線和獨(dú)立直線。(1)端組直線是指通過測(cè)量范圍上限點(diǎn)和下限點(diǎn)的直線。顯然，基于端點(diǎn)的直線被用來代替實(shí)際的輸入輸出曲線，其求解過

4、程相對(duì)簡(jiǎn)單，但其非線性較差。(2)靈敏度，功能：用于描述測(cè)試系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)變化的響應(yīng)能力。對(duì)于穩(wěn)定的線性系統(tǒng)，其靈敏度是恒定的。2.在實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)中，靈敏度是校準(zhǔn)曲線上該點(diǎn)的切線斜率。3.尺寸：?jiǎn)挝蝗Q于輸入和輸出。(3)分辨率：測(cè)試系統(tǒng)能夠檢測(cè)到的輸入量的最小變化。通常表示為對(duì)應(yīng)于最小單位輸出的輸入量。數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)輸出顯示系統(tǒng)的最后一位數(shù)字，模擬測(cè)試系統(tǒng)輸出指示器刻度最小分割值的一半。5.漂移：指在輸入不變的情況下，測(cè)試系統(tǒng)的輸出隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。原因：儀器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化；周圍環(huán)境變化的影響(如溫度、濕度等)輸出。最常見的漂移是溫度漂移，即環(huán)境溫度變化引起的輸出變化。進(jìn)一步導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)的

5、靈敏度和零點(diǎn)漂移。零漂移、靈敏度漂移，其次是傳感器的動(dòng)態(tài)特性，指的是當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)特性。1.動(dòng)態(tài)特性的描述方法：(1)時(shí)域微分方程，在零初始條件的前提下，定義了傳遞函數(shù)，其中S是一個(gè)復(fù)變量，特征：(2)傳遞函數(shù)只反映系統(tǒng)本身的輸出特性，與輸入和初始狀態(tài)無關(guān)。它只反映系統(tǒng)的傳輸特性，與系統(tǒng)的具體物理結(jié)構(gòu)無關(guān)。分母中的最高冪n代表系統(tǒng)微分方程的階數(shù)。解：通過拉普拉斯變換得到系統(tǒng)的微分方程。例1:求出一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)的微分方程是：(3)頻率響應(yīng)函數(shù)。在初始條件為零的前提下，定義頻率響應(yīng)函數(shù)。方法如下：(2)如果微分方程已知，進(jìn)行傅里葉變換，然后(3)用實(shí)驗(yàn)方法

6、得到：當(dāng)初始條件全為零時(shí)，同時(shí)測(cè)量輸入和輸出，用傅里葉變換得到。物理意義：描述系統(tǒng)的頻率特性。它描述了系統(tǒng)的諧波輸入與其穩(wěn)態(tài)輸出之間的關(guān)系，并且不包含瞬態(tài)響應(yīng)信息。系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)是已知的，并且計(jì)算和繪制了它的幅頻特性和相頻特性。(4)脈沖響應(yīng)函數(shù)、頻域頻率響應(yīng)函數(shù)、復(fù)域傳遞函數(shù)、時(shí)域脈沖響應(yīng)函數(shù)、拉普拉斯變換對(duì)、傅立葉變換對(duì)、傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)之間的關(guān)系：2 .串聯(lián)和并聯(lián)的環(huán)節(jié)，任何高階系統(tǒng)都可以看作是幾個(gè)一階系統(tǒng)或二階系統(tǒng)的串聯(lián)或并聯(lián)。1。串聯(lián)的環(huán)節(jié)，如果系統(tǒng)是由N個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，其傳遞函數(shù)相應(yīng)地是系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，其幅頻特性：相頻特性：2。鏈路并聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)的總輸出為，如

7、果系統(tǒng)由N個(gè)鏈路并聯(lián)而成，其傳遞函數(shù)為，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為，3。負(fù)載效應(yīng)：一個(gè)系統(tǒng)由另一個(gè)系統(tǒng)連接。實(shí)現(xiàn)無失真測(cè)試的條件。1.無失真?zhèn)鬏?。?dāng)輸出信號(hào)為0時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無失真?zhèn)鬏敗?。無失真測(cè)試條件，可通過傅立葉變換獲得：系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為：幅頻特性：相頻特性：測(cè)試系統(tǒng)無失真測(cè)試的條件。電阻傳感器1?？勺冸娮鑲鞲衅?。結(jié)構(gòu)2。測(cè)量電路2。當(dāng)不考慮外部電路的影響時(shí)，當(dāng)考慮外部電路的影響時(shí)3。特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，穩(wěn)定性好。(2)分辨率低，受電阻絲直徑的限制。它適用于測(cè)量大位移。(3)噪音大。2.電阻應(yīng)變傳感器。1.結(jié)構(gòu)：電線、箔和金屬隔膜。2.工作原理：基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。如果金屬絲因軸向

8、拉伸而變形，其靈敏度低，但溫度穩(wěn)定性好，因此可用于高精度測(cè)量。3.壓阻傳感器1。原理：壓阻效應(yīng)，靈敏度：兩種應(yīng)變片在工作原理上的區(qū)別：金屬應(yīng)變片受力后幾何變形電阻的相對(duì)變化，半導(dǎo)體應(yīng)變片受力后電阻率電阻的相對(duì)變化，2 .特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，分辨率高，橫向效應(yīng)小，機(jī)械滯后小。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差，大應(yīng)變下非線性誤差大。3.類型：半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器和擴(kuò)散壓阻傳感器；3.應(yīng)變儀的應(yīng)用；1.結(jié)構(gòu)應(yīng)變或應(yīng)力的直接測(cè)量。2。作為傳感器的測(cè)量參數(shù)。4.轉(zhuǎn)換電路，應(yīng)變電壓或電流的變化，4.4電感傳感器，1。可變磁阻傳感器，線圈自感是指當(dāng)氣隙很小時(shí)的總磁阻，不考慮磁路的鐵損，所以，1?？勺儦庀额愋停红`敏度，特點(diǎn)：

9、靈敏度高，線性誤差小，適合測(cè)量小位移。2.可變面積型，靈敏度，特點(diǎn)：線性好，測(cè)量范圍大，但靈敏度低。線圈型，當(dāng)鐵芯在線圈中移動(dòng)時(shí)，它會(huì)改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。功能：2.低頻傳輸型，適用于測(cè)量金屬材料的厚度。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。4。應(yīng)用，感應(yīng)紙厚測(cè)量?jī)x原理圖，3。差動(dòng)變壓器傳感器，原理：利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。1.互感現(xiàn)象，2。差動(dòng)變壓器傳感器，(2)原理，(3)特點(diǎn)：精度高，線性范圍大，穩(wěn)定性好。4.5電容傳感器，1。工作原理，真空介電常數(shù)，1。極距變化，與c成反比。靈敏度是，當(dāng)使用時(shí)，減小初始極距以提高靈敏度。因?yàn)殡娙輈與極距是非線性的，它會(huì)引起非線性誤

10、差。為了減少這種誤差，通常規(guī)定測(cè)量范圍，并且在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用差模，這可以使靈敏度加倍。特點(diǎn)：靈敏度高，線性誤差小，適合小位移測(cè)量。2。面積變化型，(1)線性位移型，如果兩塊板的長度和寬度相互覆蓋，覆蓋面積為，則表示電容和靈敏度，(2)角位移型，如果覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角為，板半徑為，覆蓋面積為，則表示電容和靈敏度，(3)圓柱形線性位移型，當(dāng)移動(dòng)板左右移動(dòng)時(shí)，則表示電容特征：線性關(guān)系好，范圍大；與極距變化相比，靈敏度較低。適用于測(cè)量大角位移和線位移。3。介電常數(shù)變化、當(dāng)介電層的溫度、濕度和厚度發(fā)生變化時(shí)，它也會(huì)發(fā)生變化，從而引起變化。(2)測(cè)量液位；(2)被測(cè)電容的測(cè)量電路、電壓、電流和頻率變

11、化；(1)交流電橋；(2)運(yùn)算放大器電路：可以解決極距可變電容傳感器的非線性問題。3。電容傳感器的特性和應(yīng)用，1。優(yōu)點(diǎn)：(1)低輸入能量和高靈敏度。(2)信噪比高，穩(wěn)定性好。(3)具有良好的動(dòng)態(tài)特性，可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。(4)低能量損耗。(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好。2。缺點(diǎn)：(1)變極距，非線性大。(2)電纜的分布電容影響很大。解決方法：使用測(cè)量電路。解決方案：使用集成電路；使用屏蔽電纜。應(yīng)用實(shí)例：(1)電容式測(cè)厚儀，(2)電容式速度傳感器，4.6壓電傳感器，其工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。機(jī)械能和電能都可以用作機(jī)械能。1.壓電效應(yīng)；1.壓電效應(yīng)；2.逆壓電效應(yīng)(電致伸縮效應(yīng))；2.壓電材料及其

12、特性。具有壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱為壓電材料。常用壓電材料：壓電單晶，壓電陶瓷，新型壓電材料，1。壓電單晶應(yīng)時(shí)()，鈮酸鋰()，2。壓電陶瓷，鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛，特點(diǎn)是壓電常數(shù)大，靈敏度高，價(jià)格低。3.新的壓電材料，金屬膜是通過氣相沉積在壓電晶片的兩個(gè)工作表面上形成的，從而形成一個(gè)電容器。它的電容是3。等效電路、電荷等效電路和電壓等效電路。壓電傳感器適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。4.串聯(lián)和并聯(lián)的壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式適用于使用電壓作為輸出的場(chǎng)合。適用于測(cè)量緩慢變化的信號(hào)，并以電荷作為輸出。應(yīng)用，壓電壓力傳感器，壓力變送器，加速度計(jì)，力傳感器，產(chǎn)品：壓電材料傳感器，4.7磁電傳感器，包括磁電感應(yīng)傳感器和霍爾傳感

13、器。1.磁電感應(yīng)傳感器(感應(yīng)傳感器、電傳感器)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)以切斷磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為恒定磁通量型和可變磁通量型，這兩種類型通常用于根據(jù)不同參數(shù)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度?；魻杺鞲衅骰魻栃?yīng)：當(dāng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)霍爾元件，目前，最常用的霍爾元件材料是半導(dǎo)體材料，如鍺、硅、銻化銦和砷化銦。3。申請(qǐng)，4 .特點(diǎn)，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可用于非接觸測(cè)量，但受溫度影響較大。4.8光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光敏設(shè)備。一、光電效應(yīng)。工作原理：基于半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。1.外部光電效應(yīng)金屬中的自由電子吸收光能并從金屬表面逃逸的現(xiàn)象。比如光電池和光電倍增管。2.內(nèi)部光電效