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1、第 1 章 传感与检测技术的理论基础,测量的概念:测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数。,测量结果完整表述包括估计值，测量单位及测量不确定度,关于误差:分为系统误差、随机误差和粗大误差。,对被测量进行等精度的n次测量，得n个测量值x1,x2,xn，它们的算术平均值为,（2）标准偏差(又称均方根误差):刻划总体的分散程度，值愈大，曲线愈平坦，即随机变量的分散性愈大；反之，愈小，曲线愈尖锐（集中），随机变量的分散性愈小。,不同的正态分布曲线,粗大误差,3准则 对于正态分布的随机误差，落在3 以外的概率只有0.
2、27%，它在有限次测量中发生的可能性很小。3准则就是如果一组测量数据中某个测量值的残余误差的绝对值|vi|3时，则该测量值为可疑值（坏值），应剔除。,例题：P27,思考 其测量结果应该是多少（包括真值的最佳估计值，测量单位及不确定度）,第2章 传 感 器 概 述,传感器的静态特性 传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移等。,y=a0+a1x+a2x2+anxn,灵敏度 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量增量x之比。用S表示灵敏度，即,灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏。,线性度 传感器的线性度是指传感器
3、的输出与输入之间数量关系的线性程度。,迟滞 传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差，用H表示，即,（2-4）,4.重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度,重复性,传感器的动态特性,一阶传感器单位阶跃响应,时间常数越小，频率响应特性越好,一阶传感器的频率响应,(2-17),幅频特性:,相频特性：,一阶系统,二阶
4、传感器单位阶跃响应,传感器的频率响应特性好坏主要取决于传感器的固有频率n和阻尼比。当取0.60.7，n时，A（）1，（）很小，此时，传感器的输出y(t)再现了输入x(t)的波形，通常固有频率n至少应为被测信号频率的（35）倍，即n（35）。为了减小动态误差和扩大频率响应范围，一般是提高传感器固有频率n 在固有频率n附近会引起共振,故要避免.,电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。,当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对
5、变化量为,（3-2）,式中：dl/l长度相对变化量，用应变表示为,（3-3）,对于金属应变片,对于半导体应变片,材料的压阻系数;E材料的弹性模量;,为电阻丝材料的泊松比,2.电阻应变片的温度补偿方法-线路补偿法 电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为：,Uo=A(R1R4-RBR3),应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件：在应变片工作过程中，保证R3=R4。R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。,R1R4=R2R3,或
6、,电桥平衡条件，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。,直流电桥平衡条件,差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，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R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则,此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。,第4章 电感式传感器,变气隙厚度的传感器和变气隙面积S0的传感器.目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器（测量范围为几个毫米）,变磁阻式传感器
7、,灵敏度为,变间隙式电感传感器的测量范围 与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器(灵敏度提高一倍)。,差动变压器式传感器,4.3 电涡流式传感器,4.3.1 工作原理,图4-22 电涡流式传感器原理图（a）传感器激励线圈;（b）被测金属导体,2.高频反射式涡流厚度传感器,图4-31 高频反射式涡流测厚仪测试系统图,厚度不变时为常数,5.1 电容式传感器的工作原理和结构,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。
8、,一般变极板间距离电容式传感器极板间距离在5200m 的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。,第6章 压电式传感器,某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）,6.1.3 压电式传感器 压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当
9、有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。,压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。,压电传感器也可以等效为一个电荷源。,压电元件的等效电路（a）电压源;（b）电荷源,因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。,图（a）是两个压电片的负端粘结在一起，中间插入的金属电极成为压电片的负极，正电极在两边的电极上。从电路上看，这是并联
10、接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。图（b）是两压电片不同极性端粘结在一起，从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。,第7章 磁电式传感器,磁电感应式传感器:有源传感器霍尔式传感器,磁电感应式传感器,变磁通式 恒磁通式,霍尔式传感器,霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。,霍尔常数要求霍尔片材料有较大的电阻率
11、和载流子迁移率。一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低半导体材料才适于制造霍尔片。,RH=,应用:霍尔式微位移传感器霍尔式转速传感器霍尔计数装置,第8章 光电式传感器,光电器件 是将光信号的变化转换为电信号的一种传感器件.工作原理：光电效应（外光电效应，内光电效应）在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应.包括光电导效应和光生伏特效应(光敏电阻,光电池),光敏电阻 1.光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又
12、称光导管，无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。,光敏二极管工作原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似,光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，当光照射在PN结上，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。,光电耦合器件 光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。根据其结构和用途不同，它又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检
13、测有无物体的光电开关。,光 纤 传 感 器:全反射原理,光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。,超声波的波型及其传播速度 声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有：纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减
14、的波，表面波只在固体的表面传播。,声波在介质中传播时，能量衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关,在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L,。如设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为t2，流体静止时的超声波传播速度为c，流体流动速度为v，则,第13章 数字式传感器,13.1 光栅传感器13.2 编码器13.3 感应同步器,光栅测量原理 把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫
15、尔条纹。在d-d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在f-f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。,莫尔条纹具有以下三个方面的特点:(1)位移的放大作用,（2）莫尔条纹移动方向 根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅的运动进行辨向。(如何辩向?),(3)误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。,光栅传感器的组成 光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利
16、用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。,光栅辨向,光电式编码器 光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。,码盘构造,光电式编码器示意图,6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应于010111。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为=360/2n，一个6位二进制码盘，其最小分辨的角度5.6,膨胀式温度传感器热电偶传感器热电阻传感器(铂热电阻,铜热电阻),
