传感器-大学教程.ppt

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1、第一章 掌握：1、测量、测量方法概念 2、测量系统组成，传感器、变送器概念，标准信号。3、测量误差,一、测量 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。它可由下式表示:,或,式中：x被测量值;u标准量,即测量单位;n比值（纯数）,含有测量误差。测量结果:测量所获得的被测量的量值。测量方法:实现 被测量与标准量比较得出比值的方法,二、测量系统测量系统应具有对被测对象的特征进行检测、传输、处理及显示等功能。一个测量系统是由传感器、变送器和其他变换装置组成。,传感器：对被测变量敏感，并且其输出响应为 易于传送的物理量的器件或装置。或：传感器是能感受规定的被测量并按照 一定的规律转换成可

2、用输出信号的器 件或装置。P29变送器：能输出标准信号的传感器。标准信号：目前多用 420mA 010mA标准气压信号：20100KPa,三、测量误差 绝对误差 1）按表示方法分类：相对误差 引用误差测 系统误差 2）按测量误差的性质分类：随机误差量 粗差(疏忽误差)3）按使用条件分类：基本误差误 附加误差 4）按被测量值随时间变化的速度分类:静态误差差 动态误差 5）按与被测变量的关系分：定值误差 累计误差,1 测量误差的表示方法（1）绝对误差绝对误差：仪表输出信号所代表的被测变量指示值与被 测变量的约定真值（真实值）之间的代数差。=x-L（1-11）式中:绝对误差;x 测量值;L 真实值。

3、绝对误差=被校表的读数值 标准表的读数值,（2）相对误差相对误差：绝对误差与约定真值之比。=100%(1-14）式中:相对误差,一般用百分数给出；绝对误差；L真实值。由于被测量的真实值L无法知道,实际测量时用测量值x代替真实值L进行计算,这个相对误差称为标称相对误差,即（1-15）,（3）引用误差引用误差：绝对误差与量程之比，以百分数表示。=（19）式中:引用误差；绝对误差。（4）基本误差基本误差：指仪表在规定的参比工作条件下，既该仪 表在标准（正常）工作条件下的最大误差。（5）附加误差附加误差：是仪表在非规定的参比工作条件下使用时 另外产生的误差。,2 误差的性质（概念要清楚，要会判断）（1

4、）系统误差（规律误差）系统误差：指在同一条件下多次测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或在条 件改变时，按一定规律变化的误差。主要特点：容易消除或修正。产生系统误差的主要原因：仪表本身的缺陷，使用仪表的方法不正确，观测者的习惯或偏向，单因素环境条件的变化等。,（2）随机误差（偶然误差）随机误差：是指绝对值和符号在多次测量中以不 可预计的方式变化，即没有规律的误 差，或按统计规律出现的误差。主要特点：不易发觉、不好分析、难于修正。但 它服从统计规律。产生随机误差的原因：很复杂，它是许多复杂因 素微小变化的共同作用所致。（3）粗大误差（粗差）粗差：明显偏离测量结果的误差,又称疏忽误差。主要特点

5、：无规律可循，且明显与事实不符。产生粗差的原因：观察者的失误或外界的偶然干扰。,第2章 传 感 器 概 述,一、传感器的组成,掌握:1、传感器组成 2、精确度（如何确定、计算）3、测量范围、迟滞误差、灵敏度等概念,二、传感器的静态特性,1测量范围上、下限及量程（1）测量范围：能够按规定的精确度进行传感或变送的被测变量的范围。测量范围的最低值，叫做范围下限，简称下限。测量范围的最高值，叫做范围上限，简称上限。（2）量程:上限值和下限值的代数差。,允许误差：仪表（传感器）在正常情况下允许的 最大误差。允=引用误差=,仪表允越大，精确度越低；允越小，精确度越高。根据仪表的允许误差（或者最大引用差），

6、去掉“”号及“%”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。我国生产的仪表常用的精确度等级有:0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。注意：精确度等级的标志是代表允许误差的大小，它决不意味着实际测量中出现的误差。,例1.某台测温仪表的测温范围为200-700，校验该表时得到的最大绝对误差为+4，试确定该仪表的精度等级。例2.某台测温仪表的测温范围为0-1000。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过7，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求?,3灵敏度灵敏度：仪表的输出达到稳态后，输出信号的 变化量Y与输入变量的变化量X之 比。这个比

7、值用S来表示。即：S=y/x（2-2）它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化。灵敏度越大，表示传感器越灵敏。,4迟滞迟滞:传感器在正行程和反行程变化期间其输入 输出特性曲线不重合的现象。迟滞误差（又称为回差或变差）传感器在全量程范围内最大的迟滞差值 H max与满量程输出值YFS之比。（2-4）式中:H max输入量上升和下降时，同一输入的两 相应输出值间的最大差值。YFS仪表量程,传感器精度的确定。现有1台精度等级为0.5级的测量仪表，测量范围为01000，在正常情况下进行校验，其最大绝对误差为6，求该仪表的：（1）最大引用误差；（2）允许误差；（3）仪表的精度是否合格。如果问：基本

8、误差=？0.5%,第3章 应变式传感器,掌握：1、传感器构成、应用场合、工作原理基于何种效应。2、应变效应、应变效应表达式、压阻效应。3、电阻应变片的直流电桥测量电路。4、应变式压力传感器,电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器组成：弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。应用场合：测量力、力矩、压力、加速度、重量 等。,一、应变效应 导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致它的电阻值发生变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为“应变效应”。R=式中:电阻丝的电阻率;L电阻丝的长度;A电阻丝的截面积。应变式传感器是基于应变效应工作的。,电

9、阻应变效应表达式,式中：t应变片的轴向应变。定义K=(RR)t 为应变片的灵敏系数。,二、半导体应变片（半导体压阻器件）,压阻效应:是指半导体材料,当在某一轴向受外力 作用时,它的电阻率发生变化的现象。金属电阻应变片和半导体应变片的工作机理不同。压阻式压力传感器基于何种效应工作？,三、电阻应变片的测量电路,掌握直流电桥测量电路应变片接入电桥通常有三种情况：(1)单臂工作。即只有一支应变片接入电桥。(2)半桥工作。即有二支应变片接入电桥。(3)全桥工作。即四个桥臂电阻均为应变片电阻。,单臂工作：R1=R2=R3=R4电桥不平衡输出电压为=（3-36）R1R1,分母中R1/R1可忽略,（3-36）

10、实际是非线性的,为了减小和克服非线性误差,常采用差动结构形式。,半桥工作：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,称为半桥差动电路电桥输出电压为 若R1=R2,R1=R2,R3=R4,则得 U o=上式可知:U o与（R1/R1）呈线性关系,差动电桥无非线性误差,KU=E/2,比单臂工作时提高一倍,同时还具有温度补偿作用。,全桥工作：电桥四臂接入四片应变片,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,称为全桥差动电路.若R1=R2=R3=R4,且R1=R2=R3=R4,则,（3-47）,特点:全桥差动电路没有非线性误差,且电压灵敏 度是单片的

11、 4 倍,同时具有温度补偿作用。,（3-48）,第 4 章 电 感 式 传 感 器,常见类型：自感式、互感式、电涡流式。,4.1 变磁阻式传感器（自感式）,自感式传感器：利用线圈自感的改变来实现非 电量与电量的转换。,变气隙型：变气隙厚(长)度、变气隙面积常用类型:变面积型 螺管插铁型,1变隙式电感传感器 P65灵敏度为(4-15）,可见,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,所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确。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。,2差动变隙式传感器 P67,灵敏度K0为,比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,得出

12、结论:差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。差动式的线性度得到明显改善。,（4-22）,（4-23）,3、变磁阻式传感器的应用P69变隙电感式压力传感器工作原理,4.2 差动变压器式传感器,定义:把被测的非电量变化,转换为线圈互感变化 的传感器称为互感式传感器。这种传感器 是根据变压器的基本原理制成的,并且次级 绕组用差动形式连接,故称差动变压器式传 感器，简称差动变压器。类型：变隙式，变面积式和螺线管式零点残余电压：差动变压器在零位移时的输出电 压。产生原因：P74 两次级绕组的电气参数和几何尺 寸不对称，以及磁性材料的非线性等。,4.3电涡流式传感器,电涡流效应：根据法拉第电磁感应原理,块状金属

13、导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。电涡流式传感器:根据电涡流效应制成的传感器。优点：结构简单、体积小,灵敏度高,频率响应范围宽，不受油污等介质的影响。最大特点：能进行非接触式连续测量。用途：可测位移、厚度、表面温度、速度、应力、振 动、转速、硬度等参数，以及用于无损探伤。P85 低频投射式涡流厚度传感器工作原理。,第5章 电容式传感器,电容式传感器:将被测非电量的变化转换为电容 变化的一种传感器。对两个平行金属板组成的平行板电容器，有 类型：变极距型、变面积型和变介电常数型,（5-1）,若极板间距离缩小了

14、d,则电容量增大C,有,电容的相对变化量为：,极板间距离增加d时,电容的相对变化量为：,输出特性C=f(d),为非线性关系,一、变极距型电容传感器,P102 5-2 极板间可采用高介电常数的材料作介质；大都采用差动结构形式。差动形式：电容传感器做成差动式之后,灵敏度高一倍,而且非线性误差降低。,二、变介质型电容式传感器,式中：l圆棒与圆筒互相遮盖的长度；R圆筒的内半径；r圆棒的外半径；k常数，对于同心圆柱电极k=2；0真空介电常数；r介质的相对介电常数。,同心圆筒状电容公式：,（5-10）,式中：空气介电常数；C0初始电容值,C0=,1被测介质的介电常数；h液面高度。,用电容式液位传感器测量导

15、电液体的液位时，液位变化相当与两电极间的面积在改变。用电容式液位传感器测量非导电液体的液位时，液位变化相当与两电极间的介电常数在改变。电容式压力传感器工作原理（P100）,第6章 压电式传感器,特点：体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、工作频 带宽。适用于动态力学量的测量，不适用于测频 率太低的被测量，不能测静态量。6.2 压电式传感器测量电路一、压电式传感器的等效电路 可以等效为一个与电容相串联的电压源，也可以等效为一个与电容并联的电荷源。二、压电式传感器的测量电路前置放大器作用:一是把它的高输出阻抗变换为低输 阻抗;二是放大传感器输出的微弱信号。前置放大器形式:电压放大器和电荷放大器。,6

16、.1 压电效应及压电材料,一、压电效应,将机械能转换为电能的现象称为压电效应。或者为“正压电效应”。电能转变为机械能的现象称为“逆压电效应”又称“电致伸缩效应”。,二、压电材料,具有压电效应的材料称为压电材料,常见的压电材料有压电晶体和压电陶瓷两类。,居里点:压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。,第7章 磁电式传感器,磁电式传感器:通过磁电作用将被测量转换成 电信号的一种传感器。主要类型:磁电感应式传感 霍尔式传感器。7.2 霍尔式传感器霍尔传感器:基于霍尔效应的一种传感器。用途:用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量,一、霍尔效应及霍尔元件 1.霍尔效应半导体薄片置于磁场中，当在

17、其两端通以电流时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。相应的电动势被称为霍尔电动势半导体薄片被称为霍尔片或霍尔元件霍尔电势可用下式表示:UH=RH（7-16）式中：K H 霍尔片的灵敏度，K H=R H/d；R H 霍尔常数(霍尔系数)；I控制电流；B 磁感应强度；d霍尔元件厚度。,结论：霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片的厚度d成反比，为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。而半导体材料（尤其是N型半导体材料）的电阻率大，载流子迁移率高，因而可以获得很大的霍尔系数，适合制造霍尔

18、元件。目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟、砷化稼等。,光电传感器：以光电器件作转换元件的传感器。8.1 光电器件 光电器件：是将光能转换为电能的一种传感器件,它是 构成光电式传感器最主要的部件。光电器件工作的物理基础：光电效应。光电效应：外光电效应，内光电效应（光生伏特效应光电导效应）内光电效应：在光线作用下,物体的电导性能发生变化或产生光生电动势的效应。外光电效应：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。向外发射的电子叫光电子,第8章 光电式传感器,光敏电阻的主要参数暗电阻：光敏电阻在不受光时的阻值。此时流过的电流为暗电流亮电阻：光敏电阻在受光照时的电阻。此时流

19、过的电流为亮电流光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。,一、光敏电阻（光导管）,暗电阻越大越好,亮电阻越小越好。光敏电阻的基本特性（1）伏安特性：在一定照度下,流过光敏元件的电流I与光敏元件两端的电压U的关系。（2）光照特性：当光敏元件加上一定电压时，光电流I与光敏元件上光照度E之间的对应关系称为光照特性。（3）光谱特性（4）频率特性（5）温度特性 P132，P138，P139作业:152电荷耦合器件：电荷耦合器件是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件。它以电荷作为信号,具有光电信号转换、存储、转移并读出信号电荷的功能。,8.2 光 纤 传 感 器,光纤传光原理：光纤的传输是基于光的全内

20、反射光纤传感器 功能型传感器(传感型传感器)分类 非功能型传感器(传光型传感器)功能型传感器、非功能型传感器概念,第9 章 半导体传感器,9.1 气 敏 传 感 器半导体气敏传感器：利用半导体气敏元件与气体接触，造成半导体电导率等物理性质变化来检测气体的。,气 敏器件结构：直热式、旁热式P168 9-2,电阻型,分类,表面控制型,非电阻型,体控制型,电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度。,9.2湿敏传感器半导体陶瓷湿敏电阻（1）负特性湿敏半导瓷的导电机理,电阻湿度关系：湿度电阻；,（2）正特性湿敏半导瓷的导电机理,电阻湿度关系为：湿度电阻 9.4 应用

21、 实用酒精测试仪,第10章 超声波传感器,当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换现象。声波、超声波等的频率 P169,压电式（常用）超声波探头分类 磁致伸缩式 电磁式等超声波的衰减：声波在介质中传播时,随着传播距离的 增加,能量逐渐衰减。P172超声波在液体中衰减比较小,在空气中的衰减比较厉害。,第11章 微波传感器,微波传感器：利用微波特性来检测一些物理的器件或装置。微波传感器特点:P178,有极宽的频谱(波长=1.0 mm1.0m)可供选用，可选择不同 的测量频率；可以在高温、高压、有毒、有放射线等的恶劣环境下工作；时间常

22、数小，检测速度快，灵敏度高，便于动态检测与实时处理；测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，便于实现遥测和遥控；可实现非接触测量，微波无显著辐射公害。,微波传感器的应用,接收天线接收到的功率Pr，为,式中:d两天线与被测液面间的垂直距离；Pt、G t发射天线发射的功率和增益；G r接收天线的增益。,式中:K1取决于波长、发射功率、天线增益的常数；K2取决于天线安装方法和安装距离的常数。,液面高度：,一、微波液位计,被测物位低于设定物位时，接收天线接收的功率为 P0=(4S)2Pt G t G r 被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率为 Pr=P0 式中:由被测物形状、材料性质

23、、电磁性能等因素决定的系数。,二、微波开关式物位计,12.1红外传感器,红外传感器组成:光学系统、探测器、信号调理 电路、显示单元,红外探测器分类：P184,第15章 传感器在工程监测中的应用 15.1 温度测量一、热电偶测温原理热电偶：由两种不同材质两根导体A和B互相焊接而成 热电效应：两种不同材质两根导体（或半导体）组成一 个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，在此闭合回路中就产生了电势（称为热电 势）。这种现象就称为热电现象（热电效 应）。,感受到被测温度的一端称为热电偶的工作端或热端或测量端，另一端称为自由端或冷端或参考端。导体A、B称为热电极。,二、热电偶基本定律1均质导体定律,由

24、两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状、及沿电极各点处的温度分布无关。,2中间导体定律 在热电偶测温回路内,接入第三种导体,只要其两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。,（15-12）,3中间温度定律：在热电偶测温回路中，t c为热电极上的某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、t c和t c、t0时的热电势e A B(t,t c)和e A B(t c,t0)的代数和。,结论：a如果热电偶两电极材料相同，则无论热电偶两端温度如何，回路内总热电势e A B(t，t0)为零。因此

25、，必须要两种不同材料构成热电偶。b如果热电偶两端温度相同，则尽管两电极的材料不同，热电偶回路内总热电势e A B(t,t0)为零。,三、热电偶类型,常用的标准化热电偶:铂铑30-铂铑6,铂铑10-铂,镍铬-镍硅 镍铬-铜镍（镍铬-康铜）,分度表：热电偶热电势与温度的关系对照表。,四、热电偶的补偿导线及参考端温度补偿方法,e A B(t,0)=e A B(t,t0)+e A B(t0,0)（15-13）,1热电偶补偿导线,补偿导线作用：延伸热电极（延伸热电偶冷端）,1.用与A、B同样材质的包有绝缘层的导线，把冷端引到远处，这种导线叫做“延伸型补偿导线”。2.用价格便宜的专用导线A、B接在A和B上

26、，把冷端延伸出来，这种专用导线A、B叫做“补偿型补偿导线”。补偿导线也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内(0100)与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。e A B（t1,t0）=e A B(t1,t0)注意：a）热电偶和补偿导线连接处的温度不应超出100，否则会由于热电偶特性不同而带来新的误差。b）补偿导线的新冷端必须是温度较恒定的地方（如室温）。c）补偿导线与热电偶型号严格配套，并注意 正、负极不要接错。,2冷端温度的补偿冷端温度补偿的方法：冰点槽法（0恒温法）、冷端温度修正法、补偿电桥法、补正系数法、校正仪表零点法、软件处理法。冷端温度修正方法（重要）e(

27、t,0)=e（t,t0)+e（t0,0)（15-14）,热电阻传感器 金属导体金属热电阻电阻材料 半导体热敏电阻,一、常用热电阻1铂热电阻:测温范围-200850,R0=10，对应的分度号为Ptl0。R0=100，对应的分度号为Ptl00。,R0 表示0时的电阻值。,特点：优点：精度高，稳定性好，性能可靠，易于提 纯、复制好，有较高的电阻率。测温范 围-200850缺点：电阻温度系数较小，在还原介质中工作时 易被沾污变脆，价格较贵。,2铜热电阻:特点：电阻温度系数大，电阻率低。电阻与温度呈线性关系。R t=R0（1+t）容易加工和提纯，可拉成细丝，价格便宜。易于氧化。,R0=50，分度号为Cu

28、50 R0=100，分度号为Cul00测温范围：-50150,二、测量电路电桥电路,热电阻内部引线方式有二线制、三线制、四线制三种。为何采用三线制？P230，（注意：减小）,集成温度传感器：特点,15.2 压力测量,1.压力的概念及单位：压力:介质（包括气体或液体）垂直地作用在单位面积 上的力。p=（15-22）式中：P 压力;F 作用力;A 作用面积。单位为帕斯卡，简称帕(Pa)1Pa=1N/m2,2、压力传感器的选用,被测压力较稳定:最大压力值应不超过满量程的3/4。被测压力波动较大：最大压力值应不超过满量程的2/3。被测压力最小值：应不低于全量程的1/3。,例：要测量高压蒸汽的压力,已知

29、蒸汽压力为（24）105Pa,生产中允许最大测量误差 为104Pa，且要求就地显示,问：如何选择压力表,选Y-100型单圈弹簧管压力表,其测量范围为06105Pa要求最大测量误差小于104Pa,即要求传感器的相对误差所以应选1.5级表。,P255 15-11 选类型、测量范围、精度常用的压力敏感元件：弹簧管形状：弹簧管压力表：工作原理、校验,15.3 流量测 量流量：是指单位时间内流过管道某一截面的流 体数量,称为瞬时流量（简称流量）用q 表示。,体积流量与流速的关系为：q v=A v,电磁流量传感器、旋涡流量传感器工作原理,q m=q v=A v,差压式、电磁、涡轮、旋涡流量传感器流量关系式

30、,体积流量与质量流量之间的关系是:,15.4 物位测量,液位、料位、和界位总称为物位。,浮子式(恒浮力式)浮筒式(变浮力式),恒浮力式：靠浮子随液面升降的位移反映液位变化。变浮力式：靠液面升降对物体浮力改变反映液位变化。,静压式液位传感器,1.分度号为K的热电偶接线如图所示。已知t0t1之 间采用补偿导线，t1t2之间采用铜导线。t=320，t0=30，t1=20，t2=25。问在t2端测得的热电势应是多少m v？E（30，0）=1.203mv，E（20，0）=0.798mv，E（25，0）=1.005mv，E（290，0）=11.793mv，E（300，0）=12.207mv，E（310，0

31、）=12.623mv，E（320，0）=13.039mv。,思路：冷端温度0,冷端温度修正法,中间温度定律,2.用标准孔板节流装置配电动差压变送器(不带开方器),测量某管道流量,差压变送器最大的差压对应的流量为32 m3/h，输出为420 m A。试求当变送器输出电流为16 m A时，实际流过管道的流量是多少？P255,思路：差压与流量的关系，电流与差压的关系,电流与流量之间的关系,3.现有一只测量范围为01.6MPa,精度为1.5级 的普通弹簧管压力表,校验后,其结果如下表:试问这 只表合格否?它能否用于某空气罐的压力测量(该罐 工作压力为0.81.0 M P a,测量的绝对误差不允许大 于0.05 M P a)？,4.用液位计测量开口容器内的液位，其最低液位和 最高液位到仪表的距离分别为h1=1m和h2=3m，若被测 介质的密度为=980Kg/m3，求：1.变送器的量程为多少？2.是否需要迁移?迁移量为多少?3.如液面的高度 h=2.5m，液位 计的输出为多少？(输出信号为 420mA。),5.应变片连接成全等臂桥，且 R1=R3=R+R，R2=R4=R-R，如图所示。应变片的k=2.0。膜片允许最大应变=800，对应压力为100kPa电桥电压Ui为5V。求最大应变时测量电路输出的电压U0？当输出电压U0=3.2V时，所测压力为多少?A4的作用是什么?,