傳感器與檢測技術教案

1、重慶工學院備課紙教學重點、難點：傳感器的定義、組成、教學方法、手段:分類；傳感器的作用和地位；傳感器技術的發(fā)展動向；檢測技術的定義、作用教學基本內容：第 0 0 章傳感器與檢測技術概念0.10.1 傳感器的組成與分類1 1 .傳感器的定義傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。敏感元件是指傳感器中直接感受被測量的部分。轉換元件是指傳感器能將敏感元件輸出轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。常見的信號調節(jié)與轉換電路有：放大器、電橋、振蕩器、電荷放大器等。例如：我們要測量一個直線運動的汽車的加速度（規(guī)定的被測量）?？梢栽O計個簡單的實驗裝置（

2、如教材圖示）2 2 .傳感器的分類?按輸入量分類：位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等應變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式等結構型傳感器、特性型傳感器能量轉換型傳感器、能量控制傳感器模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器 0.20.2 傳感器的作用與地位傳感器處于研究對象與測試系統(tǒng)的接口位置，即檢測與控制系統(tǒng)之首。因此，傳感器成為感知、獲取與檢測信息的窗口，一切科學研究與自動化生產過程要獲取的信息，都要通過傳感器獲取并通過它轉換為容易傳輸與處理的電信號。所以，8080 年代以來，世界各國都將傳感器技術列為重點發(fā)展的高技術，倍受重視。0.30.3 傳感器的發(fā)展動向當前傳感器技術的主要發(fā)展動向：

3、開展基礎研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝，實現(xiàn)傳感器的集成化與智能化。? ?發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象開發(fā)新材料采用微細加工技術研究多功能集成傳感器備注:? ?按工作原理分類? ?按物理現(xiàn)象分類? ?按能量關系分類? ?按輸出信號分類重慶工學院備課紙教學重點、難點:教學基本內容:? ?智能化傳感器? ?新一代航天傳感器研究? ?仿生傳感器研究0.40.4 檢測技術的定義1 1 .檢測技術屬于信息科學的范疇，與計算機技術、自動控制技術和通信技術構成完整的信息技術學科。2 2 . .測量是指確定被測對象屬性量值為目的的全部操作。測試是具有試驗性質的測量，或者可以理解為測量和試驗的綜合。0.50.5 檢

4、測技術的作用1 1 .檢測技術的作用客觀世界的一切物質都以不同形式不斷地運動著。運動著的物質是以一定的能量或狀態(tài)表現(xiàn)出來的，這就是信號。人們?yōu)榱苏J識物質世界，就必須尋找表征物質運動的各種信號以及信號與物質運動的關系。這就是檢測的任務。2 2 .檢測技術所涉及到的領域? ?在工業(yè)生產這個領域內? ?在科學研究領域內? ?在現(xiàn)代人們的日常生活中教學方法、手段:備注:重慶工學院備課紙教學重點、難點：靜態(tài)特性：線性度、靈敏度、靜態(tài)誤差；動態(tài)特性：動態(tài)特性的數(shù)學描述、線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)教學方法、手段：教學基本內容：第1章傳感器的特性傳感器的特性是指傳感器所特有性質的總稱。而傳感器的輸入一輸出特性是具基本

5、特性，一般把傳感器作為二端網絡研究時，輸入一輸出特性是二端網絡的外部特性，即輸入量和輸出量的對應關系。1.1傳感器的靜態(tài)特性1.線性度(1)傳感器的輸入一輸出關系或多或少地都存在非線性問題。 在不考慮遲滯、 蠕變等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多項式代數(shù)方程來表示：ya0a1xa2x2.anxn靜態(tài)特性曲線需要進行線性化處理。(2)常用擬和方法(各種直線擬合方法圖示如教材所示)?理論擬合?過零旋轉擬合?端點擬合2.遲滯(1)傳感器在止(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中輸出與輸入曲線不重合時稱為遲滯。遲滯大小一般由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分數(shù)表示。H1上=L100%2yFs

6、(2)遲滯特性曲線(如教材)3.重復性(1)傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。R-R咄100%yFS(2)重復特性曲線(如教材)4.靈敏度與靈敏度誤差(1)靜態(tài)靈敏度：傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比。SxSS(2)靈敏度誤差：S100%S100%SS備注：YFS100%重慶工學院備課紙教學重點、難點:教學基本內容：5 5 . .分辨率與閾值(1)(1)分辨率：傳感器能檢測到的最小的輸入增量。分辨率可用絕對值表示，也可用與滿量程的百分比表示。(2)(2)閾值在傳感器輸入零點附近的分辨率。6 6 . .穩(wěn)定性(1)(1)穩(wěn)定性：傳感器在長時間工

7、作情況是輸出量發(fā)生的變化。有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。(2)(2)穩(wěn)定性誤差：前后兩次輸出之差?？捎孟鄬φ`差表示，也可用絕對誤差來表示。7 7 . .溫度穩(wěn)定性(1)(1)溫度穩(wěn)定性：又稱為溫度漂移。它是指傳感器在外界溫度變化情況下輸出量發(fā)生的變化。(2)(2)溫度穩(wěn)定性誤差：測試時先將傳感器置于一定溫度(例如 2020C)C)下，將其輸出調至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數(shù)(例如 5c5c 或 10C)10C), ,再讀出輸出值,前后兩次輸出之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。溫度穩(wěn)定性誤差用每若干 C C 的絕對誤差或相對誤差表示，每 C C 的誤差又稱溫度誤差系數(shù)。8 8 . .

8、多種抗干擾能力傳感器對各種外界干擾的抵抗能力。例如抗沖擊和振動能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等，評價這些能力比較復雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。9 9 . .靜態(tài)誤差(1)(1)靜態(tài)誤差：傳感器在其全量程內任一點的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。(2)(2)靜態(tài)誤差的求取方法：把全部校準數(shù)據與擬合直線上對應值的殘差，看成隨機分布，求出其標準偏差(T(T, ,即:(Yi)2i1取 2b2b 或 3b3b 值即為傳感器靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差也可用相對誤差表示，即:教學方法、手段:備注:重慶工學院備課紙教學重點、難點:教學基本內容：靜態(tài)誤差是一項綜合性指標，基本上包含了前面敘

9、述的非線性誤差、遲滯誤差、重復性誤差、靈敏度誤差等。所以也可以把這幾個單項誤差綜合而得，即：1.21.2 傳感器的動態(tài)特性研究動態(tài)特性可以從時域和頻域兩個方面采用瞬態(tài)響應法和頻率響應法來分析。經常采用的輸入信號為單位階躍輸入和正弦輸入。1 1 . .動態(tài)特性的數(shù)學描述(1)(1)解析法求解線性系統(tǒng)對激勵的響應步驟：I I 建立描述該系統(tǒng)的數(shù)學方程IIII 求滿足初始條件的解(2)(2)將輸出量與輸入量聯(lián)系起來的方程是微分方程， 是基本的數(shù)學方程;集總參數(shù)的線性系統(tǒng)可用有限階的線性常系數(shù)微分方程來描述：2 2 . .線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是在線性常系數(shù)系統(tǒng)中，當初始條件為零時，系統(tǒng)輸出

10、量的拉氏變換 Y(s)Y(s)與輸入量的拉氏變換 X(s)X(s)之比，用 G(s)G(s)表示為：3 3 . .傳感器的動態(tài)特性指標動態(tài)響應特性一般并不能直接給出其微分方程,與階躍響應曲線和幅頻特性曲線上的某些特征值來表示儀器的動態(tài)響應特性。? ?與階躍響應有關的指標? ?與頻率響應特性有關的指標圖 1-51-5 兩條典型的階躍響應曲線、圖 1-61-6 對數(shù)幅頻特性曲線(見教材)4 4 . .動態(tài)響應分析的基本方法(1)(1)瞬態(tài)響應的分析方法用拉氏變換分析線性系統(tǒng)響應四個步驟：? ?建立網絡的彳遞函數(shù) G(s)G(s); ;? ?求輸入量(激勵)的拉氏變換，即輸入的象函數(shù)。? ?由變換函

11、數(shù)和輸入的拉氏變換可求輸出響應的拉氏變換,教學方法、手段:備注:aSndtnbmd dmXdtmn1adyan1n1dtdm1_xbm1m1dtadya。dt,dx.bjb0dtG(s)Y(s)bX(s)ansm1bm1sn1an1s.b1sb0asao而是通過實驗給出傳感器即輸出象函重慶工學院備課紙教學重點、難點:教學基本內容:對響應的象函數(shù)求原函數(shù)，即進行拉氏反變換，可得出輸出的時間函（2 2）正弦激勵下的穩(wěn)態(tài)頻率響應當測量系統(tǒng)的輸入為正弦信號時，無論它是電量還是非電量。從數(shù)學角度看都是一樣。當輸入量加入后，由于暫態(tài)響應的存在，開始時輸出并不是純正弦波，當暫態(tài)響應逐漸衰減直至消失后（理論上

12、需要無限長時間）輸出只存在穩(wěn)態(tài)正弦量，它與輸入信號的頻率相同，但幅值和相移都是頻率的函數(shù)，這就是網絡反映出來的頻率響應特性。圖 1-71-7 頻率響應特性曲線、圖 1-81-8 輸入輸出關系曲線圖（見教材）5 5 . .典型環(huán)節(jié)的動態(tài)響應特性（1 1）一階（慣性）系統(tǒng)的動態(tài)響應? ?一階系統(tǒng)的零輸入響應? ?一階系統(tǒng)的沖激響應（權函數(shù)）? ?一階系統(tǒng)的階躍響應? ?一階系統(tǒng)的頻率響應特性（2 2）二階（振蕩）系統(tǒng)的動態(tài)響應? ?二階系統(tǒng)的零輸入響應? ?二階系統(tǒng)的沖激響應（權函數(shù)）? ?二階系統(tǒng)的階躍響應? ?二階系統(tǒng)的頻率響應教學方法、手段:備注:重慶工學院備課紙教學重點、難點：電阻應變片的

13、工作原理、應變電阻傳感器的測量電路、直流電橋平衡條件、直流電橋電壓靈敏度教學基本內容：第 2 2 章電阻式傳感器電阻式傳感器的種類繁多，應用廣泛，其基本原理是將被測物理量的變化轉換成電阻值的變化，再經相應的測量電路而最后顯示被測量值的變化。電阻式傳感器與相應的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等測試系統(tǒng)。目前已成為生產過程檢測以及實現(xiàn)生產自動化不可缺少的手段之一。2.12.1電位器式傳感器（不要求）2.22.2應變片式傳感器1 1 . .電阻應變片的工作原理電阻應變片的工作原理是基于電阻應變效應，即在導體產生機械變形時，它的電阻值相應發(fā)生變化。如圖所示，一根金屬電

14、阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：R1A當電阻絲受到拉力 F F 作用時， 將伸長 AL,AL,橫截面積相應減小 AS,AS,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變 ApAp,故引起電阻值相對變化量為：dRdldAdR1Adl-、一（應變）1dAdrdl222Ar1皿dR0小、d（12）R通常把單位應變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)。其物理意義是單位應變所引起的電阻相對變化量，其表達式為K(12)教學方法、手段:備注:重慶工學院備課紙教學重點、難點:教學基本內容：靈敏度系數(shù)受兩個因素影響：一個是受力后材料幾何尺寸的變化，即（1+21+2 科）；另一個是受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（A

15、p/pAp/p）/e/e。對金屬材料電阻絲來說，靈敏度系數(shù)表達式中（1+21+2 科）的值要比（Ap/pAp/p）/e/e）大得多，而半導體材料的（Ap/pAp/p）/ /e e）項的值比（1+21+2）大得多。大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內，電阻的相對變化與應變成正比，即 K K 為常數(shù)。對于半導體材料：半導體應變片的靈敏系數(shù)比金屬絲高 50605060 倍，但半導體材料的溫度系數(shù)大，應變時非線性比較嚴重。使它的應用范圍受到一定的限制。用應變片測量應變或應力時，根據上述特點，在外力彳用下，被測對象產生微小機械變形，應變片隨著發(fā)生相同的變化，同時應變片電阻值也發(fā)生相應變化。當測得應變片電阻值

16、變化量 ARAR 時，便可得到被測對象的應變值。根據應力與應變的關系，得到應力值 b 為：E這就是利用應變片測量應變的基本原理。2 2 . .金屬電阻應變片主要特性（1 1）金屬電阻應變片結構及材料（2 2）電阻應變片主要特性? ?靈敏系數(shù)? ?橫向效應? ?機械滯后，零漂及蠕變? ?溫度效應? ?應變極限、疲勞壽命? ?動態(tài)響應特性3 3 . .溫度誤差及補償在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數(shù) atat 及柵絲與試件膨脹系數(shù)（3g3g 及 3 3s s）之差異性而產生虛假應變輸出有時會產生與真實應變同數(shù)量級的誤差。必須采取補償溫度誤差的措施。通常溫度誤差補償方法有兩類：（1 1）自補

17、償法? ?單絲自補償法? ?組合式自補償法（2 2）線路補償法4 4 . .應變片式電阻傳感器的測量電路（1 1）直流電橋A,A,直流電橋平衡條件：電橋如圖所示，E E 為電源，R1R1、R2R2、R3R3 及 R4R4 為橋臂電阻，RLRL 為負載電阻。教學方法、手段:備注:重慶工學院備課紙教學重點、難點:教學方法、手段:教學基本內容:R1R3UoE(3RiR2R3當電橋平衡時，Uo0。則：RiR4R2R3或且國R2R4這說明欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應相等，或相對兩臂電阻的乘積相等。B.B.電壓靈敏度R Ri為電阻應變片，R R2,R,R3,R,R4為電橋固定電阻，這就構成了單臂電

18、橋。應變片工作時，其電阻值變化很小，電橋相應輸出電壓也很小，一般需要加入放大器放大。當產生應變時，若應變片電阻變化為 AR,AR,其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓 Uowo,Uowo,則電橋不平衡輸出電壓為0 踮U口RiRiR3)ER4R0RR2R3R，-RiR2ViR4.(I-)(1)RiRiR3設橋臂比 n=Rn=R2/R/Ri,則，UoE(in)2Ri電橋電壓靈敏度定義為：SU-U0-E一 J力（in）2從上式分析發(fā)現(xiàn)：電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應變片允許功耗的限制，所以要作適當選擇。電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值 n n 的函數(shù)

19、，恰當?shù)剡x擇橋臂比 n n 的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。當 E E 值確定后，n n 值取何彳 1 1 時使 KUKU 最高？求得 n=in=i 時，SU為最大值。這就是說，在電橋電壓確定后，當 R Ri=R=R2=R=R3=R=R4時，電橋電壓靈敏度最高，此時有：u0-RiSU-4Ri4備注:重慶工學院備課紙ARI/RI=SU =0.0i,=0.0i,代入式（3 3- -3838）計算得非線性誤差為 0.5%;0.5%;若SU=130,=iX10-3=iX10-3 時，AR Ri/R/Ri=0.i30,=0.i30,則得到非線性誤差為 6%,6%,故當非線性誤差不能滿足測量要求時，必

20、須予以消除。D.D.為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋，在試件上安裝兩個工作應變片，一個受拉應變，一個受壓應變，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動電路，該電橋輸出電壓為教學重點、難點:教學方法、手段:教學基本內容：從上述可知，當電源電壓 E E 和電阻相對變化量AR Ri/R/Ri一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關。C.C.非線性誤差及其補償方法上面求出的輸出電壓因略去分母中的 A A 值計算為R Ri/R/Ri項而得出的是理想值,實際非線性誤差為:備注:UoE-(iRin一Ri-RiRdn)RiU。LUUo(inRiRiRi如果是四等臂電橋,R Rl=R=

21、R2=R=R3=R=R4, ,Ri2R飛2Ri對于一般應變片來說，所受應變通常在5Xi0-35Xi0-3 以下, ,若取SU=2,貝 U UUoRiRiE(RiRR2R2R3)R3R4RI=AR R2, ,RI=R2,R R3=R=R4, ,則得UoRi由式 （可知電橋電壓靈敏度,Uo,Uo 與（ARi/RiARi/Ri）呈線性關系，差動電橋無非線性誤差，而且SU=E/2,比單臂工作時提高一倍，同時還具有溫度補償作用。若將電橋四臂接入四片應變片，即兩個受拉應變，兩個受壓應變，將兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，構成全橋差動電路，若 ARi=AR2=AR3=AARi=AR2=AR3=ASUE此時

22、全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度是單片的 4 4 倍,同時仍具有溫度補償作用。(2)(2)交流電橋根據直流電橋分析可知，由于應變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產生零漂，因此應變電橋多采用交流電橋。由交流電路分析可得要滿足電橋平衡條件，即一_Uo0,則有乙Z4Z2Z3對這種交流電容電橋，除要滿足電阻平衡條件外，還必須滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設有電阻平衡調節(jié)外還設有電容平衡調節(jié)。電橋平衡調節(jié)電路見教材。當被測應力變化引起 Z Zi=Z=Zo+AZ,Z+AZ,Z2=Z=Zo-AZ-AZ 變化時，則電橋輸出為:ZoZ11-ZUoU(0)U2Zo22Zo5 5

23、 . .應變式傳感器應用(見教材)教學重點、難點:重慶工學院備課紙教學方法、手段:教學基本內容：R4,R4,且 R1=R2=R3=R4,R1=R2=R3=R4,貝 U U備注:UoERiR1U(ZiZiZ2Z3Z3Z4重慶工學院備課紙教學重點、難點:教學基本內容：第 3 3 章電感式傳感器電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置。可以用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩、應變等多種物理量。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測量轉換成線圈自感或互感的變化時。一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有線圈繞組。3.13.1自感式傳感器1 1 . .自感式傳感器的工作原理電感值與以下幾個參數(shù)有關：與線圈匝數(shù) w w 平方成正比；與空氣隙有效截面積&成正比；與空氣隙長度 l l0所反比。類型：氣隙型和截面積型差分形式，其優(yōu)點。2 2 . .靈敏度及非線性偏差式結構氣隙型的靈敏度推導。推導過程中的關于靈敏度和非線性的矛盾關系，及解決辦法。差動式結構的靈敏度和非線性分析。3