北京交通大學(xué)傳感器技術(shù)應(yīng)用課件

第一章現(xiàn)代信息技術(shù)：傳感器—采集—感官通信—傳輸—神經(jīng)計算機—處理—大腦傳感器市場上增長最快的是汽車市場車用傳感器分3類：動力系統(tǒng)傳感器（市場所占比例最大）、安全管理系統(tǒng)傳感器（防撞系統(tǒng)和壓力傳感器實現(xiàn)側(cè)氣囊控制）、車身舒適系統(tǒng)傳感器國產(chǎn)傳感器缺點：準(zhǔn)確度低、分解能力差、信號精度不高、抗干擾性弱傳感器定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號的器件或裝置。敏感元件：直接感受被測量。轉(zhuǎn)換元件：把敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為電路參量。1.工作機理物理型采用物理效應(yīng)進行轉(zhuǎn)換化學(xué)型采用化學(xué)效應(yīng)進行轉(zhuǎn)換生物型采用生物效應(yīng)進行轉(zhuǎn)換2.構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型物性型傳感器中元件相對位置變化引起場的變化以物質(zhì)某種客觀性質(zhì)、物理特性變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換3.能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型傳感器輸出量直接由被測量能量轉(zhuǎn)換而來能量控制型傳感器輸出量能量由外部能源提供，但受輸入量控制基本轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成電量輸出。常見的溫度傳感器：熱敏電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器、溫差電偶。壓力傳感器、濕度傳感器（主要包括電阻式和電容式兩種類別）、光電傳感器(光敏二極管和光敏三極管)、霍爾（磁性）傳感器、微機電傳感器傳感器發(fā)展趨勢1.提高與改善傳感器的技術(shù)性能：采用線性化技術(shù)、差動技術(shù)、平均技術(shù)、補償與修正技術(shù)、零位法、微差法和閉環(huán)技術(shù)、屏蔽、隔離與干擾抑制、穩(wěn)定性處理穩(wěn)定化處理、集成化和智能化2.擴展檢測范圍3.傳感器的集成化、功能化4.尋找新原理、新材料、新工藝及新功能5.傳感器網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點除配備了一個或多個傳感器之外，還裝備了一個無線電收發(fā)器、一個很小的微控制器和一個能源（電池）。第二章傳感器的特性：輸出信號與輸入信號的關(guān)系傳感器分量靜態(tài)量表現(xiàn)為靜態(tài)特性，測量動態(tài)量表現(xiàn)為動態(tài)特性。傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型用n次多項式來表示，直線擬合的方法：理論擬合、過零旋轉(zhuǎn)擬合、端點連線擬合、端點平移擬合、最小二乘擬合傳感器的主要性能指標(biāo)：1.線性度（輸出量與輸入量之間的實際測量曲線偏離直線的程度，又稱為非線性誤差）2.停滯（正反行程中輸入輸出曲線不重合的程度）3.靈敏度4.重復(fù)性（同一方向，連續(xù)多次變動時特性曲線不一致的程度）5、分辨力6、穩(wěn)定性（零點漂移）7、溫度穩(wěn)定性（溫度漂移）靜態(tài)特性的主要性能指標(biāo)：靈敏度、線性度、重復(fù)性、遲滯、分辨力、精確度、量程、穩(wěn)定性最常用的是采用階躍輸入信號和正弦信號來研究傳感器的響應(yīng)特性第三章電阻式傳感器金屬電阻應(yīng)變片的工作原理：電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬應(yīng)變片的優(yōu)點：靈敏度高、精確度高；尺寸小、重量輕、簡單；測量范圍大；適應(yīng)性強；便于多點測量；頻率響應(yīng)特性好。類型：金屬絲式（電阻系數(shù)高，電阻溫度系數(shù)小，強度高，延展性好，對銅的熱電勢盡可能小，耐磨耐腐蝕，焊接性好）箔式（絕緣性能好，參數(shù)分散性小，精度高，在應(yīng)變測量中應(yīng)用最廣泛）薄膜式（優(yōu)點：溫度系數(shù)小，可在高溫環(huán)境下工作。缺點：耐磨性差、功率小、阻值不高）應(yīng)變式傳感器的組成彈性元件設(shè)計主要要求：靈敏度高，剛度夠足，線性好，固有振動頻率高電阻應(yīng)變式力傳感器測量范圍廣精度高線性好工作性能穩(wěn)定、可靠應(yīng)變式傳感器傳感器精度高，穩(wěn)定性好，可拉壓兩用柱式力傳感器減小橫向力和彎矩的影響，并溫度補償且提高靈敏度。壓阻式傳感器第四章

電感式傳感器：利用線圈的自感與互感的變化來實現(xiàn)非電量電測的一種裝置。分為自感式與互感式兩大類。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠、零點穩(wěn)定、精度高、輸出功率大。

自感式傳感器：變氣隙型電感傳感器（只能用于微小位移測量）、截面型電感傳感器、螺管型電感傳感器（量程大且結(jié)構(gòu)簡單易于制作和批量生產(chǎn)，使用最廣泛）

轉(zhuǎn)換電路：調(diào)幅電路、調(diào)頻電路、調(diào)相電路

諧振式調(diào)幅電路特點：靈敏度很高，但線性差

零點殘余電壓：銜鐵處于中間位置時，存在的最小輸出電壓，用e0表示。零殘電壓過大帶來的影響：靈敏度下降、非線性誤差增大、測量有用的信號被淹沒，不再反映被測量變化造成放大電路后級飽和，儀器不能正常工作。零點參與電壓產(chǎn)生的原因：1.由于兩個二次線圈不完全相同，導(dǎo)致兩個二次線圈相位不同。2.一次線圈中存在銅損、鐵損、電容等，損耗使電流與磁通不同相，這些相位不同產(chǎn)生參與電壓。零點參與電壓的消除方法：保證線圈和磁路對稱、采用相敏檢波電路、選用補償電路電渦流。電渦流效應(yīng)：由法拉第電磁感應(yīng)原理可知：一個塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制作的傳感器稱電渦流傳感器。變壓器和交流電動機的鐵心是用薄層絕緣漆或絕緣的氧化物的薄硅鋼片疊壓而成，目的是減小渦流，避免發(fā)熱。當(dāng)高頻（100kHz左右）信號源產(chǎn)生的高頻電壓施加到一個靠近金屬導(dǎo)體附近的電感線圈L時，將產(chǎn)生高頻磁場H1。如被測導(dǎo)體置于該交變磁場范圍之內(nèi)時，被測導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流i2。i2在金屬導(dǎo)體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導(dǎo)體的表面，這稱為集膚效應(yīng)（也稱趨膚效應(yīng)）。

集膚效應(yīng)與激勵源頻率f、工件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等有關(guān)。頻率f越高，電渦流的滲透的深度就越淺，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。

被測體材料、形狀、大小對靈敏度的影響1、被測體為圓盤狀物體的平面時，物體的直徑大

于線圈直徑的2倍以上，否則將使靈敏度降低；被測體為軸狀圓柱體的圓弧表面時

它的直徑應(yīng)大于線圈直徑的4倍以上。2、被測物體厚度為0.2mm。3、測量時，盡量避開其它導(dǎo)體，以免干擾磁場，引起線圈的附加損失。電渦流探頭與被測金屬之間的互感量變化

可以轉(zhuǎn)換為探頭線圈的等效阻抗以及品質(zhì)因數(shù)Q等參數(shù)的變化，因此測量轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為頻率、電壓、電流。相應(yīng)地有調(diào)頻法、調(diào)幅法和電橋法。

調(diào)頻式電路原理：將探頭線圈的電感量L與微調(diào)電容C0構(gòu)成LC振蕩器，以振蕩的頻率作為輸出量，此頻率可以通過f/v轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓，由表頭顯示，也可以將頻率信號（TTL）

送到計算機的計數(shù)定時器，測量出頻率。

電感式傳感器的主要優(yōu)點是：(1)結(jié)構(gòu)簡單，可靠；(2)靈敏度高，最高分辨力達0.1μm；

(3)測量精確度高，輸出線性度可達±0.1%；(4)輸出功率較大，在某些情況下可不經(jīng)放大，直接接二次儀表。其缺點是：(1)傳感器本身的頻率響應(yīng)不高，不適于快速動態(tài)測量；（2)對激磁電源的頻率和幅度的穩(wěn)定度要求較高;(3)傳感器分辨力與測量范圍有關(guān)，測量范圍大，

分辨力低，反之則高。

第五章電容式傳感器：以電容器為敏感元件，將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。分為變間隙型，變面積型，變介質(zhì)型。電容式位移傳感器的位移測量范圍位移測量范圍在1um——10mm之間，變極距式電容傳感器的測量精度約為2%。變面積式電容傳感器的測量精度較高，其分辨率可達0.3um。優(yōu)點：溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好，可以非接觸測量，具有平均效應(yīng)缺點：輸出阻抗高，負(fù)載能力差；寄生電容影響大。應(yīng)用：電容式壓力傳感器、利用電容差壓變送器測量液體的液位、指紋識別、傳聲器、濕敏電容應(yīng)用中存在的問題：等效電路、邊緣效應(yīng)（為消除邊緣效應(yīng)，可采用帶有保護環(huán)的結(jié)構(gòu)）、靜電引力、寄生電容（消除該影響，有驅(qū)動電纜法、整體屏蔽法、采用組合式與集成技術(shù)）、溫度影響（溫度對結(jié)構(gòu)尺寸、介質(zhì)的影響）。電容式傳感器將被測非電量變換為電容變化后，必須采用測量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號：變壓器電橋、脈沖調(diào)寬電路、運算放大器電路第六章傳感器信息融合（數(shù)據(jù)融合）：將經(jīng)過集成處理的多傳感器信息進行合成，形成一種對外部環(huán)境或?qū)Ρ粶y對象某一特征的表達方式。經(jīng)過融合后的傳感器信息具有以下特征：信息冗余性、信息互補性、信息實時性、信息獲取的低成本性。優(yōu)點：增加了系統(tǒng)的生存能力、擴展了空間覆蓋范圍、擴展了時間覆蓋范圍、提高了可信度、降低了信息的模糊度、改善了探測性能、提高了空間分辨率、增加了測量空間的維數(shù)多傳感器數(shù)據(jù)融合功能定義：將來自多個信息源的數(shù)據(jù)進行相關(guān)整合，以獲得目標(biāo)精確位置、身份，最后對目標(biāo)進行完整的評價。該定義的重點：多個傳感器對同一目標(biāo)進行測量、重點是融合：相關(guān)、整合，目標(biāo)：狀態(tài)、身份、威脅評估。技術(shù)定義：充分利用不同時間與空間的多傳感器數(shù)據(jù)資源，采用計算機技術(shù)按時間序列獲得多傳感器的觀測數(shù)據(jù)，在一定的準(zhǔn)則下進行分析、綜合、支配和使用。獲得被測對象的一致性解釋和描述，進而實現(xiàn)相應(yīng)的決策和估計，使系統(tǒng)獲得比它各組成部分更充分的信息?；驹恚撼浞掷枚鄠€傳感器資源，通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多個傳感器在空間或時間上的冗余或互補信息依據(jù)某種準(zhǔn)備來進行組合，以獲得比它的各組成部分的子集所構(gòu)成的系統(tǒng)更優(yōu)越的性能。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以對不同類型的數(shù)據(jù)和信息在不同層次上進行綜合，它處理的不僅僅是數(shù)據(jù)，還可以是證據(jù)和屬性等。多傳感器數(shù)據(jù)融合并不是簡單的信號處理。信號處理可以歸屬于多傳感器數(shù)據(jù)融合的第一階段，即信號預(yù)處理階段。數(shù)據(jù)融合處理的一般過程

數(shù)據(jù)融合常用算法：嵌入約束