智能檢測技術(shù)與傳感器PPT完整全套教學(xué)課件

智能檢測技術(shù)與傳感器目錄緒論

測量概論1.1 測量概述1.2 誤差的分析和處理1.3 誤差合成1.4 最小二乘法與線性回歸分析第一章目錄傳感器理論基礎(chǔ)2.1 傳感器的定義和組成2.2 傳感器的分類2.3 傳感器的一般特性2.4 傳感器的標(biāo)定應(yīng)變式傳感器3.1 應(yīng)變式傳感器的工作原理3.2 電阻應(yīng)變片的特性3.3 應(yīng)變片的測量電路3.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第二章第三章目錄電感式傳感器4.1 自感式傳感器4.2 互感式傳感器4.3 電渦流式傳感器電容式傳感器5.1 電容式傳感器的工作原理5.2 電容式傳感器的測量電路5.3 電容式傳感器的誤差分析5.4 電容式傳感器的應(yīng)用第四章第五章目錄壓電式傳感器6.1 壓電式傳感器工作原理6.2 測量電路6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器7.1 霍爾傳感器7.2 磁電感應(yīng)式傳感器第六章第七章目錄熱電式傳感器8.1 熱電偶8.2 熱電阻光電式傳感器和超聲波傳感器9.1 光電器件9.2 光纖傳感器9.3 超聲波傳感器第八章第九章目錄智能檢測技術(shù)10.1 智能檢測系統(tǒng)10.2 智能檢測方法智能集成傳感器11.1 智能傳感器11.2 微型與集成化傳感器11.3 集成壓阻式傳感器11.4 集成霍爾式傳感器11.5 集成數(shù)字式溫度傳感器第十章第十一章目錄生物特征識(shí)別傳感器12.1 人體生物特征的識(shí)別12.2 人體熱釋電傳感器12.3 紅外熱成像識(shí)別12.4 指紋識(shí)別傳感器12.5 虹膜識(shí)別傳感器傳感器與智能系統(tǒng)13.1 傳感器與物聯(lián)網(wǎng)13.2 傳感器與智能載體系統(tǒng)13.3 傳感器與智慧服務(wù) 第十二章第十三章緒

論1.智能檢測技術(shù)與傳感器 “檢測”“測試”都是指檢驗(yàn)與測定，即：使用某種方法測試并確定指定的被測對(duì)象，是探索未知世界的重要手段之一。檢測包括了為確定被測對(duì)象的量值而進(jìn)行的所有操作過程，具有探索、分析和研究的特征，是測量和檢驗(yàn)的綜合。 組成測量和檢驗(yàn)的各個(gè)操作過程構(gòu)成了測試系統(tǒng)，一個(gè)典型的測試系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、顯示記錄儀器等三部分組成，如圖0-1所示。

傳感器將被測信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合系統(tǒng)后續(xù)處理的電信號(hào)。

信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器輸出的信號(hào)做進(jìn)一步的加工和處理，完成信號(hào)間的轉(zhuǎn)換，如放大、調(diào)制解調(diào)、濾波等;對(duì)于有些測試系統(tǒng)，尤其是智能檢測系統(tǒng)，該部分還包括信息處理，其作用是借助微處理器或計(jì)算機(jī)完成信號(hào)的檢測、判斷、智能分析等處理功能。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)并不包括信息處理部分，但隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)有越來越多的測試系統(tǒng)具備了信息處理的能力。

顯示記錄儀器將所測得的信號(hào)變?yōu)橐环N能為人所理解的形式，供人們觀察和分析，或轉(zhuǎn)換成應(yīng)用場合所要求的方式，形成輸出。圖0-1

測試系統(tǒng)組成2.測試的目的和意義 人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)和改造活動(dòng)總是以測試工作為基礎(chǔ)。測試是人類認(rèn)識(shí)自然、掌握自然規(guī)律的實(shí)踐途徑之一，是科學(xué)研究中獲得感性材料、接收自然信息的途徑，是形成、發(fā)展和檢驗(yàn)自然科學(xué)理論的實(shí)踐基礎(chǔ)。

在工程技術(shù)中，許多復(fù)雜的工程問題至今還難以進(jìn)行完善的理論分析和計(jì)算，因此必須依靠實(shí)驗(yàn)研究來解決這些現(xiàn)實(shí)問題。通過測試工作積累原始數(shù)據(jù)，是工程設(shè)計(jì)和研究中非常艱巨但又很重要的一項(xiàng)工作。

信息是關(guān)于事物及其運(yùn)動(dòng)、變化、規(guī)律的知識(shí)，包括消息、情報(bào)、數(shù)據(jù)、知識(shí)等;信號(hào)是帶有信息的某種物理量。信號(hào)是表象，是信息表現(xiàn)的載體，信息則為本質(zhì)。“智能檢測技術(shù)與傳感器”就是一門關(guān)于怎樣獲取信息及利用信息的學(xué)科。信息時(shí)代的三大重要支柱是信息的獲取、信息的互聯(lián)互通以及信息的利用。傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)分別對(duì)應(yīng)信息技術(shù)中的采集、傳輸和處理，構(gòu)成了信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱，可用圖0-2簡要地表達(dá)。圖0-2 信息時(shí)代三大支柱及相互關(guān)系 采集信息時(shí)，獲得原始信息最基本的元件是傳感器，關(guān)鍵技術(shù)是傳感器技術(shù)。因此，傳感器及其相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)(傳感器、與傳感器相關(guān)的電子技術(shù)、智能信息處理)是信息領(lǐng)域的源頭技術(shù)。

傳感器技術(shù)是測量技術(shù)、半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)和材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性和高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)之一，是現(xiàn)代新技術(shù)革命和信息社會(huì)的重要基礎(chǔ)，與人工智能密切相關(guān)。目前，傳感器及其應(yīng)用技術(shù)已成為我國信息經(jīng)濟(jì)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。傳感器應(yīng)用普及率已被國際社會(huì)作為衡量一個(gè)國家智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的重要標(biāo)志。3.檢測的任務(wù)和內(nèi)容 信息在對(duì)象中有時(shí)是外顯的，有時(shí)是內(nèi)蘊(yùn)的，被研究對(duì)象的信息量是非常豐富的。檢測或測試工作就是根據(jù)一定的目的和要求，獲取有限的、觀察者感興趣的某些特定的信息。例如，研究一個(gè)簡單的單自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的微小自由振動(dòng)，當(dāng)我們感興趣的是該系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比時(shí)，可以通過施加一定的激勵(lì)并觀察質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方式來研究，并不用去研究彈簧的微觀表現(xiàn);而當(dāng)我們要研究的問題是彈簧疲勞時(shí)，有關(guān)彈簧材料性質(zhì)和缺陷(如微裂紋)的信息就非常重要了。檢測工作總是要用最簡捷的方法獲得和研究任務(wù)相聯(lián)系的、最有用的、表征其目標(biāo)特性的有關(guān)信息，而不是企圖獲得該事物的全部信息。

信號(hào)是信息的載體，信息總是通過某些物理量的形式表現(xiàn)出來，這些物理量就是信號(hào)。例如，上述振動(dòng)系統(tǒng)可以通過質(zhì)量塊的位移時(shí)間關(guān)系來描述，質(zhì)量塊位移的時(shí)間歷程(信號(hào))就包含了該系統(tǒng)固有頻率和阻尼比的信息。從信息的獲取、變換、加工、傳輸、顯示和記錄等方面來看，以電量形式表示的電信號(hào)最為方便。所以本書中所指的信號(hào)，如無特別說明，一般是指隨時(shí)間變化的電信號(hào)。

信號(hào)中雖然攜帶著信息，但是信號(hào)中既含有我們所需的信息，也常常含有大量我們不感興趣的其他信息，后者統(tǒng)稱為干擾。相應(yīng)地，信號(hào)也有“有用”信號(hào)和“干擾”信號(hào)的提法，但這是相對(duì)的。在某種場合中我們認(rèn)為的干擾信號(hào)，在另一種場合中卻可能是有用的信號(hào)。例如，齒輪噪聲對(duì)工作環(huán)境是一種“污染”，但是齒輪噪聲是齒輪副傳動(dòng)缺陷的一種表現(xiàn)，因此可以用來評(píng)價(jià)齒輪副的運(yùn)行狀況并用作故障診斷。測試工作的一個(gè)任務(wù)就是要從復(fù)雜的信號(hào)中提取有用的信息。

如前所述，測試系統(tǒng)包含了傳感器、信號(hào)調(diào)理和信息處理、顯示記錄等三個(gè)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)保證了由獲取信號(hào)到提供觀測的最必要的信號(hào)流程功能，其目的是將觀察者感興趣的信息以明確的方式表示出來。“智能檢測技術(shù)與傳感器”就是一門研究測試系統(tǒng)中最基本的傳感、信號(hào)變換、智能處理方法及其在智能系統(tǒng)中應(yīng)用的課程。

傳感器作為測試系統(tǒng)的第一環(huán)節(jié)，將被測系統(tǒng)或過程中需要觀測的信息轉(zhuǎn)化為人們所熟悉的各種信號(hào)，這是測試過程必須實(shí)現(xiàn)的首要任務(wù)。通常，傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換成以電量為主要形式的電信號(hào)。例如，將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為電阻、電容或電感等電參數(shù)的變化;將振動(dòng)或聲音轉(zhuǎn)換成電壓或電荷的變化。信號(hào)調(diào)理和信息處理部分的任務(wù)是對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行加工，包括信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大濾波和處理等。例如，將傳感器得到的電阻抗、電容值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏餍盘?hào)，對(duì)電壓或電流信號(hào)放大、濾除噪聲等。為了用傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)一步推動(dòng)顯示、記錄儀器和控制器，或者將此信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字分析和處理，需對(duì)傳感器輸出的信號(hào)做進(jìn)一步變換。信號(hào)調(diào)理和信息處理的具體方法很多，例如:用電橋?qū)㈦娐穮⒘?如電阻、電容、電感)轉(zhuǎn)換為可供傳輸、處理、顯示和記錄的電壓或電流信號(hào);利用濾波電路抑制噪聲，選出有用信號(hào);對(duì)傳感器及后續(xù)各環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的一些誤差做必要的補(bǔ)償和校正;信號(hào)經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理以及經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后信號(hào)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換;利用微電子和集成電路工藝將傳感器微型化，以及與處理電路和智能算法一體化等。經(jīng)過這樣的加工使傳感器輸出的信號(hào)變?yōu)榉蠈?shí)際需要，便于傳輸、顯示或記錄以及可做進(jìn)一步后續(xù)處理的信號(hào)，或者直接給出目標(biāo)輸出和控制信息。 測試系統(tǒng)的三個(gè)組成部分只是學(xué)術(shù)上的定義與劃分，在實(shí)際工作中，它們所對(duì)應(yīng)的具體裝置或儀器的伸縮性是很大的。例如，信號(hào)變換部分有時(shí)可以是由很多儀器組合成的一個(gè)完成特定功能的復(fù)雜群體，有時(shí)卻可能簡單到僅有一個(gè)變換電路，甚至可能僅是一根導(dǎo)線。測試系統(tǒng)是要測出被測對(duì)象中人們所需要的某些特征性參量信號(hào)，不管中間經(jīng)過多少環(huán)節(jié)的變換，在這些過程中必須忠實(shí)地把所需信息通過其載體信號(hào)傳輸?shù)捷敵龆恕Ｕ麄€(gè)過程要求既不失真，也不受干擾。這就要求系統(tǒng)本身既具有不失真?zhèn)鬏斝盘?hào)的能力，又具有在外界各種干擾情況下能提取和辨識(shí)信號(hào)中所包含的有用信息的能力。 智能檢測技術(shù)在人類感官延伸的基礎(chǔ)上，能獲得比人的感官更客觀、更正確的量值，具有更為寬廣的量程，反應(yīng)更為迅速。不僅如此，信號(hào)處理及其相關(guān)智能技術(shù)近年來的飛速發(fā)展還給測試系統(tǒng)賦予了更深的內(nèi)涵。測試系統(tǒng)經(jīng)過對(duì)所測結(jié)果的處理和分析，還能把最能反映研究對(duì)象本質(zhì)特征的量提取出來并加以處理，這就不僅是單純的感官的延伸了，而是具有了選擇、加工、處理以及判斷的能力，所以也可以認(rèn)為是一種人類智能的延伸。4.傳感器的發(fā)展 傳感器的發(fā)展過程大體可分為如下三代: 第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號(hào)。這類傳感器是最具傳統(tǒng)意義的傳感器，被測量信息的變化最終都通過某種裝置或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為物理量的變化，并通過轉(zhuǎn)換電路的形式得到電參量輸出。 第二代是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的固體型傳感器，這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料的某些特性制成，如利用熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光敏效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器。 第三代傳感器是近年來剛剛發(fā)展起來的智能型傳感器，是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使傳感器具有一定的人工智能。 現(xiàn)代傳感器大量應(yīng)用了新的材料和新的加工工藝，尤其是集成電路加工工藝，使傳感器技術(shù)越來越成熟，傳感器種類越來越多。除了早期使用的半導(dǎo)體材料、陶瓷材料外，光纖以及超導(dǎo)材料的研究成果為傳感器的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。未來還會(huì)使用更新的材料，如納米材料，將更加有利于傳感器的小型化。 目前，隨著5G高帶寬、低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用，人物互聯(lián)與萬物互聯(lián)將不斷創(chuàng)造出全新的科技與業(yè)態(tài)，現(xiàn)代傳感器也正從傳統(tǒng)的分立式結(jié)構(gòu)，朝著集成化、智能化、數(shù)字化、系統(tǒng)化、免維護(hù)、多功能化與網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展;在技術(shù)指標(biāo)方面，會(huì)更加注重微功耗、高精度、高可靠性、高信噪比和寬量程。 1.1 測量概述 1.2 誤差的分析和處理 1.3 誤差合成 1.4 最小二乘法與線性回歸分析第一章

測量概論1.1 測量概述

1.1 測量概述

1.1 測量概述

1.1 測量概述2）不等精度測量 不等精度測量是指在不同的測量條件下，如用不同精度的儀表或不同的測量方法，或以不同的測量次數(shù)，或在環(huán)境條件相差很大時(shí)，或由不同的測量者，對(duì)同一被測量進(jìn)行的多次重復(fù)測量。 不等精度測量多用于科學(xué)研究中的對(duì)比測量。1.1 測量概述1.1.3測量誤差分類 測量誤差是指測量值與真實(shí)值之間的差值，反映測量質(zhì)量的好壞。 任何測量過程都存在誤差，而且貫穿于測量過程的始終。因此在測量時(shí)不僅需要知道測量值，還需要知道測量值的誤差范圍。只有通過正確的誤差分析，明確哪些量對(duì)測量結(jié)果影響大，哪些影響小，才能抓住關(guān)鍵因素，減小誤差對(duì)測量結(jié)果的影響，增加測量的可靠性。 不同場合對(duì)測量結(jié)果可靠性的要求不同。測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度應(yīng)與測量的目的與要求相適應(yīng)，要有合理的性價(jià)比。例如，在量值傳遞、經(jīng)濟(jì)核算、產(chǎn)品檢驗(yàn)等場合應(yīng)保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確度;當(dāng)測量值用作控制信號(hào)時(shí)，要保證測量的穩(wěn)定性和可靠性。 造成測量誤差的主要原因在于，傳感器本身性能不良，測量方法不完善，環(huán)境干擾等。 測量誤差的分類如圖1-1所示。圖1-1

測量誤差的分類1.1 測量概述

1.1 測量概述

1.1 測量概述

1.1 測量概述

1.1 測量概述

1.2 誤差的分析和處理

1.2 誤差的分析和處理

圖1-2

隨機(jī)誤差的正態(tài)分布曲線1.2 誤差的分析和處理

1.2 誤差的分析和處理

圖1-3

不同σ下隨機(jī)誤差的正態(tài)分布曲線1.2 誤差的分析和處理

圖1-4

算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差與n的關(guān)系曲線1.2 誤差的分析和處理

表1-1

k值及其相應(yīng)的概率1.2 誤差的分析和處理1.2.2 系統(tǒng)誤差分析和處理 與隨機(jī)誤差不同，系統(tǒng)誤差雖不具有抵償性，難以發(fā)現(xiàn)，但系統(tǒng)誤差往往固定不變或按一定規(guī)律變化，可判斷并消除。因此，找出產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源是減小或消除系統(tǒng)誤差的關(guān)鍵。 為明確產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的因素，有必要對(duì)測量系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)作全面分析。由于具體條件各不相同，在分析查找誤差根源時(shí)，沒有一成不變的方法，但不外乎找原因并消除。1.系統(tǒng)誤差判斷 系統(tǒng)誤差判斷方法主要有理論分析法、實(shí)驗(yàn)對(duì)比法、殘差觀察法等。1)理論分析法 理論分析法針對(duì)測量方法所引入的誤差，通過理論分析來確定測量方法本身帶來的誤差，并給予修正。如用內(nèi)阻不高的電壓表測量高內(nèi)阻的信號(hào)源電壓所造成的系統(tǒng)誤差。2)實(shí)驗(yàn)對(duì)比法 實(shí)驗(yàn)對(duì)比法針對(duì)測量條件所引入的誤差，通過進(jìn)行不同條件的測量，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差。如更換測量儀表，用精度更高一級(jí)的測量儀表測量；更換測量人員、環(huán)境等。這種方法適用于發(fā)現(xiàn)固定的系統(tǒng)誤差。3)殘差觀察法 殘差觀察法是根據(jù)殘余誤差的變化規(guī)律，判斷系統(tǒng)誤差的有無、類型以及大小等，如圖1-5所示。圖1-5請(qǐng)看下頁1.2 誤差的分析和處理從圖1-5中可以看出：圖（a）中，殘余誤差基本上正負(fù)相同，無明顯變化規(guī)律，即無系統(tǒng)誤差；圖（b）中，殘余誤差線性遞增，存在累進(jìn)性系統(tǒng)誤差；圖（c）中，殘余誤差的大小、符號(hào)呈周期性變化，存在周期性系統(tǒng)誤差；圖（d）中，殘余誤差周期性遞增，同時(shí)存在累進(jìn)性系統(tǒng)誤差和周期性系統(tǒng)誤差。2.系統(tǒng)誤差消除1）消除系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的根源 找出誤差根源，明確產(chǎn)生誤差的因素，采取相應(yīng)措施修正或消除。可從以下幾方面考慮： （1）檢查傳感器和測量儀表的安裝、調(diào)試、放置是否合理，如儀表的水平位置、安裝時(shí)是否偏心等； （2）測量方法是否完善，如用電壓表測量電壓，電壓表內(nèi)阻的影響等； （3）傳感器或儀表是否準(zhǔn)確可靠，如靈敏度不足、刻度不準(zhǔn)、放大器和變換器的性能存在優(yōu)劣等； （4）環(huán)境條件是否符合要求，如環(huán)境溫度、濕度、氣壓等的變化會(huì)引起誤差等； （5）測量者的操作是否正確，如讀數(shù)時(shí)的視差、視覺疲勞等會(huì)引起系統(tǒng)誤差等。圖1-5

殘余誤差曲線1.2 誤差的分析和處理2）在測量結(jié)果中進(jìn)行修正 恒值的系統(tǒng)誤差，可直接用修正值對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行修正；變化的系統(tǒng)誤差，可找出變化的規(guī)律，用修正公式對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行修正；其他未知規(guī)律的誤差，可按隨機(jī)誤差進(jìn)行處理。3）在測量系統(tǒng)中采用補(bǔ)償措施 找出系統(tǒng)誤差的規(guī)律，在測量過程中自動(dòng)消除系統(tǒng)誤差。如用熱電偶測溫時(shí)，采用冷端補(bǔ)償法進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償；用熱電阻測溫時(shí)，對(duì)環(huán)境溫度實(shí)時(shí)反饋修正。1.2 誤差的分析和處理

1.2 誤差的分析和處理

注意：以上準(zhǔn)則以數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布為前提，當(dāng)偏離正態(tài)分布或測量次數(shù)很少時(shí)，判斷的可靠性就降低。表1-4

格拉布斯準(zhǔn)則中的G值1.3 誤差合成

1.3 誤差合成

1.3 誤差合成

1.3 誤差合成

圖1-6

測量電阻Rx的平衡電橋原理線路圖1.4 最小二乘法與線性回歸分析

圖1-7

傳感器輸入輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖1-8

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)及擬合曲線1.4 最小二乘法與線性回歸分析

1.4 最小二乘法與線性回歸分析

1.4 最小二乘法與線性回歸分析

1.4 最小二乘法與線性回歸分析

1.4 最小二乘法與線性回歸分析

圖1-9

用最小二乘法求擬合直線1.4 最小二乘法與線性回歸分析

第二章

傳感器理論基礎(chǔ) 2.1 傳感器的定義和組成 2.2 傳感器的分類 2.3 傳感器的一般特性 2.4 傳感器的標(biāo)定2.1.1 傳感器的定義

傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器的定義有三層含義:

（1）傳感器對(duì)規(guī)定的被測量有“反應(yīng)”；

（2）傳感器的輸出與被測量之間建立了有規(guī)律的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；

（3）傳感器是一個(gè)器件或裝置。傳感器有時(shí)又被稱為檢測器、轉(zhuǎn)換器等，這僅僅是在不同的技術(shù)領(lǐng)域中使用的不同術(shù)語而已。通常，傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為適合處理或傳輸?shù)碾妳⒘炕螂娦盘?hào)的部分。在某些場合，如在電子技術(shù)領(lǐng)域，常把能感受信號(hào)的電子元件稱為敏感元件，如熱敏元件、磁敏元件、光敏元件及氣敏元件等，這些元件將被測量直接轉(zhuǎn)化為電參量或電信號(hào)，此時(shí)傳感器的敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩者合二為一，通過轉(zhuǎn)換電路可以輸出電信號(hào)，所以，傳感器又等同為敏感元件。但這些提法在含義上有些狹窄，因此，傳感器一詞是使用最為廣泛而概括的用語。

傳感器輸出的電信號(hào)形式很多，有電阻、電感、電容等電參量以及電壓、電流、頻率、脈沖等電信號(hào)，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。2.1 傳感器的定義和組成

2.1 傳感器的定義和組成圖2-1

傳感器的組成圖2-2

應(yīng)變式加速度傳感器圖2-3

熱電偶 傳感器的種類繁多，其分類方式也很多，按照其工作原理所屬學(xué)科可分為物理、化學(xué)、生物傳感器等。本書主要討論物理傳感器，并按照常用的分類方法對(duì)其分類。1.按工作原理分類

這種分類方式是以傳感器的工作原理為依據(jù)，將傳感器分為電參量式傳感器(電阻、電容、電感)、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、熱電式傳感器、半導(dǎo)體式傳感器以及其他形式的傳感器。2.按被測量類型分類

這種分類方式以傳感器測量對(duì)象的物理屬性為依據(jù)，將傳感器分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、力/力矩傳感器、流量傳感器以及其他(如CO傳感器、濕度傳感器、接近開關(guān)等)形式的傳感器。3.按傳感器的能源分類

根據(jù)有的傳感器可以直接產(chǎn)生電信號(hào)，有的傳感器則需要外接電源，傳感器又被分為有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器是能量轉(zhuǎn)換型傳感器，如基于壓電效應(yīng)、熱電偶的熱電效應(yīng)等制作的傳感器，當(dāng)被測量作用于傳感器時(shí)，將直接產(chǎn)生電信號(hào)。無源傳感器是能量控制型傳感器，如各種電參量式傳感器，當(dāng)被測量作用于傳感器時(shí)，僅發(fā)生電參數(shù)(如電阻)的變化，沒有能量交換，要輸出對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，需要外接電源和相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。

傳感器的三種分類方式中，按工作原理、被測量類型這兩種分類的方式比較常用，前者強(qiáng)調(diào)傳感器的物理原理，后者則主要體現(xiàn)傳感器的用途。2.2 傳感器的分類 傳感器的一般特性指的是傳感器輸入、輸出之間的關(guān)系特性。當(dāng)輸入量為常量或變化極慢時(shí)，這一關(guān)系特性稱為靜態(tài)特性；當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化得較快時(shí)，這一關(guān)系特性就稱為動(dòng)態(tài)特性。2.3.1靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出與輸入之間的關(guān)系。 圖2-4描述了傳感器輸入與輸出之間的一般關(guān)系和影響輸入與輸出特性的各種因素。從圖中可以看出，影響傳感器輸入x和輸出y之間關(guān)系的因素很多，既有外部的因素，也有傳感器內(nèi)部的因素。外部因素對(duì)傳感器輸入與輸出造成的影響稱為外界影響，形成了傳感器的干擾，這些干擾包括振動(dòng)、電磁干擾，供電電源不穩(wěn)定，非正常變化的溫度等。內(nèi)部因素主要取決于傳感器本身的性能，主要包括線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、溫漂、零漂等靜態(tài)性能指標(biāo)和反映輸出對(duì)輸入動(dòng)態(tài)變化跟隨能力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，其中大部分指標(biāo)體現(xiàn)了傳感器的誤差因素。2.3 傳感器的一般特性圖2-4

傳感器輸入/輸出的影響因素

2.3 傳感器的一般特性圖2-5

各種直線擬合方法

2.3 傳感器的一般特性

2.3 傳感器的一般特性圖2-6

遲滯特性圖2-7 重復(fù)特性

2.3 傳感器的一般特性圖2-8

零階傳感器的階躍響應(yīng)

2.3 傳感器的一般特性圖2-9

一階傳感器的階躍響應(yīng)

2.3 傳感器的一般特性圖2-10

二階傳感器的階躍響應(yīng)

2.3 傳感器的一般特性圖2-11

動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)

2.3 傳感器的一般特性圖2-12

一階傳感器的幅頻和相頻響應(yīng)曲線

2.3 傳感器的一般特性圖2-13

二階傳感器的幅頻和相頻響應(yīng)曲線 傳感器標(biāo)定是指利用較高等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具(或儀器、儀表)對(duì)傳感器的特性進(jìn)行刻度標(biāo)定，或者說通過試驗(yàn)建立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時(shí)，通過標(biāo)定也確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。

傳感器不僅在投入使用前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，以確定輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系及相關(guān)的誤差等性能指標(biāo)，而且要求在使用過程中定期進(jìn)行檢查，以判斷其性能參數(shù)是否偏離初始標(biāo)定的性能指標(biāo)，確定是否需要重新標(biāo)定或停止使用。傳感器的標(biāo)定分為靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定。不同的傳感器其標(biāo)定方法各不相同，但其基本要求和過程是一致的。2.4.1 傳感器靜態(tài)特性標(biāo)定 傳感器靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、精度、遲滯和重復(fù)性等。所以在標(biāo)定時(shí)，所用的測量器具精度等級(jí)應(yīng)比被標(biāo)定的傳感器精度等級(jí)至少高一級(jí)，并且要在一定的標(biāo)準(zhǔn)條件下(通常是指傳感器的額定使用環(huán)境中)進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。 傳感器靜態(tài)標(biāo)定的過程如下： (1)將傳感器全量程標(biāo)準(zhǔn)輸入量分成若干個(gè)間斷點(diǎn)，取各點(diǎn)的值作為標(biāo)準(zhǔn)輸入值。 (2)由小到大一點(diǎn)一點(diǎn)地輸入標(biāo)準(zhǔn)值，待輸出穩(wěn)定后記錄與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。 (3)由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)地輸入標(biāo)準(zhǔn)值，待輸出穩(wěn)定后記錄與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。 (4)按步驟(2)和(3)所述過程，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試。將所得輸入和輸出數(shù)據(jù)用表格列出或畫出曲線。 (5)對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析和處理，以確定該傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)。2.4 傳感器的標(biāo)定

2.4 傳感器的標(biāo)定圖2-15

S型傳感器外形圖2.4.2傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定

傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如時(shí)間常數(shù)、上升時(shí)間，或工作頻率、通頻帶等。

與靜態(tài)特性標(biāo)定一樣，各類傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定的方法各不相同，有時(shí)甚至同一類傳感器也有多種標(biāo)定方法，但基本要求是相通的。為了標(biāo)定時(shí)間常數(shù)、上升時(shí)間等參數(shù)，傳感器的輸入應(yīng)該是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的階躍激勵(lì)函數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線確定各動(dòng)態(tài)性能指標(biāo);在標(biāo)定傳感器的工作頻率、通頻帶等參數(shù)時(shí)，輸入則為標(biāo)準(zhǔn)的正弦函數(shù)。由標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號(hào)測出輸出信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)和頻域響應(yīng)后，畫出特性曲線，并由此標(biāo)定傳感器的時(shí)域或頻域特性參數(shù)。2.4 傳感器的標(biāo)定第三章

應(yīng)變式傳感器 3.1 應(yīng)變式傳感器的工作原理 3.2 電阻應(yīng)變片的特性 3.3 應(yīng)變片的測量電路 3.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

3.1 應(yīng)變式傳感器的工作原理圖3-1

金屬絲應(yīng)變效應(yīng)

3.1 應(yīng)變式傳感器的工作原理3.2.1 電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片有金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。傳統(tǒng)的金屬應(yīng)變片又分為絲式和箔式。半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)一般遠(yuǎn)高于金屬應(yīng)變片，但穩(wěn)定性不如金屬應(yīng)變片。

如圖3-2(a)、(b)、(c)所示分別是絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)。絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將敏感應(yīng)變的電阻絲用不同的工藝方法制作成柵狀。

金屬應(yīng)變片對(duì)電阻絲材料有較高的要求，一般要求靈敏系數(shù)大，電阻溫度系數(shù)小，具有優(yōu)良的機(jī)械加工和焊接性能等。康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料。針對(duì)應(yīng)變片的不同的應(yīng)變測試方向，應(yīng)變片有多種結(jié)構(gòu)形式，主要有正向、切向、45度方向、圓周方向等型式的應(yīng)變片。

3.2 電阻應(yīng)變片的特性圖3-2

金屬電阻和半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

3.2 電阻應(yīng)變片的特性

3.2 電阻應(yīng)變片的特性圖3-3

應(yīng)變片軸向受力及橫向效應(yīng)

3.2 電阻應(yīng)變片的特性

3.2 電阻應(yīng)變片的特性

3.2 電阻應(yīng)變片的特性圖3-4

單臂電橋轉(zhuǎn)換電路

3.3 應(yīng)變片的測量電路圖3-5

電橋轉(zhuǎn)換電路

3.3 應(yīng)變片的測量電路

3.3 應(yīng)變片的測量電路圖3-6

差動(dòng)電橋轉(zhuǎn)換電路

3.3 應(yīng)變片的測量電路

3.3 應(yīng)變片的測量電路圖3-8

交流電橋

3.3 應(yīng)變片的測量電路圖3-9

交流電橋的調(diào)零

3.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用圖3-10

柱(筒)式力傳感器

3.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用圖3-11

液位高度或液體重量傳感器第四章

電感式傳感器 4.1 自感式傳感器 4.2 互感式傳感器 4.3 電渦流式傳感器

4.1 自感式傳感器圖4-1

自感式傳感器的結(jié)構(gòu)及電感量與氣隙厚度的關(guān)系曲線

4.1 自感式傳感器

4.1 自感式傳感器

4.1 自感式傳感器

4.1 自感式傳感器圖4-2

差動(dòng)變隙式自感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖

4.1 自感式傳感器

4.1 自感式傳感器圖4-3

交流電橋式測量電路圖4-4

變壓器電橋式測量電路

4.1 自感式傳感器圖4-5

諧振式調(diào)幅電路及輸出電壓與電感的關(guān)系曲線

4.1 自感式傳感器

4.2 互感式傳感器圖4-7

螺管式差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)圖4-8

差動(dòng)變壓器式傳感器的等效電路

4.2 互感式傳感器圖4-9

差動(dòng)變壓器輸出電壓的特性曲線4.2.2 差動(dòng)變壓器的應(yīng)用 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用非常廣泛。凡是與位移有關(guān)的物理量均可經(jīng)過它轉(zhuǎn)換成電量輸出，常用于測量振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。 圖4-10是差動(dòng)變壓器式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理和測量電路方框圖。用于測定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)，其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的10倍以上，這樣可以得到精確的測量結(jié)果?？蓽y量的振幅范圍為0.1mm～5mm，振動(dòng)頻率一般為0Hz～150Hz。4.2 互感式傳感器圖4-10

差動(dòng)變壓器式加速度傳感器

4.3 電渦流式傳感器圖4-11

電渦流式傳感器的原理圖圖4-12

電渦流式傳感器的簡化模型

4.3 電渦流式傳感器圖4-13

電渦流式傳感器等效電路

4.3 電渦流式傳感器

4.3 電渦流式傳感器圖4-14

電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線

4.3 電渦流式傳感器圖4-16

電渦流密度軸向分布曲線

4.3 電渦流式傳感器圖4-17

電渦流式傳感器轉(zhuǎn)速測量示意圖第五章

電容式傳感器 5.1 電容式傳感器的工作原理 5.2 電容式傳感器的測量電路 5.3 電容式傳感器的誤差分析 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用

5.1 電容式傳感器的工作原理

5.1 電容式傳感器的工作原理圖5-1

變極距型電容式傳感器

圖5-2

電容量與極板間距的關(guān)系

5.1 電容式傳感器的工作原理

5.1 電容式傳感器的工作原理圖5-3

放置云母片的電容器

5.1 電容式傳感器的工作原理圖5-4

差動(dòng)式變極距型電容式傳感器原理圖

5.1 電容式傳感器的工作原理

5.1 電容式傳感器的工作原理圖5-5

變面積型電容傳感器原理圖圖5-6

電容式角位移傳感器原理圖

5.1 電容式傳感器的工作原理圖5-7

極板間變介質(zhì)型電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖

5.1 電容式傳感器的工作原理5.2.1 調(diào)頻電路 調(diào)頻電路工作原理如圖5-9所示。傳感器電容作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)被測量使傳感器電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率也隨之變化(調(diào)頻信號(hào))，其輸出經(jīng)限幅、放大、鑒頻后變成電壓輸出。 為了防止干擾使調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生寄生調(diào)幅，在鑒頻器前常加一個(gè)限幅器，將干擾及寄生調(diào)幅削平，使進(jìn)入鑒頻器的調(diào)頻信號(hào)是等幅的。鑒頻器的作用是將調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率變化恢復(fù)成原調(diào)制信號(hào)電壓的變化，它是調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)器。 調(diào)頻電路具有抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是寄生電容對(duì)測量精度的影響較大，因此必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p小或消除寄生電容的影響。常用的措施包括縮短傳感器和測量電路之間的電纜、采用專用的驅(qū)動(dòng)電纜或者將傳感器與測量電路做成一體等。5.2 電容式傳感器的測量電路圖5-9

調(diào)頻電路工作原理圖

5.2 電容式傳感器的測量電路圖5-10

運(yùn)算放大器式電路原理圖

5.2 電容式傳感器的測量電路圖5-11

脈沖寬度調(diào)制電路及波形

5.2 電容式傳感器的測量電路

(2)不需要解調(diào)電路，只要經(jīng)過低通濾波器就可以得到直流輸出； (3)調(diào)寬脈沖頻率的變化對(duì)輸出無影響； (4)由于采用直流穩(wěn)壓電源供電，因此不存在對(duì)其波形及頻率的要求。 所有這些特點(diǎn)都是其他電容測量電路無法比擬的。5.2 電容式傳感器的測量電路

電容式傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電容的變化量，具有高靈敏度、高精度、高分辨力和穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，容易受到如溫度、濕度、電場邊緣效應(yīng)、寄生與分布電容等因素的影響，使得特性不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作。因此，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用電容式傳感器時(shí)必須予以考慮。5.3.1 溫度誤差

環(huán)境溫度變化會(huì)引起電容式傳感器內(nèi)部零件形狀、尺寸、大小及零件材料的線膨脹系數(shù)的變化，從而產(chǎn)生測量誤差。在設(shè)計(jì)電極支架時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用溫度系數(shù)小、幾何尺寸穩(wěn)定、絕緣性高以及低吸潮性的材料，如果溫度不太高，也可用聚四氟乙烯材料。在選擇電介質(zhì)時(shí)，應(yīng)該選擇介電常數(shù)的溫度系數(shù)接近零的材料，否則會(huì)因?yàn)闇囟雀淖兌a(chǎn)生測量誤差。如果可能，傳感器盡量采用差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以減少溫度引起的誤差。

下面以圖5-12所示電容式測壓傳感器為例，對(duì)溫度誤差進(jìn)行分析。5.3 電容式傳感器的誤差分析圖5-12

電容式測壓傳感器

5.3 電容式傳感器的誤差分析

5.3 電容式傳感器的誤差分析

5.3 電容式傳感器的誤差分析圖5-13

帶有等位環(huán)的平行板電容器圖5-14

帶有等位環(huán)的平板電容傳

感器結(jié)構(gòu)示意圖5.3.3 寄生電容與分布電容的影響 電容式傳感器除了在極板間產(chǎn)生電容外，極板與其周圍的其他元器件甚至人體間也會(huì)產(chǎn)生一定的附加電容(包括引線的分布電容)，這種電容稱為寄生電容。由于傳感器本身的電容量非常小，寄生電容又極不穩(wěn)定，因此它的存在改變了電容式傳感器的電容量，直接導(dǎo)致了傳感器的不穩(wěn)定，在很大程度上影響了傳感器的正常工作。為了消除和減小寄生電容對(duì)電容式傳感器的影響，提高儀器的測量精度，可采用以下幾種方法：(1)增加傳感器自身的原始電容值。 可采用減小傳感器極板或極筒間的距離(一般來說平板式極板間距為0.2mm～0.5mm，圓筒式極筒間距為0.15mm)，增加測量面積或長度等方法來增大傳感器的原始電容值，從而降低寄生電容的影響。但該方法受限于傳感器的結(jié)構(gòu)、裝配工藝、擊穿電壓、精度及量程等外在條件。(2)集成化。 將傳感器與測量電路的前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去從傳感器至前置級(jí)的電纜引線，這樣寄生電容會(huì)大幅度減小并且易保持固定不變，使儀器能夠穩(wěn)定工作。但這種集成化的傳感器會(huì)因其電子元器件產(chǎn)生溫度漂移而難以應(yīng)用于高溫、低溫或其他環(huán)境惡劣的場景。5.3 電容式傳感器的誤差分析

5.3 電容式傳感器的誤差分析圖5-15

“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)電原理圖圖5-16

差動(dòng)電容式傳感器交流電

橋的整體屏蔽系統(tǒng)示意圖

5.4 電容式傳感器的應(yīng)用圖5-17

差動(dòng)式電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖

5.4 電容式傳感器的應(yīng)用圖5-18

電容式傳聲器第六章

壓電式傳感器 6.1 壓電式傳感器工作原理 6.2 測量電路 6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用

6.1 壓電式傳感器的工作原理圖6-1

壓電材料的受壓情況

圖6-2

壓電材料微單元及其受壓分析

6.1 壓電式傳感器的工作原理

6.1 壓電式傳感器的工作原理

6.1 壓電式傳感器的工作原理圖6-3

石英的晶體結(jié)構(gòu)及切片方向

6.1 壓電式傳感器的工作原理圖6-4

石英的壓電機(jī)理分析

6.1 壓電式傳感器的工作原理圖6-5

壓電陶瓷的極化

6.1 壓電式傳感器的工作原理

6.1 壓電式傳感器的工作原理圖6-6

壓電式傳感器及等效電路

6.2 測量電路圖6-7

壓電式傳感器的電壓放大電路

6.2 測量電路

6.2 測量電路圖6-8

電壓放大電路的幅頻響應(yīng)

6.2 測量電路圖6-9

電荷放大器的等效電路圖6-10

電荷放大器的簡化電路圖6-11

電荷放大器簡化電路的等效圖

6.2 測量電路 壓電元件受力產(chǎn)生電荷后，需要由鍍附在表面的電極完成輸出。壓電元件是一個(gè)電荷源，同時(shí)也是一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容。電荷只有在電容無泄漏的情況下才能保存，壓電元件和后續(xù)放大器的輸入阻抗盡管很高，但還是不能保證電荷的不泄漏，只是泄漏的速度有快有慢，因此壓電式傳感器不適宜做靜態(tài)測量。壓電式傳感器一般用來檢測交變的力信號(hào)，如機(jī)床切削力的動(dòng)態(tài)測量和振動(dòng)的測量(壓電加速度傳感器)。

單片壓電元件產(chǎn)生的電荷很小，為了提高響應(yīng)的靈敏度，在實(shí)際使用中常采用兩片或多片同類壓電元件疊放的結(jié)構(gòu)。由于壓電元件產(chǎn)生的電荷是有極性的，因此有串聯(lián)、并聯(lián)兩種接法。如圖6-12所示，圖(a)是兩片壓電元件的負(fù)端接在一起，中間插入金屬電極，成為壓電傳感器負(fù)端輸出，外側(cè)的兩個(gè)正端短接形成壓電傳感器的正端輸出，這種接法類似兩個(gè)電容的并聯(lián)，稱為并聯(lián)接法。圖(b)是兩片壓電元件的不同極性的端面接在一起，另外兩側(cè)形成壓電傳感器的正、負(fù)端輸出，這種接法類似兩個(gè)電容的串聯(lián)，稱為串聯(lián)接法。6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用圖6-12

多片壓電元件的組合接法

6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用

6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用圖6-13

單向壓電式力傳感器

6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用圖6-14

壓電式三向力傳感器的結(jié)構(gòu)及壓電片的受力分析

6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用圖6-15

壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)

6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用圖6-16

壓電式玻璃破碎報(bào)警器電路原理圖第七章

磁電式傳感器 7.1 霍爾傳感器 7.2 磁電感應(yīng)式傳感器

7.1 霍爾傳感器圖7-1

霍爾效應(yīng)原理圖

7.1 霍爾傳感器

7.1 霍爾傳感器

7.1 霍爾傳感器圖7-2

霍爾元件 圖7-3 霍爾元件的等效電路模型

7.1 霍爾傳感器7.1.3 特性參數(shù)1.額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時(shí)所流過的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流，元件允許最大溫升所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。因霍爾電勢隨激勵(lì)電流的增加而線性增加，所以，使用中希望選用盡可能大的激勵(lì)電流，因而需要知道元件的最大允許激勵(lì)電流。改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵(lì)電流增加。2.輸入電阻和輸出電阻 輸入電阻和輸出電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在20℃±5℃時(shí)確定的。3.不等位電勢和不等位電阻 當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零。這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有： (1)霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上。 (2)半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻。 (3)激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。7.1 霍爾傳感器

7.1 霍爾傳感器

7.1 霍爾傳感器圖7-4

霍爾元件的基本測量電路

7.1 霍爾傳感器圖7-5

不等位電勢補(bǔ)償電路

7.1 霍爾傳感器圖7-6

恒流溫度補(bǔ)償電路

7.1 霍爾傳感器

7.1 霍爾傳感器

7.1 霍爾傳感器圖7-7

霍爾式位移傳感器的結(jié)構(gòu)及磁場變化曲線2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 圖7-8所示為幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可計(jì)算出被測轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。7.1 霍爾傳感器圖7-8

幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)

7.2 磁電感應(yīng)式傳感器圖7-9

變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖7-9(a)所示為開磁路變磁通式磁電傳感器，線圈、磁鐵靜止不動(dòng)，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號(hào)較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測量高轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)體。 圖7-9(b)所示為閉磁路變磁通式傳感器，它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成，內(nèi)外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測轉(zhuǎn)軸上時(shí)，外齒輪不動(dòng)，內(nèi)齒輪隨被測軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化，從而引起磁路中磁通的變化，使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電勢。顯然，感應(yīng)電勢的頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比。 圖7-10所示為恒磁通式磁電傳感器典型結(jié)構(gòu)圖。它由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。

7.2 磁電感應(yīng)式傳感器圖7-10

恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)圖

7.2 磁電感應(yīng)式傳感器

7.2 磁電感應(yīng)式傳感器圖7-11

磁電式振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)第八章

熱電式傳感器 8.1 熱電偶 8.2 熱電阻

8.1 熱電偶圖8-1

熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖

8.1 熱電偶

8.1 熱電偶圖8-2

回路總電勢示意圖

8.1 熱電偶圖8-3

熱電偶測溫系統(tǒng)簡圖

8.1 熱電偶圖8-4

熱電偶中間導(dǎo)體定律示意圖

8.1 熱電偶圖8-5

熱電偶參考電極定律示意圖圖8-6

熱電偶中間溫度定律示意圖

8.1 熱電偶

8.1 熱電偶表8-1

鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表(冷端溫度:0℃;熱電勢單位:mV)8.1.3 常用熱電耦 理論上講,任何兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體都可以組成熱電偶,但為了測量可靠,對(duì)熱電偶的材料有以下基本要求：①測溫范圍內(nèi),熱電性質(zhì)穩(wěn)定,物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不易氧化、腐蝕；②電阻溫度系數(shù)小,導(dǎo)電率高,比熱小；③測溫時(shí),產(chǎn)生的熱電勢大,且熱電勢與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數(shù)關(guān)系；④材料復(fù)制性好,機(jī)械強(qiáng)度高,制造工藝簡單,價(jià)格便宜。1.熱電偶類型1）鉑銠鉑熱電偶：S型熱電偶 S型熱電偶的特點(diǎn)是復(fù)制精度高,測量準(zhǔn)確性高,可用于精密測量,可作為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。在氧化性和中性介質(zhì)中物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。但S型熱電偶熱電勢小,高溫時(shí)易變質(zhì)。2）鎳鉻鎳硅熱電偶：K型熱電偶 K型熱電偶是最常用的一種熱電偶,其特點(diǎn)是穩(wěn)定性高,復(fù)制性好,線性好,產(chǎn)生的熱電勢大,價(jià)格便宜。但其精度偏低,在還原性介質(zhì)中易受腐蝕。3）鎳鉻考銅熱電偶：E型熱電偶 E型熱電偶的特點(diǎn)是靈敏度高,價(jià)格便宜,但測溫范圍窄而低,多用于常溫測量,不易得到均勻的線性關(guān)系。4）鉑銠30-鉑銠6熱電偶：B型熱電偶 B型熱電偶的特點(diǎn)是精度高,性能穩(wěn)定,適用于氧化性或中性介質(zhì)中使用,冷端熱電勢小,40℃以下可不修正。但價(jià)格高,輸出小。5）銅-康銅熱電偶：T型熱電偶 T型熱電偶的特點(diǎn)是低溫穩(wěn)定性好,但復(fù)制性差。8.1 熱電偶2.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 為了適應(yīng)不同的測溫要求和條件,熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝熱電偶和薄膜熱電偶等。1）普通型熱電偶 普通型熱電偶在工業(yè)上應(yīng)用最多,如圖8-7所示,由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。2）鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶,如圖8-8所示。它是由熱電極、絕緣材料和金屬套管拉伸而成的組合體,可以制成細(xì)長形狀,使用中能任意彎曲。其特點(diǎn)是測溫端熱容量小,動(dòng)態(tài)特性好,機(jī)械強(qiáng)度高,撓性好,適用于復(fù)雜安裝結(jié)構(gòu)。3）薄膜熱電偶 薄膜熱電偶是一種特殊熱電偶,如圖8-9所示,它是通過將兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學(xué)涂附等方法蒸鍍到絕緣基板上制成的。其特點(diǎn)是熱接點(diǎn)小,熱容量小,響應(yīng)速度快,適用于微小面積上的溫度測量和動(dòng)態(tài)溫度測量。8.1 熱電偶圖8-7

普通型熱電偶結(jié)構(gòu)圖8-8

鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)圖8-9

薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)

8.1 熱電偶

8.1 熱電偶表8-2

鎳鉻-鎳硅熱電偶修正系數(shù)表圖8-10

補(bǔ)償電橋8.1.5 熱電偶的應(yīng)用1.熱電偶測溫系統(tǒng) 典型熱電偶測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖8-11所示，圖(a)是普通測溫結(jié)構(gòu)，圖(b)是帶有補(bǔ)償器的測溫結(jié)構(gòu)，圖(c)是具有溫度變送器的測溫結(jié)構(gòu)，圖(d)是帶有一體化溫度變送器的測溫結(jié)構(gòu)。8.1 熱電偶圖8-11

典型熱電偶測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

8.1 熱電偶圖8-12

熱電偶冷端補(bǔ)償電路 圖8-13 熱電偶串聯(lián)和并聯(lián)電路

8.2 熱電阻

8.2 熱電阻

8.2 熱電阻圖8-14

汽車水箱溫度檢測電路 圖8-15 晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)補(bǔ)償電路第九章

光電式傳感器和

超聲波傳感器 9.1 光電器件 9.2 光纖傳感器 9.3 超聲波傳感器

9.1 光電器件

9.1 光電器件9.1.1 光敏電阻1.光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu) 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，由半導(dǎo)體材料制成，是純電阻器件，其結(jié)構(gòu)原理如圖9-1所示。光敏電阻不受光照時(shí)，電阻值很大，電路中電流很?。皇艿揭欢úㄩL的光照射時(shí)，阻值急劇減小。 光敏電阻在不受光照射時(shí)的電阻稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流稱為暗電流；在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。 通常，暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，即光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻一般在兆歐級(jí)，亮電阻在幾千歐以下。 圖9-1(a)所示是金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖。玻璃底板上均勻涂敷了一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，形成光導(dǎo)層；金屬電極安裝在半導(dǎo)體兩端，由電極引線引出，形成光敏電阻；為防止周圍介質(zhì)的影響，光導(dǎo)層上覆蓋漆膜，但漆膜的成分應(yīng)保證在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。圖9-1(b)所示是光敏電阻電極的形式，為提高靈敏度，采用梳狀電極。圖9-1(c)所示是光敏電阻接線簡圖。9.1 光電器件圖9-1

光敏電阻結(jié)構(gòu)原理圖2.光敏電阻的基本特性1)伏安特性 伏安特性是指在一定照度下，光敏電阻兩端的電壓與電流的關(guān)系。 硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線如圖9-2所示?？梢姡琁U曲線在一定的電壓范圍內(nèi)呈直線，說明阻值與電壓、電流無關(guān)，只與入射光量有關(guān)。2)光譜特性 光譜特性也稱光譜響應(yīng)，指光敏電阻的相對(duì)靈敏度與入射波長的關(guān)系。 幾種不同材料光敏電阻的光譜特性如圖9-3所示?？梢姡瑢?duì)于不同的波長，光敏電阻的靈敏度也不同。硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光區(qū)域，常用于光度量測量，如照度計(jì)；硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū)，常用于火焰探測器。9.1 光電器件圖9-2

硫化鎘光敏電阻的伏安特性

圖9-3

光敏電阻的光譜特性3)溫度特性 溫度特性反映的是溫度變化對(duì)光敏電阻的光譜響應(yīng)、光敏電阻的靈敏度、暗電阻等的影響。 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線如圖9-4所示?？梢姡摴饷綦娮枋軠囟扔绊懞艽?，其峰值隨著溫度的上升向波長短的方向移動(dòng)，故該光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。4)光照特性 光照特性描述光電流和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。 硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線如圖9-5所示?？梢姡庹仗匦郧€呈非線性，因此不宜作為測量元件，多用于開關(guān)信號(hào)的傳遞。不同材料的光敏電阻，其光照特性也不同。5)頻率特性 多數(shù)光敏電阻的光電流不能隨光強(qiáng)改變而立即變化，有一定的惰性，即時(shí)間常數(shù)較大。不同材料的光敏電阻，其時(shí)間常數(shù)也不同。硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性曲線如圖9-6所示。 可見，光敏電阻允許的光電流大，光譜特性好，靈敏度高，但參數(shù)一致性較差，光照特性為非線性，常用于對(duì)精度要求不高的場合。9.1 光電器件圖9-4

硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性圖9-5

硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線圖9-6

光敏電阻的頻率特性9.1.2 光敏二極管和晶體管1.結(jié)構(gòu)及工作原理1）光敏二極管 光敏二極管的結(jié)構(gòu)簡圖和符號(hào)如圖9-7所示。光敏二極管裝在透明玻璃外殼中,PN結(jié)裝在管的頂部,可以直接受到光照射。 光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài),如圖9-8所示。無光照射時(shí),反向電阻很大,反向電流很?。还庹丈湓赑N結(jié)上時(shí),PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì),在PN結(jié)處內(nèi)電場的作用下做定向運(yùn)動(dòng),形成光電流。光的照度越大,光電流越大。 因此,光敏二極管在不受光照射時(shí),處于截止?fàn)顟B(tài)；受光照射時(shí),處于導(dǎo)通狀態(tài)。9.1 光電器件圖9-7

光敏二極管結(jié)構(gòu)簡圖和符號(hào) 圖9-8 光敏二極管接線圖

9.1 光電器件圖9-9

NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路2.基本特性1）伏安特性 硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲線如圖9-10所示。光敏晶體管在不同照度下的伏安特性和晶體管在不同基極電流下的輸出特性一樣。 圖9-10（a）所示是硅光敏二極管的伏安特性。反向電流隨光照強(qiáng)度的增大而增大,不同照度下,曲線幾乎平行,不受偏壓影響。 圖9-10（b）所示是硅光敏晶體管的伏安特性。和圖9-10（a）相比,由于晶體管的放大作用,同樣的照度下,光敏晶體管輸出的光電流比相同管型的二極管大上百倍。2）光譜特性 光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線如圖9-11所示,峰值處靈敏度最大。可見,硅的峰值波長約為0.9μm,鍺的峰值波長約為1.5μm,都在近紅外區(qū)域。當(dāng)入射光的波長自峰值處增加或縮短時(shí),硅和鍺的相對(duì)靈敏度均下降。實(shí)際應(yīng)用時(shí),可見光或熾熱狀態(tài)物體的探測,一般都用硅管；對(duì)紅外光的探測,鍺管較適合。相對(duì)而言,鍺管的暗電流較大,性能較差。9.1 光電器件圖9-10

硅光敏管的伏安特性圖9-11

光敏二極管(晶體管)的光譜特性3）頻率特性 頻率特性指光敏管輸出的相對(duì)靈敏度或光電流隨頻率變化的關(guān)系。光敏晶體管的頻率特性如圖9-12所示。 可見,光敏晶體管的頻率特性和負(fù)載電阻相關(guān),減小負(fù)載電阻可提高頻率響應(yīng)范圍,但輸出電壓響應(yīng)亦減小。在半導(dǎo)體光電器件中,光敏二極管的頻率特性最好,普通的響應(yīng)時(shí)間就可達(dá)10μs。4）溫度特性 溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。光敏晶體管的溫度特性如圖9-13所示。 可見,溫度變化對(duì)光電流影響很小,對(duì)暗電流影響很大。故在電子線路中應(yīng)對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償,否則將導(dǎo)致輸出誤差。9.1 光電器件圖9-12

光敏晶體管的頻率特性 圖9-13 光敏晶體管的溫度特性9.1.3 光電池 光電池可直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，是光線作用下的電源。1.結(jié)構(gòu)及工作原理 光電池的工作原理就是光生伏特效應(yīng)，如圖9-14（a）所示，等效電路如圖9-14（b）所示。當(dāng)入射光照射PN結(jié)時(shí)，若光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則可以在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，并從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場的作用下，空穴移向P型區(qū)，電子移向N型區(qū)，最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢。2.光電池的基本特性1）光譜特性 硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線如圖9-15所示。9.1 光電器件圖9-14

硅光電池結(jié)構(gòu)原理圖及等效電路 圖9-15 硅、硒光電池的光譜特性

9.1 光電器件圖9-16

硅光電池的光照特性 圖9-17 硅、硒光電池的頻率特性4）溫度特性 溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況，如圖9-18所示。 可見，開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對(duì)光電池的工作有很大影響，因此把它作為測量器件應(yīng)用時(shí)，關(guān)系到儀器和設(shè)備的溫度漂移、測量精度和控制精度，最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。 硅光電池的最大開路電壓約為600mV，在照度相等的情況下，光敏面積越大，輸出的光電流也越大。硅光電池性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率特性好，轉(zhuǎn)換效率高，耐高溫輻射。9.1 光電器件圖9-18

硅光電池的溫度特性

9.1 光電器件圖9-19

MOS電容器

9.1 光電器件圖9-20

電荷注入方法

9.1 光電器件圖9-21

三相CCD時(shí)鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系

9.1 光電器件圖9-22

CCD輸出結(jié)構(gòu)

9.1 光電器件圖9-23

光電轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖 圖9-24 光電轉(zhuǎn)換電路

9.1 光電器件圖9-25

光控水龍頭電路圖

9.1 光電器件圖9-26

細(xì)絲直徑檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

9.2 光纖傳感器圖9-27

光纖的基本結(jié)構(gòu)圖9-28

光纖的傳光原理

9.2 光纖傳感器

9.2 光纖傳感器9.2.2 光纖傳感器的工作原理及應(yīng)用1.光纖傳感器的工作原理及組成1）工作原理 光纖傳感器的工作原理是：通過外界信號(hào)（溫度、壓力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)等）對(duì)光進(jìn)行調(diào)制，引起光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等性質(zhì)的變化，即光被外界參數(shù)調(diào)制。 光纖傳感器一般分為功能型（傳感型）傳感器和非功能型（傳光型）傳感器兩類。 （1）功能型傳感器：又稱為傳感型傳感器，利用光纖本身的特性或功能把光纖作為敏感元件，被測量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對(duì)被調(diào)制過的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測信號(hào)。 （2）非功能型傳感器：又稱為傳光型傳感器，利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖作為信息的傳輸介質(zhì)。2）組成結(jié)構(gòu) 如圖9-29所示，光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖、非光纖）、光探測器、信號(hào)處理系統(tǒng)及光纖組成。9.2 光纖傳感器圖9-29

光纖傳感器組成示意圖3）工作過程 光源發(fā)出的光，通過光纖傳到敏感元件；被測參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制；調(diào)制后的光經(jīng)接收光纖耦合到光探測器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理后得到被測量值。2.光纖傳感器的應(yīng)用1）光纖傳感器的液位檢測 采用光纖傳感器檢測液位的工作原理如圖9-30所示。系統(tǒng)采用兩組光纖傳感器，一組完成液面上限控制，另一組完成液面下限控制，分別按某一角度裝在玻璃筒的兩側(cè)。 當(dāng)投光光纖與光纖傳感器之間有液體時(shí)，由于液體對(duì)光的折射，光纖傳感器接收到光信號(hào)，并由放大器內(nèi)的光敏元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。無液體時(shí)，光纖傳感器接收不到投光光纖發(fā)出的光。液面的控制精度可達(dá)±1mm。9.2 光纖傳感器圖9-30

液位檢測原理圖

9.2 光纖傳感器圖9-31

光纖旋渦流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

9.3 超聲波傳感器圖9-32

機(jī)械波的頻率界限圖

9.3 超聲波傳感器

9.3 超聲波傳感器圖9-33

超聲波的反射和折射

9.3 超聲波傳感器

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。擴(kuò)散衰減指因聲波傳播距離的增加而引起的聲能減弱；散射衰減指固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子改變了部分聲能的傳播方向而造成的能量損耗；吸收衰減是由于介質(zhì)具有粘滯性，使超聲波傳輸時(shí)引起質(zhì)點(diǎn)間的摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換成熱能，導(dǎo)致?lián)p耗。 在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴(kuò)散。5.超聲波傳感器的類型和結(jié)構(gòu) 超聲傳感器按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中壓電式最為常用。 壓電式超聲波傳感器的敏感元件多采用壓電晶體和壓電陶瓷，利用壓電效應(yīng)進(jìn)行工作。發(fā)射探頭利用了逆壓電效應(yīng)，將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，形成超聲波發(fā)射；接收探頭利用正壓電效應(yīng)，將超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即接收了超聲波。 超聲波探頭按敏感元件結(jié)構(gòu)不同可分為兩種，即只能發(fā)射或只能接收的單向敏感元件和既可發(fā)射又可接收的可逆敏感元件。 壓電式超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖9-34所示，由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜、接線片等組成。 超聲波頻率f與壓電晶片厚度δ成反比，壓電晶片兩面鍍銀，作為導(dǎo)電極板。阻尼塊的作用是吸收聲能量，提高分辨率。9.3 超聲波傳感器圖9-34

壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)

9.3 超聲波傳感器圖9-35

超聲波流量檢測計(jì)的原理圖9-36

超聲波流量傳感器安裝示意圖2.超聲波探傷1）透射式 透射式探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。透射式探傷工作原理如圖9-37所示，兩探頭置于工件相對(duì)兩面，一個(gè)發(fā)射，一個(gè)接收。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖波。 工件內(nèi)無缺陷時(shí)，接收能量大，因而輸出電壓也大；工件內(nèi)有缺陷時(shí)，因部分能量被反射，接收能量小，因而輸出電壓也小。由此可判斷有無缺陷。 此法靈敏度較低，無法識(shí)別小缺陷，也無法定位，對(duì)兩探頭的相對(duì)距離和位置要求較高。2）反射式 反射式探傷是以聲波在工件中反射后能量的不同來探測缺陷，其原理如圖9-38所示。 高頻脈沖發(fā)生器通過探頭產(chǎn)生超聲波，向工件內(nèi)部傳播，一部分被缺陷反射回來，另一部分傳至工件底面也被反射回來，被探頭接收后變?yōu)殡妷好}沖。發(fā)射波T、缺陷波F及底波B被放大后，在熒光屏上顯示。熒光屏上的水平亮線為掃描線（時(shí)間基準(zhǔn)），其長度與時(shí)間成正比。根據(jù)發(fā)射波、缺陷波及底波在掃描線上的位置，可求出缺陷位置。由缺陷波的幅值，可判斷缺陷大小。當(dāng)缺陷截面積大于聲束面時(shí)，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有T波、F波，沒有B波。當(dāng)工件無缺陷時(shí)，熒光屏上只有T波、B波，沒有F波。9.3 超聲波傳感器圖9-37

透射式探傷原理圖圖9-38

反射式探傷原理圖第十章

智能檢測技術(shù) 10.1 智能檢測系統(tǒng) 10.2 智能檢測方法10.1.1 智能檢測系統(tǒng)的組成 智能檢測系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖10-1所示，其主要由傳感器、信號(hào)采集調(diào)理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、基本I/O系統(tǒng)、交互通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。 傳感器是智能檢測系統(tǒng)的信息來源，是能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。 信號(hào)采集調(diào)理系統(tǒng)接收和采集來自傳感器的各種信號(hào)和信息，經(jīng)過計(jì)算分析和判斷處理，輸出相應(yīng)信號(hào)給計(jì)算機(jī)。信號(hào)采集調(diào)理系統(tǒng)的硬件主要包括前置放大器、抗混疊低通濾波器、采樣/保持器和多路模擬開關(guān)、程控放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等。輸入按輸入信號(hào)的不同可分為模擬量輸入和數(shù)字量輸入。模擬量輸入是檢測系統(tǒng)中最常用的也是最復(fù)雜的，被測信號(hào)經(jīng)傳感器拾取后變成電信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)采集調(diào)理系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、非線性補(bǔ)償、阻抗匹配等功能性調(diào)節(jié)后送入計(jì)算機(jī)。數(shù)字量輸入則通過通道測量、采集各種狀態(tài)信息，將這些信息轉(zhuǎn)換為字節(jié)或字的形式后送入計(jì)算機(jī)。由于信號(hào)可能存在瞬時(shí)高壓、過電壓、噪聲及觸點(diǎn)抖動(dòng)，因此數(shù)字輸入電路通常包括信號(hào)轉(zhuǎn)換、濾波、過壓保護(hù)、電隔離及消除抖動(dòng)等電路，以消除這些因素對(duì)信號(hào)的影響。10.1 智能檢測系統(tǒng)圖10-1

智能檢測系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)是整個(gè)智能檢測系統(tǒng)的核心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用，同時(shí)進(jìn)行復(fù)雜信號(hào)的處理、控制決策、產(chǎn)生特殊的檢測信號(hào)、控制整個(gè)檢測過程等。此外，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力和高速的運(yùn)算能力，可實(shí)現(xiàn)命令識(shí)別、邏輯判斷、非線性誤差修正、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的自校正以及系統(tǒng)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自診斷、自組織等功能。智能檢測系統(tǒng)通過機(jī)器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘等人工智能技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境識(shí)別處理和信息融合，從而達(dá)到高級(jí)智能化水平。 基本I/O系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、輸入或修改系統(tǒng)參數(shù)、改變系統(tǒng)工作狀態(tài)、輸出測試結(jié)果、動(dòng)態(tài)顯示測控過程以及以多種形式輸出、顯示、記錄、報(bào)警等功能。 交互通信系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)與其他儀器儀表等系統(tǒng)的通信與互連。依靠交互通信系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際問題需求靈活構(gòu)造不同規(guī)模、不同用途的智能檢測系統(tǒng)，如分布式測控系統(tǒng)、集散型測控系統(tǒng)等。通信接口的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法與采用的總線技術(shù)、總線規(guī)范有關(guān)。 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測對(duì)象、被測試組件、測試信號(hào)發(fā)生器，甚至對(duì)系統(tǒng)本身和測試操作過程的自動(dòng)控制。根據(jù)實(shí)際需要，大量接口以各種形式存在于系統(tǒng)中，接口的作用是完成與它所連接的設(shè)備之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換(如進(jìn)行信號(hào)功率匹配、阻抗匹配、電平轉(zhuǎn)換和匹配)和交換、信號(hào)(如控制命令、狀態(tài)數(shù)據(jù)信號(hào)、尋址信號(hào)等)傳輸、信號(hào)拾取，以及對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的緩沖或鎖存，以增強(qiáng)智能檢測系統(tǒng)的功能。10.1 智能檢測系統(tǒng)10.1.2 智能檢測系統(tǒng)中的傳感器 傳感器作為智能檢測系統(tǒng)的主要信息來源，其性能決定了整個(gè)檢測系統(tǒng)的性能。傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用的綜合技術(shù)，它是信息技術(shù)(傳感與控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù))的三大支柱之一。傳感器的工作原理多種多樣，種類繁多，近年來隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了各種類型的新型智能傳感器，使傳感器不僅有視、嗅、觸、味、聽覺的功能，還具有存儲(chǔ)、邏輯判斷和分析等人工智能，從而使傳感器技術(shù)提高到了一個(gè)新的水平。智能傳感器是傳感器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 本節(jié)從智能檢測應(yīng)用角度介紹常用傳感器和智能傳感器的功能及應(yīng)用特點(diǎn)。1.常用傳感器 (1)應(yīng)變式傳感器：利用電阻應(yīng)變效應(yīng)將被測量轉(zhuǎn)換成電阻的相對(duì)變化的一種裝置，它是目前最常用的一種測量力和位移的傳感器，在航空、船舶、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域里獲得了廣泛應(yīng)用。 (2)電感式傳感器：利用電磁感應(yīng)原理將被測量轉(zhuǎn)換成電感量變化的一種裝置，其廣泛應(yīng)用于位移測量以及能轉(zhuǎn)換成位移的各種參量(如壓力、流量、振動(dòng)、加速度、比重、材料損傷等)的測量。其中，電渦流式電感傳感器還可進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量。這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用。 (3)電容式傳感器：將被測量轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置，其廣泛應(yīng)用于壓力、差壓、液位、振動(dòng)、位移、加速度、成分含量等方面的測量。10.1 智能檢測系統(tǒng) (4)壓電式傳感器：利用某些材料的壓電效應(yīng)將力轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾苫螂妷狠敵龅囊环N裝置，其在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)測量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。 (5)磁電式傳感器：通過電磁感應(yīng)原理將被測量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種裝置，其廣泛應(yīng)用于電磁、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測量。 (6)光電式傳感器：利用光電元件將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種裝置，可用于檢測許多非電量。由于光電式傳感器響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，而且具有較高的可靠性，因此在檢測、自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)等方面應(yīng)用非常廣泛。 (7)熱電傳感器：一種將溫度轉(zhuǎn)換成電量的裝置，包括電阻式溫度傳感器、熱電偶傳感器、集成溫度傳感器等。熱電偶傳感器是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器，其構(gòu)造簡單，使用方便，具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性，溫度測量范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好，在溫度測量中占有重要的地位。 (8)超聲波傳感器：利用超聲波的傳播特性進(jìn)行工作，已廣泛應(yīng)用于超聲波探傷及液位、厚度等的測量。超聲波探傷是無損探傷的重要工具之一。2.智能傳感器 智能傳感器集成了微處理器，具有檢測、判斷、信息處理、信息記憶和邏輯思維等功能。它主要由傳感器、微處理器及相關(guān)電路組成。微處理器能按照給定的程序?qū)鞲衅鲗?shí)施軟件控制，把傳感器從單一功能變成多功能，具有自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)性功能；能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；能夠自動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)、自選量程、自尋故障等。10.1 智能檢測系統(tǒng) 智能傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比具有以下特點(diǎn)： (1)擴(kuò)展了測量范圍和功能，組態(tài)功能可實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測量。 (2)具有邏輯判斷、信息處理功能，可對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、修正和誤差補(bǔ)償，大大提高了測量精度。 (3)具有自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)性以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，能夠進(jìn)行選擇性的測量和排除外界的干擾，提高了測量的穩(wěn)定性和可靠性。 (4)在相同精度的需求下，多功能智能傳感器與單一功能普通傳感器相比，性價(jià)比明顯提高。 (5)具有數(shù)據(jù)通信接口，能夠直接將數(shù)據(jù)送入遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，具有多種數(shù)據(jù)輸入形式，適配各種應(yīng)用系統(tǒng)。 智能傳感器是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測試技術(shù)的結(jié)晶，其特點(diǎn)是能輸出測量數(shù)據(jù)及相關(guān)的控制量，適配各種微控制器。它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)檢測功能，軟件在智能傳感器中占據(jù)了主要成分，智能傳感器通過各種軟件對(duì)測量過程進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，并對(duì)傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理和存儲(chǔ)，提高了傳感器性能指標(biāo)。智能傳感器的智能化程度與軟件的開發(fā)水平成正比，利用軟件能夠?qū)崿F(xiàn)硬件難以實(shí)現(xiàn)的功能，以軟件代替了部分硬件，降低了傳感器的制造難度。10.1 智能檢測系統(tǒng)10.1.3 智能檢測系統(tǒng)中的硬件 典型的智能檢測系統(tǒng)硬件由傳感器、前置放大器、抗混疊低通濾波器、采樣/保持電路和多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、RAM、EPROM、調(diào)理電路控制器、信息總線等組成，如圖10-2所示。 前置放大器的主要作用是將來自傳感器的低電壓信號(hào)放大到系統(tǒng)所要求的電壓，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的信噪比，減少外界干擾。

10.1 智能檢測系統(tǒng)圖10-2

典型智能檢測系統(tǒng)硬件構(gòu)成

10.1 智能檢測系統(tǒng)10.1.4 智能檢測系統(tǒng)中的軟件1.軟件組成

智能檢測系統(tǒng)中的軟件取決于智能檢測系統(tǒng)的硬件支持和檢測功能的復(fù)雜程度。智能檢測系統(tǒng)中的軟件按功能一般可包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)通信、虛擬儀器等，如圖10-3所示。 數(shù)據(jù)采集軟件有初始化系統(tǒng)、收集實(shí)驗(yàn)信號(hào)與采集數(shù)據(jù)等功能，將所需的數(shù)據(jù)參數(shù)提取至檢測系統(tǒng)中。 數(shù)據(jù)處理軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、信號(hào)處理、識(shí)別分類，包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、去噪、回歸分析、統(tǒng)計(jì)分析、特征提取、智能識(shí)別、幾何建模與仿真等功能模塊。數(shù)據(jù)管理軟件包括對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、打印、存儲(chǔ)、回放、查詢、瀏覽、更改、刪除等功能模塊。系統(tǒng)控制軟件可根據(jù)預(yù)定的控制策略通過控制參數(shù)設(shè)置進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)系統(tǒng)。控制軟件的復(fù)雜程度取決于系統(tǒng)的控制任務(wù)。計(jì)算機(jī)控制任務(wù)按設(shè)定值性質(zhì)可分為恒值調(diào)節(jié)、伺服控制和程序控制三類。常見的控制策略有程序控制、PID控制、前饋控制、最優(yōu)控制與自適應(yīng)控制等。系統(tǒng)管理軟件包括系統(tǒng)配置、系統(tǒng)功能測試診斷、傳感器標(biāo)定校準(zhǔn)功能模塊等。其中系統(tǒng)配置軟件對(duì)配置的實(shí)際硬件環(huán)境進(jìn)行一致性檢查，建立邏輯通道與物理通道的映射關(guān)系，生成系統(tǒng)硬件配置表。 網(wǎng)絡(luò)通信軟件完成檢測系統(tǒng)的內(nèi)外部通信。10.1 智能檢測系統(tǒng)圖10-3

智能檢測系統(tǒng)中的軟件組成2.虛擬儀器 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開始向計(jì)算機(jī)化方向發(fā)展。以計(jì)算機(jī)為核心，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)與測試軟件系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生了虛擬儀器。美國國家儀器公司NI在20世紀(jì)80年代提出了虛擬儀器(VI)的概念，它是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來，用戶可通過友好的圖形界面來操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義和設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器一樣，從而完成對(duì)被測量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。與傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器同樣劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結(jié)果三大功能模塊，如圖