傳感器與測控技術工程實踐講稿初級

檢測技術作為信息科學的一個重要分支，與計算機技術、自動控制技術和通信技術等一起構成了信息技術的完整學科。在人類進入信息時代的今天，人們的一切社會活動都是以信息獲取與信息轉換為中心，傳感器作為信息獲取與信息轉換的重要手段，是信息科學最前端的一個陣地，是實現(xiàn)信息化的基礎技術之一?！皼]有傳感器就沒有現(xiàn)代科學技術”的觀點已為全世界所公認。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認識自然、改造自然的有利工具。1、傳感器的地位和作用傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。沒有傳感器，現(xiàn)代化生產就失去了基礎。傳感器是邊緣學科開發(fā)的先驅。傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器?？梢?，傳感器技術在發(fā)展經濟、推動社會進步等方面起著重要作用。2、傳感器的定義傳感器是把非電學物理量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強、光照度等）轉換成易于測量、傳輸、處理的電學量（如電壓、電流、電容等）的一種組件，起自動控制作用。國家標準（GB7665-87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：能夠感受規(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。①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；②輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；③輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；④輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭傳感器功用：一感二傳,即感受被測信息,并傳送出去。3、傳感器的組成一般由敏感元件、轉換器件、轉換電路三個部分組成。敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉換成電路參量。基本轉換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉換電路（簡稱轉換電路），便可轉換成電量輸出。實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉換元件)組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是轉換元件。有些傳感器，轉換元件不只一個，要經過若干次轉換。由于空間的限制或者其他原因,轉換電路常裝入電箱中。然而，因為不少傳感器要在通過轉換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。4、傳感器的分類1）力電傳感器力電傳感器主要是利用敏感元件和變阻器把力學信號（位移、速度、加速度等）轉化為電學信號（電壓、電流等）的儀器。力電傳感器廣泛地應用于社會生產、現(xiàn)代科技中，如安裝在導彈、飛機、潛艇和宇宙飛船上的慣性導航系統(tǒng)及ABS防抱死制動系統(tǒng)等。2）熱電傳感器熱電傳感器是利用熱敏電阻的阻值會隨溫度的變化而變化的原理制成的，如各種家用電器（空調、冰箱、熱水器、飲水機、電飯煲等）的溫度控制、火警報警器、恒溫箱等。３）光電傳感器光電傳感器中的主要部件是光敏電阻或光電管。如果是光敏電阻的阻值隨光照強度的變化而變化的原理制成的。如自動沖水機、路燈的控制、光電計數(shù)器、煙霧報警器等都是利用了光電傳感器的原理。4）聲電傳感器5）電容傳感器6）電感傳感器電感式傳感器是利用線圈的自感或互感的變化來實現(xiàn)測量或控制的一種裝置，一般要利用磁場作為媒介或利用磁體的某些現(xiàn)象。5、傳感器的發(fā)展趨勢傳感技術的發(fā)展分為兩個方面：●提高與改善傳感器的技術性能；●尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。改善傳感器的性能的技術途徑如下：A．差動技術差動技術是傳感器中普遍采用的技術。它的應用可顯著地減小溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，抵消了共模誤差，減小非線性誤差等。不少傳感器由于采用了差動技術，還可使靈敏度增大。B．平均技術在傳感器中普遍采用平均技術可產生平均效應，其原理是利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個單元可能帶來的誤差均可看作隨機誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差將減小為δΣ=±δ/√n式中n—傳感單元數(shù)?？梢姡趥鞲衅髦欣闷骄夹g不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。C．補償與修正技術補償與修正技術的運用大致針對兩種情況：★針對傳感器本身特性★針對傳感器的工作條件或外界環(huán)境對于傳感器特性，找出誤差的變化規(guī)律，或者測出其大小和方向，采用適當?shù)姆椒右匝a償或修正。針對傳感器工作條件或外界環(huán)境進行誤差補償，也是提高傳感器精度的有力技術措施。不少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可以控制溫度，搞恒溫裝置，但往往費用太高，或使用現(xiàn)場不允許。而在傳感器內引入溫度誤差補償又常常是可行的。這時應找出溫度對測量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補償措施。補償與修正，可以利用電子線路（硬件）來解決，也可以采用微型計算機通過軟件來實現(xiàn)。D．屏蔽、隔離與干擾抑制傳感器大都要在現(xiàn)場工作，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度與各有關性能。為了減小測量誤差，保證其原有性能，就應設法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。其方法有：減小傳感器對影響因素的靈敏度降低外界因素對傳感器實際作用的程度對于電磁干擾，可以采用屏蔽、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對于如溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對干擾信號進行分離或抑制，減小其影響。E．穩(wěn)定性處理傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標，尤其是對那些很難或無法定期標定的場合。造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時間的推移和環(huán)境條件的變化，構成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。在使用傳感器時，若測量要求較高，必要時也應對附加的調整元件、后續(xù)電路的關鍵元器件進行老化處理。對于電磁干擾，可以采用屏蔽、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對于如溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對干擾信號進行分離或抑制，減小其影響。F．穩(wěn)定性處理傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標，尤其是對那些很難或無法定期標定的場合。造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時間的推移和環(huán)境條件的變化，構成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。在使用傳感器時，若測量要求較高，必要時也應對附加的調整元件、后續(xù)電路的關鍵元器件進行老化處理。傳感器的發(fā)展動向：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。課堂小結了解傳感器的基本概念結合實物了解常用傳感器引入新課簡要復習上次課知識，引入本次課將學習的溫度傳感器知識。新課教學傳感器1、概論溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)。溫度傳感器是實現(xiàn)溫度檢測和控制的重要器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應用最廣泛、發(fā)展最快的傳感器之一。四個溫度段：規(guī)定各溫度段所使用的標準儀器①低溫鉑電阻溫度計（13.81K—273.15K）；②鉑電阻溫度計（273.15K—903.89K）；③鉑銠-鉑熱電偶溫度計（903.89K—1337.58K）；④光測溫度計（1337.58K以上）。國際實用開爾文溫度與國際實用攝氏溫度分別用符號T68和t68來區(qū)別（一般簡寫為T與t）。A）溫度傳感器應滿足的條件特性與溫度之間的關系要適中，并容易檢測和處理，且隨溫度呈線性變化；除溫度以外，特性對其它物理量的靈敏度要低；特性隨時間變化要小；重復性好，沒有滯后和老化；靈敏度高，堅固耐用，體積小，對檢測對象的影響要??；機械性能好，耐化學腐蝕，耐熱性能好；能大批量生產，價格便宜；無危險性，無公害等。B）溫度傳感器的種類及特點接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器2、熱電偶溫度傳感器溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結構簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉換等優(yōu)點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量。熱電偶的工作原理兩種不同的導體或半導體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導體A和B的連接處溫度不同（設T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應?；芈分兴a生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。1）接觸電勢2）溫差電勢熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關；與熱電偶的長度、粗細無關。只有用不同性質的導體(或半導體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產生熱電勢，因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。只有當熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導體材料不同時才能有熱電勢產生。導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢EAB(T，T0)就只與溫度T有關，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。B）熱電偶回路的性質1.均質導體定律2.中間導體定律3.中間溫度定律C）冷端處理及補償原因熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃方法冰點槽法計算修正法補正系數(shù)法零點遷移法冷端補償器法軟件處理法3、熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻是利用某種半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質制成的。在溫度傳感器中應用最多的有熱電偶、熱電阻（如鉑、銅電阻溫度計等）和熱敏電阻。熱敏電阻發(fā)展最為迅速，由于其性能得到不斷改進，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場合下（-40～＋350℃A）熱敏電阻的特點1．電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬2．材料加工容易、性能好3．阻值在1～10M之間可供自由選擇4．穩(wěn)定性好5．原料資源豐富，價格低廉B）熱敏電阻的分類1．正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）2．負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）3．突變型負溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTRC）熱敏電阻器的應用檢測用的熱敏電阻在儀表中的應用電路元件5min50min作業(yè)3課后分析引入新課簡要回顧上次的有關內容，引入本次將學習的內容。新課教學傳感器的選用原則及檢測電路一、傳感器的選用原則傳感器選用必須考慮如下因素：1、與測量條件有關的因素(1)測量的目的；(2)被測試量的選擇；(3)測量范圍；(4)輸入信號的幅值，頻帶寬度；(5)精度要求；(6)測量所需要的時間。2、與傳感器有關的技術指標(1)精度；(2)穩(wěn)定度；(3)響應特性；(4)模擬量與數(shù)字量；(5)輸出幅值；(6)對被測物體產生的負載效應；(7)校正周期；(8)超標準過大的輸入信號保護。3、與使用環(huán)境條件有關的因素(1)安裝現(xiàn)場條件及情況；(2)環(huán)境條件(濕度、溫度、振動等)；(3)信號傳輸距離；(4)所需現(xiàn)場提供的功率容量。4、與購買和維修有關的因素(1)價格；(2)零配件的儲備；(3)服務與維修制度，保修時間；(4)交貨日期。使用有關指標：供電方式（直流、交流、頻率及波形等）、功率、各項分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等；外形尺寸、重量、殼體材質、結構特點等；安裝方式、饋線電纜等。二、增益；；；；；10min15min10min作業(yè)課后分析引入新課簡要復習上次課知識，引入本次課將學習的電感式傳感器知識。新課教學電感式傳感器3、電渦流傳感器位移特性實驗目的：了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。需用器件與單元：電渦流傳感器、直線位移執(zhí)行器，被測導體，測微頭，數(shù)顯電壓表。注意事項：1）渦流效應的強弱除了和被測導體與線圈的距離有關外，還和被測導體的材料有很大關系。這里被測導體的材料是45號鋼。2）受被測導體材料的影響，每只電渦流傳感器都有特定的位移特性。3）電渦流傳感器是非接觸式測量,存在線性起始安裝問題。4)通用放大器(2)調零時數(shù)顯電壓表需從20V檔逐步逐步減小。實驗步驟：1）在直線位移執(zhí)行器圓盤右邊靠外邊的支架安裝上測微頭。測微頭旋在20mm處，并頂住直線位移執(zhí)行器圓盤，擰緊測量架頂部的固定鏍釘。2）將電渦流傳感器安裝在直線位移執(zhí)行器右邊靠里邊的支架上，傳感器引線插入相應插座中,探頭對準并貼近直線位移執(zhí)行器圓盤上的小圓片，擰緊測量架頂部的固定鏍釘。3）電渦流傳感器測量系統(tǒng)面板上的wR1調至最大。4）向里旋轉測微頭，每轉動0.2mm或0.5mm記下數(shù)字電壓表讀數(shù)，直到數(shù)字電壓表讀數(shù)不變，并填入下表：（也可用特性實驗PC數(shù)據(jù)采集軟件操作）X（MM）V（V）作業(yè)作出V-X曲線，計算：（1）線性起點X0，(2)線性范圍(3)靈敏度S和非線性誤差δ。課后分析引入新課簡要復習上次課知識，引入本次課將學習的電容式傳感器知識。新課教學電容式傳感器6、電容式傳感器位移特性實驗 目的：了解電容式傳感器的結構及其特點?；驹恚豪闷桨咫娙軨=εS/d的關系,在ε、S、d中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，就可使電容的容量(C)發(fā)生變化，通過相應的測量電路，將電容的變化量轉換成相應的電壓量,則可以制成多種電容傳感器，如：①變ε的濕度電容傳感器。②變d的電容式壓力傳感器。③變S的電容式位移傳感器。本實驗采用第③種電容傳感器,是一種圓筒形差動變面積式電容傳感器。需用器件與單元：直線位移執(zhí)行器,電容位移傳感器、連接桿,電容傳感器測量系統(tǒng),測微頭,數(shù)字電壓表.注意事項：1）電容式位移傳感器測量桿上有一白圈，表示傳感器的零點，即：當白圈回縮對準，內部動片處于兩靜片的中間。理論上這點的電勢輸出為零。2）調零時數(shù)顯電壓表需從20V檔逐步減檔。實驗步驟：1）直線位移執(zhí)行器圓盤右邊靠外的支架安裝上測微頭。測微頭旋在20mm處，并頂住直線位移執(zhí)行器圓盤，擰緊測量架頂部的固定鏍釘。測微頭旋至10mm處。2）將連接桿插入直線位移執(zhí)行器右邊靠里的支架內，電容位移傳感器安裝在連接桿上，傳感器引線插入相應插座中,探頭對準并頂住直線位移執(zhí)行器圓盤上的小圓片，移動連接桿使測量桿回縮至桿上白圈對準傳感器側壁（零點），擰緊測量架頂部的固定鏍釘。3）電容傳感器測量系統(tǒng)中的“特性/測量”開關置“特性”位，在“特性”輸出口接數(shù)字電壓表。4）將放大器增益調到適中位，調零位使數(shù)字電壓表為零。5）向里旋轉測微頭，每次轉動0.2mm或0.5mm記下數(shù)字電壓表讀數(shù)，（至少10次）并填入下表（也可用特性實驗PC數(shù)據(jù)采集軟件操作）6）測微頭旋回10mm處，向外旋轉測微頭，每次轉動0.2mm或0.5mm記下數(shù)字電壓表讀數(shù)，（至少10次）并填入下表。X（MM）10V（V）0作業(yè)作出V-X曲線，計算：（1）兩個方向的線性范圍(2)線性范圍(3)靈敏度S和非線性誤差δ。課后分析引入新課簡要復習上次課知識，引入本次課將學習的光電式傳感器知識。新課教學傳感器B）內光電效應當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內光電效應，它多發(fā)生于半導體內。根據(jù)工作原理的不同，內光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類：（1）光電導效應在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻。4、光敏管光音頻調制實踐借助工程實踐臺設備，教師完成如下演示性試驗：目的：了解光可作為載體傳輸信號，掌握發(fā)光二極管的光音頻調制,光敏三極管的光音頻解調的基本工作原理?；驹恚涸捦驳囊纛l信號經IC1放大后,使發(fā)光二極管(L2)發(fā)出的光受音頻信號電流的控制,光敏三極管(T)的亮電流也隨接收到的音頻光信號變化,通過R9,RW2轉換成電壓信號,經C1隔去直流份量后輸入IC2驅動喇叭發(fā)聲.A）需用器件與單元：話筒，光電調制系統(tǒng)。B）注意事項：RW2不要太大，以免引起喇叭嘯叫。C）步驟：1）按下光電調制系統(tǒng)中“光源控制方式”開關的“音頻調制”鍵。2）光電器件特性系統(tǒng)中“三極管”置“調制”位。3）插入話筒,調節(jié)RW2在中間位。4）打開光電器件特性中的電源開關。5）對著話筒講話，喇叭發(fā)聲。6）用手遮擋光路，喇叭不發(fā)聲。教師演示后，讓學生參與，強化理論知識的學習，增加學習興趣。5、光敏二極管光電脈沖調制實驗借助工程實踐臺設備，教師完成如下演示性試驗：目的：了解光敏二極管接收光脈沖信號時的基本工作狀況?；驹恚簭陌l(fā)光二極管(L1)發(fā)出的光脈沖激發(fā)了光敏二極管(D)的亮電流,通過R2轉換成脈沖電壓信號輸入三極管(T2)的基極,使三極管(T2)斷續(xù)導通,驅動集電極上的發(fā)光二極管發(fā)出與光源一致的光脈沖。需用器件與單元：光電調制系統(tǒng)。注意事項：光敏二極管工作在反向偏置狀態(tài).亮電流從負極流向正極.步驟1)按下光電調制系統(tǒng)中“光源控制方式”開關的“脈沖調制”鍵.2)光電器件特性系統(tǒng)中“二極管”置“調制”位.3)打開光電器件特性中的電源開關.4）觀察二只發(fā)光二極管的閃爍,調節(jié)wR1可改變發(fā)光二極管(L)的光脈沖周期。用手遮擋光路，觀察發(fā)光二極管的閃爍。教師演示后，讓學生參與，強化理論知識的學習，增加學習興趣。5min50min作業(yè)課后分析引入新課簡要復習上次課知識，引入本次課將學習的力敏傳感器知識。新課教學傳感器4、直流全橋的應用—電子秤實驗目的：了解應變片直流全橋的應用及電路定標?；驹恚弘娮映訉嶒炘頌槿珮驕y量原理，通過對電路調節(jié)使電路輸出的電壓值為重量對應值，將電壓量綱(V)改為重量量綱(g)即成為一臺原始電子秤。需用器件與單元：應變式傳感器及懸臂梁、通用放大器Ⅱ電路、砝碼、電壓表。實驗步驟：1）將通用放大器Ⅱ的S5開關置相應位并按下應變式傳感器R1,R2,R3開關將四片應變片接成全橋,先不要給傳感器加載，將通用放大器Ⅱ的Rw1，Rw3順時調至調最大，抬起S15開關，調Rw5及Rw2使第一級儀表專用放大器輸出Vo3為零。壓下S15開關接入第二級反相放大器,調Rw4使Vo4（Vo）為零。2）在托盤上放10只砝碼給傳感器加載，逐步調小Rw3至數(shù)顯電壓表指示200mV,整個過程Rw1，Rw2，Rw4不要動。3）取下10只砝碼，如數(shù)顯電壓表指示不為零，再調Rw4使Vo4（Vo）為零。4）重復上面第（2）步。5）取下10只砝碼，數(shù)顯電壓表指示應為零。6）每加1只砝碼，記下電壓表讀數(shù)，填入下表：（也可用特性實驗PC數(shù)據(jù)采集軟件操作）。重量（g）電壓（mv）在托盤上放上一未知重量的物體（<200g），根據(jù)電壓表指示值，它有多重？6、根據(jù)上表計算非線性差值。7、分析誤差來源。作業(yè)課后分析引入新課簡要復習上次課知識，引入本次課將學習的壓電式