传感器与检测技术2202自考资料Word下载.docx

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是“1”和“0”或开（ON）和关（OFF）；

（2）模拟型：

输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电量，其输入/输出可线性，也可非线性；

（3）数字型：

①计数型：

又称脉冲数字型，它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器可对输入量进行计数；

②代码型（又称编码型）：

输出的信号是数字代码，各码道的状态随输入量变化。

其代码“1”为高电平，“0”为低电平。

7、开关型（二值型）：

包括：

接触型（微动开关、行程开关、接触开关）、非接触型（光电开关、接近开关）；

模拟型：

电阻型（电位器、电阻应变片）、电压\电流型（热电偶、光电电池）、电容\电感型（电容、电感式位置传感器）；

数字型：

计数型（脉冲或方波信号+计数器）、代码型（回转编码器、礠尺）。

三、传感器的特性及主要性能指标

1、传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系，有静态特性和动态特性。

2、传感器的静态特性是当传感器的输入量为常量或随时间作缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系，叫静态特性，简称静特性。

表征传感器静态特性的指标有线性度，敏感度，重复性等。

3、传感器的动态特性：

传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性称之。

取决于传感器的本身及输入信号的形式。

传感器按其传递、转换信息的形式可分为①接触式环节；

②模拟环节；

③数字环节。

评定其动态特性：

正弦周期信号、阶跃信号。

4、传感器的主要性能要求是：

1）高精度、低成本。

2）高灵敏度。

3）工作可靠。

4）稳定性好，应长期工作稳定，抗腐蚀性好；

5）抗干扰能力强；

6）动态性能良好。

7）结构简单、小巧，使用维护方便，通用性强，功耗低等。

四、传感检测技术的地位和作用

1、地位：

传感检测技术是一种随着现代科学技术的发展而迅猛发展的技术，是机电一体化系统不可缺少的关键技术之一。

2、作用：

能够进行信息获取、信息转换、信息传递及信息处理等功能。

应用：

仪器设备、家用电器、计算机集成制造系统（CIMS）、柔性制造系统（FMS）、加工中心（MC）、CNC机床、计算机辅助制造系统（CAM）。

五、基本特性的评价指标与选用原则

1、测量范围：

是指传感器在允许误差限内，其被测量值的范围；

量程：

则是指传感器在测量范围内上限值和下限值之差。

2、过载能力：

一般情况下，在不引起传感器的规定性能指标永久改变条件下，传感器允许超过其测量范围的能力。

过载能力通常用允许超过测量上限或下限的被测量值与量程的百分比表示。

3、灵敏度：

是指传感器输出量Y与引起此变化的输入量的变化X之比。

4、灵敏度表示传感器或传感检测系统对被测物理量变化的反应能力。

灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，传感器所能感知的变化量越小，即被测量稍有微小变化，传感器就有较大输出。

K值越大，对外界反应越强。

过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。

5、反映非线性误差的程度是线性度。

线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较，用其不一致的最大偏差△Lmax与理论量程输出值Y（=ymax—ymin）的百分比进行计算。

6、稳定性在相同条件，相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力，影响传感器稳定性的因素是时间和环境。

7、电阻应变式传感器，湿度会影响其绝缘性；

温度影响其零漂，零漂是指还没输入时，输出值随时间变化而变化。

长期使用会产生蠕变现象。

8、重复性：

是衡量在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的不一致程度的指标；

（分散范围小，重复性越好）

9、精确度：

简称精度，它表示传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度，是测量值的精密程度与准确程度的综合反映。

10、分辨力是指传感器能检出被测量的最小变化量。

11、动态特性：

反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性。

传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不失真测量条件。

一般地，利用光电效应、压电效应等物性型传感器，响应时间快，工作频率范围宽。

在动态测量中，响应特性对测试结果有直接影响。

采用正弦输入信号分析传感器检测系统的频率响应，包括幅频特性和相频特性

12、环境参数：

指传感器允许使用的工作温度范围以及环境压力、环境振动和冲击等引起的环境压力误差，环境振动误差和冲击误差。

六、传感器的标定与校准

1、标定（计量学称之为定度）是指在明确传感器输入/输出变换关系的前提下，利用某种标准器具产生已知的标准非电量（或其它标准量）输入，确定其输出电量与其输入量之间的过程。

2、校准是指传感器在使用前或使用过程中或搁置一段时间再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以确保传感器的测量精度。

3、标定系统的组成：

①被测非电量的标准发生器或被测非电量的标准测试系统；

②待标定传感器；

③它所配接的信号调节显示、记录器等。

4、静态标定是给传感器输入已知不变的标准非电量，测出其输出，给出标定方程和标定常数，计算其灵敏度，线性度，滞差，重复性等传感器的静态指标。

对传感器进行静态标定时，首先要建立静态标定系统。

5、传感器的静态标定设备有：

力标定设备，压力标定设备，温度标定设备等。

6、对标定设备要求：

①具有足够的精度，至少应比被标定的传感器高一个精度等级，并且应符合国家计量值传递的规定；

②量程范围应与被标定传感器的量程相适应；

③性能稳定可靠，使用方便，能适应多种环境。

7、传感器的动态标定的目的是检验测试传感器的动态性能指标。

8、动态标定指标是通过确定其线性工作范围，频率响应函数，幅频特性和相频特性曲线，阶跃响应曲线，来确定传感器的频率响应范围，幅值误差和相位误差，时间常数，阻尼比，固有频率等。

9、常用的标准动态激励设备有激振器、激波管、周期与非周期函数压力发生器；

（其中激振器可用于位移、速度、加速度、力、压力传感器的动态标定）。

上述振幅测量法称绝对标定发，精度较高，但所需设备复杂，标定不方便，故常用于高精度传感器与标准传感器的标定。

工程上采用比较法进行标定，俗称背靠背法。

10、传感器与检测技术的发展方向：

⑴开发新型传感器。

⑵传感检测技术的智能化。

⑶复合传感器⑷研究生物感官，开发仿生传感器。

11、开发新型传感器：

①利用新材料制作传感器；

②利用新加工技术制作传感器；

③采用新原理制作传感器。

12、传感检测技术的智能化：

传感检测系统目前迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。

功能：

①自动调零和自动校准；

②自动量程转换；

③自动选择功能；

④自动数据处理和误差修正；

⑤自动定时测量；

⑥自动故障诊断。

13.复合传感器：

是同时检测几种物理量具有复合检测功能的传感器。

14、目前研究的生物传感器中有酶传感器、微生物传感器等。

生物传感器与微电子技术相结合，将开创人造器官的新时代。

第二章位移检测传感器

1、位移可分为线位移和角位移两种。

测量位移常用的方法有：

机械法，光测法，电测法。

电测法：

是利用各种传感器将位移量变换成电量或电参数。

再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检测的一种方法。

位移测试系统由传感器、变换电器、显示装置或记录仪器三部分组成。

测量位移常用的传感器有：

电阻式、电容式、涡流式、压电式、光电式、感应同步器式、磁栅式等。

2、位移传感器的分类：

参量型位移传感器，发电型位移传感器，大位移传感器。

一、参量型位移传感器

1、参量位移传感器的工作原理：

将被测物理量转化为电参数，即电阻，电容或电感等。

2、电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特征，即R=ρL/S。

（1）电位计：

是一种常用的机电元件。

由骨架、电阻元件（线绕电阻、薄膜电阻、导电塑料）、电刷等组成；

函数电位计（非线性电位计）：

电位计还可以将位移或转角变换成与之有某种函数关系的电阻或电压输出，称之。

（2）电位计优点：

结构简单，输出信号大，性能稳定，并容易实现任意函数关系，缺点：

是要求输入量大，电刷与电阻元件之间有干摩擦，容易磨损，产生噪声干扰。

3、⑴线性电位计的空载特性：

Rx=RX/L=KRX（KR：

电位计的电阻灵敏度Ω/m、电位计的电阻元件长度L、总电阻R、电刷位移X、相应的电阻Rx、电源电压Ui、输出电压U0）。

电位计输出空载电压为U0=UiX/L=KuX（Ku：

电位计的电压灵敏度）。

对于绕线电位计，其电阻和电压输出空载特性并不是一条理想直线，而是呈阶梯状，称为阶梯特性。

通过阶梯中点的直线是理论特性线，阶梯特性在其上下波动，这种输出误差称为阶梯误差，是一种原理误差，限制了线绕电位计的精度和分辨率。

⑵非线性电位计空载特性：

其电阻灵敏度KR=dR/dx,电压灵敏度Ku=dU0/dx。

非线性电位计结构形式有：

变骨架式、变节距式、分路电阻式、电位给定式等。

4、电阻应变式位移传感器：

是将被测位移引起的应变元件产生的应变，经后续电路变换成电信号，从而测出被测位移。

5、电容式位移传感器：

是利用电容量的变化来测量线位移或角位移的装置。

两平行板之间的电容量为C=ɛS/δ（ɛ0=8.85*10-12F/m、S：

极板间的覆盖面积m2、δ：

极板间的距离m）。

电容式位移传感器：

具有灵活多样的使用方式，既可以在封闭形式下工作，也可以在开放形式下使用，即利用被测对象作为一个极板（被测对象导体），或利用被测对象作为极板间的介质（被测对象绝缘体）。

特点是：

由于带电极板间的静电引力小，活动部分的可动质量小，所以对输入能量的要求低，且具有较好的动态响应特性；

由于介质损耗小，传感器本身发热影响小，而使其能在高频范围内工作。

电容式位移传感器的构件和连接电缆会引起泄露电容，造成测量误差。

（1）变极距型的电容位移传感器：

特点：

有较高的灵敏度，但电容变化与极距变化之间为非线性关系，其它两种类型的位移传感器具有比较好的线性，但敏度比较低。

电容式位移传感器的灵敏度为K=ΔC/Δδ=ɛS/δ02。

把电容位移传感器作成差动形式，当中间活动极板移动时，一边电容增加，另一边电容减小，总的电容变化为两者之和。

不仅提高了灵敏度，同时在零点附近工作的线性度也得到改善。

（2）变极板面积型电容位移传感器：

用于线位移测量，也可用于角位移测量。

采用平板型极板、圆筒型极板、锯齿型极板。

输入、输出具有线性特性。

圆筒型电容位移传感器，当位移x=0时，电容量C0=2πɛl/ln（RB/RA）。

极板移动x后，电容C=2πɛ（l-x）/ln（RB/RA）=C0-C0x/l可得ΔC/C0=x/l。

当θ=0时电容为原始电容C0得电容的相对变化与输入角度的关系ΔC/C0=θ/π。

（3）变介质型电容式位移传感器：

用于位移或尺寸测量的改变介质型电容位移传感器，一般都具有较好的线性特性，但也有输入/输出呈非线性关系。

电容式液位计（测量液面高度），当液面高度为零（无液体）时电容为：

C0=2πɛ1h/ln（r2/r1）；

r2=D/2外极筒内半径，r1=d/2内极筒外半径。

液面高度hx的电容C=2πɛ1h+2π（ɛ2-ɛ1）hx/ln（r2/r1）；

由上两式得ΔC/C0=（ɛ2-ɛ1）hx/ɛ1h。

电容C和介质厚度δ以及介质的介电常数ɛ之间的关系都是非线性的；

即C=ɛ0S/d-δ+（δ/ɛr）；

ɛ0真空介质常数（F/M），ɛr=ɛ/ɛ0介质的相对介电常数，ɛ介质的介电常数。

（4）容栅式电容位移传感器是在面积型电容位移传感器的基础上发展来的，可分为长容栅和圆容栅。

因多极电容及平均效应，分辨力高，精度高，量程大对刻划精度和安装精度要求可有所降低，一种很有发展前途的传感器。

长容栅最大电容量Cmax=n*ɛab/δ；

间隙δ，可动容栅的栅极数n；

a、b为栅极的宽度、长度。

片状圆容栅最大电容量Cmax=n*ɛα（R2-r2）/2δ；

R、r栅极外半径和内半径（m），α每条栅极所对应得圆心角（rad）。

6、电容式位移传感器的绝缘和屏蔽

（1）若绝缘材料性能不佳，绝缘电阻随环境温度和湿度而变化，还会使电容位移传感器的输出产生缓慢的零位漂移；

漏电阻:

通常的绝缘电阻只能视为电容位移传感器的旁路电阻，称之。

寄生电容：

电容传感器的极板和周围物体、各种仪器乃至于人体都会发生电容联系，产生附加电容，称之。

（2）绝缘材料应具有高的绝缘电阻、低的膨胀系数、几何尺寸的长期稳定性和低的吸潮性；

（3）通常对电容位移传感器及其引线采取屏蔽措施，即将传感器放在金属壳内，接地应可靠；

（4）可以消除不稳定的寄生电容，还可以消除外界静电场和交变磁场的干扰。

7、电感式位移传感器：

将被测物理量位移转化为自感L,互感M的变化，并通过测量电感量的变化确定位移量。

主要类型有自感式、互感式'

、涡流式和压磁式。

输出功率大，灵敏度高，稳定性好等优点。

（1）自感式电感位移传感器原理：

缠绕在铁心的线圈中通以交变电流i，产生磁通Φm，形成磁通回路。

磁通与电流的关系：

NΦm=LiN：

线圈匝数，L：

自感（H）。

磁路欧姆定律Φm=Ni/Rm，Rm：

磁阻（H-1）包括：

铁心、衔铁、气隙中的磁阻，Rm=l/μS+2δ/μ0S0，l:

铁心与衔铁的导磁长度（m）；

μ：

铁心与衔铁的导磁率（H/m）；

S：

铁心与衔铁中的导磁面积（m2）；

δ：

气隙厚度（m）；

μ0：

真空磁导率（H/m）；

S0：

气隙导磁横截面积（m2）。

由上可得：

L=N2/Rm=N2*1/（l/μS）+（2δ/μ0S0）。

写成通式：

L=N2/（∑li/μiSi+2δ/μ0S0）。

自感式位移传感器原理结构有：

a.气隙型，b截面型，c.螺管型。

为了提高自感位移传感器的精度和灵敏度，增大特性的线性度，实际用的传感器大部分都作为差动式。

改善其性能考虑的因素有：

1）损耗问题，2）气隙边缘效应的影响，3）温度误差，4）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题。

（2）互感式位移传感器（差动变压器式位移传感器）（测量范围最大）：

将被测位移量的变化转换成互感系数的变化，基本结构原理与常用变压器类似，故称为变压器式位移传感器。

常用的是螺管型。

当一次侧通过交变电流i1时，在二次侧上将感生感应电动势，这一电动势的表达式为：

E=-M*di1/dt。

M：

互感系数（H），与两线圈之间相对位置及周围介质导磁能力等因素有关。

产生零点残压的原因：

由于两二次侧线圈结构不对称、一次侧线圈铜损电阻的存在、铁磁材质不均匀、线圈间的分布电容等因素。

零点残压造成测量误差。

（3）涡流式位移传感器：

利用电涡流效应将被测量变换为传感器线圈阻抗Z变化的一种装置。

主要分为高频反射和低频透射两类。

块状金属置于变化的磁场中或在磁场中运动时，金属体内都要产生感应电流，此电流的流线在金属体内自己闭合，所以称涡流。

涡流的大小与金属体的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t以及线圈与金属体的距离x、线圈的激励电流强度i、角频率ω等有关。

涡流式传感器的特点：

结构简单，易于进行非接触测量，灵敏度高，应用广泛，可测位移、厚度、振动等。

二、发电型位移传感器

1、发电型位移传感器（压电位移传感器）是将被测物理量转换为电源性参量。

如：

电动势、电荷等。

磁电型、压电型。

2、压电式位移传感器的基本工作原理是：

将位移量转换为力的变化，然后利用压电效应将力的变化转换为点信号。

三、大位移传感器

1、磁栅式位移传感器是根据用途可分为长磁栅和圆磁栅位移传感器，分别用于测量线位移和角位移。

磁头分动态（速度磁头）和静态（磁通响应式磁头）。

磁栅式位移传感器精度可达±

0.01㎜/m，分辨率达1～5μm.

2、当磁头不动时，输出绕组输出一等幅的正弦或余弦电压信号，其频率仍为励磁电压的频率，其幅值与磁头所处的位置有关。

当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化。

4、光栅式位移传感器有测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。

其性质：

光栅移动方向与莫尔条纹移动方向垂直。

5、两块光栅作为一个标尺光栅（不动的）和一个指示光栅（动的），标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量程决定。

光栅条纹密度有25条/㎜，50条/㎜，100条/㎜或更密，栅线长度6～12㎜.光栅式位移传感器的测长精度可达0.5～3μm，分辨率达0.1μm.

6、莫尔条纹的性质：

①当两个光栅沿刻线垂直方向相对移动时，莫尔条纹相对栅外不动点沿着近似垂直的运动方向移动，光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B；

②光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变；

③光栅条纹的光强度随条纹移动按正弦规律变化。

常用的光学系统：

透射式光路（栅）；

反射式光路（栅）。

7、感应同步器是利用电磁，原理将线位移和角位移转换成点信号的一种装置。

根据用途，可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量：

线位移和角位移。

原理：

当滑块的两相绕组用交流电励磁时，由于电磁感应，在定尺的绕组中会产生与励磁电压同频率的交变感应电动势E。

当滑尺相对定尺移动时，滑尺与定尺的相对位置发生变化，改变了通过定尺绕组的磁通，从而改变了定尺绕组中输入的感应电动势E。

根据对滑尺的正、余弦绕组供给励磁电压方式的不同，又分为鉴相和鉴幅型测试系统。

感应同步器测位移的特点：

①精度较高，对环境要求低，可测大位移；

②工作可靠，抗干扰能力强，维护简单，寿命长；

③对局部误差有平均化作用。

）

8、激光式位移传感器结构由：

激光器、光学元件、光电转换元件组成激光测试系统，将被测位移量转化成电信号。

（特点：

精度高，测量范围大、测试时间短、非接触、易数字化、效率高。

9、激光干涉测长技术用途：

①精密长度测量（磁尺、感应同步器、光栅检定）；

②精密机床位移检测与校正；

③集成电路制作中的精密定位。

10、常用的激光干涉测长传感器：

①单频激光干涉传感器；

②双频激光干涉传感器。

第三章力、扭矩和压力传感器

一、测力传感器

测量力的传感器多为电气式，根据转换方式分为参量型和发电型。

参量型测力传感器有电阻应变式，电容式，电感式等；

发电型测力传感器有压电式，压磁式。

电阻式应变测力传感器原理是将力作用在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变，利用贴在弹性元件上应变片将应变转换成电阻的变化，然后利用电桥将电阻变化转换成电压或电流的变化，在送入测量放大电路测量。

最后利用标称的电压（电流）和力之间的对应关系，测出力的大小或经换算得到被测力。

弹性元件：

（1）柱型弹性元件（有：

圆柱形、圆筒形、方柱形），受力后的应变值ɛ=F/SE（E材料的弹性模量Pa，S弹性元件的横截面积m2）；

（2）薄壁环型弹性元件（用于测：

拉力、压力），承受的弯矩M=FR0（0.318-0.5cosφ）（R0环的平均半径m，φ断面的坐标角，M坐标角φ断面处的弯矩N·

m），最大弯矩MA=0.318FR0，MB=0.182FR0，应变值ɛA=1.908FR0/bh2E，ɛB=1.908FR0/bh2E（b薄壁环的宽度m，h薄壁环的厚度m，E材料的弹性模量Pa）；

（3）梁型弹性元件（有：

悬臂梁式、两端固定梁式）应变值分别是：

ɛ=6Fl/Ebh2，ɛ=3Fl/4Ebh2（l、b、h长度、宽度、厚度m）。

3、应变片是非电量电测中一种常见的转换元件。

，由于应变片使用简单，测量精度高，体积小，动态响应好，被广泛应用。

4、金属丝的作用：

是感受机械试件的应变变化，称为敏感栅。

5、对金属丝的要求：

（1）具有较高的电阻系数（单位长度的电阻要大）；

（2）具有尽可能大的电阻应变灵敏度系数；

（3）具有较小的温度系数；

（4）具有较高的弹性极限，以便得到较宽的应变测量范围；

（5）良好的加工性和焊接性；

（6）对铜的热电动势要小。

6、底基的作用：

是将试件的应变准确地传给敏感栅，所以底基应具有较低的弹性模量，较高的绝缘电阻，良好的抗湿抗热性能。

厚度20～50μm之间，（常用底基：

纸基、胶基、玻璃纤维布基）。

纸基制作简单，价格便宜，比较柔软，易于粘贴，应变极限大，但耐潮湿性和耐热性差。

胶基比纸基更柔软，且具有较好的绝缘性，较高的弹性，耐热和耐潮湿性都较好，使用温度达100℃～300℃。

用酚醛树脂、环氧树脂、聚酯等固化后制成。

玻璃纤维布基：

制作的底基能耐400℃～500℃的高温，用于中温和高温情况下。

7、箔式电阻应变片：

敏感栅是用（3~5）um厚的金属箔粘于胶基上，用光刻技术加工成需要的形状。

敏感栅制成圆角形栅，也可成直角形栅。

优点：

（1）金属箔很薄，因而所感受的应力状态与试件表面的应力状态更接近；

（2）箔式敏感栅面积大，散热条件好，允许通过较大的电流，灵敏度较高，输出信号功率比较大，为丝式电阻应变片的100~400倍；

（3）箔式敏感栅的尺寸可以做的很准确，基长可以很短，并能制成任意形状，从而可扩大使用范围；

（4）便于成批生产。

缺点：

生产工序复杂，引线的焊点采用锡焊，不适于在高温环境中测量，另外价格比较高。

8、半导体应变片的工作原理是基于压阻效应。

（1）压阻效应是指固体受到应力作用时，其电阻率发生变化。

这种现象称压阻效应。

半导体应变片的应变灵敏系数K=（dR/R）/ɛ=πLE，比电阻应变片的应变灵敏系数50～70倍。

使用于需要大信号输出场合。

（2）优点：

半导体应变片横向效应小，其横向灵敏度几乎为零；

机械滞后小，可制成小型和超小型片子。

（3）缺点：

应变灵敏系数的离散性大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大。

9、应变片的布置和接桥方式：

应根据测量目的、对载荷分布的估计以及在复合载荷下测量应变时应能消除相互影响等情况而定。

电桥：

有单臂、双臂、四臂工作方式（平衡条件U。

=0R1R3=R2R4）

工作方式

单臂

双臂

四臂

应变片所在位置

R1

R1，R2

R1，R2，R3，R4

输出电压Uo

1/4UiKε

1/2UiKε

UiKε

10、压电式传感器是基于压电元件的压电效应而工作的。

压电效应有正压电效应和逆压电效应。

（1）正压电效应是当某些晶体沿一定方向受外力作用而变形时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，这种物理现