《传感器与检测技术》教案.docx

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《传感器与检测技术》教案

重庆工学院备课纸

教学重点、难点：

传感器的定义、组成、分类；传感器的作用和地位；传感器技术的发展动向；检测技术的定义、作用

教学方法、手段：

教学基本内容：

第1章传感器与检测技术概念

0.1传感器的组成与分类

1．传感器的定义

传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分。

转换元件是指传感器能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。

常见的信号调节与转换电路有：

放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等。

例如：

我们要测量一个直线运动的汽车的加速度（规定的被测量）。

可以设计一个简单的实验装置（如教材图示）

2．传感器的分类

Ø按输入量分类:

位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等

Ø按工作原理分类:

应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等

Ø按物理现象分类:

结构型传感器、特性型传感器

Ø按能量关系分类:

能量转换型传感器、能量控制传感器

Ø按输出信号分类:

模拟式传感器、数字式传感器

0.2传感器的作用与地位

传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即检测与控制系统之首。

因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。

所以，80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，倍受重视。

0.3传感器的发展动向

当前传感器技术的主要发展动向：

开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺，实现传感器的集成化与智能化。

Ø发现新现象

Ø开发新材料

Ø采用微细加工技术

Ø研究多功能集成传感器

备注：

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教学重点、难点：

教学方法、手段：

教学基本内容：

Ø智能化传感器

Ø新一代航天传感器研究

Ø仿生传感器研究

0.4检测技术的定义

1．检测技术属于信息科学的范畴,与计算机技术、自动控制技术和通信技术构成完整的信息技术学科。

2．测量是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作。

测试是具有试验性质的测量,或者可以理解为测量和试验的综合。

0.5检测技术的作用

1．检测技术的作用

客观世界的一切物质都以不同形式不断地运动着。

运动着的物质是以一定的能量或状态表现出来的，这就是信号。

人们为了认识物质世界，就必须寻找表征物质运动的各种信号以及信号与物质运动的关系。

这就是检测的任务。

2．检测技术所涉及到的领域

Ø在工业生产这个领域内

Ø在科学研究领域内

Ø在现代人们的日常生活中

备注：

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教学重点、难点：

静态特性：

线性度、灵敏度、静态误差；动态特性：

动态特性的数学描述、线性系统的传递函数

教学方法、手段：

教学基本内容：

第2章传感器的特性

传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。

而传感器的输入—输出特性是其基本特性，一般把传感器作为二端网络研究时，输入—输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。

1.1传感器的静态特性

1．线性度

（1）传感器的输入—输出关系或多或少地都存在非线性问题。

在不考虑迟滞、蠕变等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程来表示：

静态特性曲线需要进行线性化处理。

（2）常用拟和方法（各种直线拟合方法图示如教材所示）

Ø理论拟合

Ø过零旋转拟合

Ø端点拟合

2．迟滞

（1）传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出与输入曲线不重合时称为迟滞。

迟滞大小一般由实验方法测得。

迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示。

（2）迟滞特性曲线（如教材）

3．重复性

（1）传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。

（2）重复特性曲线（如教材）

4．灵敏度与灵敏度误差

（1）静态灵敏度：

传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。

（2）灵敏度误差：

备注：

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教学重点、难点：

教学方法、手段：

教学基本内容：

5．分辨率与阈值

（1）分辨率：

传感器能检测到的最小的输入增量。

分辨率可用绝对值表示，也可用与满量程的百分比表示。

（2）阈值

在传感器输入零点附近的分辨率。

6．稳定性

（1）稳定性：

传感器在长时间工作情况是输出量发生的变化。

有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。

（2）稳定性误差：

前后两次输出之差。

可用相对误差表示，也可用绝对误差来表示。

7．温度稳定性

（1）温度稳定性：

又称为温度漂移。

它是指传感器在外界温度变化情况下输出量发生的变化。

（2）温度稳定性误差：

测试时先将传感器置于一定温度（例如20℃）下，将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数（例如5℃或10℃），再读出输出值，前后两次输出之差即为温度稳定性误差。

温度稳定性误差用每若干℃的绝对误差或相对误差表示，每℃的误差又称温度误差系数。

8．多种抗干扰能力

传感器对各种外界干扰的抵抗能力。

例如抗冲击和振动能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等，评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。

9．静态误差

（1）静态误差：

传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。

（2）静态误差的求取方法：

把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差，看成随机分布，求出其标准偏差σ，即：

取2σ或3σ值即为传感器静态误差。

静态误差也可用相对误差表示，即：

备注：

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教学方法、手段：

教学基本内容：

静态误差是一项综合性指标，基本上包含了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等。

所以也可以把这几个单项误差综合而得，即：

1.2传感器的动态特性

研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。

经常采用的输入信号为单位阶跃输入和正弦输入。

1．动态特性的数学描述

（1）解析法求解线性系统对激励的响应步骤：

I建立描述该系统的数学方程

II求满足初始条件的解

（2）将输出量与输入量联系起来的方程是微分方程，是基本的数学方程；集总参数的线性系统可用有限阶的线性常系数微分方程来描述：

2．线性系统的传递函数

系统的传递函数是在线性常系数系统中，当初始条件为零时，系统输出量的拉氏变换Y（s）与输入量的拉氏变换X（s）之比，用G（s）表示为：

3．传感器的动态特性指标

动态响应特性一般并不能直接给出其微分方程，而是通过实验给出传感器与阶跃响应曲线和幅频特性曲线上的某些特征值来表示仪器的动态响应特性。

Ø与阶跃响应有关的指标

Ø与频率响应特性有关的指标

图1-5两条典型的阶跃响应曲线、图1-6对数幅频特性曲线（见教材）

4．动态响应分析的基本方法

（1）瞬态响应的分析方法

用拉氏变换分析线性系统响应四个步骤：

Ø建立网络的传递函数G（s）；

Ø求输入量（激励）的拉氏变换，即输入的象函数。

Ø由变换函数和输入的拉氏变换可求输出响应的拉氏变换，即输出象函数。

备注：

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教学方法、手段：

教学基本内容：

Ø对响应的象函数求原函数，即进行拉氏反变换，可得出输出的时间函数。

（2）正弦激励下的稳态频率响应

当测量系统的输入为正弦信号时，无论它是电量还是非电量。

从数学角度看都是一样。

当输入量加入后，由于暂态响应的存在，开始时输出并不是纯正弦波，当暂态响应逐渐衰减直至消失后（理论上需要无限长时间）输出只存在稳态正弦量，它与输入信号的频率相同，但幅值和相移都是频率的函数，这就是网络反映出来的频率响应特性。

图1-7频率响应特性曲线、图1-8输入输出关系曲线图（见教材）

5．典型环节的动态响应特性

（1）一阶（惯性）系统的动态响应

Ø一阶系统的零输入响应

Ø一阶系统的冲激响应（权函数）

Ø一阶系统的阶跃响应

Ø一阶系统的频率响应特性

（2）二阶（振荡）系统的动态响应

Ø二阶系统的零输入响应

Ø二阶系统的冲激响应（权函数）

Ø二阶系统的阶跃响应

Ø二阶系统的频率响应

备注：

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教学重点、难点：

电阻应变片的工作原理、应变电阻传感器的测量电路、直流电桥平衡条件、直流电桥电压灵敏度

教学方法、手段：

教学基本内容：

第2章电阻式传感器

电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。

电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。

目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。

2.1电位器式传感器（不要求）

2.2应变片式传感器

1．电阻应变片的工作原理

电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。

如图所示,一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为：

当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为：

（应变）

则：

通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。

其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为

备注：

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教学重点、难点：

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教学基本内容：

灵敏度系数受两个因素影响:

一个是受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;另一个是受力后材料的电阻率发生的变化,即（Δρ/ρ）/ε。

对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半导体材料的（（Δρ/ρ）/ε）项的值比（1+2μ）大得多。

大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。

对于半导体材料：

半导体应变片的灵敏系数比金属丝高50~60倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重。

使它的应用范围受到一定的限制。

用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。

当测得应变片电阻值变化量ΔR时,便可得到被测对象的应变值。

根据应力与应变的关系,得到应力值σ为：

这就是利用应变片测量应变的基本原理。

2．金属电阻应变片主要特性

（1）金属电阻应变片结构及材料

（2）电阻应变片主要特性

Ø灵敏系数

Ø横向效应

Ø机械滞后，零漂及蠕变

Ø温度效应

Ø应变极限、疲劳寿命

Ø动态响应特性

3．温度误差及补偿

在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数αt及栅丝与试件膨胀系数（βg及βs）之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。

必须采取补偿温度误差的措施。

通常温度误差补偿方法有两类：

（1）自补偿法

Ø单丝自补偿法

Ø组合式自补偿法

（2）线路补偿法

4．应变片式电阻传感器的测量电路

（1）直流电桥

A．直流电桥平衡条件：

电桥如图所示,E为电源,R1、R2、R3及R4为桥臂电阻,RL为负载电阻。

备注：

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教学方法、手段：

教学基本内容：

当电桥平衡时，

。

则：

或

这说明欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。

B．电压灵敏度

R1为电阻应变片，R2,R3