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传感器与检测技术
传感器与检测技术绪论知识总结，包括传感器与检测技术的地位与作用、检测系统的组成、传感器与检测系统的分类、传感器与检测技术的发展趋势等内容。
编辑于2021-11-02 20:25:29- 传感器与检测技术
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绪论
传感器与检测技术的地位与作用
传感器的定义
传感器是能以一定精确度把某种被测量 （主要为各种非电的物理量、化学量、生物量等） 按一定规律转换为（便于人们应用、处理）另一参量 （通常为电参量）的器件或测量装置。
检测的概念
检测是指在生产、科研、试验及服务等 各个领域，为及时获得被测、被控对象的 有关信息而实时或非实时地对一些参量进行 定性检查和定量测量。
检测系统的组成
传感器
准确性
稳定性
灵敏度
其他
信号调理
数据采集
信号处理
信号显示
指针式
数字式
屏幕式
信号输出
输入设备
稳压电源
传感器与检测系统的分类
按被测参量分类
电工量
热工量
机械量
物性和成分量
光学量
状态量
按被测参量的检测转换方法分类
电磁转换
光电转换
其它能/电转换
按使用性质分类
标准表
实验样表
工业用表
传感器与检测技术的发展趋势
采用新技术、新工艺、新材料，提高现有传感器的性能
探索新现象，研发新型传感器
研究和开发集成化、微型化与智能化传感器
不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性
重视非接触式检测技术研究
检测系统智能化
检测技术基础知识
检测系统误差分析基础
误差的基本概念
测量误差的定义
真值(理论真值)
约定真值
相对真值
示值(测量值、读读数)
误差的表示方法
绝对误差
相对误差
引用误差
最大引用误差 (满度最大引用误差)
检测系统的基本误差，最主要质量指标
精度等级
七个常用精度等级
测量误差分类
按误差的性质分类
系统误差
随机误差
粗大误差
按被测参量与 时间关系分类
静态误差
动态误差
系统误差处理
系统误差的特点 及常见变化规律
恒差型系统误差
线性变差型系统误差
周期变差型系统误差
复杂变差型系统误差
系统误差的判别和确定
恒差系统误差的确定
实验对比
标准器件法(标准件法)
标准仪器法(标准表法)
原理分析 与理论计算
变差系统误差的确定
残差观察法
马利科夫准则
减小和消除系统误差的方法
针对产生系统误差的 主要原因采取对应措施
采用修正方法减小恒差系统误差
交换法(e.g.天平)
零示法(e.g.弹簧秤)
采用交叉读数法(对称 测量法)减小线性系统误差
采用半周期法减小周期性系统误差
随机误差处理
随机误差的分布规律
有界性
单峰性
对称性
抵偿性
测量数据的随机误差估计
测量真值估计 (算数平均值或数学期望)
测量值的均方根误差估计
算术平均值的标准差
(正态分布时)测量结果的置信度
σ：0.6827
2σ：0.9545
3σ：0.9973
粗大误差处理
拉伊达(莱茵达)准则：3倍之外舍弃
格拉布斯准则
传感器与检测系 统特性分析基础
概述
静态特性
动态特性
用途
系统静态特性的主要参数
测量范围
精度等级
灵敏度
测量系统在静态测 量时，输出量的增量 与输入量的增量之比
线性度
理论线性度及其拟合直线
最小二乘线性度及其拟合直线
迟滞(滞环)
检测系统的正向(输入量增大) 和反向(输入量减少)输入时输 出特性不一致程度
重复性
检测在输入量按同一方向(同为正行程 或同为反行程)作全量程连续多次变动 时所得特性曲线不一致程度
分辨力
能引起输出量发生变化 时输入量的最小变化量
死区(失灵区、 钝感区、阈值等)
量程零点(或起始点)处能引起 输出量发生变化的最小输入量
系统动态特性
微分方程
频率特性
传递函数
仪器的校准
静态校准
条件：没有加速度、振动、冲击及环 境温度一般为室温(20±5)℃，相对湿 度不大于85%，大气压(101±7)kPa的情况
精度等级确定
标准器件法
标准仪器法
校准方法
动态校准
一阶系统
时间常数
二阶系统
固有频率
阻尼比
系统的可靠性
基本概念
可靠性水平是传感器和检测仪器最重要的指标之一
影响可靠性因素
内部因素
元器件本身的性能和可靠性
系统结构设计
安装与调试
外部因素
外部电气条件
外部空间条件
外部机械条件
常用可靠性参数指标
可靠度R(t)
可靠度是指产品或系统在规定条件下 和规定的时间内完成规定功能的概率
失效率λ(t)
失效率又称故障率，是指系统工作t 时间以后，单位时间内发生故障的概率
平均寿命
可修复系统：平均寿命是指从一次故障到下一次故障的平均时间
不可修复系统：平均寿命指从工作开始到发生故障的时间
结构型传感器
电阻应变式传感器
工作原理
金属材料的应变电阻效应：金属材料的电阻相对变化与其线应变ε成正比
半导体材料的应变电阻效应
结构与类型
应变片的结构
应变片的类型
按加工方法分
丝式应变片
箔式应变片
半导体应变片
薄膜应变片
按敏感栅材料
金属应变片
半导体应变片
电阻应变计的材料
常用的有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、贵金属等
主要特性
静态特性
灵敏度系数
将具有初始电阻值R的应变计安装于试件 表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应 变计阻值的相对变化与试件表面轴向应变之 比即为灵敏度系数
横向效应
将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然 长度相同，但应变状态不同，应变 片敏感栅的电阻变化较直的金属丝 小，其灵敏系数降低了，这种现象 称为应变片的横向效应
机械滞后
蠕变和零漂
粘贴在试件上的应变计，在温度保持恒定、不承受机械 应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变计的零漂 如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，应 变计电阻值随时间而变化的特性，称为应变计的蠕变。
应变极限
恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值
绝缘电阻和最大工作电流
应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值 通常要求为50-100MΩ以上 不影响应变片工作特性的最大电流称为最大工作电流
温度效应及其补偿
温度效应
概念
产生原因
温度补偿
应变片自补偿
桥路补偿法
热敏电阻补偿法
电桥测量电路
单臂：Uo=U·ΔR/4R
双臂：Uo=U·ΔR/2R
全臂：Uo=U·ΔR/R
电容式传感器
工作原理、类型及特性
工作原理
类型
变极距型
变表面积型
变介质型
应用注意事项及措施
测量电路
电感式传感器
自感式传感器
互感式传感器(差动变压器)
电涡流式传感器
应用
位移测量
振幅测量
转速测量
涡流探伤
常用物性型传感器
压阻式传感器
工作原理
结构与类型
温度补偿及原理
压电式传感器
压电效应及压电材料
压电效应
某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生 极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后， 又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变； 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。 如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形 也随着消失，称为逆压电效应。
压电材料
压电晶体(典型：石英)
压电陶瓷
等效电路及测量电路
影响压电式传感器性能的主要因素
横向灵敏度
环境温度和湿度
安装差异及基座突变
噪声
光电式传感器
光电效应及光电器件
外光电效应
在光的照射下，使电子逸出物体表面而 产生光电子发射的现象称为外光电效应
光电管
光电倍增管
内光电效应
在光线作用下，物体的导电性能发生变 化，引起电阻率或电导改变的现象称为 内光电效应，也称光电导效应
光敏电阻
光敏二极管
光敏三极管
阻挡层光电效应
在光线作用下，物体产生一定方向 的电动势的现象，称为阻挡层光电 效应，也称为光生伏特效应
光伏电池
光电器件的特性
光照特性
伏安特性
光谱特性
频率特性
温度特性
光电式传感器与新型光电检测器
固态传感器
磁敏传感器
霍尔传感器
霍尔效应与霍尔元件
霍尔元件基本特性
额定激励电流
使霍尔元件温升10℃所施加的控制电流
最大允许激励电流
霍尔片允许最大温升为限制所对应的电流
输入电阻
控制电流极间电阻
输出电阻
霍尔电极间电阻
不等位电势
通以额定激励电流IH而不加外磁场时它的霍尔输出端之间的空载电势
霍尔传感器的应用
其他磁敏传感器
湿敏传感器
温度及湿敏传感器
氯化锂湿敏传感器
半导体及陶瓷湿敏传感器
高分子聚合物湿敏传感器
其他固态传感器
气敏传感器
半导体色敏传感器
离子敏感器件(ISFET)
其他传感器技术
红外传感器
红外检测的物理基础
红外探测(传感)器
超声波传感器
超声检测的物理基础
超声波(换能)传感器及其应用
超声波探头
应用
穿透法探伤
反射法(脉冲回波法)探伤
光纤传感器
光纤传感器基础
光纤结构及传光原理
光纤分类
阶跃型光纤：纤芯的折射率分布均匀，不随半径而变化 梯度型光纤：纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线 由大渐小，至界面处与包层折射率一致
通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的模， 而纤芯很细时，只能传播一个模。 前者称为多模光纤，后者称为单模光纤。
光纤传感器及其应用
光纤传感器的分类
功能型(FF型)传感器
利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件
非功能型(NF型)传感器
利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的 传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号 因此，也称传光型光纤传感器
应用
光纤角速度传感器(光纤陀螺)：测量旋转角速率
传感器新技术简介
微波传感器
核辐射传感器
生物传感器
压力检测技术
概述
压力的基本概念与计量单位
压力检测方法
重力平衡法
液柱式压力计
活塞式压力计
弹性力平衡法
物性测量法
常用压力检测仪表
弹性压力计
弹性元件
弹簧管式
特点：测量范围大，可用于高、中、低压或真空度的测量
波纹管式
特点：位移相对较大，灵敏度高，用于低压或差压测量
弹性膜式
特点：平膜片位移很小，波纹膜片压有正弦、锯齿或梯形等 环状同心波纹，挠性膜片仅用作隔离膜片，需与测力弹簧配用
弹簧管压力计
特点：结构简单，使用方便，价格低廉，测压范围宽，精度高
波纹管压力计
膜式压力计
膜片压力计
主要用于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力
膜盒压力计
常用于测量气体微压和负压
弹性压力计信号远传方式
电位器式
特点：比较简单，有很好的线性输出，可靠性较差
霍尔式
特点：结构简单，灵敏度高，寿命长，对外部磁场敏感，耐振性差
差动变压器式
特点：线性好、附加力小、位移范围较大，处于中央位置时输出不为零
电测式压力计
应变式
特点：具有精度高、体积小、重量轻、测量范围宽等 优点，同时抗振动、抗冲击性能良好。但应变片阻值 受温度影响较大，需要考虑温度补偿
电容式
特点：有较高的灵敏度，但当位移较大时传感器非线性 严重；可改善非线性、提高灵敏度、并可减小因极板间 电介质的介电常数ε受温度影响而引起的不稳定性
压电式
特点：压电式压力传感器体积小，结构简单，工作可靠； 测量范围宽；测量精度较高；频率响应高。但不适宜测 量缓慢变化的压力和静态压力。
振频式
光电式
光纤式
超声式
压力检测仪表 的选择与安装
压力检测仪表的选择
计算题
类型选择
量程选择
测量稳定压力时，正常操作压力应小于满量程的2/3
测量脉动压力时，正常操作压力应小于满量程的1/2
典型：水轮机
测量高压时，正常操作压力应小于满量程的3/5
被测压力的最小值，不应低于满量程的1/3
量程系列：(1、1.6、2.5、4、6)×10^n Mpa
精度选择
工作计量器具：1.0、1.6、2.5、4.0
压力标准器：0.1、0.16、0.25、0.4
压力检测仪表的安装
动态压力检测的管道效应
温度检测技术
概述
温标
经验温标
热力学温标
国际实用温标
测温方法分类及其特点
接触式测温方法
膨胀式温度计及其应用特点
压力温度计
双金属温度计
热电阻测温技术
铂电阻测温
热电阻的结构
热电阻的引线形式
两线制
三线制
四线制
铜电阻测温
热敏电阻测温
热电偶测温技术
热电偶传感器的测温原理
产生热电势由两部分组成：温差电势和接触电势 温差电势远远小于接触电势
热电偶回路几点结论
材料相同的均匀导体，总电势为0
两结点温度相等，总电势为0
热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。
热电偶基本定律
中间导体定律
在热电偶测温回路内，接入第三种导体，只要 其两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响
参考电极定律
当结点温度为T, T0时，用导体A，B组成的热电偶的 热电动势等于AC热电偶和CB热电偶热电动势的代数和
热电偶的结构形式
普通型热电偶
铠装热电偶
快速微型热电偶
钨铼系热电偶
热电偶的冷端温度误差及补偿
计算修正法
零度恒温法(冰浴法)
仪表机械调零法(现场近似法)
热电偶温度测量
计算题
辐射法测温
辐射测温的基本原理
辐射测温方法及其仪表
光谱辐射温度计
光学高温计(灯丝隐灭式)
光电高温计
比色高温计
红外测温与红外热成像测温仪
机械量检测技术
位移检测
位移检测方法
测量速度积分法
回波法
线位移和角位移法
物理参数法
线位移检测
电位器式
光栅式
结构
莫尔条纹
产生
特点
放大作用
误差平均作用
方向对应与同步性
测量原理
特点
感应同步器
激光距离检测
脉冲式
相位式
角位移检测
旋转变压器
微动同步器式角位移传感器
数字式角编码器
速度检测
测量方法
微、积分测速法
线速度和角速度相互转换测速法
利用物理参数测速法(速度传感器法)
时间、位移计算测速法
线速度测量
磁电感应式测速
皮托管测速
空间滤波法测速
弹丸飞行速度测量
转速测量
模拟式转速测量仪表
直流测速发电机
离心式转速表
频闪式转速表
数字式转速检测方法
磁电感应式
电容式
霍尔式
光电式
加速度检测
测量原理
位移式加速度传感器
霍尔加速度传感器
电位器式加速度传感器
应变式加速度传感器
微机电系统加速度计