传感检测技术及其应用第1－3章节

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1、传感检测技术及其应用郑州大学机械工程学院机电一体化研究所刘武发Wednesday,August25,2021本课程的主要内容1.传感检测技术基础2.常用传感器原理3.传感器信号处理电路4.典型传感器应用8/25/20212第1－3章传感检测技术基础一、传感器测技术概念1.传感检测技术作用（意义、重要性）在自然界、社会生活、生产实践、科学实验等活动中，存在各种各样的量，需要知道他们的存在和大小。有些量大到能够被人们感知，有些量较小，不能被人们感知。要测出人们感兴趣量的大小，就要用到对这些量敏感的传感器，信号处理（调理）电路，检测技术等…8/25/202132.传感器的概

2、念＊传感器是人体五官—耳、眼、鼻、舌、皮肤的工程模拟物。＊传感器广义概念是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置。＊传感器狭义概念是能把外界非电信号转换为电信号输出的器件或装置。＊随着科学技术的进步，传感器的“可用信号”内涵也会随之改变，如人们跨入光子时代，光信号将成为更便于快速、高效处理与传输的“可用信号”了。8/25/202143.传感器的组成敏感元件被测量转换元件基本转换电路电量电路参数物理量例如：悬臂梁加速度传感器8/25/20215敏感元件：悬臂梁把加速度转化为悬臂梁的应变。转换元件：电阻应变片把应

3、变转换为电阻变化。基本转换电路：电桥把电阻变化转化为电压输出。dV8/25/20216二、传感器的工作机理和分类1.传感器工作机理传感器的工作机理是基于各种物理、化学和生物效应等，并受相应的定律和法则支配。了解这些定律和法则有助于对传感器本质的理解和对新效应传感器的开发。＊守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。＊场的定律：如重力场、静电场、磁场等。遵守场定律的传感器可称为“结构型传感器”＊物质定律：表示物质本身内在性质的定律。遵守物质定律的传感器称为“物性型传感器”8/25/20217＊统计法则：把微观系统与宏观系统联系起来的法则。2.传感器的分类＊按被测量分类该

4、分类法明确了传感器的用途，便于使用者选择传感器，如位移传感器、力传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、速度传感器等。＊按工作原理分类该分类法清楚地表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和应用，如电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式传感器等。8/25/20218＊按工作机理分类▽物性型：依靠敏感元件本身的物理化学性质的变化实现信号变换。如压阻式传感器、压电式传感器等。▽结构型：依靠传感器结构参量的变化实现信号转换。如电容式、电感式传感器等。＊按基本效应分类▽物理型：利用某些变换元件的物理性质或某些功能材料的特殊性能制成的传感器。如PN温度传感器。8/25/20

5、219▽化学型：利用电化学反应原理把有机和无机的化学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器。如接触燃烧气敏传感器等。▽生物型：利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。如酸度计传感器等。＊按能量转换关系分类▽能量转换型（无源型、发电型或主动型传感器）不需要外加电源而将被测量转化为电量输出，但其负载能力有限，应用时需要注意。如热电偶、压电式传感器等。▽能量控制型（有源型、被动型传感器）8/25/202110需要外加电源才能将被测信号转化为电量，能量控制型传感器本身参数的改变（如电阻、电容、电感）不起换能作用。＊按输出信号的形式分类▽模拟式：传感器输出模拟信号。大多传感器如此

6、▽数字式：传感器输出数字信号。如编码器式传感器。工程习惯上常根据工作原理和被测量命名传感器，电感式位移传感器，电容式加速度传感器等。8/25/202111三、传感器数学模型（描述方法）传感器作为感受被测量信息的器件，总希望它能按照一定的规律输出有用信号，因此，需要研究其输出-输入关系及特性。最有效的描述方法是传感器的数学模型。由于传感器可以测量时不变信号和时变信号，所以应该以带随机变量的非线性微分方程作为数学模型。这样在数学上有困难，所以，实际上把传感器的静态特性和动态特性分开考虑，从而有静态模型和动态模型。8/25/2021121.静态数学模型指在静态信号作用下（即输

7、入量对时间t的各阶导数等于0）得到的数学模型。其静态数学模型为8/25/202113(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)表示输出与输入量之间的关系曲线称为特性曲线8/25/2021142.动态数学模型传感器的动态数学模型是指传感器在受到时变输入量作用时，其输出－输入之间的关系，通常称为响应特性。有些传感器虽然有良好的静态特性，但由于传感器总存在着弹性、惯性、阻尼等因素，使传感器的输出量不仅与输入量有关，而且还与输入量的变化速度等有关，所以将导致严重的动态误差，这就必须认真研究传感器的动态响应特性，为此建立的数学模型称为动态模型