感測器與檢測技術
第一章概述
1：感測器：是能感受規定的被檢測量並按照一定規律轉換成可輸出訊號的器件或裝置。
一、感測器的組成
2：感測器一般由敏感元件，轉換元件及基本轉換電路三部分組成。①敏感元件：
是直接感受被測物理量，並以確定關係輸出另一物理量的元件（如彈性敏感元件將力，力矩轉換為位移或應變輸出）。②轉換元件：是將敏感元件輸出的非電量轉換成電路引數（電阻，電感，電容）及電流或電壓等電訊號。
③基本轉換電路：是將該電訊號轉換成便於傳輸，處理的電量。 大多數感測器為開環系統，也有帶反饋的閉環系統。
二、感測器的分類
1、按被測量物件分類：
（1）內部資訊感測器：主要檢測系統內部的位置，速度，力，力矩，溫度以及異常變化。（2）外部資訊感測器：
主要檢測系統的外部環境狀態，它有相對應的接觸式（觸覺感測器、滑動覺感測器、壓覺感測器）和非接觸式（視覺感測器、超聲測距、雷射測距）。
2、感測器按工作機理：
（1）物性型感測器是利用某種性質隨被測引數的變化而變化的原理製成的（主要有：光電式感測器、壓電式感測器）。
（2）結構型感測器是利用物理學中場的定律和運動定律等構成的（主要有①電感式感測器；②電容式感測器；③光柵式感測器）。
3、按被測物理量分類：
如位移感測器用於測量位移，溫度感測器用於測量溫度。
4、按工作原理分類主要是有利於感測器的設計和應用：電阻式、電感式、電容式、光電式、磁電式、壓電式、熱電式、陀螺式、機械式、流體式。
5、按感測器能量源分類：
（1）無源型：不需外加電源，而是將被測量的相關能量轉換成電量輸出（主要有：壓電式、磁電感應式、熱電式、光電式）又稱能量轉化型；
（2）有原型：需要外加電源才能輸出電量，又稱能量控制型（主要有：電阻式、電容式、電感式、霍爾式）。電阻式包括光敏電阻、熱敏電阻、溼敏電阻等形式。
6、按輸出訊號的性質分類：
（1）開關型（二值型）：是「1」和「0」或開(on)和關（off）；
（2）模擬型：輸出是與輸入物理量變換相對應的連續變化的電量，其輸入/輸出可線性，也可非線性；
（3）數字型：①計數型：又稱脈衝數字型，它可以是任何一種脈衝發生器所發出的脈衝數與輸入量成正比，加上計數器可對輸入量進行計數；②**型（又稱編碼型）：
輸出的訊號是數字**，各碼道的狀態隨輸入量變化。其**「1」為高電平，「0」為低電平。
7、開關型（二值型）：包括：接觸型（微動開關、行程開關、接觸開關）、非接觸型（光電開關、接近開關）；模擬型：
包括：電阻型（電位器、電阻應變片）、電壓\電流型（熱電偶、光電電池）、電容\電感型（電容、電感式位置感測器）；數字型：包括：
計數型（脈衝或方波訊號+計數器）、**型（迴轉編碼器、礠尺）。
三、感測器的特性及主要效能指標
1、感測器的特性主要是指輸出與輸入之間的關係，有靜態特性和動態特性。
2、感測器的靜態特性是當感測器的輸入量為常量或隨時間作緩慢變化時，感測器的輸出與輸入之間的關係，叫靜態特性，簡稱靜特性。
表徵感測器靜態特性的指標有線性度，敏感度，重複性等。
3、感測器的動態特性：感測器的輸出量對於隨時間變化的輸入量的響應特性稱之。取決於感測器的本身及輸入訊號的形式。
感測器按其傳遞、轉換資訊的形式可分為①接觸式環節；②模擬環節；③數字環節。評定其動態特性：正弦週期訊號、階躍訊號。
4、感測器的主要效能要求是：1）高精度、低成本。2）高靈敏度。
3）工作可靠。4）穩定性好，應長期工作穩定，抗腐蝕性好；5）抗干擾能力強；6）動態效能良好。7）結構簡單、小巧，使用維護方便，通用性強，功耗低等。
四、感測檢測技術的地位和作用
1、地位：感測檢測技術是一種隨著現代科學技術的發展而迅猛發展的技術，是機電一體化系統不可缺少的關鍵技術之一。
2、作用：能夠進行資訊獲取、資訊轉換、資訊傳遞及資訊處理等功能。應用：
儀器裝置、家用電器、計算機整合製造系統（cims）、柔性製造系統（fms）、加工中心（mc）、cnc工具機、計算機輔助製造系統（cam）。
五、基本特性的評價指標與選用原則
1、測量範圍：是指感測器在允許誤差限內，其被測量值的範圍；
量程：則是指感測器在測量範圍內上限值和下限值之差。
2、過載能力：一般情況下，在不引起感測器的規定效能指標永久改變條件下，感測器允許超過其測量範圍的能力。過載能力通常用允許超過測量上限或下限的被測量值與量程的百分比表示。
3、靈敏度：是指感測器輸出量y與引起此變化的輸入量的變化x之比。
4、靈敏度表示感測器或感測檢測系統對被測物理量變化的反應能力。靈敏度越高越好，因為靈敏度越高，感測器所能感知的變化量越小，即被測量稍有微小變化，感測器就有較大輸出。k值越大，對外界反應越強。
過高的靈敏度會影響其適用的測量範圍。
5、反映非線性誤差的程度是線性度。線性度是以一定的擬合直線作基準與校準曲線作比較，用其不一致的最大偏差△lmax與理論量程輸出值y（=ymax—ymin）的百分比進行計算。
6、穩定性在相同條件，相當長時間內，其輸入/輸出特性不發生變化的能力，影響感測器穩定性的因素是時間和環境。
7、電阻應變式感測器，濕度會影響其絕緣性；溫度影響其零漂，零漂是指還沒輸入時，輸出值隨時間變化而變化。長期使用會產生蠕變現象。
8、重複性：是衡量在同一工作條件下，對同一被測量進行多次連續測量所得結果之間的不一致程度的指標；（分散範圍小，重複性越好）
9、精確度：簡稱精度，它表示感測器的輸出結果與被測量的實際值之間的符合程度，是測量值的精密程度與準確程度的綜合反映。
10、分辨力是指感測器能檢出被測量的最小變化量。
11、動態特性：反映了感測器對於隨時間變化的動態量的響應特性。感測器的響應特性必須在所測頻率範圍內努力保持不失真測量條件。
一般地，利用光電效應、壓電效應等物性型感測器，響應時間快，工作頻率範圍寬。在動態測量中，響應特性對測試結果有直接影響。採用正弦輸入訊號分析感測器檢測系統的頻率響應，包括幅頻特性和相頻特性
12、環境引數：指感測器允許使用的工作溫度範圍以及環境壓力、環境振動和衝擊等引起的環境壓力誤差，環境振動誤差和衝擊誤差。
六、感測器的標定與校準
1、標定（計量學稱之為定度）是指在明確感測器輸入/輸出變換關係的前提下，利用某種標準器具產生已知的標準非電量（或其它標準量）輸入，確定其輸出電量與其輸入量之間的過程。
2、校準是指感測器在使用前或使用過程中或擱置一段時間再使用時，必須對其效能引數進行複測或作必要的調整與修正，以確保感測器的測量精度。
3、標定系統的組成：①被測非電量的標準發生器或被測非電量的標準測試系統；②待標定感測器；③它所配接的訊號調節顯示、記錄器等。
4、靜態標定是給感測器輸入已知不變的標準非電量，測出其輸出，給出標定方程和標定常數，計算其靈敏度，線性度，滯差，重複性等感測器的靜態指標。對感測器進行靜態標定時，首先要建立靜態標定系統。
5、感測器的靜態標定裝置有：力標定裝置，壓力標定裝置，溫度標定裝置等。
6、對標定裝置要求：①具有足夠的精度，至少應比被標定的感測器高乙個精度等級，並且應符合國家計量值傳遞的規定；②量程範圍應與被標定感測器的量程相適應；③效能穩定可靠，使用方便，能適應多種環境。
7、感測器的動態標定的目的是檢驗測試感測器的動態效能指標。
8、動態標定指標是通過確定其線性工作範圍，頻率響應函式，幅頻特性和相頻特性曲線，階躍響應曲線，來確定感測器的頻率響應範圍，幅值誤差和相位誤差，時間常數，阻尼比，固有頻率等。
9、常用的標準動態激勵裝置有激振器、激波管、週期與非週期函式壓力發生器；（其中激振器可用於位移、速度、加速度、力、壓力感測器的動態標定）。
上述振幅測量法稱絕對標定發，精度較高，但所需裝置複雜，標定不方便，故常用於高精度感測器與標準感測器的標定。工程上採用比較法進行標定，俗稱背靠背法。
10、感測器與檢測技術的發展方向：⑴開發新型感測器。⑵感測檢測技術的智慧型化。⑶復合感測器⑷研究生物感官，開發仿生感測器。
11、開發新型感測器：①利用新材料製作感測器；②利用新加工技術製作感測器；③採用新原理製作感測器。
12、感測檢測技術的智慧型化：感測檢測系統目前迅速地由模擬式、數字式向智慧型化方向發展。
功能：①自動調零和自動校準；②自動量程轉換；③自動選擇功能；④自動資料處理和誤差修正；⑤自動定時測量；⑥自動故障診斷。
13.復合感測器：是同時檢測幾種物理量具有復合檢測功能的感測器。
14、目前研究的生物感測器中有酶感測器、微生物感測器等。生物感測器與微電子技術相結合，將開創人造器官的新時代。
第二章位移檢測感測器
1、位移可分為線位移和角位移兩種。測量位移常用的方法有：機械法，光測法，電測法。
電測法：是利用各種感測器將位移量變換成電量或電引數。再經後接測量儀器進一步變換完成對位移檢測的一種方法。
位移測試系統由感測器、變換電器、顯示裝置或記錄儀器三部分組成。
測量位移常用的感測器有：電阻式、電容式、渦流式、壓電式、光電式、感應同步器式、磁柵式等。
2、位移感測器的分類：參量型位移感測器，發電型位移感測器，大位移感測器。
一、參量型位移感測器
1、參量位移感測器的工作原理：將被測物理量轉化為電引數，即電阻，電容或電感等。
2、電阻式位移感測器的電阻值取決於材料的幾何尺寸和物理特徵，即r= ρ l/s 。
（1）電位計：是一種常用的機電元件。由骨架、電阻元件（線繞電阻、薄膜電阻、導電塑料）、電刷等組成；
函式電位計（非線性電位計）：電位計還可以將位移或轉角變換成與之有某種函式關係的電阻或電壓輸出，稱之。
（2）電位計優點：結構簡單，輸出訊號大，效能穩定，並容易實現任意函式關係，缺點：是要求輸入量大，電刷與電阻元件之間有幹摩擦，容易磨損，產生雜訊干擾。
3、⑴線性電位計的空載特性：rx=rx/l=krx (kr：電位計的電阻靈敏度ω/m 、 電位計的電阻元件長度l、總電阻r、電刷位移x、相應的電阻rx、電源電壓ui、輸出電壓u0)。
電位計輸出空載電壓為u0=uix/l=kux(ku：電位計的電壓靈敏度)。
對於繞線電位計，其電阻和電壓輸出空載特性並不是一條理想直線，而是呈階梯狀，稱為階梯特性。通過階梯中點的直線是理論特性線，階梯特性在其上下波動，這種輸出誤差稱為階梯誤差，是一種原理誤差，限制了線繞電位計的精度和解析度。
《感測器與檢測技術》串講
目錄 感測器與檢測技術 串講資料 1 第一篇分章指導 1 第一章概述 1 第二章位移檢測感測器 6 第三章速度 加速度感測器 17 第四章力 扭矩和壓力感測器 23 第五章視覺 觸覺感測器 35 第六章溫度感測器 35 第七章氣敏 濕度 水份感測器 39 第八章感測檢測系統的構成 41 第九章訊號分...
感測器與檢測技術總結
第一章概述 一 感測器的作用是 感測器是各種資訊的感知 採集 轉換 傳輸和處理的功能器件，具有不可替代的重要作用。二 感測器的定義 能夠感受規定的被測量並按照一定規律轉換成可用輸出訊號的器件或裝置。三 感測器的組成 被測量量 敏感元件 轉換元件 基本轉換電路 電量輸出 四 感測器的分類 按被測量物件...
感測器與檢測技術試題
班級 姓名學號成績 一 填空 20分 1 測量系統的靜態特性指標主要有線性度 遲滯 重複性 分辨力 穩定性 溫度穩定性 各種抗干擾穩定性等。2分 2 霍爾元件靈敏度的物理意義是表示在單位磁感應強度相單位控制電流時的霍爾電勢的大小。2分 3 光電感測器的理論基礎是光電效應。通常把光線照射到物體表面後產...