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检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第一章 绪论,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第一章 绪论,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第二章 检测装置基本特性,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第一章 绪论,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第三章 电参量检测装置,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第一章 绪论,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第三章 电参量检测装置,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第一章 绪论,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第三章 电参量检测装置,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第一章 绪论,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第四章 电量检测装置,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第一章 绪论,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第五章 数字与现代检测装置,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第一章 绪论,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第六章 测量误差分析,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第一章 绪论,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第七章 信号调理,检测,检测装置,检测技术,检测技术,(,装置,),发展历程,对检测装置,(,系统,),的要求,高等院校自动化新编系列教材,1.1,检测技术概述,现代检测技术,第一章 绪论,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,北京邮电大学出版社,课件系列,单击此处编辑母版标题样式,走信息路 读北邮书,本书的封面,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,北京邮电大学出版社,课件系列,单击此处编辑母版标题样式,走信息路 读北邮书,本书的封面,现代检测技术,第,2,版,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第,1,章 绪 论,1.1,1.2,1.3,1.4,检测技术概述,传感器概述,现代检测系统,检测技术发展趋势,1.1,检测技术概论,被测参数（,物理量,、化学量、生物量）,参数检测：检查、测量、测试的总称,检测装置：实现参数检测的变换器。,三个环节：输入单元、处理单元、输出单元。,*,检测技术,：以研究信息的,提取、转换、处理,为理论和技术的一门应用技术学科。,1,、检测技术基本概念,2,、检测装置（系统）的发展历程,第一代检测装置：,以物理学原理为基础,交流电压表,天平,压力表,第二代检测装置：,电子管、晶体管为基础,，处理,模拟电信号。例如：示波器、信号发生器等,第三代检测装置：,数字集成电路与模拟放大器等,组合,，具有信号处理功能仪器仪表。显示仪表、万,用表、信号发生器、示波器等。,信号发生器,示波器,第四代检测装置：,以微处理器为核心的智能化仪,表。,波形存储示波器。,波形存储示波器,数字万用表,虚拟仪器,检测技术、计算机技术与网络技术结合的产物。多参量,多点检测。,虚拟示波器,虚拟信号发生器,PC,机,+,数据采集卡,+,驱动程序,+,系统软件,虚拟仪器,现场总线仪表,水电煤气和供热计量远程抄表系统,3,、对检测装置的基本要求与举例,（,1,）能实现多参数、多点检测。,（,2,）动态参数测量，系统的频带宽。,（,3,）实时性要求高的系统，能够实现快速信号处理。,（,4,）能够实现数据通信。,例,1,感温、感烟火灾报警系统,集,控,器,1,中,央,监,控,图,1-1,监控系统组成框图,探头,11,探头,12,探头,1N,串行总线,现场总线,房间内,智能感温、感烟探头,：,负责检测温度、浓度信号、超限报警。输出温度、浓度信号通过串行通讯线送入集控器。,楼道集控器：,负责信号汇总，汇总各房间的温度和浓度信号，并监控各房间温度、烟浓度是否异常，如异常，声光报警并打开喷淋设备灭火，一层一台。,中央监控计算机：,各层集控器通过,CAN,总线、,M-BUS,总线等现场总线将温度、浓度等信号送入。值班人员在电脑屏幕上直观监视各房间情况（温度、烟雾浓度）。,电视摄像头：,房间、楼道装配，通过电视屏幕查看房间、楼道情况。感温、感烟传感器，就像人的感官。,图,1-2,（,a,）装有温湿度探头的粮仓示意图,通,风,口,探,头,通,风,口,通,风,口,例,2,粮仓温湿度检测系统,图,1-2,（,b,）温湿度监控组成框图,巡,检,仪,中,央,监,控,探头,1,探头,2,探头,N,串行总线,现场总线,粮仓,分层风机,定性,人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。,定量,传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。,例,3,人与机器的功能对应关系,图,1-3,人与机器的机能对应关系图,外,界,对,象,感官,传感器,人脑,微机,肢体,执行器,1.2,传感器概述,传感器,X,Y,Y=F,（,X,）,物理量,化学量,生物量,电量,1,、*传感器的定义（,Sensor,）,能够感受规定的,被测量,并按,一定规律,转换成,可用输出信号,的器件或装置,。（,GB7665,87,）,*,能够,将被测,非电量,转换为,电量,的装置。,（狭义）,光电池、光敏电阻,2,、*传感器的组成,图,1-4,差动电感压力传感器组成框图,*,思考：敏感元件、转换元件、转换电路的作用。,敏感元件,转换元件,敏感元件,转换元件,转换电路,图,1-6,传感器组成框图,被测量,中间量,电量,电信号,膜盒,差动电感,电桥电路,图,1-5,气体压力传感器组成框图,P,S,L,U,0,差动电感压力传感器组成框图,mV,T,T,0,B,A,（,a,）热电偶,I,hf,G,(b),光电池,f,+,+,+,+,+,Q,(c),压电传感器,R,R,T,R,0,R,U,0,Ui,(d),热敏电阻传感器,图,1-7,传感器组成电路,课堂练习：画出上述传感器组成框图,3,、传感器分类,（,1,）按能量转换情况,能量控制型传感器,:,需外供电源，,只起信号转换，,不起能量转换。,R,R,T,R,0,R,U,0,Ui,能量转换型传感器：,不需外加电源，,本身起能量转换。,f,+,+,+,+,+,Q,（,2,）按物理工作原理分类,（教科书）,按传感器的结构、原理、测量电路及应用讲授。条理较清晰。,U,0,U,i,（,3,）根据输入物理量（用途）分类,物理量：,温度、压力、流量、料位、位移、加速度等。,化学量：,物质成分、浓度、酸碱度等。,生物量：,血压、心电图、脑电波等。,（,4,）按输出信号的性质分类,模拟式传感器和数字式传感器。,模拟式传感器,:,输出电压、电流等模拟量。,数字式传感器：输出数字量、脉冲量。,光栅、,数字编码器,、,CCD,传感器等。,4,、传感器的发展趋势,（,1,）不断提高传感器的性能,扩大应用范围,（测量精度、稳定性、可靠性、分辨率、测量范围、抗干扰能力等）,（,2,）开发新型传感器,发现新效应材料。,用单晶硅、多晶硅、非晶硅制作光电池。光伏发电。,采用新工艺、新技术。,如纳米技术、,MEMS,技术开发微型传感器，用于工业、医疗与军事等领域,。,（,3,）研制集成化、多功能和智能化传感器,传感器,T,P,Q,Y,多功能化,智能化：,微机加传感器。,数据采集、,数据处理、逻辑判断、串行通信等。,（,4,）,系统网络化、传感器微型化,无线传感器网络。,图,1-8,温度传感器 图,1-9,压力传感器,传感器实例,图,1-10,液位传感器,1.3,现代检测系统,1,、*结构组成,传感器,处理单元,输出单元,图,1-11,检测系统组成框图,被测量,电信号,有效电信号,传感器的转换精度直接决定检测系统的精度。,处理单元的种类随传感器种类的不同而不同。,输出单元不同，检测系统的叫法不同。,传感器,处理单元,显示器,记录仪,自动检测系统,传感器,处理单元,计数器,累加器,自动计量系统,传感器,处理单元,报警器,自动保护系统,传感器,处理单元,图像输出,自动诊断自动识别系统,图,1-12,检测系统的类型,传感器,处理单元,显示器,记录仪,自动检测系统,电子体温计,电子血压计,传感器,处理单元,计数器,累加器,自动计量系统,电子水表,煤气表,传感器,处理单元,报警器,自动保护系统,感烟报警器,感温报警器,传感器,处理单元,图像输出,自动诊断自动识别系统,拍照及指纹识别考勤机,（,1,）基本检测型,2,、应用类型,A/D,微机,对象,传感器,输出,信号调理,图,1-13,（,a,）基本检测型组成框图,实时检测锅炉温度，温度超过,95,报警，测量温度范围,0,110,。,热电偶温度传感器将温度转换为,mV,电压，,0,110,转换为,0,10 mV,。经过放大器放大到,0,2V,。送,10,位,A/D,转换器离散为数字量。微机根据测得的数字量计算得到温度值。送显示器显示，同时判断温度是否超过,95,，超过报警。,A/D,转,换,器,微机,传感器,1,显示,多,路,转,换,器,传感器,2,传感器,n,打印,报警,通信,可编程增益放大器,A,B,C,X1,X2,Xn,图,1-13,（,b,）基本检测型组成框图,（,2,）标准接口型,PC,机为控制器，配置总线接口卡板，（,CAN,总线、,RS485,总线、,USB,、虚拟仪器采集卡）应用相应通,信协议，数据采集处理，通信。,PC,机,（带相应,总线,接口卡）,带,GPIB,仪器,带,VXI,仪器,虚拟仪器网络,带,RS485,仪器,带现场总线仪器,带,USB,接口仪器,（,3,）控制型,给定值,A/D,微机,对象,传感器,D/A,信号调理,给定单元,控制器,电动调节阀,上水箱,液位变送器,X,R,X,i,X,e,扰动,图,1-14,控制型组成框图,L,执行器,LT,LT,液,位,控,制,器,液位变送器,电动调节阀,泵,储水箱,上水箱,下水箱,图,1-15,水箱液位控制（过程控制）,例,1,置于现场,将过程量转换为标准信号的装置。,位于过程控制的反馈通道,相当于生产过程的感官。,图,1-16,变送单元,图,1-17,冷轧带钢板板厚控制（运动控制）,检测板厚,控制器,液压执行机构,轧辊,带钢,例,2,给定厚度,A/D,微机,轧机,板厚传感器,D/A,信号调理,H,1.4,检测技术的发展趋势,微,(,小,),型化、智能化、网络化、硬件平台通用化、,软件多功能化。,微,(,小,),型化：,节材、节能、减小体积，减轻重量。,智能化：,硬件功能软件化，提高性能价格比。,网络化：,实现信息共享，满足现代检测需要。,硬件平台通用化、软件多功能化：,硬件模块化，根据具体的检测控制任务，编写应用程序。,思考题与习题,1,、检测、检测装置、检测技术。,2,、,传感器概念、组成及各组成部分功能。,3,、,基本检测系统与控制型检测系统组成框图。,各环节的作用。,4,、由图,1,热电偶、光电池、压电传感器、热敏电阻原理图画出它们的组成框图。,5,、由图,2,上水箱液位控制系统工艺流图画出其单回路控制系统组成框图。,mV,T,T,0,B,A,（,a,）热电偶,I,hf,G,(b),光电池,f,+,+,+,+,+,Q,(c),压电传感器,R,R,T,R,0,R,U,0,Ui,(d),热敏电阻传感器,图,1,几种传感器工作原理图,LT,LT,液,位,调,节,器,液位变送器,电动调节阀,泵,储水箱,上水箱,下水箱,图,2,上水箱液位控制系统工艺流图,MEMS,是英文,Micro Electro Mechanical systems,的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统,(MEMS),技术是建立在微米,/,纳米技术（,micro/nanotechnology,）基础上的前沿技术，是指对微米,/,纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术,(,包括硅体微加工、硅表面微加工、,LIGA,和晶片键合等技术,),相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。,参考内容,微电子机械系统（,MEMS,）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。对 微电子机械系统,(MEMS),的研究主要包括理论基础研究、制造工艺研究及应用研究三类。理论研究主要是研究微尺寸效应、微磨擦、微构件的机械效应以及微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制研究等；制造工艺研究包括微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微测量技术等；应用研究主要是将所研究的成果，如,微型电机、微型阀、微型传感器以及各种专用微型机械,投入实用。如,医疗血管病变探测器、微型心脏起波器，工业用途机器人、军事微型侦察机等。,虚拟仪器,第,2,章 检测装置基本特性,2.1,2.2,2.3,2.4,*,线性检测装置概述,*,检测装置的动态特性,不失真测量条件和装置组建,*,检测装置的静态特性,2.5,检测装置的基本特性测试,检测装置的特性分析与应用,参数检测：,已知装置的特性和输出信号,求出输入,信号。,多环节检测装置组建：,已知装置的各个环节的特性和输入信号,求出输出信号。,装置的特性分析：,由装置的输入输出信号，推断装置的特性。（系统辩识）,2.1,线性检测装置概述,线性时不变检测装置服从叠加性、齐次性、微分、积分和频率保持特性。,(2-1),(2-2),(2-3),(2-4),2.2,检测装置的静态特性,1,、静态特性的定义,被测量的值处于,稳定状态,时，传感器的输出与输入的关系。,2,、静态特性描述,：数学公式或数学模型。,水银温度计：,滑动电位器：,(2-5),(2-6),检测装置的输出与输入关系通用表达式：,3,、检测装置的静态特性参数,（,1,）零点,（,2,）灵敏度,(2-7),(2-8),思考：线性与非线性检测装置,K,的特点？,（,3,）分辨力,反映检测装置能够有效辨别最小输入变化量的能力。,温度检测装置显示器显示温度变化最小值为,0.01,水表最小显示水量为,0.001m,3,。,（,4,）量程,反映检测装置能够有效测量最大输入变化量的能力。,4,、,静态特性的质量指标,y,x,Lmax,y,FS,x,m,0,滞差,重复性,线性度,灵敏度,（,1,）滞差,检测装置在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出与输入特性曲线不重合的现象。,滞差计算式,(2-9),图,2-1,迟滞特性曲线,传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，（如轴承摩擦，间隙，螺钉松动等）一般,结构型传感器在装载和卸载过程中存在滞差。,（,2,）重复性,重复性误差的计算,输入量按同一方向（增大或减小）作全量程连续多次变化时，,所得特性曲线不一致的程度。,(2-10),图,2-2,重复性特性曲线,例,1:,压力传感器，测量压力范围为,0 100 k Pa,输出电压范围为,0 1000mV,若正反行程各,10,次测量，单行程传感器最大误差为,5 mV,。正反形成间最大误差为,6 mV,，求重复性误差及滞差。,（,3,）线性度,检测装置的输出与输入之间数量关系的线性程度。,检测装置非线性大小的确定,线性度的计算公式,(2-11),校准曲线（实测曲线）,y,x,Lmax,y,FS,x,m,0,拟合直线（理想直线）,2-3,端点连线拟合,温度仪,恒温油槽,标准水银温度计,传感器探头,可控硅温度控制仪,标准器具,T,例：温度校准曲线测定,X,水,Y,仪,y,FS,0,x,M,x,y,Lmax,y,FS,0,x,M,x,y,L2,L1,y,x,Lmax,y,FS,x,m,0,y,x,y,FS,x,m,0,2-3(c),端点连线拟合,2-3(b),过零旋转拟合,2-3(a),理论拟合,2-3(d),最小二乘拟合,拟合直线的选取方法,目的,:,1,、用拟合直线代替校准曲线，方便计算。,2,、检验传感器或仪表是否合格。,用最小二乘法建立拟合直线（曲线）,（,1,）实测,n,对测量数据（,x,i,y,i,）,建立拟合直线方程,Y,=b+k X,（,2-12,）,（,2,）应用最小二乘法原理,使各测量数据点,y,i,与直线输出,Y,（计算）偏差的平方和为最小。,(2-13),(2-14),(2-15),(2-16),(2-17),（,3,）求取参数建立拟合直线,例,2:,压力传感器，测量压力范围为,0,100 k Pa,输出电压范围为,0,1000mV,实测压力值，传感器输出电压为,518mV,，标准传感器 输出电压为,515 mV,。假设此点测量误差最大。,（,1,）非线性误差。,（,2,）设传感器为线性传感器，求灵敏度。,（,5,）稳定性和可靠性,稳定性：,在规定的工作条件下，在规定的时间内，装置性能保持不变的能力。,装置的稳定性取决于其内部元器件的稳定性。,可靠性：,在保持使用环境和运行指标不超过极限的情况下，装置性能保持不变的能力。,装置的稳定性和可靠性取决于,其内部元器件的可靠性和抗干扰措施的优劣。,衡量装置可靠性的指标：,平均无故障时间,（,MTBF,：,Mean Time Between failures,）标准工作条件下，若干台仪器连续工作无故障工作间隔时间。,故障率：,单位时间若干台仪器出现故障的台数。,（,6,）输入输出电阻,串联环节组成检测装置，要求各个环节输入电阻越大，输出电阻越小越好。,保持信号不衰减。,5,、,检测装置的标定,在标准条件下，由标准器具给出一系列已知输入量，对待测装置输入输出关系进行测量处理过程。,标准装置,待测装置,X,Y2,Y1,标准器具,校准,将检测装置在使用一定时间后进行性能复测。,标定,特点：,输入确定，测试并对比输出，计算质量参数，确定是否合格。,（,1,）将检测装置全量程分成若干个等间距点。,（,2,）对检测装置进行正、反行程全量程多点多次测试，得到输出输入测试数据用表格列出或画成曲线。,（,3,）对测试数据进行处理，根据处理结果确定检测装置的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。,（,4,）根据国家对同类检测装置的性能指标要求，确定检测装置是否合格。,静态特性标定的步骤,恒温油槽,标准水银温度计,可控硅温度控制仪,标准铂电阻,T,待标定铂电阻,2-5,铂电阻标定系统,铂电阻标定系统,标准温度值,标准电阻值,待测电阻值,0.00,1000.00,1000.01,10.00,1039.03,1039.05,20.00,1077.94,1077.97,30.00,1116.73,1116.76,40.00,1155.41,1155.44,50.00,1193.97,1193.99,60.00,1232.42,1232.46,70.00,1270.75,1270.78,80.00,1308.97,1308.99,90.00,1347.07,1347.10,100.00,1385.06,1385.09,2.3,检测装置的动态特性,1,、定义,传感器输出对随时间变化的输入量的响应特性。,2,、研究方法,时域瞬态响应法，标准的输入信号,阶跃输入。,频域频率响应法，标准的输入信号,正弦输入。,动态特性的三种表示方法,微分方程、传递函数、频率响应特性,微分方程（时域）,传递函数（复域）,(2-18),(2-19),频率响应特性（频率域）,3,、输出信号不失真条件,(2-20),(2-21),4,、常见装置的数学模型,（,1,）一阶装置的传递函数,C,K,X,（,t,）,y,（,t,）,A,图,2-6,（,a,）弹簧,-,阻尼器一阶环节,(2-22),v,（,t,）,R,C,u,（,t,）,图,2-6,（,b,）电容,-,电阻,RC,电路,一阶环节的时间常数和放大倍数取决于装置的结构参数。,(2-23),对比,（,2,）二阶装置的传递函数,y,（,t,）,C,K,f,（,t,）,m,图,2-7,（,a,）质量,-,弹簧,-,阻尼器二阶环节,质量,-,弹簧,-,阻尼器二阶环节运动方程,(2-24),v,（,t,）,R,C,u,（,t,）,L,图,2-7,（,b,）电感,-,电容,-,电阻,RLC,电路,电感,-,电容,-,电阻,RLC,电路回路方程（,KVL,）,(2-25),等效为二阶系统微分方程,(2-26),例：压电加速度传感器动态特性用微分方程描述,Q,：输出电荷（,PC,）,a,：输入加速度,(m/s,2),。求,静态灵敏系数,固有振荡频率,阻尼系数,对比,5,、瞬态响应特性,（,1,）一阶环节的阶跃响应,图,2-8,一阶环节的阶跃响应,(2-27),1,t,0,x,1,t,0,0.632,y,从阶跃信号作用开始，到,输出增加到稳态输出的,0.632,倍时所花时间。,动态误差的计算？减小动态误差的方法？,(2-28),(2-29),（,2,）二阶环节的阶跃响应,(2-30),图,2-10,二阶环节的阶跃响应,合理选择传感器参数，响应即快速，超调量小。,思考题与习题,1,、静态特性概念及其性能指标,（非线性、重复性、迟滞、灵敏度）,性能指标的概念、公式、计算。,压力传感器，测量压力范围为,0,100 k Pa,输出电压范围为,0,1000mV,实测压力值，传感器输出电压为,512mV,，标准传感器 输出电压为,510 mV,。假设此点测量误差最大。,（,1,）非线性误差。,（,2,）若重复,10,次测量，最大误差为,3 mV,。重复性误差。,（,3,）若正反行程各,10,次测量，正反形成间最大误差为,4 mV,，求迟滞。,（,4,）设传感器为线性传感器，求灵敏度。,2,、,3,、何为检测装置的标定，标定的目的及方法。,4,、传感器动态特性及其描述方法。,5,、,总结一阶、二阶检测装置动态特性的研究方法。说明为何一阶检测装置只能用于测量慢变或低频信号？,6,、,对检测装置输入阻抗和输出阻抗的大小有何要求？,3.1,3.2,3.3,电阻式传感器,电容式传感器,电感式传感器,第,3,章 电参量检测装置,3.1,电阻式传感器,敏感元件,转换元件,转换电路,被测量,中间量,电阻,电信号,电阻式传感器组成,电阻式传感器分类,磁敏电阻式,电阻应变式、压阻式,热阻式,光敏电阻式,湿敏电阻式,一、电阻应变式传感器,弹性体（,F,）,F,应变片,R,电桥电路,RU,0,弹性体 应变片 电桥电路,x,（力、加速度、荷重等）应变 电阻变化 电压,应变片：利用金属丝的电阻,应变效应,或半导体的,压阻效应,制成的一种转换元件。,分类：电阻丝应变片和半导体应变片。,电阻应变式传感器,定义,弹性敏感元件,电阻应变片,测量电路（电桥）,1,、电阻应变片的结构,图,3-1,电阻丝应变片结构,图,3-2,半导体应变片的结构,敏感栅,感受应变，并将应变转换为电阻的变化。,基底,绝缘及传递应变。,由纸薄、胶质膜等制成。,粘结剂,敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。,覆盖层,保护作用。防湿、蚀、尘。,引线（低阻易焊）,连接电阻丝与测量电路，输出电参量。,（,310,）,mm,2,，,120,应变片规格,金属丝受拉时，,l,变长、,r,变小，导致,R,变大。,2,、电阻应变片的应变效应,图,3-3,电阻丝的应变效应,应变片沿轴向受到拉伸或压缩，其阻值增大或减小，此现象为电阻应变效应。,(3-1),截面为圆形的单根金属电阻丝,(3-2),当电阻丝受到拉力,F,作用时,相对变化量表示,(3-3),对于半径为,r,的圆导体,（,3-4,）,在弹性范围内，轴向应变与径向应变关系为,（,3-5,）,（,3-6,）,（,3-7,）,*,电阻丝应变片应变效应表达式,（,3-8,）,（,3-9,）,*,半导体应变片应变效应表达式,3,、电阻应变片的特性,（,1,）应变片的灵敏系数,K,=0.285,钢件,确定方法：实验测定,确定过程：,应变片,F,F,应力仪测出,X,电,位,差,计,测,R/R,图,3-4,应变片,K,确定方法,（,2,）*横向效应,图,3-5,应变片的轴向受力与 横向效应,定性分析,（,a,）应变片示意图,（,b,）圆弧段局部放大图,定量分析,应变片置于二维应力场，即有 ，又有 。,（,3-9,）,圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸长引起阻值增加量起着抵消作用。此现象为横向效应。,横向效应,同样应变阻值变化减小，,K,值减小。,横向效应的结果,加长敏感栅纵栅，加宽缩短横栅，消除圆弧。,箔式和薄膜式应变片横向效应可忽略。,减小横向效应的措施,4,、*应变片的温度误差及补偿,（,1,）温度误差,由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。,产因之一,:,电阻丝温度系数的影响,（,3-10,）,产因之二,:,试件材料与电阻丝材料的线膨胀系数的,影响,（,3-11,）,（,3-12,）,（,3-13,）,F,温度变化,T,试件伸长量,应变片伸长量,应变片附加伸长量,（,3-15,）,（,3-14,）,（,3-16,）,（,3-17,）,（,2,）温度补偿,方法一,:,应变片的自补偿法,特种应变片 ,T0,T,=0,热处理等方法使电阻丝材料与被测材料配合恰当。,选择式应变片的自补偿法,（,3-18,）,双金属敏感栅自补偿应变片,两段敏感栅的电阻大小选择,（,3-19,）,图,3-6,双金属敏感栅自补偿,R,1,R,2,方法二,:,桥路补偿法,*,补偿原理：桥路相临两臂增加相同电阻，对电桥输出无影响。,图,3-7,桥路补偿方法,F,R,3,R,B,R,4,R,1,U,U,0,R,1,R,B,F,工作片,补偿片,电桥输出,U,0,=A,（,R,1,R,4,R,B,R,3,）,（,3-20,）,温度补偿条件是什么？,无应变时的电桥输出,U,o,=A,（,R,1,+R,1t,）,R,4,(R,B,+R,Bt,)R,3,=0 ,电桥输出电压为,U,o,=AR,1,R,4,K ,U,o,与,成单值函数关系。与温度变化无关。,结论：,单臂桥加补偿片可实现温度补偿。,应变输出,R,1,=R,1,K,（,3-21,）,有应变时,3,、电阻应变片的测量电路,C,R1,R2,R4,R3,U,A,A,B,D,U,0,图,3-8,不平衡直流电桥,U,0,=,？,等臂电桥四个桥臂均为应变片，感受应变。,U,0,=,？,（,3-22,）,四个臂为应变片工作时，其电阻变化,R,（,1,）不平衡电桥电路的输出,（,3-23,）,输出电压推导方法一（公式法）,（,3-24,）,输出电压推导方法二（全微分方程法）,单臂电桥,C,R,1,F,U,0,R,1,R,1,R,4,R,3,U,R,2,图,3-10,单臂电桥,图,3-9,悬臂梁应变,D,B,A,（,3-25,）,两种方法推导出,（,3-26,）,差动电桥,R,1,R,2,F,图,3-11,差动直流电桥,U,0,R,1,R,1,R,4,R,3,U,R,2,R,2,C,D,B,A,全桥差动电路,R,2,R,2,R,4,R,4,U,0,R,1,R,1,U,R,3,R,3,图,3-12,全桥差动电路,（,3-27,）,R,1,R,4,R,3,R,2,F,C,D,A,B,结论：,半桥与全等臂桥输入输出成线性关系。,半桥灵敏度是单臂桥的两倍，全等臂桥灵敏度是单臂桥的四倍。,半桥与全等臂电桥具有温度补偿作用。,CSY10,传感器综合实验仪验证。,讨论：,什么情况下,电桥的输出电压与应变成线性关系,?,半桥和全桥电路为了产生最大输出电压,应变片应,如何连接到电桥上,?,如何提高转换电路的灵敏度,?,结论：,单臂桥,R,i,R,时，电桥的输出电压与应变成线性关系。半桥与全臂桥无此限制。,为了产生最大输出电压,应使一个对角线应变片受,拉,另一对对角线应变片受压。,电桥供电电压,U,越高，输出电压,U,0,和,灵敏度越大。,（应使工作电流小于允许电流）,增大电阻应变片的灵敏系数,K,，可提高电桥的灵,敏度。,（,2,）非线性误差及其补偿,单臂电桥，即,R,1,桥臂变化,R,，理想的线性关系,实际输出电压,非线误差误差,（,3-28,）,（,3-29,）,（,3-30,）,输出电压受环境温度的影响。,消除了环境温度的变化对输出的影响。,（,3,）测量电路与温度补偿,恒压源,恒流源,（,3-31,）,（,3-32,）,图,3-13,恒压（流）源供电电桥,R,R,R,T,R,R,R,T,R,R,R,T,R,R,R,T,A,B,C,D,应用,:,测量力、位移、加速度、扭矩等。,4,、电阻应变式传感器的应用,电子秤,汽车衡,机械手夹紧,汽车衡称重系统,结构形式：,柱式、悬臂梁式、环式和轮辐式等,。,(c),薄壁环式,(d),轮辐式,（,a,）柱式,(b),悬臂梁式,图,3-14,各种弹性体结构图,电阻应变传感器的制作,弹性元件的制作加工。,应变片的正确粘贴。,应变片的连线接桥。,（,1,）柱（筒）式力传感器,（,a,）实心圆柱；（,b,）空心圆筒；,图,3-15,柱式力弹性体结构图,R,5,R,8,R,7,R,6,R,1,R,2,R,3,R,4,图,3-16,柱式贴片及电桥电路连接图,R,5,R,8,R,7,R,6,R,1,R,2,R,3,R,4,Uo,Ui,纵向对称应变片两两串接的目的？,（偏心载荷时对测量结果有无影响？）,横向贴片的作用？,纵向对称两两串接为了减小偏心载荷及弯矩的影响。,横向贴片作温度补偿用。,讨论,横向应变片的应变为,（,3-33,）,（,3-34,）,接成差动全等臂电桥，总的应变为,电桥输出为,（,3-35,）,（,3-36,）,纵向应变片的应变为,输出电压表达式,图,3-17,等截面梁应变传感器结构图,R,1,R,2,l,F,W,h,R,3,R,4,（,2,）悬臂梁式力传感器,结构,输出电压为,（,2-38,）,（,2-39,）,输出电压表达式,（,2-37,）,传感器为悬臂梁式传感器。悬臂梁端部受质量块惯性力作用，距端部,L,处的应变为,接成全桥总应变为,共性,:,将应变片贴于应变值最大的点上，接于全桥电路，产生较大输出（具有较高的灵敏度）,注意对角线上的应力状态一致,不同点,:,结构不同,敏感元件的应变与被测力关系不同。各性能参数有所不同,应用范围有所不同。,（查手册）,总结各种结构电阻应变传感器的共性是什么？,不同之处是什么？,图,3-18,压阻式压力传感器结构简图,结构,低压腔,高压腔,硅杯,引线,硅膜片,（,3,）压阻式压力传感器,膜片上径向应力,r,和切向应力,t,的分布,（,3-40,）,（,3-41,）,沿径沿 两侧采用扩散工艺制作四个电阻。,应变片的制作及电桥输出电压,C,R,1,R,2,R,4,R,3,U,A,V,DD,B,D,V,0,V,01,R,5,R,5,Rg,R,6,R,6,R,7,R,7,V,02,V,1,V,2,叠加定理,（,4,）实用测量电路,金属热电阻和半导体热敏电阻,。,热电阻传感器是利用,导体或半导体的电阻值随温度变化的特性,对与温度相关的参量进行检测的装置。,1,、定义,测温、测温范围主要在中低温区（,200,650,）,2,、应用,3,、分类,二、热电阻传感器,4,、金属热电阻,铂热电阻,（,1,）热电阻的结构,图,3-19,热电阻结构图,铂电阻,R,t,R,0,1+At+Bt,2,+Ct,3,(t,100),（,3,）热电特性（,R,T,T,）,T,在,2000,时,T,在,0650,时,对纯度一定的铂热电阻，,A,、,B,、,C,为一常数。,R,t,R,0,(1+At+Bt,2,),（,3-42,）,（,3-43,）,R,t,R,0,(1+At),精度要求不高时,（,3-44,）,查分度表法：,根据,R,t,与,t,的关系，每隔,0.1,制成即,R,t,与,t,的关系表，测得热电阻的阻值,R,t,，,从分度表上查出对应的温度值。,离线查表法与在线查表法。,（,3,）测量温度的方法,公式计算法：,由测得的热电阻阻值，由热电特性公式计算出相应的温度值。,求,R,T,的反函数,T,。,R,0,=100,和,R,0,=1000,及,R,0,=500,三种,分度号分别为,Pt100,、,Pt1000,和,Pt500,。,（,4,）铂热电阻的种类,R,T,（,5,）铂热电阻的温度系数,（,3-45,）,T,R,T,R,0,温度系数是常数,还是渐变的,利用半导体材料的,电阻率,随温度变化而变化的性质,而制成的温度敏感元件。,（,1,）定义,2,、热敏电阻,（,2,）工作机理,价带,导带,图,3-20,热电阻工作机理图,圆片形,二极管形,珠形,玻璃管形,（,3,）热电特性（,R,T,T,）,R,T,=R,0,e,B(1/T1/T,0,),（,3-46,）,T=373.15K(100),，,T,0,=293.15K(20),测量,R,20,、,R,100,，计算,B,材料常数,B,的确定,（,3-47,）,温度灵敏度的确定,（,3-48,）,（,4,）热敏电阻的伏安特性,图,3-21,热敏电阻的伏安特性,避免电流过大，,电阻体产生自热。,工业用铂电阻采用,三线制,测量电路和,四线制,测量电路。,3,、热电阻传感器的应用,（,1,）金属热电阻传感器,温度测量，测量电路采用电桥电路。,图,3-22,三线制测量电路,U,CC,R,t,R,0,U,0,r,r,r,R,R,三线制补偿原理,电桥的相临两个桥臂增加了相同导线电阻，差动输出后，可消除导线电阻的影响。,输出电压,（,3-49,）,R,f,R,f,R,R,R,1,R,1,R,t,+,U,0,I,图,3-23,四线制测量电路,四线制补偿原理,（,3-50,）,（,3-51,）,典型测
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