传感器原理及检测技术(pdf 67页)

第1章 传感器与检测技术基础检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段。

而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要手段。

我们已经知道，对于电量参数的测量具有测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机方便地连接进行数据处理、也可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等一系列优点。

但是在工程上和实际的测量中，所需要测量的参数往往有相当大的部分为非电量，例如温度、位移、压力、流量等，所以通常就把将这些非电量转换为电信号输出的装置或设备称为传感器。

传感器与检测技术是一门随着现代科学技术发展而迅猛发展的综合性技术学科，广泛应用于人类的社会生产和科学研究中，起着越来越重要的作用，成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要技术。

检测的基本任务就是获取有用的信息，通过借助专门的仪器、设备，设计合理的实验方法以及进行必要的信号分析与数据处理，从而获得与被测对象有关的信息，最后将结果提供显示或输入其他信息处理装置、控制系统。

因此，传感器与检测技术属于信息科学范畴，它与通信技术、计算机技术一起分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”，是信息技术的三大支柱(传感技术、通信技术和计算机技术)之一。

检测技术的发展与生产和科学技术的发展是紧密相关的，它们互相依赖、相互促进。

现代科技的发展不断地向检测技术提出新的要求，推动了检测技术的发展。

与此同时，检测技术迅速吸取各个科技领域(如材料科学、微电子学、计算机科学等)的新成果，开发出新的检测方法和先进的检测仪器，同时又给科学研究提供了有力的工具和先进的手段，从而促进了科学技术的发展。

在各种现代机械设备的设计和制造中，检测技术的成本已达到设备系统总成本的50%～70%。

据资料统计：一辆汽车需要30～100余种传感器及配套检测仪表用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等；而一架飞机需要3600余种传感器及配套检测仪表用来监测飞机各部位的参数(压力、应力、温度等)和发动机的参数(转速、振动等)等。

传感器原理及应用实验
传感器是一种能够感知和测量环境变量的装置或设备，它能够将环境中的物理量转换为电信号或其他方便处理的形式。

传感器原理及应用的实验是为了研究和验证某种传感器的工作原理以及应用场景。

在实验中，我们通常会使用模拟传感器或数字传感器来进行测量和控制。

模拟传感器是指将物理量转换为模拟电压或电流信号的传感器，如温度传感器、压力传感器等。

数字传感器是指将物理量转换为数字信号的传感器，如光电传感器、加速度传感器等。

实验的第一步通常是准备实验装置和所需材料，如传感器、电源、电路板等。

接下来，我们需要按照实验步骤连接电路，并将传感器与电路板相连接。

在实验过程中，我们需要根据传感器的工作原理合理地选择信号放大电路、滤波电路等辅助电路。

同时，对于数字传感器，我们还需要使用单片机或其他数字处理器对信号进行处理和分析。

实验中，我们可以通过改变环境条件或操控实验装置来模拟不同的应用场景。

例如，在温度传感器实验中，可以通过改变热源的温度来观察传感器输出的电信号变化；在光电传感器实验中，可以调节光源的强度或改变测试物体与光源之间的距离来观察传感器的反应。

进行实验后，我们可以通过观察和记录传感器输出的电信号或其他相应数据来分析传感器的性能，并根据实验结果来判断传
感器的可行性、精度和稳定性。

在实验结束后，如果有必要，我们还可以根据实验结果对传感器进行调整和优化，以适应更广泛的应用场景。

传感器的原理及应用实验对于探索和理解传感器的工作原理和应用具有重要意义。

通过实验，我们可以深入了解传感器的特性和性能，为传感器应用领域的研究和开发提供实验数据和依据。

实验一金属箔式应变片性能研究一、实验目的1、了解金属箔式应变片，单臂电桥的工作原理和工作情况。

2、了解金属箔式应变片，半桥的工作原理和工作情况。

3、了解金属箔式应变片，全桥的工作原理和工作情况。

4、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。

二、实验原理电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成，一种利用电阻材料的应变效应工程结构件的内部变形转化为电阻变化的传感器。

此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的形变，然后由电阻应变片将弹性元件的形变转化为电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或者电流变化信号输出。

它可用于能转化成形变的的各种物理量的检测。

本实验以金属箔式应变片为研究对象。

箔式应变片的基本结构：金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝或者金属箔制成，如图所示：(a)丝式应变片(b) 箔式应变片图1-1金属箔式应变片结构金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，与丝式应变片工作原理相同。

电阻丝在外力的作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。

描述电阻应变效应的关系式为△R/R=Kε。

式中△R/R为电阻丝电阻的相对变化，K为应变灵敏系数，ε=△L/L为电阻丝长度相对变化。

为了将电阻应变式传感器的电阻变化转化成电压或者电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为测量电路。

电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。

能较好地满足各种应变测量要求，因此在测量应变中得到了广泛的应用。

电路电桥按其工作方式分有单臂、半桥、全桥三种，单臂工作输出信号最小，线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂的四倍，性能最好。

因此，为了得到较大的输出电压一般采用半桥或者全桥工作。

三、需用器件与单元：可调直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁、测微头、应变片、电压/频率表、主、副电源。

传感器与检测技术（共5篇）第一篇：传感器与检测技术第一章传感器与检测技术第一节：机电一体化系统常用传感器p11.传感器的组成由敏感元件、转换元件及其转换电路三部分组成①敏感元件是直接感受被测物理量，并确定元件及其基本转换电路②转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数及电流或电压等电信号③基本转换电路则将该电信号转换成便于传输、处理的电量p12.传感器的分类p1①按被测量对象分类②按工作机理分类③按被测物理量分类④按工作原理分类⑤按传感器能量源分类⑥按输出信号的性质分类p2三、传感器的特性及主要性能指标p41、传感器的静态特性2、传感器的动态特性3、传感器的性能指标p4①高精度、低成本②高灵敏度③工作可靠④稳定性好⑤抗干扰能力强⑥动态特性良好⑦结构简单、小巧，使用维护方便，通用性强p4第二节：传感器检测技术的地位和作用p5第三节：1.测量范围及量程p62.灵敏度p63.线性度p74.重复性p75.稳定性：稳定性即在相同条件、相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力p76.精确度p77.动态特性：传感器的动态特性反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性p88.环境参数p8第四节：传感器的标定与校准p91.传感器的静态标定p92.传感器的动态标定p10第五节：传感器与检测技术的发展方向。

1.开发新型传感器p112.传感检测技术的智能化p113.复合传感器：复合传感器是同时检测几种物理量具有复合检测功能的传感器p124.研究生物感官，开发仿生传感器p12第二章第一节：参量型位移传感器p131.电阻式位移传感器p132.电阻应应变式位移传感器p153.电容式位移传感器p154.电感式位移传感器p20第二节：发电型位移传感器—压电位移传感器p25第三节：大位移传感器p261.磁栅式位移传感器p262.光栅式位移传感器p273.感应同步器p294.激光式位移传感器p31第三章力、扭矩和压力传感器p34第一节：测力传感器p341.电阻应变式测力传感器p342.压电式力传感器p41①压电效应p41②压电晶体及材料③压电式传感器的等效电路和前置放大器p423.压磁式力传感器p44①效应p44②工作原理p45③结构p45第二节：扭矩传感器p461.电阻应变式扭矩传感器p462.压磁式扭矩仪p483.电容式扭矩测量仪p494.光电式扭矩测量仪p495.钢弦式扭矩传感器p50 第三节：压力传感器p501.液柱式压力转换原理p502.活塞式压力转换原理p513.弹性式压力传感元件p514.电量式压力计p53①电容式压力传感器p53②应变式压力传感器p53③压阻式压力传感器p54④电感式压力传感器⑤涡流式压力传感器p55⑥霍尔式压力传感器p55⑦压电式压力传感器p55第四章速度、加速度传感器p57第一节：速度传感器p571.直流测速发电机p572.交流测速发电机p583.线振动速度传感器p594.变磁通式速度传感器p605.霍尔式和电涡流式转速传感器p616.陀螺式角速度传感器p627.流速风速传感器p64第二节：加速度传感器p661.压电式加速度传感器p672.应变式加速度传感器p693.磁致伸缩式振动加速度传感器p734.力平衡式伺服加速度传感器p735.单片微型平衡式伺服加速度传感器p756.惯性倾角加速度传感器p76第五章视觉、触觉传感器p77第一节：视觉传感器p771.光电式摄像机原理p77固体半导体摄像机原理p783.激光式视觉传感器原理p784.红外图像传感器原理p78第二节：人工视觉p801.人工视觉系统的硬件构成p802.物体识别p81第三节：触觉传感器p851.接触觉传感器p862.压觉传感器p873.滑动觉传感器p88第六章第一节：热电偶式传感器p901.基本原理p902.热电偶组成、分类及其特点p91第二节：电阻式温度传感器p931.金属热电阻温度传感器p932.热敏电阻温度传感器p94第三节：非接触式温度传感器p951.全辐射温度传感器p952.高度式温度传感器p963.比色温度传感器p97第四节：半导体温度传感器p98第七章气敏、温度、水份传感器p100第一节：气敏传感器p1001.气敏元件工作机理p1002.常用气敏元件的种类p101①烧结型气敏元件p101②薄膜型气敏元件p101③厚膜气敏元件p1023.气敏元件的几种应用实例p102第二节：温度传感器p1051.相对湿度与绝对湿度p1062.氯化锂湿敏元件p1063.半导体陶瓷湿敏元件p1074.热敏电阻式湿敏元件p1085.高分子膜湿敏元件p1096.金属氧化物陶瓷湿敏元件p1117.结露传感器p112第三节：水份传感器p1131.水份传感器的工作原理与结构p1132.直流电阻式水份计的结构原理p114 第八章传感检测系统的构成p116第一节：传感检测系统的组成p116第二节：电桥p1171.电桥工作原理p1172.电桥的分类与应用p1183.电桥的工作特性指标p1204.电桥调零p122第三节：调制与解调p1221.调制p1232.解调p124第四节：滤波器p1261.无源滤波器p1262.有源滤波器p1293.数字滤波p136第五节：数/模和模/数的转换p1371.数/模转换原理p1372.数/模转换器芯片介绍p1383.数/模转换器的技术指标p1394.模/数转换原理p1405.模/数转换器芯片介绍p1426.模/数转换器的技术指标p143第六节：传感器与模/数转换器的连接通道p1431.放大与滤波环节p1432.多路模拟开关环节p1453.采样保持环节p1464.模/数转换环节p148第七节：传感检测信号的细分与辨向原理p1491.四倍细分原理p1492.辨向原理p1513.细分、辨向常用电路p152第八节：传感检测系统中的抗干扰问题p1531.干扰与噪声p1532.抑制干扰的方法p1543.典型噪声干扰的抑制p156第九节：传感检测系统中的微机接口p1561.接口的基本方式p1572.A/D转换器与CPU连接需解决的技术问题p1573.数据转换接口的典型结构p1584.A/D转换器与CPU的接口示例p1595.传感检测系统的显示器及其接口p163第十节：传感器信号的温度补偿及线性化的计算机处理p1681.温度补偿的处理方法p1682.线性化处理方法p1683.线性化与温度补偿实例p170第九章信号分析及其在测试中的应用p173第一节：信号的分类p1731.确定性信号p1732.非确定性信号p1733.模拟信号与离散信号p174第二节：信号的幅值描述p1741.信号的均值u p1742.信号的方差p1753.信号的均方值p1754.信号的概率密度函数p（x）p175第三节：信号的相关描述p176第四节：信号的频域描述p1781.周期信号与离散频谱—傅里叶级数p1782.非周期信号与连续频谱—傅里叶变换p1823.傅里叶变换的基本性质p1834.非确定性信号的功率谱密度函数p184第五节：信号分析在振动测试中的应用p1881.振动的类型p1882.振动的激励方式p1893.激振器p190第十章传感器在机电一体化系统中的应用p200第一节：传感器在工业机器人中的应用p2001.零位和极限位置的检测p2002.位移量的检测p2013.速度加速度的检测p2014.外部信息传感器在电弧焊机器人中的应用p201第二节：传感器在CNC机床与加工中心的应用p2031.传感器在位置反馈系统中的应用p2032.传感器在速度反馈系统中应用p203第三节：传感器在三坐标测量机中的应用p204第四节：传感器在汽车机电一体化中应用p208第五节：传感器在家用电器中的应用p218第二篇：传感器与检测技术论文光电传感器--太阳能电池板太阳能电池板是利用光生伏特效应原理制造的。

第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。

传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。

人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。

9．解：10.解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度0.68,线性度±7%。

，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。

微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。

17．答：⑴20。

C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350kΩ。

V0在48.78～67.63mV之间变化。

⑵如果R2=10MΩ，R3=250kΩ，20。

C时，V0在0～18.85mV之间变化。

30。

C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。

⑶20。

C时，V0为0～18.85mV，30。

C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。

但相对（2）得情况来说有很大的改善。

18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz,RS=1kΩ,VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V 第3章应变式传感器概述习题答案9.答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。

11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。

因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。

检测原理与传感技术
检测原理与传感技术是一种用于测量、监测或检测某种物理量或化学量的技术。

它们可以通过感知（传感）到环境中的变化，并将其转化为可读取或可记录的信号。

传感器是实现这一过程的主要元件，它能将外部信号转化为电信号或其他形式的信号。

检测原理是指传感器实现检测功能的工作原理。

它根据被测量物理量或化学量的性质，选择合适的测量原理。

常见的检测原理包括电学原理、磁学原理、光学原理、声学原理等。

传感技术则是基于检测原理开发出的具体技术手段，用于将检测原理转化为实际可用的传感器设备。

传感技术的选择取决于被测量的物理或化学性质。

例如，温度传感器可以基于热电效应、热敏电阻、热电偶等原理来工作；压力传感器可以基于压电效应、电阻性应变计、弹性体变形等原理来工作。

不同的传感技术有其各自的优缺点，在应用上需根据具体需求进行选择。

传感器根据被测量的物理或化学量的不同，可分为多种类型，包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、气体传感器、光传感器等。

每种类型的传感器都有其特定的工作原理和检测特性。

总之，检测原理与传感技术是实现传感器检测功能的关键。

通过选择适当的检测原理和传感技术，可以开发出各种用于测量、监测或检测物理量或化学量的传感器设备。

这些传感器在各个
领域的应用中起到了重要的作用，如环境监测、工业自动化、医疗诊断等。