最新传感器与检测技术笔记2202详细版本

传感器与检测技术笔记2202详细版本
传感器与检测技术2202
第一章：概述
传感器的定义:传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

第一节：机电一体化常用传感器
一传感器的组成 1敏感元件：一直感受被测物力量并以确定关系输出另一物理量元件
2转换元件：将敏感元件输出的非电量转换成电路参数
3基本转换电路：将电信号转换成便于输出，处理的电量
传感器的组成原理 ------敏感元件---转换元件---基本转换电路----电量
二传感器的分类
1按被测量对象分类
①内部信息传感器：主要检测系统内部的位置，速度，力，力矩，温度以及异常变化
②外部信息传感器：主要检测系统外部环境，它与人体五种器官相对应的接触式和非接触式
2按工作机理分类
①物性型传感器：利用某种物质的某种性质随被测参数的变换而变化的激励制成的如光电式传感器，压电式传感器等
②结构型传感器：利用物理学中厂的定律和运动定律等构成的，其被测参数变化引起传感器的结构变换，从而使输出电量变化，电感式传感器，电容式传感器，关山是传感器都是这种类型。

3按照被测物理量分类
表明了传感器的用途，便于使用者选择。

4 按照工作机理
5按照传感器能量源分类
①无源型（能量转换型）：不需要外加电源，而是将被测相关两转换成电量输出如压电式
磁电感应式，电热式，光电式等传感器
②有源型（能量控制型）：需要外加电源这类传感器有电阻式，电容式，电感式，霍尔式等，电阻式有光敏电阻，热敏电阻，湿敏电阻等形式
6 按照输出信号的性质分类
①开关型（二值型）：接触型（微动开关，行程开关，接触开关）
非接触型（光电开关，接触开关）
模拟型：电阻型（电位器，电阻应变片）
电压电流型（热电偶，光电电池）
传感器电感，电容型（电感，电容式位置传感器）
数字型：计数型
代码型
三传感器的特性及主要性能指标
传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系，有静态特性和动态特性1．静态特性：当传感器的输入量为常数或随时间作缓慢变化时，传感器的输出
与输入之间的关系2．动态特性：传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性
3．传感器的性能指标（P5牢记）
传感器的性能要求
①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动态特性好
⑦结构简单，小巧
第二节传感检测技术的地位和作用
第三节重点：传感器及检测系统基本特性的评价值白哦与选择则原则一、测量范围及量程
①测量范围：传感器在允许误差限内，其被测量值的范围
②量程：传感器在测量范围内的最高值与最低值之差
③过载能力：在不导致引起传感器规定性能直白哦永久改变的条件下
传感器允许超过其测量范围的能力
④过载能力通常用超值除以量程
二灵敏度
①灵敏度：传感器的输出量的变化量与引起变化的输入量的变化量之比
②总灵敏度：k=k1*k2.....kn
③灵敏度误差：
④灵敏度表示传感器或者传感器检测系统对被测物理量变化的反应能力。

⑤一般灵敏度越高越好，因为灵敏度高，传感器所能感知的变化量越小
三线性度（越趋近于直线越好）
用手写上
四重复性
①重复性是衡量在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结
果之间的不一致程度
②所得结果分散范围越小，重复性越好
五稳定性
①稳定性：在相同时间，相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力。

②稳定性一般以室温条件下经过一定时间后传感器的输出与起始标定时输出
的差异来表示
③影响传感器稳定性的因素是时间和环境
六精确度（高-----越接近实际值）
①精确度简称精度：传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度，
是检测值的精密程度与准确程度的综合反映
七动态特性
①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
②传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不是真的测量条件
第四节传感器的标定与校准
标定：在明确传感器输入输出变换关系的前提下，利用某种标准器具产生已知的
标准非电量输入，确定其输出电量与输入量之间的关系的过程校准：进行校核
传感器的标定系统的组成
①被测非电量的标准发生器或被测非电量的标准测试系统
②待标定传感器
③它所配接的信号调节器及显示，记录器等
力值传递系统
①国家标准测力计（国家一级计量中心）-----允许测量误差：正负0..001%
②一级标准测力机(省部一级计量站)----------------------------------正负0.01%
③二等标准测力计（市企业计量站）--------------------------------正负0.1%
④三等标准测力计，传感器 -------------------------------正负0.3-0.5%
注意：力值传递系统只能按此系统用上一级标准装置检测下一集传感器及配套仪表
一静态标定
①静态标定：给传感器输入已知不变的标准非电量，测出其输出，给出标定
曲线，标定方程和标定常数，计算其灵敏度，线性度，等传感器的静态指标
②静态标定系统的关键在于被非电量的标准发生器及标准测试系统
二动态标定
①动态标定的目的：检验测试传感器的动态性能指标。

第五节传感器与检测技术的发展方向
一、开发新型传感器
①利用新材料制作传感器
②利用新加工技术制作传感器
③采用新原理制作传感器
二传感器检测技术的智能化
①传感检测系统目前正由模拟式，数字式向智能化方向发展
三复合传感器
①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
四研究生物感官，开发仿生传感器
第二章位移检测传感器
位移：线位移和角位移
电测法：利用各种传感器讲位移量变换为电量或电参数，再经后接测量仪器进一步
变换完成对位移检测的一种方法第一节：参量型位移传感器
参量型位移传感器工作原理：将被测物理量转化为电参数（电阻，电感，电容）
一、电阻式位移传感器
①其电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特性
公式如下
②改变其中任意参数都可以使电阻值发生变化。

③电位计和应变片就是根据这个原理制成的
④电位计是一种常用的机电元件
⑤电位计的电阻元件通常有：1线绕电阻
2薄膜电阻
3导电塑料
⑥电位计优点：结构简单，输出信号大，性能稳定，并容易实现任意函数关系。

缺点：要求输出能量大，电刷与电阻元件之间有干摩擦，产生噪音公式如下
⑦阶梯特性：对于线绕电位计，其电阻和电压输出空载特性并不是一条理想直
线，而是成阶梯状它限制了线绕电位计的精度和分辨力
⑧非线性电位计空载特性
：非线性电位计其输出电压与电刷位移直接按具有非线性函数关系。

⑨阶梯误差不是常数，最大阶梯误差发生在特性曲线斜率最高处
二电阻应变式位移传感器
①电阻应变式位移传感器是将被测位移引起的应变元件产生改变，经后续电路
变换成电信号输出，从而测出位移三电容式位移传感器
①电容式位移传感器是利用电容量的变化来测量线位移或角位移的装置
②分类：变极距型，变面积型，变介质型。

1．变极距型（小位移）公式如下
2 变面积型
①可用于线位移测量和角位移测量
②分类：平板型极板，圆筒型极板或者锯齿型。

这类传感器输入/输出具有线性特性
公式如下
3变介质型（测液面）
公式如下
4 容栅式电容位移传感器（大量程）
①容栅式电容位移传感器是在面机型电容位移传感器发展起来的一种新型电容位移传感器
②分为：长容栅和圆容栅
公式如下
③容栅式电容传感器因多级电容及平均效应，所以分辨率高，精度高，量程大（测量范围大）
四电感式位移传感器
电感式位移传感器是将被测物理量位移转化为自感，护肝的变化，并通过测量电感
量的变化确定位移量主要类型：自感事，互感式，涡流式，压磁式。

电感式位移传感器优点：输出功率大，灵敏度高，稳定性好
①自感式
②互感式位移传感器--差动变压器的工作原理与结构
互感式位移传感器是将被测位移量的变化转换成互感系数的变化，其基本结构原理与常变压器类似（变压器式位移传感器）
互感式位移传感器常接成差动形式故称--差动变压器式位移传感器
产生零点残压的原因：由于两次侧线圈的结构不对称，一次侧线圈铜损电阻的存
在，铁磁材料不均匀，线圈间的分布电容等因素
③涡流式位移传感器
涡流式位移传感器：是利用电涡流效应将被测量变换为传感器线圈阻抗Z变化的一种装置。

涡流：块状金属属于变化的磁场中或在磁场中运动史，金属体内都要
产生感应电流，此电流的流线在金属体内自己闭合分类：高频反射，低频透射
流式位移传感器的特点：结构简单，易于进行非接触测量，灵敏度高，应用广
泛，可测位移，厚度，振动第二节发电型位移传感器------------电压位移传感器
①发电型位移传感器是将被测物理量转换为电源性参量，如电动势，电荷
②压电式位移传感器的工作原理是将位移量转换为力的变化，然后利用压电
效应将力的变化转换为电信号第三节大位移传感器
一磁栅式位移传感器
①分类：长礠栅用于测量线位移
圆磁珊用于测量角位移
②磁头：a. 动态磁头（速度磁头），只有一个绕组，当磁头相对运动是再有信号输出
输出正弦波，同名磁极处输出信号最强
b. 静态磁头（磁通响应式磁头），有两个绕组：励磁绕组，输出绕组
公式如下
③实际上静态磁头有两种
二光栅式位移传感器
①分类：长光栅-----测量线位移
圆光栅-----测量角位移
②长光栅位移传感器的工作原理：长光栅式在两个光学玻璃上或具有强反射能力的金属表面上，客商相同的均匀密集的平行线。

如果将这两块玻璃板重叠放置，并在可仙剑留一小角，由于光的干涉效应在光栅垂直方向产生明暗相间的条文，莫
尔条纹，根据莫尔条纹设计的光栅传感器
公式如下
三感应同步器
①感应同步器是利用电磁感应原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。

②感应同步器有一个固定绕组和一个可动绕组
③鉴相式：根据脉冲发生器发出频率一定的脉冲序列，经脉冲相位变换器进行
分频，输出参考信号方波和指令信号方波鉴幅式：根据感应电动势的幅值鉴别位移量x的大小
公式如下
四激光式位移传感器
①组成：激光器，光学元件。

光电转换元件，构成了激光测量系统，将被测量转换为电信号
②优点：精度高，测量范围大，测试时间段，非接触，易数字化，效率高
第三章力，扭矩和压力传感器
第一节测力传感器
用于测量力的传感器多为：电气式。

电气式测力传感器，根据转换方式分为：1 参量型电阻应变式电容式电感式
2 发电型压电式压磁式
一电阻应变式测力传感器
①工作原理：将力作用在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变，利用贴在
弹性元件上的应变片将应变转换为电阻的变化②弹性元件：
柱形
薄壁环型
梁型
③金属丝的作用：感受机械测试的应变变化
④压阻效应：固体受到应力作用时，其电阻率发生变化
⑤应变效应：电阻丝的集合尺寸发生变化引起的
⑥半导体应变片的应变灵敏度系数比电阻应变片大，因而适用于需要大信号输出的场合。

此外，半导体应变片横向效应小，其横向灵敏度几乎是0，机械滞后小，可以做成小型和超小型片子，这对测量局部应变很有用。

⑦半导体应变片缺点：离散性大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大。

二压电式力传感器
①压电式力传感器是基于电压元件的压电效应而工作的
②压电效应：1 正压电效应：当某些晶体沿着某一方向受外力作用变形时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态
2 逆压电效应：在某些晶体的极化方向施加外电场，晶体本身将产生机
械变形，当外电场撤去后，变形也随之消失P42重点
③压电式力传感器是利用电晶体的纵向和剪切向电效应。

三压磁式力传感器
①压磁效应：在机械力作用下，铁磁材料内部产生力，或应力变化，是磁阻率变化。

②常用的铁磁材料：硅钢片坡莫合金
用铁磁材料做成的弹性体称为铁磁体称为铁磁体或者压磁元件第二节扭矩传感器pass
第三节压力传感器
一液柱式压力转换原理
①液柱式压力计是利用液柱产生的压力与被测介质压力相平衡的原理进行测压。

二活塞式压力转换原理
①广泛应用与基准和标定工作中，利用力的平衡原理制成
三弹性式压力传感元件
①指针式压力计和压力传感器都是根据弹性变形原理工作的。

②感受压力的弹性元件是压力传感器的关键元件
③弹性敏感元件：波灯管膜片波纹管（大多数指针压力机的弹性元件）
四电量式压力计
电量式压力计是用各种传感器或测量元件将压力变换成电量或电参数，在京后接相应电路进一步变换，最后由显示和记录仪显示或记录下来以实现压力测量的装置
①电容式压力传感器：将压力转换成电容的变化，经电路变换成电量输出
特点：灵敏度高，适合测量微压，抗干扰能力较强
②应变式压力传感器：利用应变片将弹性元件在压力作用下产生的应变转换成电量的变化。

③压阻式压力传感器：利用压阻效应将压力变换成电阻的变化实现压力测量。

特点：频响款，动态效应快，测量范围从吉Pa到3乘以10 的九次方，
特别适用于爆炸，冲击压力的测量
④电感式压力传感器：将压力变换成电感变化，在通过测量电路在讲电感变化
转换成电量实现压力测量优点：频响低，适合静态，变化缓慢的压力的测试
⑤涡流式压力传感器：利用涡流效应将压力变换成相劝阻抗的变化，在经测量
电路转换成电量。

优点：良好的动态特性，适合在爆炸等极其恶劣的条件下工作，如测冲击波
⑥霍尔式压力传感器：工作原理----当霍尔元件通过恒定电流适，产生与被测
雅典成正比的霍尔式电动势，完成压电至电量的变换特点：频响低，适合静态，变化缓慢压力的测量
⑦压电式压力传感器：压力通过薄片或活塞，压块作用在晶片上，晶片产生呢个了电荷，经后接放大器的变换，由显示或记录器显示或记录，实现对压力的测量
适用于测量动态力和冲击力，但不适于测静态力。

第五章视觉触觉传感器第一节视觉传感器
视觉传感器在机电一体化中的作用
①进行位置检测
②进行图像识别
③进行物体形状尺寸缺陷的检测
视觉传感器以光电变换为基础，一般由以下四部分组成
①照明部：充分发挥传感器性能的重要条件
②接受部：抽出有效信息的功能
③光电转换部：将光学信息转换成电信号
④扫描部：将二维图像的电信号转换为时间序列的一维信号
视觉传感器：接受部，光电转换部，扫描部分
一光电式摄影机原理
①这种摄影机是由接受部，光电转化部，扫描部组成的二维视觉传感器
二固体半导体摄影机原理
①它是由许多光电二极管组成阵列，作为摄影机的感光部分以代替光导摄像管。

②固体半导体摄影机由摄像元件，信号处理电路，驱动电路和电源组成
③工作原理：
三激光式视觉传感器原理
①利用激光作为定向性高密度光源的视觉传感器典型构成原理
四红外图像传感器
①红外图像传感器是把波长2---20的红外光图像变换成如同电视图像的时序扫描信号输出传感器
②有红外敏感元件和电子扫描电路组成例如：热点型红外线敏感元件将被测物
体发出的红外作为热源，接受其能够产生热点效应而变成电信号第二节人工视觉
一人工视觉系统的硬件构成
构成：
①图像输入：通过视觉传感器将对象物体变为二维或三维图像，在经光电变换将光信号变为电信号，通过扫描采样将图像分解成许多像素，在把表
示各个像素信息的数据输入计算机进行图像处理
①图像处理：是在研究图像时，对获得的图像信息惊醒预处理（前处理），来
滤去干扰噪声并作几何，色彩方面校正，来提高噪声比图像处理的目的：主要是改善图像的质量，以利用进行图像识别
②图像存储：将各个信息送到存储器中的存储。

③图像输出：一类是只要求知道处理结果
二类是可以长时间保存结果
二物体识别
①物体图像信息的输入：被输入的信息主要有：明亮度信息，颜色信息，距离信息
②图像信息的处理技术和方法
前处理：将全部像素的集合进行再处理，以构成为线段或区域等有效的像素组
合，从所需要的物体图像中去掉不必要的像。

③图像处理的方法：微分法，区域法常用的一次微分方法用于求梯度
第三节触觉传感器
触觉感知是否同其他物体接触
人的触觉：接触觉，压觉，力觉，冷热绝，滑动觉，痛觉等。

①接触觉传感器，硅橡胶与金属电极对置，接触。

由于硅橡胶受压其电阻值就改变。

②压觉传感器
③滑动觉传感器被用于工业机器人手指把吃面与操作对象之间的相对运动，以实现实时控制指部的夹紧力。

他与触觉，压觉传感器的不同之处是仅检测指部与操作物体在切向的相对位移，而不是检测接触便面法向的接触或压力。

第六章温度传感器
温度是经常要进行测量的一个物理量。

温度代表物质的冷热程度，是物质内部分子运动剧烈程度的标志。

接触式的特点：感温元件与被测对象直接物理接触，进行热传导。

非接触式特点：感温原件与被测对象不物理接触，而通过热辐射进行热传递
第一节热偶式温度传感器
①热偶式温度传感器属于接触式热电动势型传感器，工作原理基于热电效应
②热点效应：接触点的温度不同，回路中将长生热电动势，并有电流通过，把热能转换成热电能的现象
③热电动势：接触电动势：两种不同道题的自由电子密度不同在接触处形成的电动势
温差电动式：同一根导体中两端温度不同而产生的电动势
④热电动势的大小与两种金属材料及热锻与冷锻的温度差有关
二热电偶的组成，分类特点
①组成：热电极，绝缘材料，接线盒，保护套。

②分类：普通热电偶：用于测量液体和气体的温度
铠装热电偶：特点：测量结热容量小，热惯性小，动态响应快，适合普通
热电偶不能测量的空间温度薄膜热电偶：特点：电容小，时间常数小，反映速度快
并联热点偶：热电偶可用于测量平均温度
串联热电偶：输出电动势是每个电动势之和
③热电偶输出电动势反映出两个结点之间的温度差，为了使输出电动势本报告正确反映被测温度的真实值，要求参考端的温度T0恒为0，但是实际热电偶使用的环境不能保证T0为0。

所以就得采取方法处理。

常用的方法有恒温法，
温度修正法
电桥补偿法
冷锻补偿法
电位补偿法
第二节电阻式温度传感器
分类：金属热电阻
热敏电阻式
一金属热电阻式温度传感器
①测温机理：金属导体两端加压后，使其内部杂乱无章运动的自由电子形成有规律的定向运动，而使导体导电。

当温度升高是，由于自由电子获得较多的能量，能从定向运动中挣脱出来，从而定向运动被消弱，导电率降低，电阻率增大。

二热敏电阻式温度传感器
①测温机理：在低温下，电子---空穴浓度很低，故电阻率很大，随着温度的升高，电子---空穴的浓度按指数规律增加，电阻率迅速见效
公式如下
②分类：
正温度系数热敏电阻：在测量温度范围内，其阻值随温度增加而增加最高温度通常不超过140度
临界温度热敏电阻的特点：在临界温度附近电阻有急剧变化，因此不适于叫宽温度范围内的测量
负温度系数热敏电阻：其阻值随温度增加而呈下降趋势，一般用于（负50到300度）之间的测量
第三节非接触式温度传感器
这种传感器采用热辐射和光电检测的方法测量温度
工作机理：当物体受热后电子运动的动能增加，有一部分热能转变为热辐射能，辐
射能量的多少与物体的温度有关。

当物体温度降低时，热毒蛇能力很弱，当温度较高时，辐射能力很强当温度高于一定值之后，可以用肉眼观察到发光，其发光亮度与温度值有一定关系。

分类：
①全辐射式温度传感器：利用物体在全光谱范围内总辐射能量与温度的关系测量温度。

1 由于实际维耶里的吸收能力小鱼绝对黑体，所以用圈辐射温度传感器
测的温度总是低于物体的真实温度②亮度式温度传感器：利用物体的单色辐射量度随温度变化的原理，并以被测物
体光谱的一个狭窄区域内的亮度与标准辐射体的亮度惊醒比较来测量温度
1 亮度式温度传感器的形式：
灯丝隐灭式亮度传感器：以其内部高温灯泡灯丝的单色亮度作为标
准，并以被测辐射体的单色亮度进行比较来测温。

光电亮度式温度传感器：利用光电元件进行亮度比较，从而实现
自动化③比色式温度传感器：一测量两个波长的辐射量度之比为基础。

通常将波长选在光谱的红色和蓝色区域内、
如果两个波长的单色发射系数相等，则测量的真实温度T与比色温度相
同比色温度传感器可用于连续自动检测钢水，贴水炉渣和表面没有覆盖物的高温物体温度，其量程为800---2000摄氏度，测量精度为0.5%。

优点：反应速度快，测量范围宽，测量温度接近于实际值第四节半导体温度传感器
①原理：利用晶体二极管与晶体三极管作为感温元件
②采用半导体作为温度传感器优点简单，价廉，可以制成半导体温度计，范围0-50度
③采用晶体三极管制成的温度传感器优点：测量精度高，范围较宽，在-50到150摄氏度
第七章气敏湿度水分传感器
气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器
半导磁：利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料。

一气敏元件工作机理
①半导体气敏电阻的组织将随媳妇气体的数量和种类而改变
二常用气敏元件的种类
将结构分为：
①烧结型：以SnO2为基体材料添加不同的杂志，采用传统制陶方法进行烧结
②薄膜型气敏元件：采用蒸发或溅射方法在适应基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜
实践证明：SnO2和ZnO薄膜的气敏特性最好
③厚膜气敏元件：厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械强度高，适合于批量生产
以上三种亲民元件都附有加热器。