自动检测与转换技术-第八章 - 副本
自动检测与转换技术(第3版)课件(梁森高职高专)-精选文档
金属丝受拉时，l 变长、r 变小，导致R变大 。 单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
一、应变片的工作原理
电阻丝受拉后，长度增加，直径变小，电 阻变大。
1－拉伸前 2－拉伸后
RAl πlr2
单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
应变片的结构
1－引出线 2－覆盖层 3－基底 4－电阻丝
单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
第二章,第一节 应变传感器 目录
应变效应及应变片
进入
应变片的测量转换电路
进入
应变效应的应用 压阻式固态压力传感器
进入 进入
单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
第一节 电阻应变传感器
导体或半导体材料在外界力的作用下，会产 生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这 种现象称为应变效应。
温漂。电阻相对变化为： R R
E
Ks
式中： K s E 50 ~ 100
受拉时，N型硅的灵敏度Ks是负的，而P型硅的Ks是 正的。不同的切片方向的Ks也有所不同，见下表。P型 硅的π 14方向切片的灵敏度较高，约为金属的70倍。
晶体 导电类型 电阻率
π11 π 12 π 44
对于不同的金属材料，K 略有不同，一般为2左 右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，
电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料
大50~200倍。
在材料力学中，x=l/l称为电阻丝的轴向应变， 也称纵向应变。 x通常很小。例如，当x为0.000001
（10-6）时，在工程中常表示为1m/m或 1微应变
l ：应变片的工作基长， b ：应变片基宽，
b×l：应变片的有效使用面积。 单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
检测与转换技术
图(a)图(b)
第五章
5.1什么是差动变压器式传感器零点残余电压？怎样消除？
8.9已知一个温度控制系统如下图所示，热电偶采用的是铂铑10-铂，分度号为S。热电偶通过温度变送器将电压信号转换成4-20mA电流信号给温度控制器使用。由于热电偶冷端温度波动，故需要采用补偿导线将其与温度变送器连接。温度控制器通过控制输出的触发脉冲宽度控制电炉丝两端电压，进而控制其加热状态。完成如下问题：
图3.1
3.6将四个完全相同的金属丝式电阻应变片（灵敏度K=2）粘贴在距自由端b的地方，如图所示的梁式测力弹性件，已知应变 和受力F关系： ，b=100mm，t=5mm，w=20mm，E=×105N/mm2。
(1)在图3.2上画出应变片粘贴位置和测量电桥电路。
(2)电桥由6v电源供电，当电桥输出电压为7.2mV时，此时作用力F为多少？
电信学院自动化系
《检测与转换技术》
课程习题集
2015年1月
第一章
1.1自动检测1.2什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？各有什么用途？
1.3有三台测温仪表，量程均为0-600℃，精度等级分别为2.5级，2.0级，1.5级。现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？为什么？
第二章
2.1画出传感器系统的组成框图，说明各环节的作用。
2.2什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标，意义是什么？
2.3当线位移传感器从4mm变化为2mm时，输出电压减小了1mV，则该传感器的灵敏度为多少？
第八章霍尔传感器
第八章霍尔传感器
图8-1 霍尔元件
a）霍尔效应原理图b）薄膜型霍尔元件结构示意图c）图形符号d）外形总结：
图8-2 线性型霍尔集成电路
a）外形尺寸b）内部电路框图c）双端差动输出型外观
图8-3 线性型霍尔集成电路输出特性
开关型霍尔集成电路将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器
（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。
当外加磁场强度超过OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低
门重新变为高阻态。
这类器件中较典型的有UGN3020
图8-4 开关型霍尔集成电路
a）外形尺寸b）内部电路框图
图8-8角位移测量仪结构示意图
1－极靴2－霍尔器件3－励磁线圈发散性思维：
图8-12霍尔接近开关应用示意图
a）外形b）接近式c）滑过式d）分流翼片式
1－运动部件2－软铁分流翼片
）接近式c）滑过式哪一种不易损坏？为什么？
8-12d中，磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动。
软铁制作的分流翼片与运动部件联动。
当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽，无法到达霍尔接近开关，所以此时霍尔接近开关输出跳变为高电平。
改变分流翼片的宽度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比。
发散性思维：电梯“平层”如何利用分流翼片的原理？
霍尔传感器的其他用途：霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、霍尔电能表、霍尔高斯计、霍尔液位计、霍尔加速度计等。
自动检测与转换技术题库(含答案)
自动检测与转换技术题库(含答案)-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII第一章检测技术的基础知识（本文档适合电气工程类专业同学朋友们，希望能帮到你们）一、填空题1．检测技术是一门以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的应用技术学科。
2．一个完整的检测系统或检测装置通常由传感器、测量电路和输出单元及显示装置等部分组成。
3．传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成，其中敏感元件是必不可少的。
4．在选用仪表时，最好能使其工作在不小于满刻度值 2/3 的区域。
5．准确度表征系统误差的大小程度，精密度表征随机误差的大小程度，而精确度则指准确度和精密度的综合结果。
6．仪表准确度等级是由系统误差中的基本误差决定的，而精密度是由随机误差和系统误差中的附加误差决定的。
7、若已知某直流电压的大致范围，选择测量仪表时，应尽可能选用那些其量程大于被测电压而又小于被测电压1.5倍的电压表。
（因为U≥2/3Umax）8、有一温度计，它的量程范围为0～200℃，精度等级为0.5级。
该表可能出现的最大误差为 1℃，当测量100℃时的示值相对误差为 1% 。
9、传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，它的作用是将非电量转换成与之具有一定关系的电量。
10、传感器一般由敏感元件和转换元件两部分组成。
11、某位移传感器，当输入量变化5mm时，输出电压变化300mv，其灵敏度为 60mv/mm 。
二、选择题1．在一个完整的检测系统中，完成信息采集和信息转换主要依靠 A 。
A．传感器 B. 测量电路 C. 输出单元2．构成一个传感受器必不可少的部分是 B 。
A．转换元件 B．敏感元件 C．转换电路 D．嵌入式微处理器3．有四台量程均为0-600℃的测量仪表。
今要测一约为500℃的温度，要求相对误差≤2.5%，选用精度为 D 的最为合理。
《自动检测与转换技术》教案集
绪论本课介绍非电量的检测。
三、自动检测系统的组成（1）系统框图：将系统中的主要功能或电路的名称画在方框内，按信号的流程，将几个方框用箭头联系起来，有时还可以在箭头上方标出信号的名称。
在产品说明书、科技论文中，利用框图可以较简明、清晰地说明系统的构成及工作原理。
对具体的检测系统或传感器而言，必须将框图中的各项内容赋以具体的内容。
图0-1 自动检测系统原理框图图0-6 人体信息接受过程框图与自动检测系统框图比较通过PPT，介绍方框图的画法：1．洗衣机；2．家用或中央空调；3．电饭煲；4．电冰箱5．电视机的框图举例。
（2）传感器（Transducer）指一个能将被测的非电量变换成电量的器件（演示教具，发散性课堂讨论）。
（3）信号调理电路信号调理电路包括放大（或衰减）电路、滤波电路、隔离电路等。
其中的放大电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或频率信号等，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。
（4）显示器目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等。
模拟量是指连续变化量。
模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示读数的，常见的有毫伏表、微安表、模拟光柱等。
数字显示目前多采用发光二极管（LED）和液晶（LCD）等，以数字的形式来显示读数。
前者亮度高、耐震动、可适应较宽的温度范围；后者耗电省、集成度高。
目前还研制出了带背光板的LCD，便于在夜间观看LCD的内容。
图像显示是用CRT或点阵LCD来显示读数或被测参数的变化曲线、图表或彩色图等第一章检测技术的基本概念引用误差所不超过2.5％。
表1-1 仪表的准确度等级和基本误差准确度等0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0级基本误差±0.1% ±0.2% ±0.5% ±1.0% ±1.5% ±2.5% ±5.0%例题：1. 已知被测电压的准确值为220V，请观察并计算图1-4所示的电压表上的准确度等级S、满度值A m、最大绝对误差Δm、示值A x、与220V正确值的误差Δ、示值相对误差γx以及引用误差γm。
自动检测与转换技术题库(含答案)
第一章检测技术的基础知识（本文档适合电气工程类专业同学朋友们，希望能帮到你们）一、填空题1．检测技术是一门以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的应用技术学科。
2．一个完整的检测系统或检测装置通常由传感器、测量电路和输出单元及显示装置等部分组成。
3．传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成，其中敏感元件是必不可少的。
4．在选用仪表时，最好能使其工作在不小于满刻度值2/3 的区域。
5．准确度表征系统误差的大小程度，精密度表征随机误差的大小程度，而精确度则指准确度和精密度的综合结果。
6．仪表准确度等级是由系统误差中的基本误差决定的，而精密度是由随机误差和系统误差中的附加误差决定的。
7、若已知某直流电压的大致范围，选择测量仪表时，应尽可能选用那些其量程大于被测电压而又小于被测电压1.5倍的电压表。
（因为U≥2/3Umax）8、有一温度计，它的量程范围为0～200℃，精度等级为0.5级。
该表可能出现的最大误差为 1℃，当测量100℃时的示值相对误差为 1% 。
9、传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，它的作用是将 非电量转换成与之具有一定关系的电量。
10、传感器一般由 敏感元件 和 转换元件 两部分组成。
11、某位移传感器，当输入量变化5mm时，输出电压变化300mv，其灵敏度为60 mv/mm 。
二、选择题1．在一个完整的检测系统中，完成信息采集和信息转换主要依靠 A 。
A．传感器 B. 测量电路 C. 输出单元2．构成一个传感受器必不可少的部分是 B 。
A．转换元件B．敏感元件C．转换电路D．嵌入式微处理器3．有四台量程均为0-600℃的测量仪表。
今要测一约为500℃的温度，要求相对误差≤2.5%，选用精度为 D 的最为合理。
A．5.0级B．2.5级C．2.0级D．1.5级4．有四台量程不同，但精度等级均为1.0级的测温仪表。
今欲测250℃的温度，选用量程为 C 的最为合理。
自动检测技术及应用课后答案-梁森
RL R0 R0 350
4、4-20mA输出改HART协议通信时变为4.5-20.5mA。
U min I'
RL R0 RL 485.4
max
6题：提示：绝缘薄
张力传感器
膜上下两侧的极
板构成变介电常 数的电容器。电 容量与绝缘薄膜 的厚度成正比。 磁粉
制动器
7题、8题、9题：(略)
提示：应考虑 检测道路的平 整性、前方的 障碍物、报警 方式等。
“导盲犬”正在为盲人引路
第八章作业
一、选择题： 1、C 2、A 3、B 6、A 7、C C 8、B
10、D.B 11、D
4、C 9、B
5、C 10、C
2题：8-8用线性IC；8-9、8-10、8-11、8-12用开关型IC
3题：1、0.023T、低电平、0.007T、接近开关.限位开关。
超声波接收器
超声波遥控开门的设计提示
1、首先理解上一页倒车防撞原理图，将超声波发生 器安装到车头位置。
2、用超声波的“发射”和“停止”来分别表示二进 制编码的“1”和“0”。在发射端使用40kHz中频调制， 在接收端，使用40kHz选频放大器解调，就可避开发动机 及其他与40kHz有很大区别的杂声干扰。
3题：1、 UO
Q Cf
Q UO Cf
10000sint( pC)
最大值得Q=10000PC
2、 Q F d F Q 40sint（N）
d
4题：1、20HZ、磁场、衔铁（振动板）、被测溶液 2、阻力大、振幅小、加速度小、惯性力小、UO小 3、温度高时粘度变小
5题：1、车速：v s 2.0 3.6 115.2(km/ h)
检测与转换技术智慧树知到课后章节答案2023年下青岛大学
检测与转换技术智慧树知到课后章节答案2023年下青岛大学绪论单元测试1.检测与转换技术与（）构成完整的信息技术学科。
A:计算机技术 B:机器人技术 C:自动控制技术 D:通信技术答案:计算机技术;自动控制技术;通信技术2.检测与转换技术历史悠久，目前已经不属于前沿技术。
A:对 B:错答案:错3.检测技术是衡量一个国家科技水平的重要指标之一A:对 B:错答案:对4.传感器的输入是被测量，输出是可用输出信号。
A:错 B:对答案:对5.敏感元件必须直接感受被测量。
A:对 B:错答案:对6.传感器通常由敏感元件和转换元件组成。
A:对 B:错答案:对7.智能传感器就是采用MCU将被测信号数字化。
A:对 B:错答案:错8.实际使用的传感器多数不输出电信号。
A:对 B:错答案:错9.变送器就是能输出电信号的传感器A:错 B:对答案:错10.仿生是研制新型传感器的方向之一。
A:错 B:对答案:对第一章测试1.传感器的静态特性，是指当传感器输入、输出不随（）变化时，其输出-输入的特性。
A:被测量 B:环境 C:时间 D:地理位置答案:时间2.传感器的非线性误差属于随机误差。
A:对 B:错答案:错3.传感器在某点的灵敏度就是其静态特性曲线在该点的切线的斜率；A:对 B:错答案:对4.非线性度是测量装置的输出和输入是否保持（）关系的一种度量。
A:相似 B:理想比例 C:近似比例 D: 相等答案:理想比例5.迟滞误差表明的是在（）期间输出-输入特性曲线不重合的程度。
A:同次测量 B:不同测量 C:正反行程 D:多次测量答案:正反行程6.可靠性不属于传感器的特性。
A:对 B:错答案:错7.传感器的时间常数τ越小越好。
A:错 B:对答案:错8.仪表的精度等级是用引用误差的大小划分的。
A:错 B:对答案:对9.传感器的精度表征了标准值与（）相符合的程度。
A:被测值B:理论值C:估计值D:相对值答案:被测值10.传感器实现波形测试不失真的理想条件是：传感器的幅频特性和相频特性均是常数；A:错 B:对答案:错第二章测试1.电位器式传感器的动触点摩檫力会影响测量精度。
检测与转换技术
第一章检测技术的基本概念1、某压力仪表厂生产的压力表满度相对误差均控制在0.4%~0.6%，该压力表的精度等级应定为多少级？答：1 .02、某仪器厂需要购买压力表，希望压力表的满度相对误差小于0.9%，应购买精度等级为多少级的压力表？答：0 .5 a3、对同一被测量进行多次重复测量时，误差的绝对值和符号不可预知地随机变化，但总体满足一定的统计规律性，该误差称为什么误差？答：随机误差4、多次重复测量时，误差的大小或符号保持不变，或按一定规律出现（始终偏大、偏小或周期性变化），该误差称为什么误差？答：系统误差5、检测中使用一次仪表，新的国家标准规定电流输出和电压输出是多少？答：4～20mA、1～5V6、检测中由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输，所以在一次仪表中多采用电流输出型，新的国家标准规定电流输出为多少？答：4～20mA7、什么是系统误差？答：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。
8、什么是粗大误差？答：超出在规定条件下预计的误差，或明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差、疏忽误差或粗差，应予以剔除。
9、什么是测量答：测量过程实质上是一个比较的过程，即将被测量与一个同性质的、作为测量单位的标准量进行比较，从而确定被测量是标准量的若干倍或几分之几的比较过程。
10、什么是测量结果？答：测量结果可以表现为一定的数字，也可表现为一条曲线，或者显示成某种图形等，测量结果包含数值（大小和符号）以及单位。
有时还要给出误差范围11、什么是静态测量？什么是动态测量？答：在检测技术中，对缓慢变化的对象所进行的测量，亦属于静态测量。
工程中，有时可认为几十赫兹以上的测量称为动态测量。
12、传感器有哪三部分组成？答：传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。
13、某数字表满量程为99.9A，该表的分辨力和分辨率为多少？答：数字表满量程为99.9A，该表的分辨力=0.1A，分辨率=0.1A÷99.9≈0.1%14、测量结果的正态分布的规律是怎样的？测量结果的正态分布的规律有：（1）集中性、（2）对称性、（３）有界性15、用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行6次等精度测量，所得数据为2.04mm、2.02mm、1.96mm、0.99mm、3.33mm、1.98mm，为粗大误差的值是什么？，在剔除粗大误差后，用算术平均值公式计算钢板厚度等于多少？答：为粗大误差的值是0.99和3.33mm，在剔除粗大误差后，用算术平均值公式计算钢板厚度=2.00mm。
《自动检测与转换技术》电子教案 项目一PPT 项目一检测认知
检测技术
传感器的特性及技术指标
检
1Байду номын сангаас灵敏度
是指传感器在稳态下输出变化量和输入变化量的比值，用
测
符号S表示。即
认
知
式中x为输入量，y为输出量。
检测技术
传感器的特性及技术指标
检
1．灵敏度
是指传感器在稳态下输出变化量和输入变化量的比值，用
测
符号S表示。即
认
知
式中x为输入量，y为输出量。
检测技术
传感器的特性及技术指标
ymin－量程最小值
检测技术
传感器的特性及技术指标
检
测
认
E max 100% max 100%
知
y fs
ymax ymin
检测技术
传感器的特性及技术指标
检测技术
检 测 认 知
测量误差的表示方法
（1)绝对误差 绝对误差是指测量值Ax与真值A0之间的差 值。即
Δ＝Ax－A0
（2)相对误差 相对误差是指绝对误差Δ与真值A0的百分比。
即
100 %
A0
(3)最大引用（相对）误差 最大引用误差是指最大绝对误
差Δm与仪表的量程值Am的百分比。即
m
m Am
检
2．线性度
线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度，又称非线
测
性误差，用符号E表示，如图1－3所示。它的大小为传感
器实际特性曲线与理想直线之间的最大偏差和传感器满量
认
程输出的百分比。即
E max 100% max 100%
知
y fs
ymax ymin
式中：Δmax－最大非线性误差； yfs－输出满量程； ymax－量程最大值
检测与转换技术习题集答案
检测与转换技术习题第1章绪论、检测与转换技术的理论基础一、单项选择题1．一块量程为800℃，2.5级测温仪表，现要测量500℃的温度,其相对误差为【 B 】A．20℃ B．4％ C．1.6％ D．3.2％2．某温度仪的相对误差是1%，测量800℃炉温时，绝对误差是【 D 】A．0.08℃ B．8％ C．0.8℃ D．8℃3．漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随（）变化【 D 】A．温度 B．电压 C．电流 D．时间4．下列四个选项中，关于相对误差特征正确的是【 D 】A．大小与所取单位有关 B．量纲与被测量有关C．不能反映误差的大小和方向 D．能反映测量工作的精细程度5．下面哪一种情况可能会产生随机误差【 D 】A．测量人员的粗心大意 B．检测装置的指示刻度不准C．许多因素的微小变化之和 D．传感器的不稳定6．某量程为1000Kg的秤，相对误差是1%，则测量10Kg重物的绝对误差是【 C 】A 1KgB 10％C 0.1KgD 10Kg7. 属于传感器动态特性指标的是【 D 】A．重复性 B．线性度 C．灵敏度 D．固有频率8. 下列技术指标中，描述传感器静态特性的是【 C 】A．阶跃特性 B. 频率特性 C. 线性度 D. 时间常数9．精确度是反映检测系统误差和( )误差的综合评定指标。
【 D 】A．静态 B．动态 C．附加 D．随机10. 在选择压力表量程时，必须考虑到留有充分的余量。
一般在被测压力较稳定的情况下，最大压力值不应超过压力仪表满量程的【 C 】 A．1/3 B．2/ 3 C．3/4 D．满量程11．下面不是系统误差产生的主要原因的是【 B 】A．检测装置指示刻度不准 B．测量人员粗心大意C．测量原理方法不当 D．测试环境的变化二、多项选择题1．下列哪几项属于随机误差的特性【ABCE 】A．有界性 B．单峰C．对称性 D．替代性E．抵偿性三、填空题1．运算⨯-∆=δmin max max L y y L 100%是计算传感器 的公式。
机械工业出版社
《自动检测与转换技术》
第八章
多媒体课件
2009－5－1 更新
2013-8-3 1
第八章
霍尔传感器
在这一章里，卡卡要给大家介绍霍尔传 感器的原理、特性、霍尔集成电路（霍尔 IC）及其应用。霍尔IC可以用于测量地球 磁场，制成电罗盘；将霍尔IC夹在环形铁 心的缺口中，可以制成大电流变送器。霍 尔传感器还广泛用于高斯计、无刷电动机、 接近开关等。霍尔传感器的最大特点是非 接触测量。 最基本的霍 尔元件是一 种四端元件
开关型霍尔集成电路 的外形及内部电路
Vcc
霍尔 元件
施密特 触发电路
OC门
.
双端输入、 单端输出运放
开关型霍尔集成电路 （OC门输出）的接线
请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.
开关型霍尔集成电路 与继电器的接线
?
开关型霍尔集成电路的史密特输出特性
回差越 大，抗振动 干扰能力就 越强。 当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少 特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离 霍尔IC，到多少特斯拉时输出再次翻转？回 差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？
足等缺点。
霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理
桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图
a）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集 成电路之间的安装关系 c）叶片位置与点火正时的关系 1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）
霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）
匝数比：1：2000
出去活动一下
70.9A
钳形表的环形铁 心可以张开， 导线由此穿过
霍尔钳形电流表
自动检测与转换技术
62
上网检索资料(续 上网检索资料 续)
2012-4-21
63
可以从梁老师 答疑网上下载 许多专业资料
网
2012-4-21
65
课后作业
上网搜索有关： 上网搜索有关： 电冰箱” 家用空调” “洗衣机”、 “电冰箱”、 “家用空调”或 洗衣机” 中央空调” 电饭煲” “中央空调”、 “电饭煲”、 “抽水马桶的水 位控制”等常用设备的资料。 位控制”等常用设备的资料。 上网搜索的方法如下： 上网搜索的方法如下：
记录仪
主要用 来记录被 检测对象 的动态变 化过程。 化过程。
无纸记录仪（动画演示） 无纸记录仪（动画演示）
主要 用来记录 和存储被 检测对象 的动态变 化过程。 化过程。 存储数 据的大小 由硬盘容 量决定。 量决定。
数据处理装置
数据处 理装置主 理装置主 要是指计 算机。 算机。 例如对 振动进行 频谱分析 等。
人体信息测控过程与自动检测系统的比较
2012-4-21
15
自动检测系统 与 人体信息测控 过程的 比较 人眼——传感器 传感器 人眼 大脑——计算机 大脑 计算机 人手—— 人手 执行机构
2012-4-21 16
一种典型的自动检测系统 一种典型的自动检测系统
2012-4-21
（检测系统在发电厂的应用） 检测系统在发电厂的应用）
2.应用新技术和新的物理效应， 应用新技术和新的物理效应， 应用新技术和新的物理效应 扩大检测领域
月球车
2012-4-21 51
应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域( 应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域(续)
勇气号 火星车
2012-4-21
52
应用新技术和新的物理效应， 应用新技术和新的物理效应， 扩大检测领域（ 扩大检测领域（续）
自动检测与转换技术 课后习题
判定数字仪表位数的两条原则
1.能显示0~9所有数字的“位”是 “整位”；
2. 分 数 位 的 判 定 ： 在 最 大 显 示 值 中，以最高位所能显示的数值作为分 子，用满量程的最高位作为分母。
可参考汽车速度的测量原理
与车轮联动
自行车速度、里程测量仪表设计注意事项
1.观察自行车的结构可知，车速及公里数与车轮的直径及 转速成正比，因此应将注意力集中到自行车的前、后轮上。设 车轮的直径为D（m），则周长l=πD，车轮转动的圈数即为自 行车行驶距离的基本参数。若转动圈数为N，则累计路程L= Nl = NπD ；若每分钟转动的圈数为n（ n= N /t，圈/分钟）则车速 v=60nl/1000(km/h) =0.06 n πD(km/h) 。
2020/4/24
7
判定数字仪表位数（续）
再如，一台如右图的 数字电压表， 其最大显示 值为399.9V ，最高位只能 显示0、1、2、3这四个数 字（有时0不予显示），所 以它是3 3/4位表。
用普通的3 ½ 位DMM测量220V或380V工频电
压时，量程必须选择700V AC档；相比之下，使用 3 3/4位的DMM只需选择400V AC档，准确度优于 700V AC档，既不欠量程也不超量程，分辨力也提 高了许多。
分别过1m3/s和 7m3/s点作切线，得到 以Δx 和Δy为边的三角 形，利用下式得到灵 敏度K 。
K dy y dx x
q/（m3/s）
1
7
作图法求灵敏度的过程（续）
y
自动检测技术及应用 第2版第8章
4位BCD码盘
4位格雷码码盘
可根据电刷的位臵得到由：“1”、“0”组成的4 位二进制码。能从图 b)c)可看出电刷位臵与输出编 码的对应关系。 码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。 由此可以推断出，若是n位二进制码盘，就有n(4)圈码道， 且圆周均分2n (16)个数据来分别表示其不同位臵，所能分 辨的角度α为
光栅或模板放在可动单元与探测器之间,并具
有与编码单元相同的节距
当所有光栅和可动编码
单元完全调准时，探测
器接收的入射光达到最 大值。随着编码单元离
开位置，接收的光将减
少，直到达最小值。 利用固定光栅来限制光电探测器的视野，因而提高了它的分辨率
为了确定运动方向 a）在一个旋转方向上，信号A超前于信号B；而在相 反方向上，则信号B超前于信号A。 于是，相位检波器便能指示出旋转方向是顺时针还是 反时针如b）。
设测速脉冲数为m1，则被测转速为：
n
60 fm1 Pm
§2
光栅传感器
光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出 数字式传感器；由光栅、光路和光电元件以及转换电路 等组成。
一 、光栅的结构与类型
设其中透光的缝宽为，不透光 的缝宽为，一般情况下，光栅 的透光缝宽等于不透光的缝宽， 即a=b。图中W=a+b称为光 栅栅距（也称光栅节距或称光 栅常数）。
对于圆光栅来说，除了参数栅距之外，还经常使用栅距角γ （也称节距角），栅距角是指圆光栅上相邻两刻线所夹的角。
二、基本工作原理
若两光栅栅线之间有很小的夹角，则在近似垂直于 栅线方向上就显现出比栅距宽得多的明暗相间的条 纹6，这就是莫尔条纹，其信号光强分布如曲线7所 示，中间为亮带，上下为两条暗带。 当标尺光栅沿垂直于栅线的方向每移过一个栅距时，莫尔条 纹近似沿栅线方向移过一个条纹间距。用光电元件5接收莫尔条 纹信号，经电路处理后用计数器可得标尺光栅移过的距离。
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2015-5-9
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如何选何用合适的压电材料
（1）转换性能：具有较高的耦合系数或较大的压 电系数。压电系数是衡量材料压电效应强弱的参数，
它直接关系到压电输出的灵敏度。
（2）机械性能：作为受力元件，压电元件应具有
较高的机械强度、较大的机械刚度。
17
石英晶体压电模型
+ + + + + + + + + + + + P1 P2 x y
2015-5-9
P3
- - - - - - - - - - - 18
石英晶体压电模型
+ + + + + + + + + + + +
P1 P2 x y
2015-5-9
P3
- - - - - - - - - - - -
3）X轴面压电效应最强
4）Y轴方向机械变形最大
2015-5-9 9
石英晶体
石英晶体化学式为
SiO2, 是单晶体结构。
图表示了天然结构的
石英晶体外形。它是
一个正六面体。
建立晶体学中的空间坐标系
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10
坐标系
压电晶体切片
Z轴为中性轴(光轴):对称轴沿该方向受力时不产生压电效应 x轴为电轴:纵向压电效应，压电效应最强 y轴为机械轴:横向压电效应，沿该轴产生的机械变形最明显
U0 d F CF
灵敏度只与CF有关
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压电式传感器应用举例
1．压电式压力传感器 被测力F通过上盖使压电晶片沿电轴方向受压力作用， 便使晶片产生电荷，负电荷由片形电极（负极）输 出，正电荷与上盖和底座连接。
2．压电式加速度传感器 当加速度传感器与被测物一起受到冲击振动时，压 电元件受质量块惯性力的作用，惯性力是加速度的 函数，F=ma惯性力F作用于压电元件上，因而产生 电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出 电荷为
5
在多应力下的压电效应
i dijT j
j 1
6
பைடு நூலகம்
(i 1, 2, 3)
i 电荷产生面i上的总电荷密度
dij的可能值
d11 [d ij ] d 21 d 31
d12 d 22 d 32
d13 d 23 d 33
d14 d 24 d 34
d15 d 25 d 35
y
y
正负电荷产生移动，相对位置发生变化 出现带电现象。
14
石英晶体压电模型
当石英晶体未 P1
受外力作用时 , 正、
负离子正好分布 在正六边形的顶 P3
P2
角上 , 形成三个互
成 120°夹角的电 偶极矩P1、P2、P3。
x y
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如图 所示。
15
石英晶体压电模型
P1
P2 x y
2015-5-9
2015-5-9
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压电陶瓷的正压电效应：
•当陶瓷材料（剩余极化很强）受到外力作用时 , 电畴的界限 发生移动, 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化, 因而 在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。 •电荷量的大小与外力成正比关系: q = d33 F 式中: d33—— 压电陶瓷的压电系数; F——作用力。
串联使压电传感器时间常数减小， 电压灵敏度增大，适合于电压输出、高 频信号测量场合。
2）并联 Ce nC Ue U Qe nQ
并联使压电传感器时间常数增大， 电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低 频信号测量场合。
＋＋＋＋ －－－－ －－－－ ＋＋＋＋ ＋＋＋＋ －－－－
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33
d16 S X d 26 S Y d 36 S Z
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6
3、力——电荷转换公式
电荷产生面积Si 电荷量Qi
i
Tj
Qi
Si
在j方向受力面积Sj 在j方向受外力Fj
Fj
Sj Si Sj
Q i d ij F j
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7
对于纵向压电效应
＋ －
CF
U o
理想运放条件下，R和C两端电压均为0，I 全部流过Z2
Z2 Rf // Cf
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输出电压
I Z U 0 2
1 RF
jQ jcF
U d 1 0 0 F C F 1 j
固有频率
1 0 RF CF
也具有一阶高通滤波特性 多片压电元件的组合
存在电场。 在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布 , 它们的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。 因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质，因此在一 定温度的条件下进行极化处理是必不可少的步骤。
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压电陶瓷—极化处理后的人工多晶铁电体
极化前 极化时
剩余伸长
极化后
伸长
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Q ＝ C aU a
Q ua Ca
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Q↑
Ca Q=CaUa
U↑ a
Ua
Q Ca
电荷等效电路 当不受外力时
电压等效电路
Q＝0，Ua＝0
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2、压电元件的串并联
多片压电元件的组合
1）串联
C Ce n
U e nU
Qe Q
＋＋＋＋ －－－－ ＋＋＋＋ －－－－ ＋＋＋＋ －－－－
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z O x m m m
压电常数矩阵 0 0 d11 d11 0 d14 [dij ] 0 0 0 0 d 2d 14 11 0 0 0 0 0 y 0
d11=2.31×10-12 (C/N)
d14=0.74×10-12 (C/N)
四、测量电路
1、压电传感的等效电路
测量电路需接一个高输入阻抗的前置放大电路。 该放大器有电压放大器和电荷放大器。 实际等效电路 压电元件的Ca,Ra, 电缆的Cc 前置放大器的Ri,Ci
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可简化为
↑
C R
C Ca Cc C i
Ui
Ra Ri R Ri Ra
I jωQ
电偶极矩 在x方向上的 分量由于P1的 减小和P2、P3 的增加而不等 于零,在x轴的 正方向出现正 电荷, 电偶极 矩在y方向上 的分量仍为零, 不出现电荷。
19
石英晶体压电模型
P1
当晶体受到沿 y轴方向的压 力作用时, 晶 体的变形如图 所示
P3
P2 x y
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石英晶体压电模型
（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成，有较高的压电系
数和较高的工作温度。
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3、压电材料的主要特性： 压电常数：压电效应强弱的参数，关系到压电输出 的灵敏度 弹性系数：材料的弹性常数，决定着器件的固有频
率的动态特性
介电常数：固有电容与介电常数有关
电阻：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性
i j, Si S j
对于横向压电效应
Qi dii Fi
Si Qi dij Fj Sj
i≠j
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二、压电材料
类型：压电晶体(单晶体)如石英晶体
压电陶瓷(多晶陶瓷) 新型压电材料（压电半导体和有机高分子）
1、石英晶体材料
特点： 1）晶体各个方向的特性不相同 2）Z轴方向没有压电效应
石英晶体不是在任何方向都存在压电效应
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石英晶体受压力或拉力时，产生压电效应，电荷的 极性如图所示。
晶片受力方向与电荷极性的关系
石英晶体压电模型
不受力
晶体在x方向受力 晶体在y方向受力 Fx x x Fy Fy
Fx 正常情况下石 英体中正负电 荷处于平衡， 外部呈中性。
2015-5-9
2015-5-9
27
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多（约为石英的
50倍）, 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度
较高。
极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温 度有关, 它的参数也随时间变化, 从而使其压电特性减弱。 温度稳定性和机械强度都不如石英。
目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅, 它是钛酸钡
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输出电压
0 1/RC
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因为
QdF
d ：电荷灵敏度
所以转换灵敏度
U 0 Kd 1 0 F C 1 j
具有一阶高 通滤波特性
U 0 Kd F C
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减小零漂
3、电荷放大器 Z2＝RF ∥CF＝
1 RF
RF
1 jcF
↑ I
C
R
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单一作用力下的压电效应有以下四种类型
纵向压电效应
i=j 应力⊥电荷面
横向压电效应
i≠j 应力∥电荷面
面切压电效应
j － i＝ 3 应力面 ∥电荷面
+ -
剪切压电效应
j － i≠ 3 应力面 ⊥电荷面
+
+
-
-
+
-
Ti为轴向应力（T1~T3）