传感器及检测技术课件.pptx

1、传感器及检测技术1 1温度检测温度检测RFC45)32(95摄氏数值华氏数值列氏数值0F0C0R温度表征冷热程度，能量分布和分子运动烈度1.1温标温标给出温度数值、单位和计算规则1、经验温标计算规则 单位 2、国际温标T=T0+C绝对温度273Kt=0 0C时，T=T0（水三相点温度）T=0K时，C=-273 0C冷到极点，分子不动，能量为零。间隔10C=1K (开尔文)2.1.2 温度传感器的介绍型式（输出量）型式（输出量）敏感材料或元器件敏感材料或元器件膨胀式（可用非电量）膨胀式（可用非电量）水银、红酒精（常见）水银、红酒精（常见）双金属、液压、气压（三态位移）双金属、液压、气压（三态位移

2、）热阻式（间接电量）热阻式（间接电量）热电阻（金属、稳定）热电阻（金属、稳定）热敏电阻热敏电阻热电式（电量）热电式（电量）集成电路集成电路热电偶（金属、有源）热电偶（金属、有源）辐射式（电量）辐射式（电量）光学高温计光学高温计红外测温仪红外测温仪其它（有用信号）其它（有用信号）微波传感器微波传感器光纤传感器光纤传感器（示教、实训）非接触式（半导体、灵敏）重点介绍：半导体、热电偶、红外测温仪1、半导体温度传感器半导体具有热敏性、光敏性和参杂性,可构成高灵敏度温度传感器热敏效应，改变半导体或PN结的电阻小范围的阻温关系:（1）热敏电阻4060120 160010710110210310410510

3、6T(.cm)温度(C)NTCCTRPTC)T1T1(B0T0eRR非线性、测量范围窄、复现性和互换性差灵敏度高、体小价廉、使用方便，多用于:温度测量:R由电桥变成U温度补偿:NTC型与正温度系数元器件串、并联温度控制：与继电器或开关元器件串、并联过限保护：串或并入保护器件中书中图2.2、2.3为其中一例(2).集成温度传感器 以PN结作为敏感元件，与放大器、电桥和补偿电路等集成化，并把它们封装在同一壳体里改善了半导体的缺点：测温范围增大 复现性和互换性较好保持了半导体的优点：灵敏度高 体小价廉 使用方便书中图2.4为AD590用法之一：I0与T成正比 )tt (SU0AB参考(冷)端tt(+

4、A)(B)t0t0测量(热)端B(-)热电势灵敏度被测温度参考温度两种金属两端温差2、热电偶温度计（1）工作原理缺点:要求冷端温度t0=0或恒定t0优点:稳定性好，温度范围大 UAB RaRbRTRSABtU0t0Et0R（2）主要应用一个测点温，冷端要补偿t02ABt1t01ABt2ABt1BAtnt01Bt1At02Bt2At03Bt3AR1R2R3二个测温差，同极串电表三个相并联，三点平均值多个相串联，多点温度和)m(T2898m3、红外线热辐射的检测（1）红外线（ =0.751000m）及其特点（物体红外辐射能量正比于它的吸收量）热电型SSmm0光电型灵敏度低，常温使用灵敏度高，低温工

5、作多用于非接触测量，其特点：a.不破坏测温现场，对被测温度无影响。b.不必达到被测物体的温度，所以测温快， 且无测温上限。c.被测物体的热辐射能与温度的关系由 实验方法确定，因此定标较复杂。 （2）红外线测温仪举例l结构l定标：U0=4V1mV ， 200 0 被测物47FA1A2A3A410cmRTNTC6mw红外线聚光镜遮光板电机晶体MOSFETDSG光学系统传感器测量电路U2U4UO调满 用热敏电阻进行补偿线性U0=-20mv/校零AFp （工程大气压）帕斯卡10at)(P1a2.2.1压力概念及单位 1、压力表现为压强 )(P1m1)(N1a2帕斯卡牛顿2.2压力检测2、绝对和相对压力

6、的关系比较比较差压差压表压表压正压正压负压负压相同点相同点相对压力相对压力表压，表压， 以以p0为参考为参考不同点不同点p=p2-p1 p0=p-p0p00 p00 差压表压p1p2p0负压(p0-p)正压(P-P0)大气压0（真空）p金属 （稳定性好） 半导体 （灵敏度高）应变电阻片2.2.2压力传感器的介绍（1）压阻式（2）压电式：（3）磁电式：霍耳（Hall）元件（4）其它压电石英、压电陶瓷、压电半导体应变电阻片压力弹性元件位移应变电阻片R电桥U电子测量压力敏感元件转换电路压强1、应变电阻片及其用法（1）单臂电桥的温度补偿 和压力测量RRRRR1R1UababU单、 双臂电桥应变电阻应变

7、电阻4US4受力，RRUUUUabab2USRR2UUUUabab，RRUUUUababU RRRRRRR R压缩拉伸压缩拉伸ab全桥电路（2）双臂（3）全桥电路进行双梁检测US （4）测压系统实例多通道调制型应变仪测压系统 组成：电阻片传感器、多通道应变仪（多路电桥、信号处理）RRRIU其中一路电桥放大放大传感器R RR RRR长电缆检 波滤 波多路电桥信号处理器记录仪载波 振荡现场定标高端调满低端校零中段线性IUBIKUHH2、霍耳（Hall）元件霍耳电压B霍耳效应UHII + + + +N型 当恒流源供电时UH=(KH I)B ,可用于：（1）测量磁场大小和方向（2）可测线中大电流IB1

8、05A （3）利用UH=（KHKB）IIB， 可做成乘法器等。XB0（4）做成Hall压力计线性 当环境温度升降时，串入正温度系数的热敏电阻Rt也将增减，使U0保持不变（5）Hall元件的温度补偿 RtRLIHU0I02.3流量检测 AqVvmqq质量流量的累积总量 n1iimit0mm)tq(dtqq(Kg)在t时间内，流量比较平稳2.3.1流量及测量方法1、流量的概念及单位 (1) 体积流量 (2) 质量流量(m2m/s=m3/s) (m3/sKg/m3=Kg/s) （1）流管中放置障碍物使其产生压力变化， 也能产生涡流、旋流和振动等现象。（2）流体冲击流管中的活动体，使其产生转 动或位移

9、。（3）流体切割磁力线，管外器件将产生感应 电动势。（4）流体带走热量，流体中的温度因流动而 发生变化。2、测量依据和方法（5）流体中放入示踪剂或流体中的不均 匀介质再现，测量流管内两点相关变 化量。（6）流体改变电波或超声波的频率,使其 接收频率fr与发射频率ft不同，产生 了多卜勒（Doppler）频移。 trDfff2v1qkp201)(21Ak2.3.2体积流量和质量流量的检测 1、差压式流量计 流管rp节流孔差压计p1p2短路阀1v1v差压系数2、电磁式流量计 流速产生感应电动势 vDBU BU4DDBU)2D(vAq2V恒磁场 v2qkU DB4k2系数NSB磁极电极U v22v1

10、qkqkUpUpkm1q21kkk3、质量流量计（1）推导式质 量流量计质量流量系数差压式电磁式Upp2电极vqm电极p1p1mqkvqk（2）超声波直接式质量流量计 T1顺流传到R2的时间vcosvHts1vcosvHts2Hv2t1t1fff21212fHv流速Hvttfffscos2112121cos2fHvs声速流管 D探头1T1探头2T2流速vHR2R1T2逆流传到R1的时间频率差频率和ssvk质量流量 vAqms2mkcos16)DH(K与流体的密度成正比ffKm结构常数s2kcos2fH2fHD42.4光学量测量和光纤传感器 2.4.1光学量测量方法和传感器 1、测量方法和类型

11、光 源光 路光/ 电测量电路xxxy（1）辐射式光源本身X对光源作用（2）位移式（4）微弯式（3）插入式被测x反射的光线量光线穿透x的出射量穿过x的部分光线量光线被x分成二态不同光强125IE0I0光强或光通量0SSmm（c ） 伏安特性（d ） 光(电)照特性（e ）光谱特性或U光RIU0+-光电池（ b)光电势型IU0R+光敏电阻光 (a)光电导型E 2、光电传感器应用举例 (1)光电耦合器（EOE器件） (2)光电开关器件 光电信号输入U0JJ1光敏电阻+-EM 电机 (3)热释电元件（晶体）(4)CCD图像传感器GS滤光片红外线+_US晶体电子势阱金属电极氧化物 (SiO2)半导体(

12、P型硅 )光线+正偏压纤芯直径约为5m单模传感功能型纤芯直径50多模传光非功能型m2.4.2光纤传感器1、光纤结构和传光原理（1）光纤结构导光纤芯折射率为n1fn1n2外套入射光源入射光源n0包层出射光线fn0纤芯周围包层折射率为n2 n1层外空气折射率为n012、光纤传感器的工作类型（2）光纤位移式（1）辐射式横向SD纵向SD角度SD差动SDDDU+V光源传光光纤ABt热电偶（3）插入式：入射光纤出射光纤被测物(a)反射式被测物入射光纤出射光纤被测物入射光纤出射光纤(b)透射式入射光纤出射光纤(c)遮光式被测物出射光纤入射光纤(d)开关式(4)微弯损耗式(传感型)2-5模拟信号处理2.5.1

13、模拟信号处理电路的结构 n1n2niK1xK2y1y2Kiy1、直接型 信噪比 n3xNS传输系数k1=k2=k3=1；干扰噪声n1=n2=n3=n2、平衡型- y-KKKxnnny1y2yx- yn3xNSyn3调（较困难）3、差动型KKK3y1y2ynnn3xx-x)6(n3xnx2NS倍至少k3=k=1，n3=n，y1=k(x+n)，y=2x+n y2=k(-x+n)2.5.2模拟信号的转换和加工 1、电量转换器（1）I/VA1UA2A3R1R2R2R3R3IUO IRRRU2310 （2）V/I(a)RL接地IUR1R2R3R4RL0( b )RL不接地R2 R1U+VI020RUI

14、)RRRR(1423 2、非线性校正（1）同函数闭环式K0（2）反函数开环式ln非线性线性放大负反馈xex-yxe -yexKx) ye (Kyx0非线性xex校正器xKxxlneyxy0 xa、非线性曲线的分段x0y1y2ynx1xn读入xixix2结束i=1y通式输出溢出处理i=nNYNN开始b、程序框图yyi=2x0,x1, xny0,y1, yn结束xix1（3）线性差值法（计算机校正）R2R3RRWR3- +UR传感器 xySU0基准 U3、零点清除（1）固定零点sxRRU230（2）计算机清除零点A/D传感器xSy单片机计算机进行y-y0运算 4、灵敏度变化的清除传感器xS rSy=(ss)xx0计算机进行 运算“2”1”“00 xy