電子感測技術課件

第1章電子感測技術的基礎知識

1.1傳感器概述

1.1.1傳感器的組成、轉換特性和選用要點

1、組成非電量：溫度、壓力、流量……電量：電磁場、光波、射線……可用非電量：能產生間接電量或電量間接電量：R、L、C電量：不便于傳輸和處理的微弱信號放大、校正、補償、運算、顯示、電量間接電量被x傳感器可用信號y（電信號或光信號)x可用非電量敏感元件轉換器電子測量測量三轉一互換例如：溫度℃熱脹冷縮壓力壓敏電阻△R電橋△U電子測量℃

敏感元件轉換器2、分類（1）物理型：最普遍（2）化學型：最必需（3）生物型：最先進仿生傳感器接近動物靈敏度和精確度：

*狗的嗅覺是人的106倍

*鳥的視覺是人的102倍，并能利用地球磁場定位

*蝙蝠發、收超聲波，其聽覺是人的103倍

*蛇的“接近覺”感知溫度（紅外線）0.01℃的變化重點開發微傳感器、環保傳感器、醫療傳感器網絡化傳感器3、轉換特性y00被測量(a)直線型x1x2y1y2xy

量程

或最理想

測量范圍靈敏度yxΔy0Δxx0(b)階梯型

閾值x0分辨率

Δy=1時為單位分辨率

xy2y1對數型y擬合直線指數型0（c）對數和指數型dm非線性誤差δm是實際曲線與擬合直線間的最大差值（y軸）書中[例]題，由傳感器方程求得S、△x和xm

4、選用傳感器的要點了解被測對象了解主要指標選用方法環境情況測量方式測量范圍安裝要求輸出要求測量精度(誤差范圍）靈敏度S分辨率△XΔ可靠性Δ先進性Δ性價比側重最主要指標進行選擇折中方法，兼顧二個以上指標或性價比采用傳感器的融合技術，減小誤報和漏報5、光電檢測光子光路相同點輕于電子不帶電光頻極高無接地問題光纖傳輸衰耗小光通信容量大電磁波波、粒兩重性有、無線傳輸光能量常數光頻電子初速度電子動能（電流）克服電子逸出功時，紅限光頻1.2電子測量任務和方法

電壓（電流、功率等）、阻抗（R、L、C）、頻率（時間、數字量等）是得到其它電參數的測量基礎

2、表達四要素：

大小(數值)、正負(方向)、單位(屬性)、誤差(精度)

不帶誤差的測量結果不可信沒有單位的測量數據無價值書中[例]題，說明一個測量結果應有四個要素表達。1.2.1電子測量的任務1、測量三參數：1、直接測量：被測量y=x測定值或儀表示值，最基本，應用也最廣。2、間接測量：

y=f(xi)，如測量功率P=U2/R，這里y=P，x1=U，x2=R

（1）y不能直接測量；（2）直接測量較困難；（3）直接測量誤差大3、組合測量：

yi=f(xi)方程組1.2.2電子測量方法直流電路

如圖所示E=I0R0+UE=I1R0+U1E=I2R0+U2R2=∞時，由于電壓表內阻Rv≠∞,產生的誤差與R0值成正比。I1=U1/R1，

I2=U2/R2ER1IUR2R0+-則R0=（U2/U1-1)R11.3測量誤差和處理

1、誤差來源：（1）儀表元器件誤差（2）環境、電源和干擾影響（3）人為造成2、誤差表示（重點、難點）相對真值:高一級儀表測量值a=x0

近真值平均值修正后值a=x+c修正值

c=－△1.3.1誤差理論（1）絕對誤差測量值偏離實際值(大小、方向(正負)）測量值實際值代替真值a0實際相對誤差示值相對誤差引用(滿度)相對誤差又稱滿度誤差，用于評價儀表精確度儀表等級即引用相對誤差（2）相對誤差（準確度、不確定度）電工儀表共分七級：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0最大實際相對誤差最大示值相對誤差作為儀表的最大誤差范圍或不確定度書中[例]題說明(2)被測量越接近量程ym時測量誤差越小(1)γm小，儀表等級高，測量誤差越小數字儀表的絕對誤差幾個字

書中[例]題說明：讀數誤差和滿度誤差的表示方式3、誤差性質誤差性質特點產生原因處理方法隨機誤差（隨差）只能處理，不能改善單峰性有界性對稱性抵償性元器件老化外界干擾電源波動量化誤差增加測量次數算出誤差范圍定出儀表等級和適用范圍系統誤差(系差)可以改善重復性規律性未校零，刻度不準，預熱不夠，元器件理想化（1）算出修正值，進行修正a=x+C（2）用電路或元器件進行控制粗大誤差(粗差)可以避免和剔除出現壞值人為大錯通過計算識別后予以剔除，多個壞值先剔除最大的一個

（1）誤差小數位=測量數據小數位（2）有效數字：非零起，含零止舍入規則：“四舍五入偶不入有尾入”12.3412.3“四舍”12.3612.4≥6進位12.3512.4“五入”12.4512.4“偶不入”

12.45112.5“有尾入”

逢5三思

1.3.2數據處理要求得到最接近被測量的近似值和計算出測量結果的誤差范圍1、數據處理2、直接測量的數據處理N次數據xi按序列表NO

YESa△m2.1溫度檢測攝氏數值華氏數值列氏數值0F0C0R第2章傳感器及檢測技術溫度表征冷熱程度，能量分布和分子運動烈度2.1.1溫標溫標給出溫度數值、單位和計算規則1、經驗溫標計算規則單位2、國際溫標T=T0+C絕對溫度273Kt=00C時，T=T0（水三相點溫度）T=0K時，C=-273

0C冷到極點，分子不動，能量為零。間隔10C=1K

(開爾文)2.1.2

溫度傳感器的介紹型式（輸出量）敏感材料或元器件膨脹式（可用非電量）水銀、紅酒精（常見）雙金屬、液壓、氣壓（三態位移）熱阻式（間接電量）熱電阻（金屬、穩定）熱敏電阻熱電式（電量）集成電路熱電偶（金屬、有源）輻射式（電量）光學高溫計紅外測溫儀其它（有用信號）微波傳感器光纖傳感器（示教、實訓）非接觸式（半導體、靈敏）重點介紹：半導體、熱電偶、紅外測溫儀1、半導體溫度傳感器半導體具有熱敏性、光敏性和參雜性,可構成高靈敏度溫度傳感器熱敏效應，改變半導體或PN結的電阻小范圍的阻溫關系:（1）熱敏電阻40601201600107101102103104105106ρT(Ω.cm)溫度(oC)NTCCTRPTC非線性、測量范圍窄、復現性和互換性差靈敏度高、體小價廉、使用方便，多用于:溫度測量:△R由電橋變成△U溫度補償:NTC型與正溫度系數元器件串、并聯溫度控制：與繼電器或開關元器件串、并聯過限保護：串或并入保護器件中書中圖2.2、2.3為其中一例(2).集成溫度傳感器

以PN結作為敏感元件，與放大器、電橋和補償電路等集成化，并把它們封裝在同一殼體里改善了半導體的缺點：測溫范圍增大

復現性和互換性較好保持了半導體的優點：靈敏度高體小價廉使用方便書中圖2.4為AD590用法之一：I0與T成正比參考(冷)端tt(+A)(－B)t0t0測量(熱)端B(-)熱電勢靈敏度被測溫度參考溫度兩種金屬兩端溫差2、熱電偶溫度計（1）工作原理缺點:要求冷端溫度t0=0℃或恒定t0優點:穩定性好，溫度范圍大

UAB

RaRbRTRSABtU0t0Et0R（2）主要應用一個測點溫，冷端要補償t02ABt1t01ABt2ABt1BAtnt01Bt1At02Bt2At03Bt3AR1R2R3二個測溫差，同極串電表三個相并聯，三點平均值多個相串聯，多點溫度和3、紅外線熱輻射的檢測（1）紅外線（l

=0.75~1000μm）及其特點（物體紅外輻射能量正比于它的吸收量）熱電型SSmllm0光電型靈敏度低，常溫使用靈敏度高，低溫工作多用于非接觸測量，其特點：a.不破壞測溫現場，對被測溫度無影響。b.不必達到被測物體的溫度，所以測溫快，且無測溫上限。c.被測物體的熱輻射能與溫度的關系由實驗方法確定，因此定標較復雜。

（2）紅外線測溫儀舉例結構定標：U0=4V～1mV

，200℃~0℃

被測物47mFA1A2A3A410cmRTNTC6mw紅外線聚光鏡遮光板電機晶體MOSFETDSG光學系統傳感器測量電路U2U4UO調滿

用熱敏電阻進行補償線性△U0=-20mv/℃校零2.2.1壓力概念及單位1、壓力表現為壓強2.2壓力檢測2、絕對和相對壓力的關系比較差壓表壓正壓負壓相同點相對壓力表壓，以p0為參考不同點△p=p2-p1

△p0=p-p0△p0＞0△p0＜0差壓表壓p1p2p0負壓(p0-p)正壓(P-P0)大氣壓0（真空）p金屬（穩定性好）半導體（靈敏度高）應變電阻片2.2.2壓力傳感器的介紹（1）壓阻式（2）壓電式：（3）磁電式：霍耳（Hall）元件（4）其它壓電石英、壓電陶瓷、壓電半導體應變電阻片壓力彈性元件位移應變電阻片△R電橋△U電子測量壓力敏感元件轉換電路壓強1、應變電阻片及其用法（1）單臂電橋的溫度補償和壓力測量R±△RR±△RR1R1UababU＋－單、雙臂電橋應變電阻應變電阻U＋－R＋△RR－△RR＋△RR－△R壓縮拉伸壓縮拉伸ab全橋電路（2）雙臂（3）全橋電路進行雙梁檢測（4）測壓系統實例——多通道調制型應變儀測壓系統

組成：電阻片傳感器、多通道應變儀（多路電橋、信號處理）RRRIU其中一路電橋放大放大傳感器R±ΔRR±ΔRR±ΔR長電纜檢波濾波多路電橋信號處理器記錄儀載波振蕩現場定標高端調滿低端校零中段線性IU2、霍耳（Hall）元件霍耳電壓B霍耳效應UHII

++++N型

－－－－當恒流源供電時UH=(KHI)B,可用于：（1）測量磁場大小和方向（2）可測線中大電流IB>105A

（3）利用UH=（KHKB）I×IB，可做成乘法器等。XB0（4）做成Hall壓力計線性

當環境溫度升降時，串入正溫度系數的熱敏電阻Rt也將增減，使U0保持不變（5）Hall元件的溫度補償

RtRLIHU0I02.3流量檢測質量流量的累積總量

(Kg)在△t時間內，流量比較平穩2.3.1流量及測量方法1、流量的概念及單位

(1)體積流量

(2)質量流量(m2·m/s=m3/s)

(m3/s·Kg/m3=Kg/s)

（1）流管中放置障礙物使其產生壓力變化，也能產生渦流、旋流和振動等現象。（2）流體沖擊流管中的活動體，使其產生轉動或位移。（3）流體切割磁力線，管外器件將產生感應電動勢。（4）流體帶走熱量，流體中的溫度因流動而發生變化。2、測量依據和方法（5）流體中放入示蹤劑或流體中的不均勻介質再現，測量流管內兩點相關變化量。（6）流體改變電波或超聲波的頻率,使其接收頻率fr與發射頻率ft不同，產生了多卜勒（Doppler）頻移。2.3.2體積流量和質量流量的檢測1、差壓式流量計流管rp節流孔差壓計p1p2<p12v>短路閥1v1v差壓系數2、電磁式流量計流速產生感應電動勢恒磁場系數NSB磁極電極Un

3、質量流量計（1）推導式質量流量計質量流量系數差壓式電磁式?UDpp2<電極vqm電極p1p1（2）超聲波直接式質量流量計T1順流傳到R2的時間流管Dq探頭1T1探頭2T2流速vHR2R1T2逆流傳到R1的時間頻率差頻率和質量流量與流體的密度ρ成正比結構常數2.4光學量測量和光纖傳感器2.4.1光學量測量方法和傳感器1、測量方法和類型

光源光路光/電測量電路xxxy（1）輻射式光源本身X對光源作用（2）位移式（4）微彎式（3）插入式被測x反射的光線量光線穿透x的出射量穿過x的部分光線量光線被x分成二態不同光強Φ1Φ2Φ5IE0I0Φ光強或光通量0SSmlml（c）伏安特性（d）光(電)照特性（e）光譜特性或U光RIU0+-光電池（b)光電勢型-IU0R+光敏電阻光(a)光電導型E2、光電傳感器應用舉例(1)光電耦合器（EOE器件）(2)光電開關器件光電信號輸入U0JJ1光敏電阻+-EM電機

(3)熱釋電元件（晶體）(4)CCD圖像傳感器GS濾光片紅外線++__US晶體電子勢阱金屬電極氧化物(SiO2)半導體(P型硅)光線+正偏壓纖芯直徑約為5單模傳感功能型纖芯直徑≥50多模傳光非功能型2.4.2光纖傳感器1、光纖結構和傳光原理（1）光纖結構導光纖芯折射率為n1qqfn1n2外套入射光源入射光源n0包層出射光線q'q'fn0纖芯周圍包層折射率為n2<n1層外空氣折射率為n0＝12、光纖傳感器的工作類型（2）光纖位移式（1）輻射式橫向SD縱向SD角度SD差動SΔDDDU+V光源傳光光纖ABt熱電偶（3）插入式：入射光纖出射光纖被測物(a)反射式被測物入射光纖出射光纖被測物入射光纖出射光纖(b)透射式入射光纖出射光纖(c)遮光式被測物出射光纖入射光纖(d)開關式壓力DS重力變形器光纖d支點滾筒力SD(4)微彎損耗式(傳感型)§2-5模擬信號處理2.5.1模擬信號處理電路的結構

n1n2niK1xK2y1y2Kiy1、直接型信噪比傳輸系數k1=k2=k3=1；干擾噪聲n1=n2=n3=n2、平衡型-βy-βKKKxnnny1y2yx-βy∞（較困難）3、差動型KKK3y1y2ynnn3xx-xk3=k=1，n3=n，y1=k(x+n)，y=2x+ny2=k(-x+n)2.5.2模擬信號的轉換和加工1、電量轉換器（1）I/VA1UA2A3R1R2R2R3R3IUO

（2）V/I(a)RL接地IUR1R2R3R4RL0(b)RL不接地R2

R1U+VI02、非線性校正（1）同函數閉環式K0（2）反函數開環式ln非線性線性放大負反饋xex-byxe-byex非線性xex校正器xy0xa、非線性曲線的分段x0y1y2ynx1xn讀入xixi<x2結束i=1y通式輸出溢出處理i=nNYNN開始b、程序框圖yyi=2x0,x1,xny0,y1,yn結束xi<x1（3）線性差值法（計算機校正）R2R3RRWR3＋-

+UR傳感器

xySU0基準

U3、零點清除（1）固定零點（2）計算機清除零點A/D傳感器xSy單片機計算機進行y-y0運算4、靈敏度變化的清除傳感器xS±rSy=(s±Δs)xx0計算機進行運算“2”1”“3.1

電壓、電平、功率和噪聲的測量3.1.1

電壓和電平的測量1.交、直電壓表的結構和測量原理各種電壓表結構DCAC輸入量程放大電子電壓表數字模擬萬用表阻抗變換A/DV/I計數器電流指示電壓超量程電壓三位半分辨率量程10V00.01V19.99V第3章電壓、頻率和電路元器件的測量2.數字電壓表(DVM)的測量范圍和分辨力19.99v0.001v00.01v0.01v9.999v09.99v9.99v10v0.001v00.01v0.01v4.999v04.99v4.99v5v000.1mv000.1mv001mv199.9mv199.9mv199mv0.2v199.9mv00.01mv000.1mv00.1mv99.99mv099.9mv99.9mv0.1v四位三位半三位量程3.交流電壓的量值及轉換關系：0U(t)UP+U0UP-UmUPPtUPP=(UP＋)-(UP-)=2Um統一性疊加性相對電平：11.25-11/1.25=0.83210103.1.2功率和射頻功率的測量1.交、直流功率的測量2.射頻功率的間接測量（1）.晶體檢波器的測量（2）.熱電轉換器的測量射頻源衰減器可變衰減器功分器(魔T)晶體檢波器鉍銻熱電偶UPU為直流電壓或交流有效值（3）大功率的測量熱轉電功率計直讀P0

小功率計擴展量程家用微波爐加熱功率射頻脈沖功率不均勻度測準τ3.1.3噪聲測量和抗干擾措施1.噪聲電壓有效值Un的測量(1)用寬帶平均值電壓表測量時的讀數為Uα（2）用寬帶示波器測量其峰峰值Upp

2．放大器噪聲系數NF的測量(1)定義噪聲儀放大器噪聲調節T2T1ENR（dB）Pni(T2)NF(dB)Pno(T2+Tn)平方率檢波指壓表Pni(T1)Pno(T1+Tn)室溫

PnAPTnRg=RiR0=RL(2)y系數和超標比ENR：(3)對數表示(4)功率倍增法（y＝2），儀表讀出ENR（dB）=NF（dB）系數超標比3.用失真度儀的“相對電平”測量放大器的信噪比S/N(dB)(1).連接好信號源、放大器和失真度儀輸入(2).使放大器輸入端短路，“輸入量程”應減小到的噪聲電壓量程ndB,在此檔量程內的噪聲電壓讀數NdB對應比值（相對電平）

信號源放大器失真度儀U0=3VNS(dB)Sn＝10dB4.抗干擾措施模擬電路輸入級的噪聲是主要的（1）屏蔽技術（2）接地技術（4）與屏蔽接地相反的“浮置”

（8）采用鎖相環路（PLL）（5）變壓器或光電的耦合隔離法（3）濾波技術（6）采用電橋平衡電路（7）通過整形、積分和門限等措施3.2射頻（RF）網絡特性參數測量和應用3.2.1射頻簡介1.微波波長：2.傳輸線上阻抗：l容性感性低高I()U()高低容性感性034l12l14低（阻性)lξξξ傳輸線終端()ξZ123..行程空氣中(

r＝μr＝1)電磁介質中（

r>1，μr>1)電介質中(

r>1，μr＝1)無限傳播傳輸線中介質中波長線上阻抗處處變，四分之一高低換，半個波長又還原，不同介質有區別。3.2.2單口網絡的反射參數1.反射系數單口網絡物體RF入射反、散射入射波出射波測試口abT2.模值回波損失電壓駐波比3.相位差：電波行程相移常數RL=20lg|Γ|（dB）3.2.3雙口網絡的散射參數1.S參數測試口T1T2反射參數傳輸參數RF入射反射、透射雙口網絡物體反射，透射RF入射a1b1a2b2T1T2測試口插入損耗（衰減）2.模值輸入功率反射功率負載功率

3.2.4S參數的測量1．自動網絡分析儀（ANA）的組成和類型組成類型信號源測試裝置幅相檢測器矢量（ANA）掃頻源定向耦合器和混頻器比值計和相位計六端口(SPANA)點頻源六端口電路檢波器或功率計時域(TDANA)脈沖源延遲線段取樣示波器雙口網絡a2

b2a1

b1T1T2信號源測試裝置DUT幅相檢測器2．ANA的工作原理（HP8510B為例）3.2.5應用舉例檢測（雷達、遙感、傳感器等）通信（中繼通信、衛星通信、移動通信）能量（微波加熱、微波輸能、微波引擎等）。1．微波傳感器的檢測原理xa2

b2a1

b1信號源測試裝置幅相檢測器優點：非接觸在線檢測和實時處理，耐高溫和高壓等缺點：有零漂，定標困難微波的三大應用:2.透射式測量矢量電壓表定向耦合器微波源發射天線接收天線被測物流水線3.反射式測量原油流管微波源PrPi0100含水率％Pr/Pi3.3.1計數法測量fAfB倍頻器分頻器計數窄脈沖主門t=TA/aT=NtN計數器門控脈沖T=bTB門控寬脈沖

×a÷b

門控

量化誤差：寬控開關窄計數，越寬越窄高精度。

四塊電路三端口，二入一出經主門絕對誤差：ΔN=±11、測量頻率fX

fXfC放大整形

門控主門1/fXbTC

a=1

÷b分頻器fx=Nfc/b2、測量周期TX

fC倍頻器

門控主門TcTx=NTc

a≥1b=1TxTx放大整形器Tx=N/fC3、測量誤差和中界頻率

4、測量同頻信號的時差和相位差

fc

門控Tc△t=NTca>1△t放大整形aTc=MTxaTca=1b=1主門付門ΔtTX3.3.2示波器的時域測量1、測量正弦波參數Tx△t0t(x)U(y)2、測量脈沖波參數下沖量上沖量U00.9U0τrτfUt0△U0.5U0τ0.1U03.3.3信號失真與頻域測量放大器被測正弦波測試信號U1(f1)

抑制基波衰減器HPFmV表f1-60dB1、非線性(諧波)失真度γ的測量2、線性(頻率)失真度的測量(1)點頻法測量：信號源被測Ui(Φi)Uo(Φo)mV表示波器放大器Uo/Ui1Φo－ΦifLfHf0低頻寬帶(2)掃頻法測量：Y輸入等幅調頻波掃頻儀檢波RF輸出被測BPFX掃描波變幅調頻波fΔΦ＝Φo-ΦiΔff0Uo/Ui01高頻窄帶3.頻譜分析儀工作原理BPF中放中放VCO掃描波fI混頻AI諧波混頻器預選器RF衰減器0~－AdBfLf1…fn-xdBm本振末級檢波放大yx譜線fiLpi被測信號fI=mfL-fi本振固定3.4阻抗測量和半導體管的檢測3.4.1電阻