测试技术(第三章)1.ppt

* 工程测试技术 ——郭世伟 第三章 常用传感器原理及信号调理方法（一） 一、传感器概述 1、前言 传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。例如，用超声波探测器可以探测海水的深度，用红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和污染信况等等。 在自动控制领域中，自动化程度越高，控制系统对传感器的依赖性就越大，因此，传感器对控制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。 传感器是测量变换器，它是测控系统的关键部件。现代信息技术的三大基础是：信息采集（传感器），通讯技术（含网络），计算机技术。它们分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”，如果“感官”除出了毛病，不能对被测信号进行准确可靠地捕捉和转换，再聪明的“大脑”也无能为力。 2、传感器的发展 高性能、新型传感器的研制开发和应用，对科研、生产过程的自动化、智能化，对人类认识研究改造自然事物的深度和广度都具有重要的现实意义。 当今，传感器技术的主要发展动向有两个方向： （1）开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺 用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。例如，利用某些材料的化学反应制成的能识别气体的“电子鼻”；利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器等。 （2）实现传感器的集成化、智能化。随着集成电路制造技术的发展，现在已经能把一些处理电路和传感器集成在一起，构成集成传感器。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，装在一个检测器中形成一种新型的“智能传感器”。它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。这种集成化、智能化的发展，无疑对现代工业技术的发展将发挥重要的作用。 3、工程测试中的传感器 本章主要从实际应用的角度介绍机械工程测量中常用的传感器。一般的传感器是指把被测的非电量转化为与之对应的、易于处理的电参量。 这里的非电量一般有：力矩、应变、位移、速度、加速度、转速、温度、压力、流量、液位等。 电参量主要有：电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。 对于进行测控系统设计的用户来说，主要了解其工作原理，使用中的注意事项，关心其测量范围、测量精度等性能参数，测量电路、接口电路的设计等。 往往一种被测量可应用多种类型的传感器来检测，需要根据工作原理、实际测试等情况选用。 4、传感器的分类 按传感器的应用——用于哪种被测物理量的测量分类； 按传感器的工作原理分； 按传感器的构造原理分； 按信号的转换效应分； 按敏感元件的材料分； 按能量观点分，能量转换型（无源型）、能量控制型（有源型）； 按输出信号类型分，等。 5、传感器的构成 传感器完成非电量的电量转换，这里的电量有电能量（如电压、电流、电场强度和电功率等）和电参量（如电阻、电容、电感、电频率和相位等）之分，后者在测试过程中还需进一步转换为电能量。 传感器一般由敏感器件与其它辅助器件组成。 敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。完成非电量的电量转换，该变换称为一次变换（对应为“一次仪表”）。如应变式压力传感器的弹性膜片是敏感元件，它的作用是将压力转换为弹性膜片的形变，并将弹性膜片的形变转换为电阻的变化而输出。 一般把信号调理与转换电路归为辅助器件，对转换成的电参量的进一步“加工处理”称为二次变换，由测量电路（调理电路）实现（对应为“二次仪表”）。变换有微弱信号放大、滤波处理、调制解调等，它们把敏感器件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电信号的装置。 二、传感器常用的测量电路 （一）放大器 对微弱的电信号进行放大。放大器电路有分立元器件构成的和集成电路。 1、集成运算放大器 集成运算放大器是具有高放大倍数，带深度负反馈的直接耦合放大器。其输入网络和反馈网络由线性或非线性元件组成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。 实际应用中有线性工作区和饱和（非线性）工作区。 “虚短” “虚断” “电压跟随器”为其特况 2、测量放大器 在传感器工作环境恶劣，输入信号微弱，输出阻抗较大时，可用测量放大器（仪表放大器），它有更好的性能。 调节R3值可方便地调节电路的增益。 （二）电桥