传感器六元素的检测原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,传感器六元素的检测原理,传感器的定义,传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种量值的测量装置。,一般都指这样一类元件：它能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并把它们按照一定的规律转化成电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。,根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：敏感元件、转换元件、转换电路。,传感器的作用是把非电学量转化为电学量或电路的通断，从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。,敏感元件,能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件。如金属或半导体应变片，能感受压力的大小而引起形变，形变程度就是对压力大小的响应。铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件，而金属或半导体应变片，就是一种压力敏感元件。,转换元件,上面介绍的敏感元件，其中有许多可兼做转换元件。转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。如果敏感元件本身就能直接将被测量变成电路参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能。如热敏电阻，它不仅能直接感受温度的变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，也就是将非电路参数（温度）直接变成了电路参数（电阻）。,元素一、温度,温度的测量方法按照感温元件是否与被测介质接触，可以分为,接触式,与,非接触式,两大类。,接触式测温的方法就是使温度敏感元件与被测温度对象相接触，使其充分的热交换，当热交换平衡时，温度敏感元件与被测温度对象的温度相等，测温传感器的输出大小即反映了被测的温度。,非接触式测温的方法就是利用被测温度对象的热辐射能力随其温度的变化而变化的原理，通过测量与被测温度对象有一定距离处被测物体发出的热辐射强度来测得被测温度对象的温度。,常用的接触式的主要有热膨胀式温度传感器、热电偶、热电阻、热敏电阻和集成温度传感器等，这类传感器优势就在于结构简单、可靠测量精度高、稳定性好、便宜，最大的缺点就是具有较大的滞后性，也不方便运动物体的测量，测温的范围受敏感元件材料性质限制。,常见的非接触式有光电高温传感器、红外辐射传感器等，优点与上面对比就是不受温度范围的限制以及不存在滞后，劣势在于精度不高，使用中测量距离与中间介质对测量结果有影响。,LUFFT,温度测量原理,原理：,NTC,负温度系数。,NTC,是,Negative Temperature Coefficient,的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或,元器件,，事实上就是属于热敏电阻，全称负温度系数热敏电阻,。,温度系数,可分负温度系数和正,温度系数,。,负温度系数的意思是指某一值（这里是指电阻值）与温度之间呈负的指数关系，就是说它的数值随温度的升高而降低。而,正温度系数,则反之，随之温度的升高而,升高,。,不管,是热电偶传感器和热电阻传感器都叫热电式传感器，原理上都是将温度变化转换为电量变化的装置，热电阻是将温度变化转换为电阻值的变化，负温度系数就是电阻值随温度的上升而下降，其单位是欧姆,/,C,，但常被写成,%,变化,/,C,（每摄氏度变化的百分比），而热电偶是将温度变化转换为电动势的变化,。,优势，灵敏性高，,体积小重量轻。典型变化为每摄氏度减少（,-,）,7%,至,3%,，这是适合宽温度范围内使用的任何传感器来说是最为灵敏的。,元素二、湿度,湿度的概念是空气中含有水蒸气的多少,。,空气湿度是空气中水蒸汽含量的反映，湿度常用的表示方法有,绝对湿度,，,相对湿度,和露点温度。,工程,上常用的是相对湿度。,1,）绝对湿度,绝对湿度表示单位体积内空气里所含水蒸汽的质量，即空气中的水蒸汽密度。单位为,g,m3,。,2,）相对湿度,在某一温度时，空气的绝对湿度，跟在同一温度下的饱和水汽压的百分比值，叫做当时空气的,相对湿度，,用百分比表示，常写成,%RH,。,相对湿度为,100,RH,并不表示空气全由水蒸汽构成，而仅仅表示今该温度下水蒸汽压力己达饱和。在一定温度下，空气中所能容纳的水蒸汽含量是有限的，超过这个限度时，多余的水蒸汽就由气态转变成液态，这个限度对应于该温度下的饱和水蒸汽,压力,。,LUFFT,怎么测量湿度？,湿度,传感器：,阻抗型湿敏元件组成的湿度传感器,其湿敏材料主要是金属氧化物陶瓷材料，一般采用厚薄膜结构，它们有较宽的工作温度范围，并且有较小响应时间；缺点是阻抗的对数与相对湿度所成的线性度不够好。,电容式湿敏元件组成的湿度传感器,相对湿度的变化影响到内部电极上聚合物的介电常数，从而改变了元件的电容值，由此引起相关电路输出电量的变化。其线性度好，响应快。,热敏电阻式湿度传感器,它利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定,湿度,。,电容式湿度传感器,顾名思义，,把,被测,的如,位移、,压力,、湿度,等,转换为电容量变化的,传感器,就是电容式湿度传感器,。,湿度传感器主要由湿敏电容（感湿部分）和转换电路两部分组成。湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当相对湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小（电容量通常在,48,56pf,间）。传感器的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化，对应于相对湿度,0,100%RH,的变化，传感器的输出呈,0,1v,的线性,变化,。,这种相对湿度传感器对于湿度的变化响应速度快，抗结露性强，耐腐蚀性好，即使在最高温度为,180,C,的环境中也可以工作。,1,法拉,(F)= 1000,毫法,(mF),1000000,微法,(,F),1,微法,(,F)= 1000,纳法,(nF)= 1000000,皮法,(pF),电容器原理,电容器的原理讲一下，电容器的电容公式,为,C=A,=Q/U,，,式,中,为极间介质的介电常数，,A,为两电极互相覆盖的有效面积,为两电极之间的距离。,、,A,、,三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。,因此,电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化,(,见,压力传感器,),。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。,电容（或称电容量）是表征电容器,容纳,电荷,本领的,物理,量,。我们把电容器的两极板间的电势差增加,1,伏所需的,电,量,，,叫做电容器的电容。电容器从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质（就像一只水桶一样，你可以把电荷充存进去，在没有放电回路的情况下，刨除介质漏电自放电效应,/,电解电容比较明显，可能电荷会永久存在，这是它的特征,元素三、,降水强度,、降水量及类型,：,采用,24GHz,多普勒雷达,( Doppler radar ),感知每一个雨点、每一片雪花来测量降水。通过雨滴,(,雪花,),的降落速度和大小，计算降水量与降水强度。通过不同的降落速度，可判别不同的降水类型,(,雨,/,雪,),。雷达测量装置比传统的翻斗型雨量计更先进，没有活动部件，免维护,。,所谓,多普勒效应就是，当声音，光和无线电波等振动源与观测者以相对速度,V,相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应,。,当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标,利用,多普勒效应,进行定位，测速，测距等工作的雷达。,利用多普勒效应可以测定降水粒子的运动速度，从而推断降水实体速度分布、风场结构特征、垂直气流速度等，这对研究降水的形成、分析中小尺度天气系统、警戒强对流天气等具有重要意义，这是以往天气雷达做不到的。,元素四、气压,MEMS,电容式,MEMS,技术，就定义而言，,MEMS(,微机电系统,),是感知、计算和执行的融合。它也是一种制造技术。它本身并不是某种产品。它为什么重要？从,根本上,说，,MEMS,把电子和机械特性结合了起来。它可以同时执行物理、化学、生物等方面的功能，因为它能同时发生化学反应和电作用,。,MEMS,电容式：,MEMS,电容式压力传感器是某种利用,MEMS,技术制造出来的电容式传感器，,比如利用,MEMS,技术在,硅片上制造出横隔栅状，上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移，改变了上下二根横隔栅的间距，也就改变了板间电容量的,大小。,工作原理,1,、,某,类气压传感器主要的传感元件是一个对压强敏感的薄膜，它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压强降低或升高时，这个薄膜变形，该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得,0-5V,的信号电压，经过,A/D,转换由数据采集器接受，然后数据采集器以适当的形式把结果传送给,计算机,，,这种,是,电阻式,的传感器。,2,、,某些,气压传感器的主要部件为变容式硅膜盒。当该变容硅膜盒外界大气压力发生变化时，单晶硅膜盒随着发生弹性变形，从而引起硅膜盒平行板电容器电容量的,变化,，,LUFFT,用的就是这种原理。,电容式压力传感器的基本结构如右图所示。由公式可知，外界压力通过改变电容的极板面积和间距来改变电容。随着压力慢慢增大，电容因极板间距减小而增大，此时电容值由非接触电容来决定；当两极板接触时，电容的大小则主要由接触电容来决定。,C=A,L,动极板,定,极板,L,L,元素五、,风向,及风速,风力不仅,有,大小还,有,方向，可通过仪器来,测,量风力的大小与方向。根据,测,量,原理,主要,有,以下,几,类：机械式、超声波式、声振荡、压力式与热线式等，在一般场合用得较多的是机械式与超声波式，特别是在风力发电中使用广泛,。,机械式,机械式风速仪与风向仪是两者分离的，结构简单、价格低廉是其最大优点。最大缺点是有旋转件，存在磨损损耗，易被风沙损耗，易受冰冻、雨雪干扰，需定期维护。,超声波式,传统超声波式最大优点是无机械式的摩擦损耗带来的系列缺点。与身俱来的缺点是尺寸大、不易加热、易结冰，同时易受雨、雪、雹、霜、雾、沙尘等障碍物影响。,超声波,风速,风向仪,有,多,种测,量计算方法，其中传播时差法简单也用得较多。时差法通过超声波在空气中的传播速度来,测,量,风速,，顺风传播速度快，逆风传播速度慢，,风速,为零时双向速度一样,。下面图就是一个超声波,风速,风向仪，在,上方,有,四个超声波探头，每个探头即可发送超声波也能接受超声波，相对的两个探头是一组。每一组探头可,测,出相对方向的,风速,，两组探头联合则可,测,出具体的,风速,与风向。,超声波知识,超声波：超声波是频率高于,20000,赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的,声能,，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。,科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。,我们人类耳朵能听到的声波频率为,20,20000,赫兹。当声波的振动频率大于,20000,赫兹或小于,20,赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于,20000,赫兹的声波称为,“,超声波,”,。通常用于医学诊断的超声波频率为,1,5,兆赫兹,声源体发生振动会引起四周空气振荡，那种振荡方式就是声波。声以波的形式传播着,我们把它叫做声波,.,声波借助各种媒介向四面八方传播。在开阔空间的空气中那种传播方式像逐渐吹大的肥皂泡，是一种球形的阵面波。声音是指可听声波的特殊情形，例如对于人耳的可听声波，当那种阵面波达到人耳位置的时候，人的听觉器官会有相应的声音感觉。,防护等级：,IP64,，各防护等级的,区别,第一个标示特性号码（数字）所指的防护程度 （防尘等级）,0,没有防护 对外界的人或物无特殊防护。,1,防止大于,50mm,的固体物体侵入 防止人体（如手掌）因意外而接触到灯具内部的零件。防止较大尺寸（直径大于,50mm,）的外物侵入。,2,防止大于,12mm,的固体物体侵入 防止人的手指接触到灯具内部的零件防止中等尺寸（直径大,12mm,）的外物侵入。,3,防止大于,2.5mm,的固体物体侵入 防止直径或厚度大于,2.5mm,的工具、电线 或类似的细节小外物侵入而接触到灯具内部的零件。,4,防止大于,1.0mm,的固体物体侵入 防止直径或厚度大于,1.0mm,的工具、电线或类似的细节小外物侵入而接触到灯具内部的零件。,5,防尘 完全防止外物侵入，虽不能完全防止灰尘进入，但侵入的灰尘量并不会影响灯具的正常工作。,6,防尘 完全防止外物侵入，且可完全防止灰尘进入。,第二个标示特性号码（数字）所指的防护程度 （防水等级）,0,没有防护 没有防护。,1,防止滴水侵入 垂直滴下的水滴（如凝结水,），,如,对,灯具不会造成有害影响。,2,倾斜,15,度时仍可防止滴水侵入,如,当,灯具由垂直倾斜至,15,度时，滴水对灯具不会造成有害影响。,3,防止喷洒的水侵入 防雨，或防止与垂直的夹角小于,60,度的方向所喷洒的水进入灯具造成损害。,4,防止飞溅的水侵入（全方位泼溅） 防止各方向飞溅而来的水进入灯具造成损害。,5,防止喷射的水侵入（全方位弱水流喷溅） 防止各自各方向由喷嘴射出的水进入灯具造成损害。,6,防止大浪的侵入 装设于甲板上的灯具，防止因大浪的侵袭而进入造成损坏。,7,防止浸水时水的侵入（,15CM-1M,深的水中） 灯具浸在水中一定时间或水压在一定的标准以下能确保不因进水而造成损坏。,8,防止沉没时水的侵入（长时间浸入 ） 灯具无限期的沉没在指定水压的状况下，能确保不因进水而造成损坏。,重复性？,复现性？标准,90%,？,重复性：是在在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之的一致性，即为测量结果的重复性。,复现性,是在不同测量条件下，如不同的方法，不同的观测者，在不同的检测环境对同一被检测的量进行检测时，其测量结果一致的程度。测量复现性必将成为仪表的重要性能指标。,（,1,）在给出复现性时，应有效地说明改变条件的详细情况。,（,2,）改变条件可包括：测量原理；测量方法；测量仪器；观测者；参考测量标准；地点；使用条件；时间。,（,3,）复现性可用测量结果的分散性定量地表示。,（,4,）测量结果在这里通常理解为已修正结果。,传感器代号标记方法,传感器代号的构成,传感器的完整代号应包括,4,个部分：,a,、主称（传感器）；,b,、被测量；,c,、转换原理；,d,、序号；,4,部分代号表述格式如下图所示：,a,、主称,b,、被测量,C,、转换原理,d,、序号,第,1,部分,主称（传感器），用汉语拼音字母“,C,”标记。,第,2,部分,被测量，用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记，详细代号有表可查。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则取汉语拼音的第二个大写字母作代号，依此类推。当被测量为离子、粒子或气体时，可用其元素符号、粒子符号、或分子式加园括号（）表示。,第,3,部分,转换原理，同第,2,部分，用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记，同样有表可循，代号重复时亦同第,2,部分。,第,4,部分,序号，用阿拉伯数字标记。序号可表征产品设计特性、性能参数、产品序列等。如果传感器产品主要性能参数不改变，仅在局部有改动或变动，则其序号可在原序号后面顺序地加注大写汉语拼音字母,A,、,B,、,C,（其中,I,、,O,两个字母不用）,传感器的技术指标,基本,参数指标,：,量程指标：量程范围过载能力等,灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗等；,精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性等；,动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界特性、临界速度、稳定时间等,灵敏度：表示传感器响应变化,Y,除,以相应的激励变化,X,，是对时间而言的。,鉴别力,：指传感器对激励值微笑变化的响应能力。鉴别力阀是指传感器的响应产生一个可觉察变化的最小激励变化值。,分辨力：指传感器的指示装置对紧密相邻量值有效辨别的能力。一般认为模拟式指示装置的分辨力为标尺分度值的一半，数字式指示装置的分辨力为末位数的一个字码。,死区：指不引起传感器响应有任何可觉察变化的最大激励变化范围。,准确度：又称精确度，表示测量结果与被测量的（约定）真值之间的一致程度。两者之差成为绝对误差，绝对误差与被测量（约定）真值之比为相对误差。准确度反映了测量结构中系统误差与随机误差的综合。通常所谓,0.1,、,0.5,、,1.0,等级的传感器，意味着它们的精确度分别为,0.1%,、,0.5%,、,1.0%,。,暂时到此，谢谢,