传感技术及应用课程教案
第一章 传感器概述
§1-1 传感器与非电量测量
一,非电量与非电量测量
一切物质都处在永恒不停的运动之中.物质的运动形式很多,它们通过化学现象或物理现象表现出来.表征物质特性或其运动形式的参数很多,根据物质的电特性,可分为电量和非电量两类.电量一般是指物理学中的电学量,如电压,电流,电阻,电容,电感等;非电量则是指除电量之外的一些参数,如压力,流量,尺寸,位移量,重量,力,速度,加速度,转速,温度,浓度,酸碱度等.
在众多的实际测量中,大多数是对非电量的测量.在早期,非电量的测量多采用非电的测量方法,例如用尺测量长度;用秤称重量;用水银温度计测温度等等.但随着科学技术的发展,对测量的准确度,测量速度,尤其对被测量动态变化过程的测量和远距离的检测都提出了更高的要求,原有的非电量测量方法已无法适应这一需要.因此需要研究新的测量方法和技术.这就是非电量的电测技术,这种技术就是用电测技术的方法去测量非电的物理量.(或称把被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量,再进行测量的方法).
非电量电测技术的主要特点:
1. 应用了已经较为成熟和完善的电磁参数测量技术,理论和方法.因而,非电量电测技术中的关键技术是研究如何将非电量变换成电磁量的技术——传感技术.
2. 便于实现连续测量.连续测量对于某些参数的自动测量(例如地震监测等)是十分重要的,但用非电的方法连续测量大电量却难以实现.
3. 电信号容易传输(有线,无线),转换(放大,衰减,调幅,调频,调相等),记录,存贮和处理,便于实现遥测,巡回检测,自动测量,并能以模拟或数字方式进行显示和记录测量结果.
4. 可在极宽的范围内以较快的速度对被测非电量进行准确的测量.
5. 与计算机相配合可进行传感器输出非线性的校正,误差的计算与补偿,进而使仪器智能化.同时,也可实现某些参数的自动控制.
6. 可完成用非电量方法无法完成的检测任务(如温度场测量等).
二,非电量电测系统
随着计算机技术的普及和应用,人们对传感技术的重要性有了进一步的认识,把传感器视为计算机的"五官",推动了传感技术的发展.
图1.1 测量系统的功能说明
测量是人们使用专门的仪器,通过实验的方法去获得被测参量数值的过程.
一个非电量电测系统由四种元件组成.
图1.2 非电量电测系统组成
图中,敏感元件(传感元件)直接感受被测非电量,并将其转换成电量;信号调理元件将敏感元件的输出转换成适合进一步处理的信号(如:交,直流电桥,放大器等);信号处理元件将信号调理元件的输出转换成适于记录或显示的信号(例如A/D,D/A,检波等);数据显示,记录元件将信号处理元件的输出以适合的方式显示或记录.
[例] 一个称重测量系统组成

图1.3 称重测量系统组成
§1-2 传感器的定义
根据国家标准的规定,传感器的定义是:能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置.这一定义与美国仪表学会(ISA)的定义相类似,是比较确切的.
§1-3 传感器的分类
传感器有许多分类方法,如:按利用场的定律还是利用材料的物质法则可分为结构结构型传感器和物性型传感器.由结构型和物性型组合而成兼有两者特征的传感器称为复合型传感器;按依靠还是不依靠外能源工作可分为无源传感器和有源传感器;按输出量是模拟量还是数字量分为模拟传感器和数字量传感器,等等.
但最常用的分类方法有两种,一种是按被测物理量来分;另一种按传感器的工作原理来分.
按被测物理量划分的传感器如:温度传感器,湿度传感器,压力传感器,位移传感器,流量传感器,液位传感器,力传感器,加速度传感器,转矩传感器等.
按工作原理可划分为:
(1)电学式传感器
常见有:电阻式传感器,电容式传感器,电感式传感器,磁电式传感器,电涡流式传感器等.
(2)磁学式传感器
利用铁磁物质的一些物理效应制成的,主要用于位移,转矩等参数的测量.
(3)光电式传感器
利用光电器件的光电效应和光学原理制成,主要用于光强,光通量,位移,浓度等参数的测量.
(4)电势型传感器
电势型传感器利用热电效应,光电效应,霍尔效应等原理制成,主要用于温度,磁通,电流,速度,光强,热辐射等参数的测量.
(5)电荷传感器

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