傳感器總復習綜合練習題-圖文總復習綜合練習（2014-6）表1．1工業檢測涉及的內容被測量類型被測量熱工量溫度、熱量、比熱容、熱流、熱分布、壓力（壓強）、差壓、真空度、流量、流速、物位、液位、界面機械量直線位移、角位移、速度、加速度、轉速、應力、應變、力矩、振動、噪聲、質量（重量）幾何量長度、厚度、角度、直徑、間距、形狀、平行度、同軸度、粗糙度、硬度、材料缺陷物體的性質氣體、液體、固體的化學成分、濃度、黏度、濕度、密度、酸堿和成分量狀態量度、濁度、透明度、顏色工作機械的運動狀態（啟停等）、生產設備的異常狀態（超溫、過載、泄漏、變形、磨損、堵塞、斷裂等）電工量電壓、電流、功率、電阻、阻抗、頻率、脈寬、相位、波形、頻譜、磁場強度、電場強度、材料的磁性能顯然，在實際工業生產中，需要檢測的量遠不止以上所舉的項目。而且隨著自動化、現代化的發展，工業生產將對檢測技術提出越來越多的新要求，本教材重點向讀者介紹非電量的檢測。1．1．4檢測系統的基本結構檢測系統規模的大小及其復雜程度與被測量的多少、被測量的性質以及被測對象的特性有非常密切的關系。圖1．11所示為涵蓋各種功能模塊的檢測系統的結構框圖，由傳感器、模擬信號調理電路、數字信號分析與處理部分、顯示部分以及將處理信號傳送給控制器、其他檢測系統或上位機系統的通信接口部分等，但并不是所有的檢測任務都包括以上幾個部分。傳感器是檢測系統的第一個環節，設計時要充分考慮被測量和被測對象的特點，在了解被測對象和各種傳感器的特性的基礎上，根據被測量精度的要求、被測量變化范圍、被測對象所處的環境條件、傳感器的體積以及整個檢測系統的性能要求等限制，合理地選擇傳感器。它所獲得信息的正確與否決定了檢測系統的精度。因此，傳感器在檢測系統中占有重要的位置。。信號調理電路是對傳感器的輸出電信號作進一步的加工和處理，多數是進行電信號之間的轉換，包括對信號的轉換、放大、濾波等。通過信號的調理，把傳感器輸出的電量變成具有一定驅動和傳輸能力的電壓、電流或頻率信號等，最終獲得便于傳輸、顯示、記錄以及作進一步后續處理的信號并推動后級的執行機構。記錄、顯示儀器是將所測得的信號變為一種能為人們所理解的形式，以供人們觀察和分析。目前常用的顯示器有四類：模擬顯示、數字顯示、圖像顯示及記錄儀等。其中，模擬顯示是利用指針對標尺的相對位置來表示讀數的，常見的有毫伏表、微安表、模擬光柱等。數字顯示多采用發光二極管(LED)和液晶(LCD)等，以數字的形式來顯示讀數。前者亮度高、耐振動、可適應較寬的溫度范圍；后者耗電省、集成度高。目前還研制出了帶背光板的LCD,便于在夜間觀看LCD的內容。圖像顯示是用CRT或點陣方式來顯示讀數或被測參數的變化曲線，有時還可用圖表或彩色圖等形式來反映整個生產線上的多組數據。記錄儀主要用來記錄被檢測對象的動態變化過程，常用的記錄儀有筆式記錄儀、高速打印機、繪圖儀、數字存儲示波器、磁帶記錄儀、無紙記錄儀等。信號分析處理是現代檢測系統中不斷被注入新內容的一部分，逐漸成為檢測系統的研究重點。它是用來對測試所得的實驗數據進行處理、運算、邏輯判斷、線性變換，對動態測試結果作頻譜分析(幅值譜分析、功率譜分析)、相關分析等，完成這些工作必須采用計算機技術。數據處理的結果通常送到顯示器和執行機構中去，以顯示運算處理的各種數據或控制各種被控對象。在不帶數據處理裝置的自動檢測系統中，顯示器和執行機構由信號處理電路直接驅動。所謂執行機構通常是指各種繼電器、電磁鐵、電磁閥門、電磁調節閥、伺服電動機等，它們在電路中是起通斷、控制、調節、保護等作用的電氣設備。許多檢測系統能輸出與被測量有關的電流或電壓信號，作為自動控制系統的控制信號，去驅動這些執行機構。通信接口和總線用來實現由許多測量子系統或測量結點組成的大型檢測系統中子系統與上位機之間以及子系統之間的信息交換。總線更多的是指一種規范、一種結構形式；而接口多指完成通信的硬件系統。1．2傳感器概論1．2．1傳感器的定義傳感器的概念來自“感覺(sensor)”一詞。人們為了研究自然現象，僅僅依靠人的五官獲取外界信息是遠遠不夠的。于是人們發明了能代替或補充人體五官功能的傳感器，工程上也將傳感器稱為“變換器”。根據國家標準《傳感器通用術語》(GB7665—87),傳感器(Transducer/sensor)的定義為：“能感受(或響應)規定的被測量，并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。由傳感器的定義可知，其基本功能是檢測信號和信號轉換。因此，傳感器總是處于測試系統的最前端，用來獲取檢測信息，其性能將直接影響整個測試系統，對測量精確度起著決定性作用。1．2．2傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉換元件和其他輔助元件組成。但是隨著傳感器集成技術的發展，傳感器的信號調理與轉換電路也會安裝在傳感器的殼體內或者與敏感元件集成在同一芯片之上。因此，信號調理電路以及所需輔助電源都應作為傳感器組成的一部分，如圖1．12所示。敏感元件——感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的其他量的元件，如膜片和波紋管，可以把被測壓力變成位移量。若敏感元件能直接輸出電量(如熱電偶)，就兼為傳感元件了。還有一些新型傳感器，如壓阻式和諧振式壓力傳感器、差動變壓器式位移傳感器等，其敏感元件和傳感器就是完全融為一體的。轉換元件——又稱傳感元件，是傳感器的重要組成元件。它可以直接感受被測量(一般為非電量)而輸出與被測量成確定關系的電量，如熱電偶和熱敏電阻。傳感元件也可以不直接感受被測量，而只感受與被測量成確定關系的其他非電量。例如差動變壓器式壓力傳感器，并不直接感受壓力，而只是感受與被測壓力成確定關系的銜鐵位移量，然后輸出電量。一般情況下使用的都是后面這種傳感元件。信號調理與轉換電路——能把傳感元件輸出的電信號轉換為便于顯示、記錄和控制的有用信號的電路。信號調理與轉換電路根據傳感元件類型的不同有很多種類，常用的電路有電橋、放大器、振蕩器和阻抗變換器等。1．2．3傳感器分類傳感器的種類繁多。往往同一種被測量可以用不同類型的傳感器來測量，如壓力可用電容式、電阻式、光纖式等傳感器來進行測量；而同一原理的傳感器又可測量多種物理量，如電阻式傳感器可以測量位移、溫度、壓力及加速度等。因此，傳感器有許多種分類方法。常用的分類方法有：、1．按被測量分類機械量：位移、力、力矩、轉矩、速度、加速度、振動、噪聲等。熱工量：溫度、熱量、流量（速）、風速、壓力（差）、液位等。物性參量：濃度、黏度、比重、酸堿度等。狀態參量：裂紋、缺陷、泄漏、磨損、表面質量等。這種分類方法也就是按用途進行分類，給使用者提供了方便，容易根據測量對象來選擇傳感器。2．按測量原理分類按傳感器的工作原理可分為電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、光纖、磁敏式、激光、超聲波等傳感器?，F有傳感器的測量原理都是基于物理、化學和生物等各種效應和定律，這種分類方法便于從原理上認識輸入與輸出之間的變換關系，有利于專業人員從原理、設計及應用上作歸納性的分析與研究。3．按信號變換特征分類結構型：主要是通過傳感器結構參量的變化實現信號變換的。例如，電容式傳感器依靠極板間距離和位置的變化引起電容量的改變。物性型：利用敏感元件材料本身物理屬性的變化來實現信號變換。例如，水銀溫度計是利用水銀的熱脹冷縮現象測量溫度，壓電式傳感器是利用石英晶體的壓電效應實現測量等。4．按能量關系分類能量轉換型：傳感器直接由被測對象輸入能量使其工作。例如熱電偶、光電池等，這種類型的傳感器也稱為有源傳感器。能量控制型：傳感器從外部獲得能量使其工作，由被測量的變化控制外部供給能量的變化。例如電阻式、電感式等傳感器，這種類型的傳感器必須由外部提供激勵源（電源等），因此也稱為無源傳感器。表1.2按能量轉換型和能量控制型對常用傳感器的工作原理進行歸納。表1．2傳感器的工作原理按能量關系分類除以上分類方法外，還可按照輸出信號的形式分為模擬式傳感器和數字式傳感器，按照測量方式分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器等。雖然分類方法各不相同，但了解傳感器的分類可以加深理解、便于合理選用傳感器。本書選用第2種分類方法，這種分類方法有利于對傳感器工作原理的闡述和分析研究。1.3傳感器與檢測技術的發展動向現代科技水平的不斷發展，為傳感與測試技術水平的提高創造了物質條件；反之，擁有高水平的傳感與測試技術又會促進新科技成果的不斷出現和創新。這兩者之間，相輔相成。大致進行歸納，傳感與測試技術有以下幾個方面的發展。測量儀器向高精度和多功能方向發展測量儀器及整個測量系統性能的提高，使測得數據的可信度也相應提高。在產品研制過程中要進行大量實驗，測量某些性能參數，然后對新測數據進行統計分析。在相同條件下要實驗若干次，新測參數才能具有一定的可信度。儀器精度的提高，可減少實驗次數，從而減少實驗經費，降低產品成本。在科學技術的進步與社會發展過程中，會不斷出現新領域、新事物，需要人們去認識、探索和開拓。為此，在提高測量儀器精度的同時，擴大儀器的功能也是目前的發展趨勢。特別是計算機技術的發展也使傳感與測試技術產生了革命性的變化，在許多測試系統中利用計算機而使儀器的測量精度更高，功能更全。參數測量與數據處理向自動化方向發展一個產品的大型綜合性實驗，準備時間長，待測的參數多，少則有幾十，多則有幾百個數據通道。這些通道狀態如果完全依靠人工檢查，就要耗費很長時間；眾多的數據若依靠手工去處理，不僅處理周期太長，處理結果精度也低?，F代傳感與測試技術的發展是采用以計算機為核心的自動測試系統，這種系統能實現自動校準、自動修正、故障診斷、信號調制、多路采集和自動分析處理，并能打印輸出測試結果。實現多參數的自動測量與處理，可以大大提高測量精度，縮短實驗周期，加速產品的更新與開發。1．3．3傳感器向智能化、集成化、微型化、量子化、網絡化的方向發展傳感器是信號檢測的器具，精度高、靈敏度高且測量范圍大及小型化是傳感器的發展方向。新的材料特別是新型半導體材料方面的成就，已經促使發展了很多對力、熱、光、磁等物理量及氣體化學成分敏感的器件。光導纖維不僅可用來進行信號傳輸，而且可作為物性型傳感器。另一個引人注目的發展是由于微電子發展使得很有可能把某些電路乃至微處理器和傳感測量部分做成一體，而使傳感器具有放大、校正、判斷和一定的信號處理功能，組成所謂的“智能傳感器”。智能傳感器技術是一門涉及多種學科、多個領域的高新技術，隨著當前科學技術的不斷提高，其主要發展趨勢是：微傳感器系統、多傳感器數據融合技術、網絡化智能傳感器系統、藍牙傳感器系統、生物傳感器系統。與傳統傳感器相比，智能傳感器具有精度高、可靠性與穩定性高、高信噪比與高分辨率、自適應性強及性能價格比高等特點。另外，現在的軍用智能傳感器還大量采用了并行處理、模式識別等先進的信息處理方式，為提高傳感器的性能開辟了新的天地。模糊傳感器是在傳統數據檢測的基礎上，經過