華科-機械工程測試信息信號分析-課件-ch4-傳感器

1、01:36,MEASUREMENTINFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING,機械工程測試?信息?信號分析,機械科學與工程學院 機械電子信息工程系,01:36,課件資料下載：郵箱地址： 密碼：注意下載時不要刪除原始文件,01:36,3,第四章 信息轉換與傳輸,主要內(nèi)容一、信息轉換-傳感器，非電量→電量二、傳感器的標定和選擇三、信息傳輸

2、Shannon信道容量關系式信息-能量傳輸?shù)淖罴疡詈蠗l件信道頻率特性與波形失真信道頻率特性與信息熵損失四、信息傳輸過程中的干擾和噪聲噪聲物理根源與耦合方式噪聲模型及其傳輸特性,01:36,4,第四章 信息轉換與傳輸,4-1 信息轉換一、信息探測工程與智能傳感器 1. 人類認識事物的信息過程,01:36,5,信息探測工程,2. 人類感官獲取信息的局限性3. 傳感系統(tǒng)的一般模型,(a),(b),01:36,6

3、,信息探測工程,4. 傳感技術的發(fā)展 (1) 擴展頻域 視覺與光傳感器聽覺與聲傳感器觸覺與溫度、壓力傳感器嗅覺傳感器 (2) 智能化動態(tài)測量遠距離、非接觸測量特殊環(huán)境下測量微觀分析實時在線,01:36,7,智能傳感器,傳感器一般指能夠感知某種物理量（如電、光、磁等）、化學量（如濃度、PH值等）、生物量（如細菌等）等的信息，并將該信息轉化為電信息的裝置。,智能傳感器是將傳感器與微型計算機集成在一塊

4、芯片上，其主要特征是將敏感技術和信息處理技術相結合，使其除了具有感知的本能外，還具有認知能力。,智能傳感器,01:36,8,嵌入式計算機,智能傾角RS232傳感器,IC總線數(shù)字溫度傳感器,智能傳感器,01:36,9,振動網(wǎng)絡傳感器,智能壓力網(wǎng)絡傳感器,智能傳感器,01:36,10,GSM/SMS,智能傳感器,01:36,11,工程中的傳感器,二、工程中的傳感器,01:36,12,工程中的傳感器,01:36,13,工程中的傳感器,01:3

5、6,14,1 聲壓傳感器-動圈式,動圈式聲壓傳感器,01:36,15,,動圈式傳感器,,圖 動圈式傳聲器,01:36,16,1 聲壓傳感器-電容式,01:36,17,極距δ變化型,01:36,18,1 聲壓傳感器-光纖式 P 96,聲-光相位調(diào)制,01:36,19,2 振動測量傳感器-渦流式位移傳感器,01:36,20,原理:渦流效應線圈高頻交變電流，產(chǎn)生磁通，金屬板產(chǎn)生感應電流(渦電流),渦流式傳感器原理,高頻感應爐 冶煉金屬,

6、01:36,21,渦流磁場影響高頻線圈的等效阻抗Z變化：,δ線圈與金屬板間距離，?金屬板的電阻率，?磁導率?線圈激磁圓頻率,渦流式傳感器原理,,(>lMHz)激勵電流，高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應，金屬板表面形成渦電流。該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與δ、ρ、μ、i，ω等有關，若只改變δ而其他系數(shù)不變，則可將位移的變化轉換為線圈自感的變化，再轉換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感

7、器多用于位移測量。,高頻反射式渦流傳感器原理,01:36,22,渦流式傳感器原理,,發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場集膚效應小，滲透深，當?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈ω2產(chǎn)生感應電動勢e2。渦流消耗部分磁場能量，使感應電動勢e2減少，當金屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質有關，

8、試驗表明，e2隨材料厚度h的增加按負指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質一定，則利用e2的變化即可測量其厚度。,低頻透射式渦流傳感器原理,01:36,23,適用：可用于動態(tài)非接觸測量，測量范圍?1mm - ?10mm,與傳感器結構尺寸，線圈匝數(shù)和激磁頻率有關,可到1?m。δ變化，位移振動測量；金屬板的電阻率?或磁導率?變化，可作為材質鑒別或探傷。優(yōu)點：結構簡單，使用方便，不受油污等介質的影響。渦流式位移、振動測量儀，

9、無損探傷儀等。,渦流式傳感器適用范圍,01:36,24,,,例：電渦流轉速傳感器,例：電渦流傳感器測厚和零件計數(shù),渦流式傳感器應用,01:36,25,渦流式傳感器產(chǎn)品,01:36,26,案例：無損探傷,原理:裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。,火車輪檢測,油管檢測,渦流式傳感器應用,01:36,27,磁電式傳感器,1.變換原理:,磁電式傳感器是把被測量的物理量轉換為感應電動勢的一種轉換器。,感應線圈的感應電動勢e為,磁通變化率與磁場強度、磁阻

10、、線圈運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變感應電動勢。,3 磁電式傳感器,B為磁場感應強度,01:36,28,2 分類,磁電式,動圈式,磁阻式,線速度型,角速度型,,,3 磁電式傳感器,磁鐵,,線圈,,v,線圈,,N,S,N,S,線圈運動,線圈與磁鐵不動，物體運動磁阻變化,01:36,29,動圈式傳感器,線速度型,,,3 磁電式傳感器,01:36,30,角速度型,測速電機,3 磁電式傳感器,01:36,31,磁阻式傳感器,3

11、 磁電式傳感器,01:36,32,,案例：鼠籠電機轉子斷細條檢測,3 磁電式傳感器,01:36,33,3 磁電式傳感器結構示意圖,01:36,34,3 磁電式傳感器幅頻特性,01:36,35,,,3 磁電式傳感器幅頻特性,01:36,36,壓電式傳感器,1.變換原理：壓電效應,某些物質，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。,4

12、 壓電式傳感器,01:36,37,2、測量電路,壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。,4 壓電式傳感器,傳感器,電場,運算放大器,01:36,38,4 壓電式傳感器,01:36,39,產(chǎn)品,壓力變送器,加速度計,力傳感器,4 壓電式傳感器,01:36,40,案例：飛機模態(tài)分析,,4 壓電式傳感器案例：飛機模態(tài)分析,01:36,41,4 壓

13、電式傳感器案例：熱軋設備診斷,01:36,42,振動傳感器選擇,,傳感器標定和選擇,01:36,43,超聲波檢測傳感器,1)聲波及其分類,(1)次聲波，振動頻率低于l6Hz的機械波。,(2)聲波:振動頻率在16Hz―20KHz之間的機械波。,(3)超聲波:高于20KHz的機械波。,2）超聲波的物理性質,超聲波與聲波比，振動頻率高，波長短，具有束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的聲波，并具有很高的穿透能力。,超聲波檢

14、測傳感器,01:36,44,聲壓,所謂聲壓，是指某點上各瞬間的壓力與大氣壓力之差值，單位為Pa，1Pa =1N/m2。,聲強,聲強是聲波在傳播方向上單位時間內(nèi)通過單位面積的能量，單位為W/m2。,聲功率,聲功率(W)是聲源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的總能量，單位是W。,超聲波檢測傳感器,01:36,45,超聲波傳感器原理,超聲波發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，產(chǎn)生機械振動，發(fā)射出超聲波。,接收原理是當超聲波作用在磁致材料上時，使磁滯材料磁場

15、變化，使線圈產(chǎn)生感應電勢輸出。,超聲波檢測傳感器,01:36,46,超聲波傳感器對,,,,超聲波檢測傳感器,01:36,47,超聲波傳感器應用,超聲波探傷/測距/測物,,,,,,,t,A,超聲波檢測傳感器,01:36,48,案例：輸油管檢測檢測機器人,超聲波檢測傳感器,01:36,49,倒車雷達,,超聲波檢測傳感器,01:36,50,魚群探測器,超聲波檢測傳感器,01:36,51,2、聲發(fā)射檢測傳感器,材料或結構受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形

16、或斷裂，以彈性波形式釋放出應變能的現(xiàn)象稱聲發(fā)射。各種材料聲發(fā)射頻率范圍很寬，從次聲、聲頻到超聲。多數(shù)金屬的聲發(fā)射頻帶在超聲范圍內(nèi)。,聲發(fā)射傳感器,01:36,52,案例：材料斷裂等結構監(jiān)測,聲發(fā)射傳感器,01:36,53,半導體傳感器,半導體傳感器,01:36,54,霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。,半導體傳感器,01:36,55,半導體傳感器,01:36,56,測轉角：,半導體傳感器,01:36,57,電流傳感器,當電流

17、流過導線時，將在導線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。,半導體傳感器,01:36,58,鐵磁材料裂紋檢測,,半導體傳感器,01:36,59,葉片和齒輪位置傳感器,應用,半導體傳感器,01:36,60,案例：汽車速度測量:,半導體傳感器,01:36,61,2 磁電阻元件,磁阻效應,半導體傳感器,01:36,62,特點 電阻的增量與磁場的平方成正比； 與磁場的正

18、負無關； 溫度系數(shù)影響大； 磁感應的范圍比霍爾元件大。,應用 磁頭；接近開關和無觸點開關。,半導體傳感器,01:36,63,3 磁感應半導體元件分類,霍爾元件,磁電阻元件,磁敏二極管,磁晶體管,磁半導體開關,半導體傳感器,01:36,64,產(chǎn)品,半導體傳感器,01:36,65,案例：轉速測量,,半導體傳感器,01:36,66,熱敏傳感器,1.雙金屬溫度計,把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計，

19、可將溫度變化轉換成機械量變化。,優(yōu)點：結構簡單牢固可靠防爆,熱敏傳感器,01:36,67,熱敏傳感器,01:36,68,熒光燈啟輝器,,零線,,火線,,,,,,,,,,,,,當電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導電（輝光放電），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。電路中電流突然中斷，使鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生一個比電源電壓高得多的感應電動勢，在強電場的作用下，引起管內(nèi)汞蒸氣電離而形成弧光放電.,熱敏傳感器,01:36,6

20、9,熒光燈啟輝器,啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯(lián)而成輝光放電管內(nèi)有一個U形雙金屬片，一個固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或靜觸極，玻璃管內(nèi)充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。當電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導電（輝光放電過程），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。此時電流直接經(jīng)過雙金屬片與靜觸板流通，惰性氣體失去作用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經(jīng)過1～8秒的時間，雙金屬片收縮回原來狀態(tài)，啟輝器停止工作。

21、,熱敏傳感器,01:36,70,2. 熱電溫度計(熱電偶),熱電效應,將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應。,熱敏傳感器,01:36,71,k——玻耳茲曼常數(shù)，e——電子電荷量，T——接觸處的溫度NA，NB——分別為導體A和B的自由電子密度。,熱敏傳感器,01:36,72,熱電偶測溫基本定律,1)均質導體定律 由一種均質導體組成的閉合回路，

22、不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。,2)中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。,熱敏傳感器,01:36,73,3)參考電極定律 兩種導體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：,由于鉑的物理化學性質穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。,熱敏傳感器,01:36

23、,74,,熱敏傳感器,01:36,75,,熱敏傳感器,01:36,76,3 熱敏電阻傳感器,半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。,熱敏傳感器,01:36,77,熱敏傳感器,01:36,78,熱敏傳感器,01:36,79,產(chǎn)品,熱敏傳感器,01:36,80,溫控器,應用,汽車發(fā)動機傳感器,水溫感應塞,還廣泛應用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等,熱

24、敏傳感器,01:36,81,氣敏電阻傳感器,氣體與人類日常生活密切相關，對氣體的檢測已經(jīng)是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。,如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達0.8～1.15 ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。,煙霧報警器,酒精傳感器,二氧化碳傳感器,氣敏電阻傳感器,01:36,82,氣敏傳感器是利用氣敏半導體材料，如氧化錫、氧化錳。當它們吸收了氣體煙霧，如一

25、氧化碳、醇等時，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。,氣敏電阻傳感器,01:36,83,氣敏電阻傳感器,01:36,84,氣敏電阻傳感器,01:36,85,實驗室中的傳感器,氣敏電阻傳感器,01:36,86,燃氣報警器,煙霧報警器,氣敏電阻傳感器,01:36,87,酒精傳感器,氣敏電阻傳感器,01:36,88,光電傳感器,光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作

26、原理是基于一些物質的光電效應。,內(nèi)光電效應,半導體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對,使其導電性能增強,光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為內(nèi)光電效應 。,光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管,光電傳感器,01:36,89,3. 傳感器原理,光電傳感器,01:36,90,3. 傳感器原理,照相機自動測光光控燈工業(yè)控制,光電傳感器,01:36,91,光電池,光生伏特效應指半導體材料P-N結受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的

27、效應。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。,半導體敏感元件傳感器,01:36,92,應用,光電傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式。,半導體敏感元件傳感器,01:36,93,半導體敏感元件傳感器,01:36,94,半導體敏感元件傳感器,01:36,95,半導體敏感元件傳感器,01:36,96,案例：光電鼠標就是利用LED與光敏晶體管組合來 測量位移。,半導體敏感元件傳感

28、器,01:36,97,亮度傳感器：通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節(jié)約電能的目的。,,半導體敏感元件傳感器,01:36,98,相機測距反射式光電傳感器,半導體敏感元件傳感器,01:36,99,半導體敏感元件傳感器,01:36,100,光纖傳感器,物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。,1）物性型光纖傳感器,光纖傳感器,01:36,101,

29、光纖流速傳感器,光纖傳感器,01:36,102,結構型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。,2）結構型光纖傳感器,光纖傳感器,01:36,103,光纖檢測型光電傳感器,作業(yè)件檢測,顏色檢測,光纖傳感器,01:36,104,CCD固態(tài)圖象傳感器,MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的結構是在半導體(P型硅)基片上形

30、成一種氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬-氧化物-半導體結構元 (MOS)。,CCD固態(tài)圖象傳感器,01:36,105,在半導體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應的光生電荷圖像。,CCD固態(tài)圖象傳感器,01:36,106,CCD固態(tài)圖象傳感器,01:36,107,特點:(1) 非接觸檢測;(2) 響應快;(3

31、) 可靠性高,為修簡便;(4) 測量精度高;(5) 體積小,重量輕; 容易與計算機連接(6) 對被測物體需要強光照射;(7) 受被測物體以外的光的影響.應用:(1) 寬度測量; (2) 外徑測量; (3) 主軸徑向跳動測量.,條形碼掃描器,CCD固態(tài)圖象傳感器,01:36,108,GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114,數(shù)碼相機,CCD固態(tài)圖象傳感器,01:36,10

32、9,其它類型的傳感器,1、熱輻射檢測傳感器,絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依賴于物體溫度(K)，根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達式：,其它類型的傳感器,01:36,110,應用： 冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。,其它類型的傳感器,01:36,111,生物傳感器,生物傳感器與其它傳感器是檢測對象中含生命物質。根據(jù)敏感物質不同,生物傳感器分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感

33、器、免疫傳感器等。,生物傳感器,01:36,112,2、環(huán)境監(jiān)測,3.醫(yī)學,應用領域,1、發(fā)酵工業(yè)(食品),生物傳感器,01:36,113,血糖－乳酸測定流程,體育上耐力訓練,生物傳感器,01:36,114,德國研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀,生物傳感器,01:36,115,手掌型葡萄糖(glucose)分析儀,生物傳感器,01:36,116,工廠發(fā)酵車間化驗員正在分析樣品,發(fā)酵工廠谷氨酸-葡萄糖分析,生物傳感器,01:36,117,三、

34、 傳感器的標定 1. 靜態(tài)標定 直線性 靈敏度 滯后量 重復性 剛度 橫向靈敏度 2. 動態(tài)標定 頻率特性 固有頻率 阻尼率四、 傳感器選用原則 1. 靈敏度 2. 響應特性 3. 線性 4. 穩(wěn)定性 5. 精確度

35、 6. 測量方式 7. 其他,傳感器的標定和選用原則,01:36,118,三、傳感器的標定,零階系統(tǒng)：如放大鏡、測力環(huán)；代數(shù)方程式描述一階系統(tǒng)：如熱電偶、水銀溫度計、RC低通濾波器二階系統(tǒng)：如千分表、電感量頭、電阻式壓力計、電容式拾音計、壓電式(磁電式)加速度計靜態(tài)標定直線性靈敏度滯后量 重復性剛度橫向靈敏度,01:36,119,三、傳感器的標定,動態(tài)標定：測定傳感器的動

36、態(tài)特性頻率特性 工作頻帶 諧振頻率 固有頻率 阻尼率相位特性動態(tài)標定方法：正弦、沖擊力、白噪聲或偽隨機白噪聲激勵沖擊力激勵 圖4-26 P102多維傳感器的標定多維傳感器的補償,白噪聲的特點: 1.瞬時值服從正態(tài)分布；2.功率譜在全頻帶內(nèi)是均勻的；3.具有極良好的相關特性。,,,,01:36,120,選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。,1、靈敏度,一般說來，傳

37、感器靈敏度越高越好，但，在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。 a)靈敏度過高引起的干擾問題； b)量程范圍。 c)交叉靈敏度問題。,四、傳感器選用原則,01:36,121,2 響應特性,傳感器的響應特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。 實際上傳感器的響應總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時間越短越好。,3 線性范圍,任何傳感器都有一定線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關系，線性范

38、圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件。,四、傳感器選用原則,01:36,122,4 穩(wěn)定性,穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。,5 精確度,傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應程度。,四、傳感器選用原則,01:36,123,6 測量方式,傳感器工作方式，也是選擇傳感器時應考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞

39、與非破壞性測量、在線與非在線測量等。,四、傳感器選用原則,7 其他,價格、生產(chǎn)廠家、安裝方式等。,01:36,124,一、Shannon 信道容量關系式 信道最大的信息傳輸率稱為信道容量,F 為信道帶寬 Ps 為輸入信號的平均功率Pn 為引入信道的干擾噪聲的平均功率,4-2 信息傳輸,廣義信道：傳輸信息的媒質或途徑能流：信息傳輸需要物質和能量,信道頻率特性,01:36,125,4-2 信息傳輸,N 維高斯信道的信道容量,一

40、維高斯信道的信道容量,一 維隨機變量,,一 維隨機變量,,可加性高斯噪聲,,01:36,126,4-2 信息傳輸,信道容量Ct與信道帶寬F的關系當帶寬F較小時，隨F增加Ct增加很快P0/N0：信號功率與噪聲功率譜密度比值F增大時， Ct趨于極限值,01:36,127,二、信道頻率特性與波形失真,4-2 信息傳輸,一般系統(tǒng)：頻率失真、幅值失真、相位失真線性系統(tǒng)：幅值失真、相位失真(頻率保持性和疊加性),01:36,128,4-2