上海交通大学：《检测技术基础》课程PPT教学课件（入门篇）第四章 信号检测技术（1/3）

第四章信号检出技术 检测系统： 信号检出 信号处理 信号显示 信号监控 传感器（重要、关键） 一、传感器的作用 传感器被测信息按照一定的规律转换成某种可用信号输出器件/装置 物理量、化学量、生物量其他 便于处理和传输的信号 人的五官：眼睛耳朵鼻子舌头皮肤 11111 视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉 -(人体系统) (刺激) 感官 人脑 肢体 界 象 (信息) 传感器 电子计算机 执行器 (机器系统)

第四章 信号检出技术 一、传感器的作用 传感器--- 被测信息按照一定的规律转换成某种可用信号输出器件/装置 信号检出 信号处理 信号显示 信号监控 传感器（重要、关键） 检测系统： 物理量、化学量、生物量/其他 便于处理和传输的信号 人的五官：眼睛 耳朵 鼻子 舌头 皮肤 视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉

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二、传感器的分类 分类法 型式 说明 物理型 采用物理效应进行转换 按基本效应分类 化学型 采用化学效应进行转换 生物型 采用生物效应进行转换 按构成原理分类 结构型 以转换元件结构参数变化实现信号转换 物性型 以转换元件物理特性变化实现信号转换 按能量关系分类 能量转换型 传感器输出量直接由被测量能量转换而来 能量控制型 传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制 电阻式 利用电阻参数变化实现信号转换 电容式 利用电容参数变化实现信号转换 电感式 利用电感参数变化实现信号转换 按工作原理分 压电式 利用压电效应实现信号转换 磁电式 利用电磁感应原理实现信号转换 热电式 利用热电效应实现信号转换 光电式 利用光电效应实现信号转换 光纤式 利用光纤特性参数变化实现信号转换 长度、角度、振动、 按输入量分类 位移、压力、温度、 以被测量命名（即按用途分类） 流量、距离、速度等 按输出量分类 模拟式 输出量为模拟信号（电压、电流、…） 数字式 输出量为数字信号（脉冲、编码、…

二、传感器的分类 分类法 型式 说 明 按基本效应分类 物理型 化学型 生物型 采用物理效应进行转换 采用化学效应进行转换 采用生物效应进行转换 按构成原理分类 结构型 物性型 以转换元件结构参数变化实现信号转换 以转换元件物理特性变化实现信号转换 按能量关系分类 能量转换型 能量控制型 传感器输出量直接由被测量能量转换而来 传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制 按工作原理分 电阻式 电容式 电感式 压电式 磁电式 热电式 光电式 光纤式 利用电阻参数变化实现信号转换 利用电容参数变化实现信号转换 利用电感参数变化实现信号转换 利用压电效应实现信号转换 利用电磁感应原理实现信号转换 利用热电效应实现信号转换 利用光电效应实现信号转换 利用光纤特性参数变化实现信号转换 按输入量分类 长度、角度、振动、 位移、压力、温度、 流量、距离、速度等 以被测量命名（即按用途分类） 按输出量分类 模拟式 数字式 输出量为模拟信号（电压、电流、……） 输出量为数字信号（脉冲、编码、……）

三、长度及线位移传感器 几何量中最基本的测试内容 工业在线检测、计量测试、检定标定 长度面与面、线与线、点与点之间的距离及它们之间的组合 广义~圆柱体的轴径和孔径；立方体的长度、宽度、高度（厚度）； 孔和槽的深度；孔间距、轴心距等 传感器：机械式（杠杆、齿轮）、电感、电容、光栅、磁栅、容栅、 感应同步器、光电式 1、电容传感器： 原理：被测量~电容变化平板电容器的电容量 特点：结构简单，分辨力高，非接触 应用：可在高温、辐射、振动等条件下工作 1) 电容传感器原理、结构与特性 a)变极距型电容传感器 定极板 初始电容量： 8o 极距变化：60-δ-Aδ 电容增大： 动极板 EA C=C+△C δ。-△8 01-△δ/δg

工业在线检测、计量测试、检定标定 三、长度及线位移传感器 --- 几何量中最基本的测试内容 1、电容传感器： 原理：被测量--- 电容变化 平板电容器的电容量：   = A C 特点：结构简单，分辨力高，非接触 应用：可在高温、辐射、振动等条件下工作 1）电容传感器原理、结构与特性 a) 变极距型电容传感器 初始电容量： 0 0   = A C 极距变化：δ0 --- δ – Δδ 电容增大： 0 0 0 0 1 / 1 −   =  −   = +  = C A C C C 长度 --- 面与面、线与线、点与点之间的距离及它们之间的组合 传感器：机械式（杠杆、齿轮）、电感、电容、光栅、磁栅、容栅、 感应同步器、光电式 广义 --- 圆柱体的轴径和孔径；立方体的长度、宽度、高度（厚度）； 孔和槽的深度；孔间距、轴心距等

b)变面积型电容传感器 △l 动极板 电容： C0-△C= c(l6-△)b 固定极板 00 相对变化： C△1 △ 灵敏度： △ 结论： (1)传感器输出为线性； (2)灵敏度与初始极距成反比：减小极距提高灵敏度， (③)保持极距不变：中间移动式； (4)差动结构：提高灵敏度 B B (a)扇形平板结构； (b)柱面板结构

b) 变面积型电容传感器 电容： (a)扇形平板结构； (b)柱面板结构 相对变化： 结论: 0 0 0 0 ( )   −  = −  = l l b C C C 0 0 l l C C  =  灵敏度： 0 0 0 0   = =   = b l C l C K (1)传感器输出为线性； (2)灵敏度与初始极距成反比：减小极距---提高灵敏度， (3)保持极距不变：中间移动式； (4)差动结构：提高灵敏度

©)变介质型电容传感器 电容： 插入式： C=C+C= EoErbo(。-)+S6Ebl =8e,+(e2-e川 (a) 应用：测量厚度 2)电容传感器特点及应用 特点：分辨力极高（电容值102，相对值100%一200%，位移0.01μm) 动极板质量小，惯性小，动态响应好； 非接触，自身发热和功耗小： 结构简单，不含有机材料或磁性材料、对环境适应性强 应用：微信息检测--测微仪、；静态测量-金属零件计数 高频信号检测-振动，转速；

c) 变介质型电容传感器 电容： 插入式： 应用：测量厚度   = A C [ ( ) ] ( ) 1 0 2 1 0 0 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 1 2 l l b b l l b l C C C r r r r  +  −    =    +    − = + = 2) 电容传感器特点及应用 特点：分辨力极高（电容值10-7，相对值100%~200%，位移0.01μm） 动极板质量小，惯性小，动态响应好； 非接触，自身发热和功耗小； 结构简单，不含有机材料或磁性材料、对环境适应性强 应用：微信息检测---测微仪、； 静态测量---金属零件计数 高频信号检测---振动，转速；

a)电容式位移传感器： 1-测杆： 2-片簧： 3定极板； 4动极板： 特点：接触式测量 差动结构： 测量电空Ro 777777777777777 b)电容式厚度传感器： 电流表 原理：变介质型变极距型； 被检 特点：非接触式测量 交流电源 薄膜 应用：纸张、绝缘薄膜等

1-测杆： 2-片簧： 3-定极板； 4-动极板： a) 电容式位移传感器： 原理：变介质型变极距型； b) 电容式厚度传感器： 特点：接触式测量 差动结构： 特点：非接触式测量 应用：纸张、绝缘薄膜等

3)容栅传感器 a)差动式梳齿形容栅传感器 动极板 定极板-两组极栅，等间隔，交叉 动极板极距相同，栅宽相同 定极板 相对移动电容周期变化一脉冲信号 多个差动式变面积型电容传感器的并联 b)多级片型容栅传感器 动尺一系列发射电极片，宽度间隔。 4 定尺-一系列接收电极片，宽度间隔4 动尺一 DHBBF0D50FB806098688080 相对移动-电容周期变化-一脉冲信号 2定尺 多个差动式变面积型电容传感器的并联 口“四 c)特点：量程大长定尺，150mm,300mm 1动尺 2定尺 精度高-误差平均效应 d)应用： 输出 测量位移-数显卡尺，分辨力0.01mm

a) 差动式梳齿形容栅传感器 3) 容栅传感器 b) 多级片型容栅传感器 c) 特点： 定极板---两组极栅，等间隔，交叉 动极板---极距相同，栅宽相同 相对移动---电容周期变化---脉冲信号 多个差动式变面积型电容传感器的并联 动尺---一系列发射电极片，宽度间隔l0 定尺---一系列接收电极片，宽度间隔l0 /4 相对移动---电容周期变化---脉冲信号 多个差动式变面积型电容传感器的并联 d) 应用： 量程大---长定尺，150mm, 300mm 精度高---误差平均效应 测量位移---数显卡尺，分辨力0.01mm

2、光栅式传感器 等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件 物理光栅：利用光的衍射现象分析光谱、测定波长 计量光栅：利用光的莫尔条纹现象测量精密位移 5.0 10.0 15.0 ume

2、 光栅式传感器 --- 等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件 物理光栅： 计量光栅： 利用光的衍射现象分析光谱、测定波长 利用光的莫尔条纹现象测量精密位移

长光栅直线位移；圆光栅角位移 构成：主光栅-标尺光栅，定光栅；指示光栅动光栅 长度-测量范围；刻线密度-测量精度(10、25、50、100、125线/mm)

长光栅--- 直线位移；圆光栅--- 角位移 构成：主光栅--- 标尺光栅，定光栅；指示光栅--- 动光栅 长度 --- 测量范围；刻线密度--- 测量精度( 10、25、50、100、125线/mm )