《动车组检测与故障诊断技术》教学课件—04传感器.ppt

1第第4章传感器章传感器 4.1 传感器概述传感器概述n传感器的作用传感器的作用: :n现代信息技术的三大基础是信号的获取、现代信息技术的三大基础是信号的获取、传输和处理技术传输和处理技术n即传感技术、通信技术和计算机技术，即传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的它们分别构成了信息技术系统的“感官感官”、“神经神经”和和“大脑大脑” 2动车组中传感器的作用动车组中传感器的作用n（1）动车组速度的检测）动车组速度的检测n（2）动车组加速度的检测）动车组加速度的检测n（3）动车组牵引电机电压、电流的检测）动车组牵引电机电压、电流的检测n（4）动车组温度的检测）动车组温度的检测n（5）动车组制动系统压力的检测）动车组制动系统压力的检测n（6）动车组湿度的检测）动车组湿度的检测3研究传感器的目的研究传感器的目的n1、从研制、生产传感器的角度出发研、从研制、生产传感器的角度出发研究传感器，重点是学习掌握传感器的工究传感器，重点是学习掌握传感器的工作原理n2、从使用传感器的角度出发研究传感、从使用传感器的角度出发研究传感器，重点是学习掌握传感器的参数和特器，重点是学习掌握传感器的参数和特性。

性44 41 11 1 传感器的组成传感器的组成n传感器由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成传感器由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成n敏敏感感元元件件指指传传感感器器中中能能直直接接感感受受被被测测对对象象的的待待测测信信息息( (非电量非电量) )的元件，的元件，n如如：弹弹性性元元件件、气气敏敏元元件件、磁磁敏敏元元件件、热热敏敏元元件件、湿敏元件、压敏元件等湿敏元件、压敏元件等n转转换换元元件件指指传传感感器器中中能能将将敏敏感感元元件件所所感感受受的的信信息息直直接转换成电信号的部分接转换成电信号的部分n如如应应变变式式压压力力传传感感器器由由弹弹性性膜膜片片和和电电阻阻应应变变片片组组成成，其中电阻应变片就是转换元件其中电阻应变片就是转换元件n辅助器件通常包括电源，如交流、直流供电系统辅助器件通常包括电源，如交流、直流供电系统5412 传感器的分类 ：n按被测物理量划分有：按被测物理量划分有：n温度传感器、湿度传感器、压力传感器、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、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速传感器、转矩传感器等。

力传感器、加速传感器、转矩传感器等n按工作原理划分有：按工作原理划分有：n电学式、磁学式电学式、磁学式 、光电式、光电式 、电势型、电势型 、电、电荷荷 、半导体、半导体 、谐振式、谐振式 、电化学式等、电化学式等6413 传感器的性能指标传感器的性能指标n1.1.精确度精确度n 说说明明精精确确度度的的指指标标有有精精密密度度、正正确确度度和精确度和精确度n(1)(1)精精密密度度：它它说说明明测测量量结结果果的的分分散散性性 (2)(2)正正确确度度：它它说说明明测测量量结结果果偏偏离离真真值值的的程程度 n(3)(3)精精确确度度：它它含含有有精精密密度度与与正正确确度度两两者者之之和的意思，即测量的综合优良程度和的意思，即测量的综合优良程度72.2.稳定性稳定性n (1)(1)稳定度：一般指时间上的稳定性稳定度：一般指时间上的稳定性 n (2)(2)环环境境影影响响：室室温温、大大气气压压、振振动动等等外外部部环环境境状状态态变变化化给给予予传传感感器器的的影影响响，以以及及电电源源电电压压等等工工作作条条件件变变化化给给输输出出的的影影响响统统称环境影响，用影响系数来表示称环境影响，用影响系数来表示。

8 3.3.输入输出特性输入输出特性n(1)(1)灵灵敏敏度度：传传感感器器的的灵灵敏敏度度指指到到达达稳稳定定工工作作状状态态时时，输输出出变变化化量量与与引引起起此此变变化化的的输输入入变变化化之之比比，用用S S表表示示，即即S=dy/drS=dy/dr它它是是静静态态特特性性曲曲线线上上各各点点的的斜斜率率非非线线性性特特性性的的传传感感器器中灵敏度中灵敏度S S在整个量程范围内不是常数在整个量程范围内不是常数n (2)(2)分分辨辨率率：是是指指传传感感器器示示值值发发生生可可察察觉觉的的极微小变化时所需被测量的最小变化值极微小变化时所需被测量的最小变化值n(3)(3)线线性性度度( (也也称称非非线线性性误误差差) )：线线性性度度用用来来说说明明输输出出量量与与输输入入量量的的实实际际关关系系曲曲线线偏偏离离直直线线的程度93.3.输入输出特性输入输出特性n (4)(4)重重复复性性：重重复复性性是是指指在在同同一一工工作作条条件件下下，输输入入量量按按同同一一方方向向在在全全测测量量范范围围内内连连续续变变动动多多次次所所得得到到特特性性曲曲线线的的不不一一致致性性重重复复性性所所反反映映的的是是测测量量结结果果的的偶偶然然误误差差的的大大小小，而而不不表表示示与与真真值值之之间间的的差差别别。

有有时时重重复复性性虽虽然然很很好，但可能远离真值好，但可能远离真值n (5)(5)滞环：它说明一个传感器的正向滞环：它说明一个传感器的正向( (上升上升) )特性和反向特性和反向( (下降下降) )特性不一致的程度特性不一致的程度 103.3.输入输出特性输入输出特性n (6)(6)动态特性：动态特性：n动动态态特特性性是是指指传传感感器器对对于于随随时时间间变变化化的的输输入入量的响应特性量的响应特性n传传感感器器动动态态特特性性是是传传感感器器的的输输出出值值能能够够真真实实地再现变化着的输入量能力的反映地再现变化着的输入量能力的反映114 41 14 4 传感器的发展传感器的发展 1 1开发新的传感器材料开发新的传感器材料 传传感感器器材材料料是是传传感感技技术术的的基基础础诸诸多多传传感感器器是是利利用用某某些些材材料料的的物物理理效效应应、化化学学反反应应和和生生物物功功能等达到能等达到测测量的目的，量的目的， n作作为传为传感器材料的半感器材料的半导导体材料体材料发发展展趋势为趋势为：n从从单单晶晶体体到到多多晶晶体体、非非晶晶体体，从从单单一一型型材材料料到到复合型材料，原子复合型材料，原子( (分子分子) )型材料的人工合成。

型材料的人工合成n另另外外陶陶瓷瓷材材料料、智智能能材材料料的的研研究究探探索索也也在在不不断断地深入 122 2研制集成化、多功能化传感器研制集成化、多功能化传感器n 所谓集成化，就是在同一芯片上，将众多的同所谓集成化，就是在同一芯片上，将众多的同一类型的单个传感器集成一维、二维或三维阵列一类型的单个传感器集成一维、二维或三维阵列性传感器，使传感器的参数检测实现性传感器，使传感器的参数检测实现“点一线一点一线一面一体面一体”的多维图像化的多维图像化( (如如CCD)CCD)，实现单参数检，实现单参数检测到多参数检测，如一个传感芯片实现流量、温测到多参数检测，如一个传感芯片实现流量、温度、压力的检测度、压力的检测n或或者者在在同同一一芯芯片片上上，将将传传感感器器与与测测量量电电路路等等处处理理电电路路集集成成一一体体化化，使使传传感感器器由由单单一一信信号号转转换换功功能能扩扩展展为为兼兼有有放放大大、运运算算、补补偿偿等等多多种种功功能能( (如如集集成温度传感器成温度传感器) ) 133 3实现传感器的数字化和智能化实现传感器的数字化和智能化n传感器的智能化就是把传感器与微处理器相传感器的智能化就是把传感器与微处理器相结合，使之不仅具有检测、转换和处理功能，结合，使之不仅具有检测、转换和处理功能，同时还具有存储、记忆、自诊断、自补偿等同时还具有存储、记忆、自诊断、自补偿等功能。

功能n智智能能化化传传感感器器按按构构成成分分为为组组合合一一体体化化结结构构和和集成一体式两种集成一体式两种n 144 4研制开发仿生传感器研制开发仿生传感器n仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感器，它采用固定化的细胞、酶或者其型传感器，它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成传感器他生物活性物质与换能器相配合组成传感器n这种传感器是近年来生物医学和电子学、工这种传感器是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型的信息程学相互渗透而发展起来的一种新型的信息技术 155 5研制开发生物传感器研制开发生物传感器n生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNADNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法 166 6研制开发微机械传感器研制开发微机械传感器n微微机机械械传传感感器器是是采采用用微微电电子子和和微微机机械械加加工工技技术制造出来的新型传感器。

术制造出来的新型传感器n与与传传统统的的传传感感器器相相比比，它它具具有有体体积积小小、重重量量轻轻、成成本本低低、功功耗耗低低、可可靠靠性性高高、适适于于批批量量化生产、易于集成和实现智能化的特点化生产、易于集成和实现智能化的特点n同同时时，在在微微米米量量级级的的特特征征尺尺寸寸使使得得它它可可以以完完成某些传统机械传感器所不能实现的功能成某些传统机械传感器所不能实现的功能1742 温度传感器温度传感器421 概述概述n 温温度度是是表表征征物物体体冷冷热热程程度度的的物物理理量量，是是工工业业生产过程中一个重要而又普遍的参数生产过程中一个重要而又普遍的参数n在在许许多多生生产产过过程程中中，常常常常需需要要使使物物料料和和设设备备的的运运转转状状态态处处于于某某一一定定的的温温度度范范围围，因因此此，温温度度的的测测量量和和控控制制，对对保保证证产产品品质质量量、提提高高生产效率、节约能源起着非常重要的作用生产效率、节约能源起着非常重要的作用18理想的温度传感器的条件：理想的温度传感器的条件：n如如测测温温范范围围宽宽、精精度度高高、可可靠靠性性好好、小小型型而而且响应速度快、价格便宜等等。

且响应速度快、价格便宜等等n其其实实能能同同时时满满足足以以上上所所有有条条件件的的温温度度传传感感器器是是不不存存在在的的，由由各各种种材材料料制制成成的的温温度度传传感感器器只只能能在在一一定定范范围围内内选选用用，所所以以应应按按不不同同的的用用途途、不不同同的的测测量量对对象象及及不不同同的的测测温温范范围围，灵灵活选用19温度传感器的种类温度传感器的种类n如如果果按按测测量量方方法法可可分分为为接接触触式式和和非非接接触触式式测温两大类测温两大类n接接触触式式是是被被测测对对象象与与测测温温元元件件有有部部分分的的接接触触，使使两两者者处处于于同同一一温温度度，即即根根据据测测温温元元件的温度就可知道被测对象的温度；件的温度就可知道被测对象的温度；n非非接接触触式式测测温温是是利利用用被被测测对对象象的的辐辐射射充充分分传传到到测测温温元元件件来来测测量量温温度度的的，由由于于测测温温元元件件与与被被测测对对象象不不接接触触，因因此此两两者者不不必必是是同同一温度，只要看到被测对象就可进行测量一温度，只要看到被测对象就可进行测量20接触式测温与非接触式测温的特点接触式测温与非接触式测温的特点：n接接触触式式测测温温结结构构简简单单，稳稳定定可可靠靠，测测量量精精确确，成本低成本低。

n可可以以测测得得物物体体的的真真实实温温度度、内内部部某某点点的的温温度度但但不不适适于于测测量量腐腐蚀蚀性性。