1、23:211MEASUREMENTINFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING 机械工程测试机械工程测试信息信息信号分析信号分析 机械科学与工程学院机械科学与工程学院 机械电子信息工程系机械电子信息工程系李锡文李锡文 轩建平轩建平 23:212课件资料下载：邮箱地址： “机械工程测试机械工程测试”每个字拼音的第一个字母每个字拼音的第一个字母 密码：111111注意下载时不要删除原始文件 23:213第四章 信息转换与传输q主要内容主要内容 一、信息转换一、信息转换-传感器，非电量传感器，非电量电量电量 二、传感器的标定和选择二、传感
2、器的标定和选择 三、信息传输三、信息传输 Shannon信道容量关系式信道容量关系式 信息信息-能量传输的最佳耦合条件能量传输的最佳耦合条件 信道频率特性与波形失真信道频率特性与波形失真 信道频率特性与信息熵损失信道频率特性与信息熵损失 四、信息传输过程中的干扰和噪声四、信息传输过程中的干扰和噪声 噪声物理根源与耦合方式噪声物理根源与耦合方式 噪声模型及其传输特性噪声模型及其传输特性23:214第四章 信息转换与传输 4-1 信息转换信息转换一、信息探测工程与智能传感器一、信息探测工程与智能传感器 1. 人类认识事物的信息过程人类认识事物的信息过程23:215敏感元件显示信息信息探测工程2.
3、人类感官获取信息的局限性人类感官获取信息的局限性3. 传感系统的一般模型传感系统的一般模型(a)(b)23:216信息探测工程4. 传感技术的发展传感技术的发展 (1) 扩展频域扩展频域 视觉与光传感器视觉与光传感器 听觉与声传感器听觉与声传感器 触觉与温度、压力传感器触觉与温度、压力传感器 嗅觉传感器嗅觉传感器 (2) 智能化智能化 动态测量动态测量 远距离、非接触测量远距离、非接触测量 特殊环境下测量特殊环境下测量 微观分析微观分析 实时在线实时在线23:217智能传感器智能传感器 传感器一般指能够感知某种物理量（如电、传感器一般指能够感知某种物理量（如电、光、磁等）、化学量（如浓度、光、
4、磁等）、化学量（如浓度、PHPH值等）、生物值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电信息的装置。信息的装置。 智能传感器是将传感器与微型计算机集成在智能传感器是将传感器与微型计算机集成在一块芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处一块芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知能力。具有认知能力。智能传感器23:218嵌入式计算机嵌入式计算机智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度传感器总线数字温度传感器智能传感器23:219振动网
5、络传感器振动网络传感器智能压力网络传感器智能压力网络传感器智能传感器23:2110GSM/SMS智能传感器23:2111工程中的传感器二、工程中的传感器二、工程中的传感器23:2112工程中的传感器23:2113工程中的传感器23:21141 声压传感器-动圈式q动圈式声压传感器动圈式声压传感器sin( )( );( / );e WBlvBTlmWvm s磁场的感应强度；单匝线圈有效长度线圈匝数；线圈与磁场的相对运动速度线圈运动方向与磁场方向的夹角。23:2115动圈式传感器图图 动圈式传声器动圈式传声器23:21161 声压传感器-电容式QCVQQQVVACAAC 23:2117极距极距变化
6、型变化型+AC0+23:21181 声压传感器-光纤式 P 96声声-光相位调制光相位调制23:21192 振动测量传感器-涡流式位移传感器23:2120原理原理: :涡流效应涡流效应线圈高频交变电流，产线圈高频交变电流，产生磁通，金属板产生感生磁通，金属板产生感应电流应电流( (涡电流涡电流) )涡流式传感器原理高频感应炉高频感应炉 冶炼金属冶炼金属 23:2121涡流磁场影响高频线圈的等效阻抗涡流磁场影响高频线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ 线圈与金属板间距离，线圈与金属板间距离， 金属板的电阻率，金属板的电阻率， 磁导率磁导率 线圈激磁圆频率线圈激磁圆频率涡流式传感器原理(lM
7、Hz)激励激励电流，高频磁场作用于金属板电流，高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，金属板表面形成涡的表面，由于集肤效应，金属板表面形成涡电流。该涡流产生的交变磁场又反作用于线电流。该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感圈，引起线圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的变化，其变化的变化，其变化与与、i i，等有关，若只改变等有关，若只改变而其他系数不变，则可将位移的变化转换为而其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，再转换为电压输出。高频线圈自感的变化，再转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。反射式涡流传感器多用于位移测量。高频反射式涡流传感器原理高频反
8、射式涡流传感器原理23:2122涡流式传感器原理发射线圈发射线圈1和接收线圈和接收线圈2分别置于被测分别置于被测金属板材料金属板材料G的上、下方。由于低频磁的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范音频范围围)电压电压e1加到线圈加到线圈1的两端后，所产生的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料磁力线的一部分透过金属板材料G,使线使线圈圈2产生感应电动势产生感应电动势e2。涡流消耗部分涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势磁场能量，使感应电动势e2减少，当金减少，当金属板材料属板材料G越厚时，损耗的能量越大，越厚时，损耗的能量越大，输出电动势输出电动
9、势e2越小。因此，越小。因此，e2的大小与的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度随材料厚度h的增加按负指数规律减少的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。的变化即可测量其厚度。 低频透射式涡流传感器原理低频透射式涡流传感器原理23:2123适用：适用：可用于动态非接触测量，测量范围可用于动态非接触测量，测量范围 1mm - 1mm - 10mm,10mm,与传与传感器结构尺寸，线圈匝数和激磁频率有关感器结构尺寸，线圈匝数和激磁频率有关, ,
10、可到可到1 1 m m。变化，变化，位移振动测量；位移振动测量；金属板的电阻率金属板的电阻率 或或磁导率磁导率 变化变化，可作为材质，可作为材质鉴别或探伤。鉴别或探伤。优点优点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。涡流式位移、振动测量仪，无损探伤仪等涡流式位移、振动测量仪，无损探伤仪等。涡流式传感器适用范围23:2124例：电涡流转速传感器例：电涡流转速传感器例：电涡流传感器测厚和零件计数例：电涡流传感器测厚和零件计数涡流式传感器应用23:2125涡流式传感器产品23:2126案例：无损探伤案例：无损探伤原理原理: :裂纹检测，缺陷造成裂纹检测，
11、缺陷造成涡流变化。涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测涡流式传感器应用23:2127磁电式传感器磁电式传感器 1.1.变换原理变换原理: : 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。应电动势的一种转换器。dtdNe 感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势e e为为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。 cosSB),(mdtdRB3 磁电式传感器B为磁场感应强度23:21282 2 分类分类 磁磁
12、电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型3 磁电式传感器磁铁磁铁线圈线圈 sinNBlve v线圈线圈NSNS线圈运动线圈运动线圈与磁铁不线圈与磁铁不动，物体运动动，物体运动磁阻变化磁阻变化23:2129动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型 3 磁电式传感器23:2130角速度型角速度型测速测速电机电机3 磁电式传感器23:2131磁阻式传感器磁阻式传感器 磁电式车速传感器磁电式车速传感器3 磁电式传感器23:2132N NS S案例：鼠笼电机转子断细条检测案例：鼠笼电机转子断细条检测3 磁电式传感器23:21333 磁电式传感器结构示意图23:21343 磁电式
13、传感器幅频特性23:21353 磁电式传感器幅频特性23:2136压电式传感器压电式传感器 1.1.变换原理：压电效应变换原理：压电效应 +串联串联+并联并联 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。种现象称为压电效应。F+q=DF4 压电式传感器23:21372 2、测量电路、测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传压电式传感器输出电信号很微弱，通常
14、应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。 4 压电式传感器传感器传感器电场电场运算放大器运算放大器23:21384 压电式传感器23:2139产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 4 压电式传感器23:2140案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析4 压电式传感器案例：飞机模态分析23:21414 压电式传感器案例：热轧设备诊断23:2142振动传感器选择传感器标定和选择传感器标定和选择23:2143超声波检测传感器超声波检测传感器 1)1
15、)声波及其分类声波及其分类(1)(1)次声波，振动频率低于次声波，振动频率低于l6Hzl6Hz的机械波。的机械波。(2)(2)声波声波: :振动频率在振动频率在16Hz20KHz16Hz20KHz之间的机械波。之间的机械波。(3)(3)超声波超声波: :高于高于20KHz20KHz的机械波。的机械波。2 2）超声波的物理性质）超声波的物理性质 超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。
16、超声波检测传感器23:2144声压声压 所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力之差值，单位为力之差值，单位为PaPa，1Pa =1N/m1Pa =1N/m2 2。声强声强 声强是声波在传播方向上单位时间内通过单声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位面积的能量，单位为位面积的能量，单位为W/m2W/m2。声功率声功率 声功率声功率( (W W) )是声源在单位时间内发射出的总能是声源在单位时间内发射出的总能量，单位是量，单位是W W。超声波检测传感器23:2145超声波传感器原理超声波传感器原理 超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，超声波发射原
17、理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。产生机械振动，发射出超声波。 接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。 超声波检测传感器23:2146超声波传感器对超声波传感器对超声波检测传感器23:2147超声波传感器应用超声波传感器应用 超声波探伤超声波探伤/测距测距/测物测物超声波检测传感器23:2148案例：输油管检测检测机器人超声波检测传感器23:2149倒车雷达倒车雷达 超声波检测传感器23:2150 鱼群探测器鱼群探测器 超声波检测传感器23:21
18、512 2、声发射检测传感器、声发射检测传感器 材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射。各种以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射。各种材料声发射频率范围很宽，从次声、声频到超声。材料声发射频率范围很宽，从次声、声频到超声。多数金属的声发射频带在超声范围内。多数金属的声发射频带在超声范围内。声发射传感器23:2152案例：材料断裂等结构监测案例：材料断裂等结构监测声发射传感器23:2153半导体传感器半导体传感器 sinIBKVHH 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时
19、，在垂直于电流和磁场的方向上将产生流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 1 1 霍尔元件霍尔元件 半导体传感器23:2154霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。 半导体传感器23:2155半导体传感器23:2156测转角：测转角：半导体传感器23:2157电流传感器电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚
20、集，然后用霍尔器件进行检测。过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。 半导体传感器23:2158铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 NS半导体传感器23:2159叶片和齿轮位置传感器叶片和齿轮位置传感器应用应用 半导体传感器23:2160案例：案例：汽车速度测量汽车速度测量:半导体传感器23:21612 2 磁电阻元件磁电阻元件磁阻效应磁阻效应)1 ()1 (cos/2202020BRRRR- -+ +lwx半导体传感器23:2162 特点特点 电阻的增量与磁场的平方成正比；电阻的增量与磁场的平方成正比； 与磁场的正负无关；与磁场的正负无关； 温度系数影响大；温度系数影响大； 磁感应的范围比霍
21、尔元件大。磁感应的范围比霍尔元件大。 应用应用 磁头；接近开关和无触点开关。磁头；接近开关和无触点开关。半导体传感器23:21633 3 磁感应半导体元件分类磁感应半导体元件分类霍尔元件霍尔元件磁电阻元件磁电阻元件磁敏二极管磁敏二极管磁晶体管磁晶体管磁半导体开关磁半导体开关半导体传感器23:2164产品产品半导体传感器23:2165案例：转速测量案例：转速测量半导体传感器23:2166热敏传感器热敏传感器 1.1.双金属温度计双金属温度计 把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温
22、度变化转换成机械量变化。化转换成机械量变化。优点：优点：结构简单结构简单牢固牢固可靠可靠防爆防爆 热敏传感器23:2167 热敏传感器23:2168荧光灯启辉器荧光灯启辉器零线零线火线火线 当电路接通，启辉器两端极片得电，当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电），击穿惰性气体而导电（辉光放电），双金属片发热弯曲而与静触板接通形双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。电路中电流突然中断，成闭合电路。电路中电流突然中断，使镇流器两端产生一个比电源电压高使镇流器两端产生一个比电源电压高得多的感应电动势，得多的感应电动势，在强电场的作用在强电场的作用下，引起管内汞蒸气电离而形
23、成弧光下，引起管内汞蒸气电离而形成弧光放电放电. .热敏传感器23:2169荧光灯启辉器荧光灯启辉器 启辉器由玻璃管制成的辉光放电管与小电容器并联而成辉光放电管内启辉器由玻璃管制成的辉光放电管与小电容器并联而成辉光放电管内有一个有一个U形双金属片，一个固定静止触极电板，称为静触板或静触极，玻形双金属片，一个固定静止触极电板，称为静触板或静触极，玻璃管内充有氖气或氩气，或氖氩混合的惰性气体。当电路接通，启辉器两璃管内充有氖气或氩气，或氖氩混合的惰性气体。当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电过程），双金属片发热弯曲端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电过程），双金属片发热
24、弯曲而与静触板接通形成闭合电路。此时电流直接经过双金属片与静触板流通，而与静触板接通形成闭合电路。此时电流直接经过双金属片与静触板流通，惰性气体失去作用而不放电，双金属片开始冷却，经过惰性气体失去作用而不放电，双金属片开始冷却，经过18秒的时间，双秒的时间，双金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。热敏传感器23:21702. 2. 热电温度计热电温度计( (热电偶热电偶) ) 热电效应热电效应 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产回路，当两个接点温度不同时，在回路中就
25、会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。热敏传感器23:2171BAABNNekTTEln)(ABTT0k k玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，e e电子电荷量，电子电荷量，T T接触处的温度接触处的温度NANA，NBNB分别为导体分别为导体A A和和B B的自由电子密度。的自由电子密度。BAABNNekTTEln)(00热敏传感器23:2172热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产体的横截面积、长度以及温度分布如
26、何均不产生热电动势。生热电动势。TT02)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。热电偶回路的总热电动势。TT0V热敏传感器23:21733)3)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，果他们所产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后两极配对后的热电动势可用下式求得：的热电动势可用下式求得：),(),(),(000
27、TTETTETTECBACABABTT0=ACTT0CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。热敏传感器23:2174热敏传感器23:2175热敏传感器23:21763 3 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。值下降。 )11(00TTeRRRT热敏传感器23:2177热
28、敏传感器23:2178热敏传感器23:2179产品产品热敏传感器23:2180温控器温控器应用应用汽车发动机传感器汽车发动机传感器水温感应塞水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等热敏传感器23:2181气敏电阻传感器气敏电阻传感器 气体与人类日常生活密切相关，对气体的检气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。气敏传感器发挥着极其重要的作用。 如生活环境中一氧化碳浓度达如生活环境中一氧化碳浓度达0.80.81.15 ml/L1.15 m
29、l/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。有易燃、易爆气体、酒精等的探测。烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器气敏电阻传感器23:2182 气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。测气体的浓度改变而变化。 气敏电阻传感器23:2183气敏电阻
30、传感器23:2184 气敏电阻传感器23:2185实验室中的传感器实验室中的传感器气敏电阻传感器23:2186燃气报警器燃气报警器烟雾报警器烟雾报警器 气敏电阻传感器23:2187酒精传感器酒精传感器气敏电阻传感器23:2188光电传感器光电传感器 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。其工作原理是基于一些物质的光电效应。 内光电效应内光电效应 半导体材料受到光照时会产生电子半导体材料受到光照时会产生电子- -空穴对空穴对, ,使
31、其导电性能增强使其导电性能增强, ,光线愈强，阻值愈低，这种光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象光照后电阻率发生变化的现象, ,称为称为内光电效应内光电效应 。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管光电传感器23:21893. 传感器原理传感器原理 光电传感器23:21903. 传感器原理传感器原理 照相机自动测光照相机自动测光光控灯光控灯工业控制工业控制光电传感器23:2191光电池光电池 光生伏特效应指半导体材料光生伏特效应指半导体材料P-NP-N结受到光照后结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源产生一定方向的电动势的效应。以可见光作
32、光源的光电池是常用的光生伏特型器件。的光电池是常用的光生伏特型器件。+-PN半导体敏感元件传感器23:2192应用应用 光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式式( (直射式直射式) )、吸收式、遮光式、反射式、四种、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。基本形式。 半导体敏感元件传感器23:2193半导体敏感元件传感器23:2194半导体敏感元件传感器23:2195半导体敏感元件传感器23:2196案例：案例：光电鼠标就是利用光电鼠标就是利用LEDLED与光敏晶体管组合来与光敏晶体管组合来 测量位移。测量位移。半导体敏感元件传感器23:2197亮度传感器：亮
33、度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。达到节约电能的目的。半导体敏感元件传感器23:2198相机测距反射式光电传感器相机测距反射式光电传感器半导体敏感元件传感器23:2199半导体敏感元件传感器23:21100光纤传感器光纤传感器 物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。 1 1）物性型光纤传感器）物性型光纤传感器光纤
34、传感器光纤传感器23:21101光纤流速传感器光纤流速传感器光纤传感器23:21102 结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。功能型光纤传感器。2 2）结构型光纤传感器）结构型光纤传感器光纤传感器23:21103光纤检测型光电传感器光纤检测型光电传感器作业件检测作业件检测颜色检测颜色检测光纤传感器23:21104CCDCCD固态图象传感器固态图象传感器 MOS(Metal Ox
35、ide Semiconductor)MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的光敏元的结构是在半导体结构是在半导体(P(P型硅型硅) )基片上形成一种氧化物基片上形成一种氧化物( (如二氧化硅如二氧化硅) )，在氧化物上再沉积一层金属电极，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属以此形成一个金属- -氧化物氧化物- -半导体结构元半导体结构元 (MOS)(MOS)。 CCD固态图象传感器23:21105 在半导体硅片上按线阵或面阵排列在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOSMOS单元，单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗
36、起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。相对应的光生电荷图像。CCD固态图象传感器23:2110601111100光敏管光敏管阵列阵列并联串联转换器运算电路显示电路结束信号驱动脉冲CCDCCD固态图象传感器23:21107 特点特点:(1) 非接触检测非接触检测;(2) 响应快响应快;(3) 可靠性高可靠性高,为修简便为修简便;(4) 测量精度高测量精度高;(5) 体积小体积小,重量轻重量轻; 容易与计算机连接容易与计算机连接(6) 对被测物体需要强光照射对被测物体需要强光照射;(7) 受被测物体以外的光的影响受被测物体
37、以外的光的影响. 应用:(1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量.条形码扫描器条形码扫描器CCD固态图象传感器23:21108GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114 数码相机数码相机CCD固态图象传感器23:21109其它类型的传感器其它类型的传感器 1 1、热辐射检测传感器、热辐射检测传感器 绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度赖于物体温度(K)(K)，根据普朗克辐射定律有以下根据普朗克辐射定律有以下表达式：表达式：其它类型的传感器23:21110应用：应用： 冶金、轧制、
38、磨削加工以及各种热加工过冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题程中都涉及到动态温度场的检测问题。其它类型的传感器23:21111生物传感器生物传感器热热/ /光光电量电量微生物微生物/酶等酶等敏感元件敏感元件 生物传感器与其它传感器是检测对象中含生命生物传感器与其它传感器是检测对象中含生命物质。根据敏感物质不同物质。根据敏感物质不同, ,生物传感器分酶传感器、生物传感器分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。疫传感器等。生物传感器23:211122 2、环境监测、环境监测3.3.医学医学应用领域应
39、用领域1 1、发酵工业、发酵工业( (食品食品) )生物传感器23:21113血糖乳酸测定流程血糖乳酸测定流程体育上耐力训练体育上耐力训练生物传感器23:21114德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪生物传感器23:21115手掌型葡萄糖手掌型葡萄糖(glucose)(glucose)分析仪分析仪生物传感器23:21116工厂发酵车间化验工厂发酵车间化验员正在分析样品员正在分析样品发酵工厂谷氨酸发酵工厂谷氨酸- -葡萄糖分析葡萄糖分析生物传感器23:21117三、 传感器的标定 1. 静态标定 直线性 灵敏度 滞后量 重复性 刚度 横向灵敏度 2. 动态标定 频率特性
40、固有频率 阻尼率四、 传感器选用原则 1. 灵敏度 2. 响应特性 3. 线性 4. 稳定性 5. 精确度 6. 测量方式 7. 其他传感器的标定和选用原则23:21118三、传感器的标定q零阶系统：如放大镜、测力环；代数方程式描述零阶系统：如放大镜、测力环；代数方程式描述q一阶系统：如热电偶、水银温度计、一阶系统：如热电偶、水银温度计、RC低通滤波器低通滤波器q二阶系统：如千分表、电感量头、电阻式压力计、二阶系统：如千分表、电感量头、电阻式压力计、电容式拾音计、压电式电容式拾音计、压电式(磁电式磁电式)加速度计加速度计q静态标定静态标定 直线性直线性 灵敏度灵敏度 滞后量滞后量 重复性重复性
41、 刚度刚度 横向灵敏度横向灵敏度23:21119三、传感器的标定q动态标定：测定传感器的动态特性动态标定：测定传感器的动态特性 频率特性频率特性 工作频带工作频带 谐振频率谐振频率 固有频率固有频率 阻尼率阻尼率 相位特性相位特性q动态标定方法：正弦、冲击力、白噪声或伪随机白动态标定方法：正弦、冲击力、白噪声或伪随机白噪声激励噪声激励 冲击力激励冲击力激励 图图4-26 P102 多维传感器的标定多维传感器的标定 多维传感器的补偿多维传感器的补偿白噪声的特点白噪声的特点: : 1.1.瞬时值服从正态分布；瞬时值服从正态分布；2.2.功率谱在全频带内是均匀的；功率谱在全频带内是均匀的；3.3.具
42、有极良好的相关特性。具有极良好的相关特性。23:21120 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。的问题。 1 1、灵敏度、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题； b)b)量程范围。量程范围。 c)c)交叉灵敏度问题。交叉灵敏度问题。四、传感器选用原则23:211212 2 响应特性响应特性
43、传感器的响应特性是指在所测频率范围内，传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。保持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。延迟，但总希望延迟的时间越短越好。 3 3 线性范围线性范围 任何传感器都有一定线性工作范围。在线任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。作在线性区域内，是保证测量精度的基本
44、条件。 四、传感器选用原则23:211224 4 稳定性稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。定性的因素是时间与环境。5 5 精确度精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。测量的对应程度。 四、传感器选用原则23:211236 6 测量方式测量方式 传感器工作方式，也是选择传感器时应考传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破虑的重要因素。例如，接触与非接触测量
45、、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。四、传感器选用原则7 7 其他其他 价格、生产厂家、安装方式等。价格、生产厂家、安装方式等。23:21124一、Shannon 信道容量关系式 信道最大的信息传输率称为信道容量)1log(nstppFcF 为信道带宽 Ps 为输入信号的平均功率Pn 为引入信道的干扰噪声的平均功率 4-2 信息传输广义信道：传输信息的媒质或途径能流：信息传输需要物质和能量 FfFffH, 0, 1)(信道频率特性23:21125 4-2 信息传输)1log(21nsppcN 维高斯信道的信道容量)1log(2nsppNc一维高斯信道
46、的信道容量一一 维随机变量维随机变量一一 维随机变量维随机变量可可加性高斯噪声加性高斯噪声23:21126 4-2 信息传输信道容量信道容量Ct与信道带宽与信道带宽F的关系的关系当带宽当带宽F F较小时，随较小时，随F F增加增加Ct增加很快增加很快P0/N0：信号功率与噪声功率谱密度比值信号功率与噪声功率谱密度比值F增大时，增大时， Ct趋于极限值趋于极限值23:21127二、信道频率特性与波形失真二、信道频率特性与波形失真 4-2 信息传输一般系统：频率失真、幅值失真、相位失真幅值失真、相位失真线性系统：幅值失真、相位失真：幅值失真、相位失真(频率保持性和叠加性频率保持性和叠加性)23:21128 4-2 信息传输H( )对源信号x(t)的谱X( )幅值加权，相位加权x(t)的谱的谱X( ) 幅值加权系数不等幅值加权系数不等( )- 非线性关系非线性关系23:21129 4-2 信息传输q信息传输过程中的干扰信息传输过程中的干扰
