传感器复习.docx

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传感器复习

1.2传感器的定义与组成

●传感器：

能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置

●传感器的共性：

利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量

●传感器一般由检测、控制和执行等三部分组成。

●传感器功能：

检测和转换。

●敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件

●转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号的部分

1.3传感器的分类

●按传感器的构成进行分类：

物性型和结构型

●按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：

位移、速度、温度、压力传感器等

●按传感器的输出量进行分类：

模拟式和数字式

●按传感器的基本效应分类：

物理型、化学型、生物型

●按传感器的工作原理进行分类：

应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器等

●按传感器的能量变换关系进行分类：

有源（能量控制型）、无源（能量变换型）

1.4.4传感器的智能化：

传感器与微处理器的结合：

检测、信息处理、逻辑判断、自诊断等

作用：

提高测量精度　增加功能提高自动化程度

第二章

v2.1传感器的静态特性：

传感器的静态特性：

在稳态信号作用下的输入－输出关系。

不含有时间变量。

衡量传感器静态特性主要指标：

线性度灵敏度分辨率迟滞重复性漂移

线性度:

传感器的输入、输出间成线性关系的程度

灵敏度：

传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化的比值

分辨率：

是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。

分辨率可以用绝对值或与满量程的百分比来表示

迟滞：

在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等的现象

产生原因：

传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等

重复性：

传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输入－输出特性曲线一致的程度

漂移：

传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象

产生原因：

传感器自身结构参数老化

测试过程中环境发生变化

2.2传感器的动态特性

v是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性

v一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数

线性时不变系统有两个重要的性质：

叠加性和频率保持性

第3章电阻式传感器

3.1　工作原理：

⏹应变：

物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象

⏹弹性应变：

当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变

⏹弹性元件：

具有弹性应变特性的物体

应变式传感器：

是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器

⏹工作原理：

当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。

输出的电量大小反映被测量的大小。

⏹结构：

应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成

⏹应用：

广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量

3.1.1应变效应

一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：

定义：

电阻丝的灵敏系数（物理意义）：

单位应变所引起的电阻相对变化量。

其表达式为你u为电阻材料泊松比

大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数

3.1.2电阻应变片种类：

常用的电阻应变片有两种：

金属电阻应变片（应变效应为主）；半导体应变片（压阻效应为主）=πE，

式中：

π——半导体材料的压阻系数;σ——半导体材料的所受应变力;E—半导体材料的弹性模量;ε—半导体材料的应变。

因此：

3.2应变片的温度误差及补偿

产生应变片温度误差的主要因素：

1）电阻温度系数的影响2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响

结论：

因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0,α0,βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。

3.2.2电阻应变片的温度补偿方法：

电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿方法。

3.3测量电路

直流电桥：

1.直流电桥平衡条件，当RL→∞时，

桥输出电压为：

当电桥平衡时，Uo=0，则有：

R1R4=R2R3电桥平衡条件：

欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。

输出电压：

桥币比：

n=R2/R1

电桥电压灵敏度定义为：

求得n=1时，KU为最大值。

即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高

结论：

当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。

减小和消除非线性误差的方法：

提高桥臂比和差动电桥半桥差动：

在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂。

该电桥输出电压为：

，可知：

Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。

全桥差动：

电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。

3.3.2交流电桥：

引入原因：

由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。

第四章电感式传感器

电感式传感器工作基础：

电磁感应，即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量

分为变磁阻式、变压器式、涡流式等

特点：

工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好；性能稳定、重复性好

4.1变磁阻式传感器（自感式）

4.1.1工作原理：

变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。

铁芯和衔铁由导磁材料制成。

在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。

当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。

公式：

变气隙厚度δ；变气隙面积A0传感器

灵敏度；可见：

变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合

为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。

灵敏度：

①差动式变间隙传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。

差动式的线性度得到明显改善。

4.1.3测量电路：

交流电桥式；变压器式交流电桥；及谐振式等

4.2差动变压器式传感器（互感式）

非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。

根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。

差动变压器结构形式：

变隙式、变面积式和螺线管式等。

应用最多的是螺线管式差动变压器，

4.2.1变隙式差动变压器

1.工作原理：

两个初级绕组的同名端顺向串联，两个次级绕组的同名端则反相串联。

没有位移时：

差动变压器输出电压为零

有位移时，使δa≠δb，互感Ma≠Mb，有电压输出，电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向

灵敏度：

其中，输出电压U0.衔铁位移Δδ，W为匝数，Ui为供电电源

分析结论：

电源Ui要稳定

电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值

增加W2/W1的比值和减小δ0都能使灵敏度K值提高

第五章电容式传感器

电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。

特点：

结构简单、体积小、分辨率高；可实现非接触式测量；动态响应好；能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。

5.1工作原理：

其中A为面积，ε分别为自由空间介电常数和极板介电常数，d为极板距离

电容式传感器可分为：

1变极板间距离的变极距型，近似（非）直线关系

减小初始间隙会提高灵敏度但是会增大非线性误差，灵敏度：

K=

2改变极板面积的变面积型，电容改变量与水平位移成线性关系电容改变量与角位移呈线性关系，

3改变介质介电常数的变介质型，输入输出量成线性关系

变极距型差动结构的好处：

灵敏度增加一倍，线性度得到改善

5.2　电容式传感器的测量电路

1.调频电路

2.变压器是交流电桥

3.运算放大器

4.二极管双T型交流电桥

5.脉冲宽度调制电路：

差动脉冲宽度调制电路适用于变极板距离和变面积式差动电容传感器，且为线性特性。

第六章、压电式传感器

6.1.1压电效应

压电效应：

是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象而使其表面出现电荷集聚的现象。

在外力去除后又重新恢复到不带电状态，是机械能转变为电能。

叫正压电效应。

电能变机械能叫逆压电效应。

特点：

结构简单、体积小、重量轻；工作频带宽；灵敏度高；信噪比高；工作可靠；测量范围广等。

用途：

主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。

6.1.2压电材料：

1：

石英晶体（单晶体）

Z轴，是纵向轴，称光轴，受力（拉力或者压力）无压电效应：

X轴，称为电轴，Y轴，称机械轴，X和Y轴都会产生压电效应。

2：

压电陶瓷（多晶体）

前提：

同时受外力和外电场作用

优点：

压电效应比石英晶体大得多，灵敏度高，但是稳定性和机械强度不如石英晶体

3：

压电高分子材料

原理：

属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效应较复杂

压电材料的特性参数：

压电系数；弹性系数；介电常数；

机电耦合系数；电阻；居里点

压电材料的选取：

选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关键。

一般应考虑：

转换性能；机械性能电性能；温度、湿度稳定性好；时间稳定性

6.2.3压电元件的连接与变形

图a）从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。

Q’=2Q;C’=2C;U’=U

　　图b）从电路上看是串联

Q’’=Q;C’’=0.5C;U’’=2U

第七章磁敏式传感器

7.1磁电感应式传感器

磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。

它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。

由于它输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到普遍应用。

7.2霍尔式传感器

当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。

霍尔效应产生的电动势被称为霍尔电势。

霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。

⏹霍尔元件基本特性：

线性特性与开关特性；不等位电阻；负载特性；温度特性

应用：

微位移的测量：

转速的测量；压力的测量

第八章热电式传感器

热电偶测温原理

1热电效应：

两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象

◆热电势、热电偶：

两种不同导体组合、热电极：

AB两种导体叫热电极

◆热端（测量端或工作端）、冷端（参考端或自由端）

2，接触电动势：

由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。

数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。

3，温差电动势：

同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。

所以热电偶回路中有四个电动势：

两个接触电动势，两个温差电动势

影响因素取决于材料和接点温度与形状尺寸无关

4，中间值按内插法：

计算不同材料热电偶温度与电视的关系

Tm----被测温度值；Th----较高的温度值

TL----较低的温度值；

EM.EHEL分别为温度TM,TH,TL对应的热电动势

热电偶基本定律

◆

中间导体定律：

在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。

应用：

利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。

◆

标准导体（电极）定律：

如果两种导体A、B分别于第三种导体C组成的热电偶所产生的热电动势已知。

则两个导体A、B组成的热电偶产生的热电动势为：

◆标准导体定律的意义：

通常选用高纯铂丝作标准电极

只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出

◆均质导体定律：

由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。

即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。

意义：

有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。

8.1.2热电偶的结构与种类

结构形式有：

普通型热电偶；特殊热电偶（－铠装型热电偶－薄膜热电偶等。

）

8.1.3热电偶的冷端温度补偿

（1）热电偶补偿导线:

热电偶一般做得较短，

（2）冷端0℃恒温法

（3）冷端温度修正法:

eAB（t,0）=eAB（t,t0）+eAB（t0，0）

（4）冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）

8.1.4热电偶测温线路

测量单点的温度:

特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。

如热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；

◆测量两点间温度差（反向串联）:

◆

测量平均温度（并联或正向串联）

特点：

当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。

当然，它也不会中断整个测温系统的工作。

优点：

热电动势大，仪表的灵敏度大大

增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺

点可立即可以发现有断路。

缺点：

只要有一支热电偶断路，整个测温系

统将停止工作。

8.2热电阻传感器:

热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。

1.常用热电阻:

（1）铂热电阻

（2）铜热电阻

2.测量电路经常采用电桥电路

热电阻内部引线方式有二线制:

这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。

适于引线不长、测温精度要求较低的场合

三线制:

用于工业测量，一般精度；四线制:

实验室用，高精度测量

8.3热敏电阻：

热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。

测温范围：

－50~＋300℃

第9章光电式传感器

9.1.1光电式传感器的类别

光电式传感器（或称光敏传感器）：

是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。

按工作原理分类：

1光电效应传感器，2红外热释电探测器（产生热电动势）

3固体图像传感器4，光纤传感器（唯一的有源光敏传感器）

四种基本形式：

透射式反射式辐射式开关式

9.2.1外光电效应型光电器件

外光电效应：

是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。

根据外光电效应做出的光电器件有：

光电管和光电倍增管

1、光电管及其基本特性：

伏安特性，光照特性，光谱特性（同种材料的光电管对不同波长的光灵敏度不同）

9.2.2内光电效应型光电器件

1.光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象

2、这种效应可分为光照引起半导体电阻率变化的光电导效应（如光敏电阻）;因光照产生电动势的光生伏特效应（如光电池）两种

光敏电阻的主要参数：

暗电阻（不受光照射时的阻值，此时流过的电流称为暗电流）亮电阻（光照射时的电阻，此时流过的电流称为亮电流）

光电流：

亮电流与暗电流之差

器件有：

光敏电阻；光电池；光敏二极管和光敏三极管（光敏管）；光耦合器

9.4　光纤传感器

特点：

极高的灵敏度和精度；固有的安全性好；抗电磁干扰；高绝缘强度；耐腐蚀；集传感与传输于一体；能与数字通信系统兼容等

组成：

光源、光纤耦合器、光纤、光探测器等

9.5光电式编码器

将机械转动的位移（模拟量）转换成数字式电信号的传感器。

编码器在角位移测量方面应用广泛，具有高精度、高分辨率、高可靠性的特点。

光电式编码器从结构上可分为码盘式和脉冲盘式两种。