传感器复习重点(传感器原理及其应用)(精心整理).pdf

传感器原理及其应用复习纲要传感器原理及其应用传感器原理及其应用第一章传感器的一般特性1）信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，是现代信息产业的三大支柱。2）传感器又称变换器、探测器或检测器，是获取信息的工具广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。国家标准（GB7665-87） ：定义：能够感受规定的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。3）传感器的组成：敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路） ，便可转换成电量输出。4）传感器的静态性能指标（1） 灵敏度定义: 传感器输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比,传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。 纯线性传感器灵敏度为常数，与输入量大小输入量大小无关； 非线性传感器灵敏度与x 有关。（2）线性度定义:传感器的输入-输出校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏离与传感器满量程输出之比，称为传感器的“非线性误差”或“线性度” 。线性度又可分为： 绝对线性度：为传感器的实际平均输出特性曲线与理论直线的最大偏差。端基线性度：传感器实际平均输出特性曲线对端基直线的最大偏差。端基直线定义：实际平均输出特性首、末两端点的连线。零基线性度：传感器实际平均输出特性曲线对零基直线的最大偏差。独立线性度：以最佳直线作为参考直线的线性度。最小二乘线性度：用最小二乘法求得校准数据的理论直线。（3）迟滞定义： 对某一输入量，传感器在正行程时的输出量不同于其在反行程时的输出量， 这一现象称为迟滞。即：传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。（4）重复性定义：在相同工作条件下，在一段短的时间间隔内，同一输入量值多次测量所得的输第1页传感器原理及其应用复习纲要出之间相互偏离的程度。（5）稳定性稳定性有两个指标：测量传感器输出值在一段时间中的变化，以稳定度表示；传感器外部环境和工作条件变化引起输出值的不稳定，用影响量表示。在长时间工作的情况下输出量发生的变化， 有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。第二章电阻应变式传感器及应用1）金属电阻应变片工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械形变(拉伸或压缩) 而发生相应的变化的现象成为金属的电阻应变效应。2）单根导电丝的灵敏系数R/ R/k012l /ll /l材材料料的的电电阻阻率率 发生变发生变导电丝的几何导电丝的几何尺寸的改变尺寸的改变 0物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。K0 由两部分组成：前一部分（1+2） ：由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6；k R/R12E后一部分/：电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）l /l金属材料以前者为主，半导体以后者为主。半导体灵敏度要比金属大50100 倍。3）金属电阻应变计的的灵敏度系数R KR式中：K 为灵敏度系数4)应变计的灵敏度 K 恒小于金属线材的灵敏度的原因：（1)粘合剂、基底传递衰减;(2)存在横向效应。5）金属电阻应变计的其他特性参数（1） 应变极限：粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值。（2）零漂和蠕变：零漂：恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在不承受载荷的条件下，电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。蠕变：力不变，时间变化，输出变化。6）电桥补偿法 常用且效果较好的温度补偿法工作应变片贴在试件上，补偿片贴在相同材料的补偿件上，补偿件不受力，并接入电桥相邻臂。补偿件与被测件处于完全相同的温度场内。 工作片、补偿片贴在同一试件上，但补偿片不受力作用。工作片、补偿片贴在同一试件上，但两者感受的应变符号相反。第2页传感器原理及其应用复习纲要7) 电阻应变式传感器测量电路（一）直流电桥的特性方程及平衡条件abab1R1R4R2R3U U U U(R R2)(R3R4)平衡时有R1R4 R2R3 0，称为直流电桥平衡条件。（二）直流电桥的电压灵敏度根据桥臂上应变片布置情况，全等臂直流电桥又分为单臂、双臂、全桥情况：单臂电桥：SC双臂电桥：sc全臂电桥：sc灵敏度比较： 全桥灵敏度最高； 双臂工作的差动电桥灵敏度次之； 单臂电桥灵敏度最低 。8）应变式传感器应用1、柱（筒）式力传感器如何粘贴应变计？一般将应变计对称地贴在应力均匀的圆柱表面的中间部分横向粘贴的应变计作用：温度补偿，提高灵敏度2、 悬臂梁式传感器2应变片桥路连接方法:R1R1R2R2UscR4R4R3R3UR应变片桥路连接信号输出:UscUUkR9） 例题：一台采用等强度梁的电子称，在梁的上下两面各贴有两片电阻应变片， 做成称重传感器。已知：L=100mm，b0=11mm，h=3mm，E=2.1104N/mm2，K=2，接入直流四臂差动电桥，供桥电压 6V。UU R4 RURU2RRUUR6FlEbh E第3页传感器原理及其应用复习纲要求（1）其电压灵敏度(Ku=U0/F)。（2）当称重 0.5kg 时，电桥的输出电压U0 为多大?6 Fl解：等强度梁受力 F 时的应变为h2b0E当上下各贴两片应变片，并接入四臂差动电桥中时，其输出电压：U6FlUOiK4KUi24h b0E则其电压灵敏度为Uo6li61006K K2uFh2bE32112.1104=3.46310-3 (V/N)=3.463(mV/N)当称重F=0.5kg=0.59.8N=4.9N 时，输出电压为U =K F=3.4634.9=16.97(mV)10）例题：以阻值 R=120，灵敏度系数 K=2.0 的电阻应变片与阻值 120 的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为2 和 2000 时，分别求出单臂、双臂和全臂差动电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。解：依题意可见，差动工作时，传感器及其测量的灵敏度加倍。第三章电感式传感器及其应用1)电感式传感器是以电和磁为媒介， 利用电磁感应原理，利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感 L 或互感 M）变化来检测非电量的机电转换装置。分类：电感式：L 变化差动变压器式：M 变化电涡流式：L、M 变化第4页传感器原理及其应用复习纲要2）自感式传感器改善非线性：1，构成差动式自感传感器。3）自感式传感器提高灵敏度：减少初始极距（气隙） ，构成差动式自感传感器。4）自感式传感器的测量电路交流电桥U0UACL2L0而LL0Z3=RUAC2可见电桥输电压出与有关。所以U0Z4=RI变压器电桥初始Z1=Z2=Z，电桥平衡，U0=0U/2Z衔铁上移，设 Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，则UU ZU LU0ZU/22 Z2 LU0同理衔铁下移时U ZU LU - -02 Z2 L5）电涡流式传感器由法拉第电磁感应原理知： 一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流， 这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流线效应。H圈根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;i形成电涡流必须具备两个条件：XH 存在交变磁场被测导体i 导电体处于交变磁场中6）电涡流式传感器工作原理当传感器线圈通以正弦交变电流i1 时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i2（在金属体内是闭合， 称之为“涡电流” 或“涡流” ） 。i2 又产生新的交变磁场 H2。H2 的作用将反抗原磁场H1，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的取决于被测金属导体的电涡流效应。Z1Z27）有一差动电感位移传感器，已知电源电压Usr=4V，f=400HZ，传感器线圈电阻与电感量分别为R=40，L=30mH，用两只匹配Usc电阻设计成四臂等阻抗电桥，试求：Z4（1）匹配电阻的值Z3（2）当Z=10 时，分别结成单臂和差动电桥后的输出电压值。Usr1122第5页传感器原理及其应用复习纲要8）本章要点： 自感式、互感式传感器的结构组成、工作原理、性能特点及其应用电涡流式传感器的工作原理、结构组成及其应用第 4 章电容式传感器1）定义：利用电容器的原理，将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器件。2）工作原理：Sc d在 d、 S 和三个参数中， 保持其中两个不变， 改变另一个参数就可以使电容量C 发生改变。3）三种基本类型：变极距(变间隙)(d)型；变面积型(S)型；变介电常数()型4）试计算习题 42 图所示各电容传感元件的总电容表达式。解：由图可见SS3S（1） 三个电容串联C11C22C 3d1d2d3ddd1111则123C串C1C2C31S2S3Sd123 d213 d312123S故123SSC串d123 d213 d312第6页d1/1 d2/2 d3/3传感器原理及其应用复习纲要（2）两个电容器并联C1 C2 C SdC并 C1C2 2C 2Sd（3）柱形电容器214、在压力比指示系统中采用差动式变间隙电容传感器和电桥测量电路， 如习题图 4-3 所示。已知：0=0.25mm；D=38.2mm；R=5.1k；Usr=60V(交流)，频率 f=400Hz。试求：(1)该电容传感器的电压灵敏度Ku (V/m)；(2)当电容传感器的动极板位移=10m 时，输出电压 Usc 值。2LC lnd /d第五章压电式和超声波传感器及其应用1）简述压电效应及电致伸缩效应答 （正）压电效应：a 某些晶体，当沿着一定方向受到外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷；b 当去掉外力后，又重新回到不带电状态；c 当作用力方向改变，电荷的极性也随着改变；d 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比；e 当动态力变为静态力时，电荷将由于漏电而很快泄漏、消失。第7页传感器原理及其应用复习纲要电致伸缩效应： 对晶体施加外电场时， 晶体本身产生机械变形的现象称为逆压电效应。又称电致伸缩效应。2）简述石英晶体内部存在的3 种正压电效应(1) 纵向压电效应当晶体材料受到 X 方向压力时，在 X 方向产生正压电效应，而Y、Z 方向则不产生压电效应， 称为纵向压电效应。 纵向压电效应使晶面产生的电荷量和外力成正比而与晶片几何尺寸无关。(2)横向压电效应当晶体受到沿 Y 方向施加的压力时，电荷仍在垂直于X 轴的平面上出现，称为横向压电效应。电荷量不仅与的力大小有关，也与晶片的几何尺寸有关(3)切向压电效应当沿晶片相对两平面施加外力时， 晶体表面便产生电荷， 这种现象称为切向压电效应。3)压电式传感器等效电路和测量电路 压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也是一只平行极板介质电容器。为什么压电传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量？答： （1）=0（静态量） ，Uim/Uam=0（输入电压为零） ，由于电荷泄漏，所以不能测量静态量； （2）/ 0 3（高频情况） ，Uim/Uam1，实际接近理想，0 一定，越高，高频响应越好分析对比电压放大器和电荷放大器的电路特点，指出电荷放大器的最主要优点？答：（1） 电压放大器： 电路简单、 元件少、 体积小； 电路可靠、 价格低； 电缆长度有限 （1.2m),不能更换； （2）电荷放大器电荷放大器输出与电缆电容无关(电缆长达 1km,电缆可更换)第7章 热电式传感器及其应用1）两种不同的导体A 和 B 串接成图示闭合回路，当两个接触端存在温差TT0 时，回路中就有电流产生，即回路中会产生热电势，这种现象叫做热电效应。2）结论(4 点)： （1）热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关； 与热电偶的长度、粗细无关。 （2）只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势。3）只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。 （4）导体材料确定后， 热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。这就是利用热电偶测温的原理。3）热电偶基本定律（1）均质导体定律：两种均质金属组成的热电偶的电势大小只与热电极材料和温度有关。（2） 中间导体定律：在热电偶回路中接入另一种导体称中间导体C，只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。（3）连接导体定律ABABn0ABnABn0（4）中间温度定律EAB(T,Tn,T0) EAB(T,Tn) EAB(Tn,T0)4）热电偶温度补偿E(T,T ,T )E (T,T )E(T ,T )第8页传感器原理及其应用复习纲要5）补正系数修正法:6）题目第8章光电式传感器及其应用1）光电传感器:将光信号（红外、可见光及紫外光）转变成为电信号的器件。2）外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管、光电摄像管等3）内光电效应：当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。常见器件：光敏电阻4）光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。第9页传感器原理及其应用复习纲要常见器件：光敏二极管、三极管、光电池等。第十章磁敏传感器及其应用1）霍尔电势：U VBWHI B2）霍尔系数 RH 和霍尔灵敏度 KH，那么：UH RHedUH KHIeB3）为什么霍尔组件用半导体薄片制成？根据KHRHd，减少厚度可以提高灵敏度根据RH，和都大的材料适合制造霍尔组件(获得较大的霍尔电压)。金属导体的载流子迁移率很大，但电阻率低(或自由电子浓度 n 大)；绝缘体电阻率很高，但载流子迁移率低。因此，金属导体和绝缘体均不能成作霍尔组件材料， 只有半导体可以作为霍尔组件的材料4）不等位电势和不等位电阻产生原因： 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; 材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀; 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。5 5）霍尔组件的测量误差的主要来自于温度误差温度误差和零位误差零位误差第11章 气体传感器及其应用如何提高半导体气敏传感器的气敏选择性？ 改变传感器的外在使用条件和材料的物理及化学性质来实现。 改变氧化物传感器的工作温度使用过滤膜，同时选择适合的催化剂部分重要题目：部分重要题目：1）图示低频透射式涡流厚度传感器，在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1, 在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2，简述其测厚度原理2）一应变片的电阻 R0=120，K=2.05，用作应变为 800m/m 的传感元件，试求：（1）R 与R/R（2）若电源电压 Usr=3V，求电桥的输出电压 Usc3） 3.一电阻应变片的灵敏度系数k=2，阻值R=120。设工作时其应变为1000，问其电阻变化为多少？第10页