传感器原理与应用复习范围.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流传感器原理与应用复习范围.精品文档.绪论一、 传感器：将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等），按照一定的规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。 二、 传感技术：是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，是检测（传感）原理、材料 科学、工艺加工等三要素的最佳结合。三、 传感器的组成 ：传感器一般有敏感元件、转换原件和测量电路三部分组成，有事还需要加辅助电源。四、 传感器分类：1.按输入量分类 如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传

2、感器、加速度传感器、湿度传感器等。2.按测量原理分类 现有传感器的测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。如根据变电阻的原理，相应的有电位器式、应变式传感器；根据变磁阻的原理，相应的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。3.按结构型和物性型分类 所谓结构型传感器，主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号，这种传感器目前应用的最为普遍。物性型传感器则是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器

3、件。五、传感器的发展趋向1.传感器的固态化，2、传感器的集成化和多功能化3.传感器的图像化4.传感器的智能化第1章 传感器的一般特性1-1 传感器的静态特性 传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。传感器静态特性的主要指标有以下几点：一、线性度(非线性误差) 在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程(FS)输出值的百分比称为线性度。二、灵敏度 传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度K。三、迟滞 迟滞是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正

4、行程和反行程其输出值间的最大偏差(见图1-6)。其数值用最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比表示。四、重复性 重复是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性1-2 传感器的动态特性 动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。动态特性指标：上升时间tr 、 稳定时间ts 、 峰值时间tp 、 超调量%。第二章 应变式传感器2-1金属应变片式传感器 金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。 应用时将应变片用黏结剂牢固地粘贴在被测试件表面上。当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，引起应变片电

5、阻值变化，通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。应变片的结构：敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和黏结剂等组成。2-2 压阻式传感器单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。(二)影响压阻系数的因素 影响压阻系数的因素主要是扩散电阻的表面杂质浓度和温度。扩散杂质浓度NS增加时，压阻系数就会减小。第三章 电容式传感器3-1 电容式传感器的工作原理 用两块金属平板作电极可构成最简单的电容器。当忽略边缘效应时，其电容量为式中 C电容量； S极板间相互覆盖面积； d两极板间距离； 两极板间介质的介电常数一般电容式传感器可以分成以下三种类型：一、变面积(S)型二、变介质

6、介电常数()型 三、变极板间距(d)型3-3 电容式传感器的误差分析一、温度对结构尺寸的影响 二、电容电场的边缘效应 三、寄生与分布电容的影响3-4 电容式传感器的应用一、电容式差压变送器 二、电容式测微仪 三、电容式液位计第四章 电感式传感器电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等参数。根据转换原理不同，可分为自感式和互感式两种；根据结构型式不同，可分为气隙型和螺管型两种。第五章压电式传感器压电式传感器是一种典型的有源传感器(或发电型传感器)。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实

7、现非电量电测的目的。5-1 压电效应 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态。这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。相反，在电介质的极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。一、石英晶体压电效应 天然结构石英晶体是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示。其中纵向轴Z-Z称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X-X轴称为电轴；与X-X轴和Z-Z轴同时垂直的Y-Y轴(垂直于正六面体的棱面)称为机械轴。通常把沿电轴X

8、-X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y-Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z-Z方向受力则不产生压电效应。5-2 压电材料 应用于压电式传感器中的压电材料主要有两种：一种是压电晶体，如石英等；另一种是压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。二、测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；二是放大压电式传感器输出的弱信号。根据压电式传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号也可以是电荷信号。因此设计前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压(传感器的输出电压)成正

9、比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。5-4 压电式传感器的应用 一、压电式加速度传感器压电式加速度传感器结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。二、压电式压力传感器三、压电式流量计第六章 数字式传感器根据工作原理不同可分为脉冲数字式传感器(如光栅传感器、感应同步器、磁栅传感器等)和频率输出式数字传感器(如振弦式、振筒式和振膜式传感器)。6-1 码盘式传感器一、工作原理 光学码盘式传感器是用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。6-2 光栅传感器二、莫尔条纹形成的原理及特点 (一)莫尔条纹的形成原理 把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一

10、起(片间留有很小的间隙)，并使两者栅线(光栅刻线)之间保持很小的夹角，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹，如图6-11所示。在a-a线上两光栅的栅线彼此重合，光线从缝隙中通过，形成亮带；在b-b线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗带。这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹方向与刻线方向垂直，故又称横向莫尔条纹。由图6-11可看出，横向莫尔条纹的斜率为 (6-3)式中 亮(暗)带的倾斜角； 两光栅的栅线夹角。横向莫尔条纹(亮带与暗带)之间距离为 (6-4) 式中 BH 横向莫尔条纹之间的 距离； W 光栅常数。 由此可见，莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅的夹角决定。对于给定光栅常数W

11、的两光栅，夹角愈小，条纹宽度愈大，即条纹愈稀。所以通过调整夹角，可以使条纹宽度具有任何所需要的值。 6-4 振弦式传感器 振弦式传感器以张紧的钢弦作为敏感元件，其弦振动的固有频率与张紧力有关。当振弦长度确定后，弦的振动频率变化量即可表示张紧力的大小。其输入量为力，输出量为频率信号。第七章 热电式传感器其中将温度转换为电势的热电式传感器叫热电偶，将温度转换为电阻值的热电式传感器叫热电阻。7-1 热电偶 一、热电效应热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。如图7-1所示，把两种不同的导体或半导体材料A、B连接成闭合回路，将它们的两个接点分别置于温度为T及T0 (设TT0)的热源中，则在该回路内就会产

12、生热电动势(简称热电势)，可用EAB(T，T0)表示，这种现象称做热电效应。我们把两种不同导体或半导体的这种组合称为热电偶，A和B称为热电极，温度高的接点称为热端(或工作端)，温度低的接点称为冷端(或自由端)。图7-1所示的热电偶回路中所产生的热电势由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。三、常用热电偶及结构从理论上讲，任何两种不同导体(或半导体)都可以配制成热电偶，但是作为实用的测温元件，对它的要求是多方面的。为了保证工程技术中的可靠性，以及足够的测量精度，并不是所有材料都能组成热电偶，一般对热电偶的电极材料基本要求是：在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定

13、性，不易氧化或腐蚀；电阻温度系数小，导电率高，比热小；测温中产生热电势要大，并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系；材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格便宜。7-2 热电阻绝大多数金属具有正的电阻温度系数t，温度越高，电阻越大。利用这一规律可制成温度传感器，与热电偶对应，就称为“热电阻”。用于制造热电阻的金属材料应满足以下要求：电阻温度系数大，电阻随温度变化保持单值并且最好呈线性关系；热容量小；电阻率尽量大，这样可以在同样灵敏度情况下使元件尺寸做得小一些；在工作范围内，物理和化学性能稳定；容易获得较纯物质，材料复制性好，价格便宜。根据以上要求，目前世界上大都采用铂和铜两种金

14、属作为制造热电阻的材料第八章 固体传感器固体传感器的特点：由于传感器原理是基于物性变化，因而没有相对运动部件，不存在磨损问题，可以做到结构简单，小型轻量； 感受外界信息灵活，动态响应好，并且输出为电量； 采用半导体为敏感材料，容易实现传感器集成化、一体化、多功能化、图像化、智能化； 功耗低，安全可靠。 8-1 磁敏传感器一、霍尔元件 (一)霍尔效应 图8-1为霍尔效应原理图。在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流I，假设载流子为电子(N型半导体材料)，它沿与电流I相反的方向运动。由于洛仑兹力fL的作用，电子将向一侧偏转(如图中虚线箭头方向)，并使该侧形成电子的积累。而另一侧形成正电荷积累，于是元件

15、的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力fE与洛仑兹力fL相等时，电子的积累达到动态平衡。这时在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。8-2光敏 传感器 一、光电效应 光电器件的物理基础是光电效应。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。 (一)外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。(二)内光电效应 受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。 光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从

16、键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏晶体管。8-3 电荷耦合器件(一)电荷耦合器件的结构 金属氧化物半导体(MOS)电容CCD是由按照一定规律排列的MOS电容阵列组成的。其中金属为MOS结构上的电极，称为“栅极”(此栅极材料不是用金属而是用能够透过一定波长范围光的多晶硅薄膜)。半导体作为底电极，俗称“衬底”。两电极之间夹一层绝缘体，构成电容。8-4 气体传感器气体敏感元件就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或者

17、器件。8-5 湿度传感器(一)质量百分比和体积百分比 质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则质量百分比为 (8-67) 在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则体积百分比为 (8-68) 这两种方法统称为水蒸气百分含量法。 (二)相对湿度和绝对湿度 水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压(e)。而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(es)。温度越高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度，其表示式为 (8-69) 绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，其定义为 (8-70) 式中 m待测

18、空气中水蒸气质量； V待测空气的总体积； v待测空气的绝对湿度。 如果把待测空气看做是一种由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合气体的话，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可以得出如下关系式 (8-71)式中 e空气中水蒸气分压； M水蒸气的摩尔质量； R理想气体常数； T空气的绝对温度。 第九章 光导纤维式传感器光纤传感器用光而不用电来作为敏感信息的载体；用光纤而不用导线来作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的一些极其宝贵的特点：电绝缘抗电磁干扰 非侵入性 高灵敏度 容易实现对被测信号的远距离监控一、斯乃尔定理(Snells Law) 斯乃尔定理指出：当光由光密物质(折射

19、率大)射出至光疏物质(折射率小)时，发生折射如图9-1(a)，其折射角大于入射角，即n1n2时，ri。 n1、n2、r、i之间的数学关系为 (9-1) 由(9-1)式可以看出：入射角i增大时，折射角r也随之增大，且始终ri。当r=90时，i仍小于 90，此时，出射光线沿界面传播，如图9-1(b)，称为临界状态。这时有sin r=sin 90=1sin i0=n2/n1 (9-2)i0=arcsin(n2/n1) (9-3式中 i0临界角。 当ii0时，r90，这时便发生全反射现象， 如图9-1(c)所示，其出射光不再折射而全部反射回来。 图9-1 光在不同物质分界面的传播(a)光的折射示意图

20、(b)临界状态示意图 (c)光全反射示意图二、光纤结构 要分析光纤导光原理，除了应用斯乃尔定理外还需结合光纤结构来说明。光纤呈圆柱形，它通常由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构组成，如图9-2所示。 图9-2 光纤结构 纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤芯折射率n1比包层折射率n2稍大些，两层之间形成良好的光学界面。光线在这个界面上反射传播。三、光纤导光原理及数值孔径NA 由图9-3可以看出：入射光线AB与纤维轴线OO相交角为i，入射后折射(折射角为j)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成k角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为r。由图9-3可得出 n

21、0sini=n1sinj (9-4) n1sink=n2sinr (9-5) 由(9-4)式可以推出 sin i=(n1/n0)sin j 图9-3 光纤导光示意图因j=90-k 所以 (9-6)由(9-5)式可推出sin k=(n2/n1)sin r并代入(9-6)式得 (9-7) (9-7)式中n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故n01；n1为纤芯折射率，n2为包层折射率。当n0=1，由(9-7)式得 (9-8)当r=90的临界状态时，i=i0 (9-9) 纤维光学中把(9-9)式中sini0定义为“数值孔径”NA(Numerical Aperture)。由于n1与n2相差

22、较小，即n1+n22n1，故(9-9)式又可因式分解为 (9-10) 式中 =(n1-n2)/n1称为相对折射率差。由(9-8)式及图9-3可以看出： r=90时，sini0=NA或i0=arcsinNA； r90时，光线发生全反射，由图9-3夹角关系可以看出ii0=arcsinNA； rNA，iarcsin NA，光线消失。 这说明arcsin NA是一个临界角，凡入射角iarcsin NA的那些光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；相反，只有入射角iarcsin NA的那些光线才可以进入光纤被全反射传播。 9-2 光纤传感器结构原理及分类 一、光纤传感器结构原理光纤传感器则是一种把被测量的

23、状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。二、光纤传感器的分类传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相光位纤调传制感器干涉(磁致伸缩)干涉(电致伸缩)Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaaa非干涉型强光度纤调传制感 器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏光振纤调传制感器法拉第效应泡尔效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频光率纤调传制感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：MM多模光纤；SM单模光纤；PM偏振保持光纤。 a、b、c为图9-5所示的三类光纤传感器。