传感器原理(5页).doc

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1、- 传感器原理第一章1、测量方法：根据获得测量值的方法，为直接测量、间接测量、组合测量。 根据测量方式，偏差式测量、零位式测量与微差式测量。 根据测量条件，等精度测量、不等精度测量 根据被测量变化快慢，静态测量、动态测量 根据测量敏感原件是否与被测介质接触，接触式测量、非接触式测量 根据测量系统是否向被测量施加能量，主动式测量、被动式测量2、直接测量：测得值直接与标准量进行比较 间接测量：首先对与被测量有确定函数关系的几个量进行直接测量，将直接测的值带入函数关系式，经过计算得到所需要的结果。 组合测量：被测量必须经过求解联立方程组求的 偏差式测量：用仪表指针的位移决定被测量的量值。 零位式测量

2、：用指零仪表的零位反映测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时用已知的标准量决定被测量的量值。 微差式测量：将被测量与已知的标准量相比较，获得差值后，再用偏差法测得此差值。 等精度测量：在整个测量过程中，若影响和决定误差大小的全部因素始终保持不变，对同一被测量进行多次重复测量。 不等精度测量：在不同的测量条件下，用不同精度的仪表，不同的测量方法，不同的测量次数以及不同的测量者进行测量和对比。3、测量误差：测量值与被测量的真值之差。 绝对误差：测量结果与真值之差。 相对误差：绝对误差与被测量之比。 引用误差：绝对误差与量程之比。 随机误差：在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值和符号以不可预定方

3、式变化的误差。通过增加测量次数减小随机误差对测量结果的影响。 粗大误差：超出规定条件下预期的误差，又称疏忽误差。第二章1、传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。2、传感器由敏感元件和转换元件组成。 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。 转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。3、传感器的基本特性：静态特性和动态特性。 静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。包括灵敏度，迟滞，线性度，重复性，漂移。 灵敏度：输出量增量与引起输出量增量的相应输入量增量之比。 线性度：传感器的输出与输入之间

4、数量关系的线性程度。 迟滞：传感器在相同工作条件下输入量由小到大及输入量由大到小变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象。 重复性：传感器在相同工作条件下，输入量按同一方向做全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 漂移：输入量不变的情况下，传感器输出量会随时间变化。第三章 应变式传感器1.金属电阻应变片的工作原理:基于电阻应变效应。2.电阻应变效应:导体在外界作用下产生机械变形(拉伸或压缩)时，其电阻值相应发生变化的现象。3.半导体电阻应变片的工作原理:基于半导体材料的压阻效应。4.压阻效应:半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象。5.金属电阻应变片的灵敏度推导及半导体电阻

5、应变片的灵敏度推倒。6.金属电阻应变片的结构:由敏感栅，基片，覆盖层和引线等部分组成。 敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。7.金属电阻应变片的材料要求: 灵敏系数大值大电阻温度系数小与铜线的焊接性能好机械强度高8.电阻应变片的温度误差:由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面:电阻温度系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响9.电阻应变片的温度补偿方法:线路补偿和应变片自补偿应变片的自补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称之为温度自补偿应变片)来

6、补偿的。10.电阻应变片的测量电路:电压灵敏度的计算，相互关系公式推导。第四章 电感式传感器1.变气隙式电感传感器:特点，工作原理灵敏度的公式推导特点:灵敏度高，非线性严重2.零点残余电压:把传感器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作3.产生零点残余电压的原因:由于由于两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，因此在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成了零点残余电压的基波分量。由于传感器导磁材料磁化曲线的非线性(如铁磁饱和，磁滞损耗)使得激励电流与磁通波形不一致，从而形成了零点残余电压的高次谐波分量。4.为了减小电感式传感器的零点残余电压的采取措施。在设计和工艺上，力求做到磁

7、路对称，铁芯材料均匀。要经过热处理以除去机械应力和改善磁性。两线圈绕制要均匀，力求几何尺寸与电气特性保持一致。在电路上进行补偿。5.电涡流式传感器工作原理:当传感器线圈通以交变电流 时，由于电流的变化在线圈周围产生交变磁场 ，使置于此磁场中的被测导体产生感应电涡流 ，电涡流 又产生新的交变磁场 。 与 方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致传感器线圈的电感量，阻抗和品质因数发生变化，即线圈的等效阻抗发生变化。这些变化与被测导体的电阻率 磁导率 以及几何形状有关，也与线圈几何参数，激磁电流频率 有关，还与线圈与被测导体间的距离 有关，因此可写为 式中，为线圈与被测导体的尺寸因子。 第五章1、电容

8、式传感器结构简单、体积小、分辨率高，可非接触式测量，并能在高温、辐射、强烈震动等恶劣条件下工作。2、电容式传感器可分为变极距型（测量位移）、变面积型（测量直线位移、角位移、尺寸）、变介电常数型（测量液体液位、材料厚度）。3、变极距型平板电容式传感器的灵敏度推导 为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。4、电容式传感器的应用：电容式压力传感器，电容式加速度传感器，差动式电容测厚传感器。第六章 压电式传感器1.压电式传感器的定义:其工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是一种典型的有源传感器。它通过材料受力作用变形时，其表面会有电荷产生而实现非电量测量。2.压电式传感器的特点:体积小，

9、重量轻，工作频带宽。3.压电效应:某些电介质，当沿这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。到外力去掉后，又重新恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应。4.把这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应。5.当在电介质极化方向施加电场时，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。6.压电材料的主要特性参数:压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。7.沿电轴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。沿机械轴 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。沿光轴方向的力作

10、用时不产生压电效应。8.压电式传感器的等效电路的特点9.压电式传感器的测量电路的特点10.压电式传感器的应用: 压电式测力传感器压电式加速度传感器 压电式金属加工切削力测量压电式玻璃破碎报警器第七章1、磁电感应式传感器：变磁通式、恒磁通式。 变磁通式传感器工作原理：产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动，通过磁通的变化产生感应电动势e。又称为磁阻式，常用于角速度的测量。 恒磁通式传感器工作原理：气隙磁通保持不变，感应线圈与磁铁作相对运动，线圈切割磁力线产生感应电势。2、磁电感应式传感器的误差主要有非线性误差和温度误差 非线性误差的主要原因：当磁电式传感器在进行测量时，传感器线圈会有电流流过，这时线

11、圈会产生一定的交变磁通，此交变磁通会叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化。 补偿非线性误差的方法：在传感器中加入补偿线圈，补偿线圈被通以一定的电流，适当选择补偿线圈的参数，产生的交变补偿磁通可以与传感器线圈本身产生的交变附加磁通相互抵消。 温度误差产生的主要原因：受温度变化的影响。 温度误差补偿的方法：在结构允许的情况下，在传感器的磁铁下设置热磁分路。3、霍尔效应：置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场的方向上产生电动势。霍尔电势的影响因素：霍尔电动势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数成正比，而与霍尔片厚度d成反比，

12、为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。4、霍尔原件的符号5、霍尔传感器的应用：霍尔式微位移传感器，霍尔式转速传感器，霍尔计数装置。第八章 光电式传感器1.光电效应光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。在光线作用下物体内的电子溢出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。在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效应称为内光电效应。2.光敏电阻的主要参数:暗电阻与暗电流光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。亮电阻与亮电流光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。3.光敏电阻的基本特性伏安特性 在一

13、定照度下流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。光敏电阻在一定的电压范围内，其 曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关，而与电压，电流无关。光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光电流 和光照强度之间的关系的，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。光谱特性 光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。频率特性温度特性4.光敏二极管的工作原理光敏二极管

14、儿电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照时，反向电阻很大，反向电流很小，该反向电流称为暗电流。当光照射在 结上，光子打在 结附近，使 结产生光生电子和光生空穴对，它们在 结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大，因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。5.光敏晶体管的工作原理大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子-空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的 倍，所以光敏晶体管有放大作用。6.光电池的工作原理基于光生伏特效应，光电池是因为有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势，从而成为电源。-第 5 页-