传感器基础知识

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1、基础知识传感器：将能感受到的及规定的被测量按一定规律转换成可用输 出信号的器件或装置。传感器特性：静态特性：输入为0时，输出也为0,或输出相对 于输入应保持一定的对应关系；动态特性：传感器对于随时间变化 的输入信号的响应特性，通常要求传感器不仅能精确地显示被测量的 大小，而且还能复现被测量随时间变化的规律。静态特性分类： 灵敏度：传感器在稳态工作情况下输出量变化对输入量变化 x 的比值。 它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出 和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输 入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。 线性：输入与输出量之间为线性比例关系，称为

2、线性关系。 时滞（滞后）：输入与输出不是一一对应的关系。 环境特性：周围环境对传感器影响的最大温度。 稳定性：理性特性的传感器是加相同大小输入量时，输出量总是相 同的。 精度：评价系统的优良程度。A准确度：测量值与真实值偏离程度；B 精密度：即使测量相同对象，每次测量也会得到不同测量值，即 为离散偏差。 重复性：在相同的工作条件下，对同一个输入值在短时间内多次连 续测量输出所获得的极限值之间的代数差。 温漂：连续工作的传感器，在输入恒定的情况下，输出量也会朝 着一个方向偏移。 零点漂移：由于温度或其他原因会导致 传感器在检测的基准零点发生变化，偏离零点位置。分辨率：分辨 率是指传感器可感受到的

3、被测量的最小变化的能力。光电传感器光电效应：物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而 产生的电效应。外光电效应：在光照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射 的现象称为外光电效应。光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电 子逸出功A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对某种材料而言 便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大， 也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使 光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率”。在入射光的频谱成分不变时，产生的光电流正比于光强。即光强 愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。基

4、于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光 电倍增管等。光电子的初动能决定于光的频率，与频率成线性关系，与入射光 强度无关。光电子逸出物体表面具有初始动能，故即使没有阳极电压也会产 生光电流，为了使零点稳定，应加反向截止电压，切电压大小与入射 光频率成正比。内光电效应：在光的照射下材料的电阻率发生变化或产生光生电 动势的现象称为内光电效应。可分为：光照引起半导体电阻值变化的 光电导效应；光照产生电动势的光生伏特效应。光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，没有极性，使用时可加直 流电压，也可以加交流电压。其工作原理是基于光电导效应，其阻值 随光照增强而减小。光敏电阻在未受到光照时的阻值称

5、为暗电阻，此 时流过的电流称为暗电流。在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的 电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。一般暗电阻越大， 亮电阻越小，光敏电阻的灵敏度越高。光电导效应，又称为光电效应、光敏效应，是光照变化引起半导 体材料电导变化的现象。即光电导效应是光照射到某些物体上后，引 起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。当光照射到半导体材 料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起 载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。在光线作用下，对于半 导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料 的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导

6、体的 导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基 于这种效应的光电器件。电阻传感器压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的 变化，使其电阻率发生变化的现象。金属的电阻应变效应：金属导体的电阻值随着它受力所产生机械 变形（拉伸或压缩）的大小而发生变化的现象。横向效应：应变片的核心部分是敏感栅。将电阻丝绕成敏感栅后， 虽然长度不变，但其直线段和圆弧段的应变状态不同，其灵敏系数K 较整长电阻丝的灵敏系数K0小的现象。蠕变：不稳定性，由胶层间的“滑动”引起。热电阻的测温原理：基于导体或半导体的电阻值随温度变化而变 化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。（Rt=Ro（

7、l+ a ）At）热电偶测温的基本原理：两种不同成份的导体（称为热电偶丝材 或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中 就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。 热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质 温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为 补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶 所产生的热电势。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的 温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接 入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热 电动势后，即可

8、知道被测介质的温度。热电偶测量温度时要求其冷端 （测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保 持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时， 冷端的（环境）温度变化，将严重影响测量的准确性。在冷端采取一 定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿正 常。与测量仪表连接用专用补偿导线。均质导体定律：由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组 成闭合回路，无论导体截面如何以及温度如何分布，将不产生接触电 势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。可见，热电偶必须由两种 不同的均质导体或半导体构成。若热电极材料不均匀，由于温度梯存 在，将会产生附加热电势。中间

9、导体定律：在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要 中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影 响，这就是中间导体定律。应用:常采用热端焊接、冷端开路的形式， 冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统。中间温度定律：热电偶回路两接点（温度为T、T0）间的热电势， 等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电 势的代数和。Tn称中间温度。应用:由于热电偶E-T之间通常呈非线 性关系，当冷端温度不为0摄氏度时，不能利用已知回路实际热电势E （t,t0）直接查表求取热端温度值；也不能利用已知回路实际热电势E （t,t0 ）直接查表求取的温度值，再加上冷端温度

10、确定热端被测温度值， 需按中间温度定律进行修正。初学者经常不按中间温度定律来修正!参考电极定律：这个定律是专业人士才研究、关注的，一般生产、 使用环节的人士不太了解，简单说明就是：用高纯度铂丝做标准电极， 假设镍铬-镍铬热电偶的正负极分别和标准电极配对，他们的值相加 是等于这支镍铬-镍铬的值。单丝补偿主要是通过选用合适温度系数的电阻材料，作为应变片 的敏感栅，使其在某种相匹配的受力构件上使用时，由温度变化产生 的电阻变化量，由于它们的线膨胀系数不同而产生的电阻变化量相抵 消，以达到消除温度变化所引起的电阻变化。此种自补偿形式无需改 变应变片的结构，简便易行，但它必须在特定材料的受力构件上才能

11、使用，也就是存在匹配问题，故使其应用受到了很大的限制。双丝组合式自补偿应变片主要是利用两种不同电阻温度系数（一 种是正温度系数、另一种为负的材料串联组成应变片的敏感栅，以达 到在某一温度范围内自动实现温度的补偿。这种补偿法的优点是在制 造应变片时可以通过调节两段敏感栅的长度之比来适应不同的受力 元件，以获得在一定温度范围内具有良好的温度自适应性。这种方法 虽有较好的补偿效果，但应变片的结构较复杂。电路补偿是指在测量电路中采取一定的措施来消除温度变化的影 响。具体方法有差动电路法和热敏电阻法两种。差动电路法是将相同 温度系数的两片或四片电阻应变片接成双臂或四臂工作的差动电路。 这种方法最简单实用

12、，但对应变片的自身性能和贴片工艺要求较高； 热敏电阻法是利用热敏电阻随温度而改变的值来抵消应变片随温度 变化而改变的电阻值，从而达到补偿的方法。其原理电路图如图 3.2所示。只要合理选择分流电阻R5和热敏电阻RT的阻值，就能补偿由于温度的改变而引起的输出误差，达到保证测量精度的要求。电容式传感器把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。 它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个 平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。若忽略边缘效 应，平板电容器的电容为 S/d,式中为极间介质的介电常数，S 为两极板互相覆盖的有效面积，d为两电极之间的距离。d、s、三

13、 个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电 容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距 变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极 距变化（见电容式压力传感器）。面积变化型一般用于测量角位移或较 大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、 湿度的测定。温度对电容式传感器的结构和 有影响（寄生电容）。C= *S/d=Q/U=I*t/U.压电传感器压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时， 其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的 电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为

14、正 压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反， 当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场 去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为 电致伸缩现象。石英晶体：Z光轴：不产生压电效应；X电轴：纵向压电效应；Y机 械轴：横向压电效应。磁敏传感器形状效应：由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化 的现象。霍尔效应：在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中 的电子受到洛伦兹力而聚集，从而在电子聚集的方向上产生一个电 场，此一电场将会使后来的电子受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛 伦兹力，使得后来的电子能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。

15、而 产生的内建电压称为霍尔电压。一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置 电流 IC 的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成 外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部 的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。 为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡 莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅 适用在低量限、小量程下使用。UH=KH*B*I超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是 指频率高于 20kHz 的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动 产生的，

16、它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能 够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大， 尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到 杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生 多普勒效应。串联阻抗小，作为发射；并联阻抗大，作为接收。光纤传感器基本工作原理：将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参 数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、 波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，再 过利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。偏振调制方式。频率调制方式。相位调制方式（不能直接测量光波的相位变化）。光强度调制方式：按照一定规律改变光波的强度、相位、振幅、 频率或偏振状态等参数的方法。微弯效应：由于压力或振动的作用，使光纤轴向上产生微小弯 曲。光吸收特性：物质的光吸收特性随被测对象的物理量或化学量 的种类与数量不同而变化。光反射特性：利用膜片或液晶对光反射强度的变化而构成压力 或温度传感器。致光特性：物质受到粒子射线与化学或机械的激励而发光。着色中心：光纤受到辐射线或紫外线照射时，玻璃中离子的原 子价变高，这样离子所属的电子处变为空穴，于是着色玻璃的颜色发 生变化，并且形成着色中心，光线的传输损耗增加。