传感器复习大纲

《传感器复习大纲》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器复习大纲（27页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第一章传感器的定义:能感受规定的被测量并按照一定规律将其转换成可用输出信号的器件或装置叫做传感器， 也叫变换器、 换能器或探测器。传感器的组成 : 敏感元件 :直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件传感元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、 处理、 和控制的有用电信号的电路。 常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。辅助电路通常包括电源等。传感器的分类：按工作机理分类： 根据物理和化学等学科的原理、 规律和效应进行分类按被测量分类：根据输入物理量的性质进行分类。按敏感

2、材料分类：根据制造传感器所使用的材料进行分类。可分为半导体传感器、陶瓷传感器等。按敏感材料分类：根据制造传感器所使用的材料进行分类。可分为半导体传感器、陶瓷传感器等。按能量的关系分类： 根据能量观点分类， 可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。静态特性1 .线性度：输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的 程度。又称非线性误差。可用下式表示：E = lmax|io0 0/(1.70yFs/02 .灵敏度：在稳态下输出增量与输入增量的比值：dy df x qSn = = f (x )(1-11)dx dx3 .重复性：输入量按同一方向作全程多次测试时，所得特性曲 线不一致的程度。RVR

3、= maLx100%(1-13)yFS4 .迟滞(回差滞环)现象：H = 土 H max - 100 %(1 - 14)y FS动态特性：(1)阶跃响应最大超调量bp：.*;:jo。%d-伪 延滞时间td：阶跃响应达到稳态值50%所需要的时间。上升时间tr：响应曲线从零到第一次到达稳态值所需要的时间。 峰值时间tp：响应曲线到第一个峰值所需要的时间。响应时间ts：响应曲线衰减到稳态值之差不超过士 5% 或2%时所需要的时间。(2)频率响应频率响应H(j. )= Y(j止)=Ye通= A(g h一(1-20X j X幅频特性A( )= H (jo ) = JH R +【H I3 )】2(1 -

4、21)相位角，一 f门、一 lm| j)I巴。)=tgjhHHtg/W二Xj)二,(i_22)-HRY_L Re .i _X j典型环节传感器系统的动态响应分析(1)零阶传感器系统Y(tbX(t )= KX (t)(1一2a 025零阶传感器的传递函数和频率特性为：H (s )= 穿=坐工=b=K(1X s X j a0(1 H 27)(2) 一阶系统的动态响应分析I y1H频率响应函数：H( ji)iYj1=a12-；/aoa2aoH s 二 -2-2s 2so - 0(1- 39)=(1 - 40A =221 22j I 2 j 0-022 0=-arc tan(1 - 41)(1 - 4

5、2)第二章应变效应：导体或半导体在受到外界力的作用时， 产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。灵敏系数 KsdR = Ks4,或 KsRR(2-9)R；x应力(T= E压阻效应：半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。(2-1横向效应：金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅, 量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变 r也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即:.K yn -1 r

6、H =K x2 nln -1 二 r机械滞后、零漂及蠕变应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不 重合，即为机械滞后。对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时 间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移 。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间 增加而变化的特性称为蠕变。温度误差（因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素）：应变片的电阻丝（敏感栅）具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。温度补偿1 .单丝自补偿应变片：单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造 和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件 上

7、使用，否则不能达到温度自补偿的目的。2 .双丝组合式自补偿应变片：这种应变片的自补偿条件要求粘贴在 某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相 等，符号相反.3 .电路补偿法电桥补偿法要达到全补偿，需满足下列三个条件：Ri和后须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数出线膨胀系数（3、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；2鱼。力齐话打.和两应变片处于同一温度环境中4 .热敏电阻补偿法电阻应变片的测量电路直流电桥1.平衡条件Uo = ERiRR2R3 R4(2 - 24)当电桥平衡时，Uo=

8、0,所以:Ri R4 = R2 R32.电压灵敏度(2 - 311R1单臂交流电桥 Uo - E-Sv =二E (2-30)4R14(2-34). U -1匚力半桥差动电路U0 一 2 E RSV= E/2全桥差动电路u 0 = e困SV=E交流电桥1.交流电桥平衡条件SC二UZ3SR乙Z2Z3 + Z4 JZ1Z4 - Z2Z3乙Z2 Z3 Z4(2 - 36)1,、Usc = -UsR1(2-41)4乙1 ，一 一Use =1UsR*(2-42)2 乙U SC = U SR( 2 43)Z11Uo - -PR = U0(2 - 455)4ZiZ4 = Z2Z3,或(2-37)Z2Z42 .

9、交流电桥的不平衡状态单臂交流电桥半桥差动电路全桥差动电路恒流源电桥第三章1.变极距型电容传感器 非线性误差传感器的灵敏度为:二1100%(3-2.差动式变间隙型电容传感器 非线性误差为：灵敏度:2s (3,12)2.变面积型电容传感器角位移变面积型1-板状线位移变面积型Cx二 C0- C 二C。AC =-(3 14(313)3.变介电常数型电容传感器电容式传感器的测量电路1.电桥电路ob/I.格浪产占皮端717s振荡器2.运算放大器电路UiC0 (3- 20 i Cx(3 24)3 .二极管双T形电路 U 0定K f Ue (Ci C2 )4、差动脉宽调制电路3-16差动脉冲调宽电路5、调频电

10、路LB L振荡器超曝鉴频器J(3H 32 )电容传感器的特点4 .电容式传感器的优点(1)温度稳定性好(2)结构简单，适应性强(3 )动态响应好(4 )可以实现非接触测量、具有平均效应5 .电容式传感器的缺点(1)输出阻抗高，负载能力差(2)寄生电容影响大(3)输出特性非线性电感式传感器1自感式传感器变气隙式自感传感器的输出特性第四章互感式传感器一差动变压器分气隙型和螺管型两种差动变压器的测量电路1 .差动整流电路2 .二级管相敏检波电路3 电涡流式传感器（一电涡流在金属导体内的渗透深度为：h = 5030 rf说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关。故电涡流式 传感器

11、可分为高频反射式和低频透射式两类。第五章某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。 反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸 缩效应”。常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。压电单晶体有石英（包括天然

12、石英和人造石英 卜水溶性压电晶体（包括酒石酸钾钠、酒石 酸乙烯二俊、酒石酸二钾、硫酸锤等）；多晶体压电陶瓷有钛酸钢压电陶瓷、错钛酸铅系压电陶瓷、锯酸盐系压电陶瓷和银镁酸铅压电陶瓷等。压电晶体 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关；qx=diiFx 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；bcb匚qi2 一 d12Fy 一 d12 Fyaca 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性 关系。压电陶

13、瓷极化方向为z轴，当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于 z轴的上、下两表面上 将会出现电荷，其电荷量 q与作用力Fz成正比 q = d33Fz压电陶瓷在受到沿 y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷，其电荷量q与作用力Fy、Fx也成正比q=y32F2=y31Fx2q 32 y31 xAyAx压电材料应具备以下几个主要特性：转换性能。要求具有较大的压电常数。机械性能。机械强度高、刚度大。电性能。高电阻率和大介电常数。环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温 度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。压电晶片

14、的连接方式并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传 感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电 荷量输出信号。串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。Q）并联3）串联1q =2q U =U; C =2C q = q； U = 2U; C = -C当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把 压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。Car 0S1 .电压放大器（阻抗变换器）U

15、oCa Cc Ci (1 A)Cf第六章热电偶热电势Eab( T,T0 )(1 )接触电动势若金属A的自由电子浓度大于金属B的，则在同一瞬间由 A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电子多，因而 A对于B因失去电子而带正电，B获得电子而带负电，在接触处便产生电场。A B之间便产生了一定的接触电动势。(2)温差电动势对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一 端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要 向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势， 又称汤姆森电动势。(3)回路总电动势e（T,久）J

16、 -11 I / I 、IeABm +。77加 0 + 为。E AB （T ,T0 卜 Qab （T b Gab （T0 ）+ Qb（T ,T（）F Ga（T ,T（）kTInATBTkTo . N AT0In e N BT 0BdT由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。热电偶基本性质 热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的 长度、粗细、形状无关。只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln (Na/Nb) =0,

17、所以 EAb (T, T0) =0。 只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即Eab (T, To) =0。导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使eAB (To)=常数，则回路热电动势 Eab (T, To )就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利 用热电偶测温的基本原理。对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为Ti、T2N ,闭合回路总的热电动势为：eet .eToeT mAB N e AB 1e BC 2e NA N热电偶基本定律(1)均质导体定律如果

18、热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零； 反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。(2)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C,只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。3)标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导 体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。(4)中间温度定律热电偶在两接点温度分别为T、To时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为国、To时的相应热电动势的代数和。电桥补偿(又称冷端补偿器)法回路输出电压为：U= E (T, To) +(Ut

19、U3)只要能满足下式即可达到自动补偿的目的E=AuT=IlRTaAT如果热电偶的冷端温度变化范围为o+5oC,热电偶选用钳铐io-钳。查分度表得出 E为0.299mV,因此补偿电阻 Rt的阻值可以根据上式求出。3.07- E0.299RttI i 0.00391500.5热电阻热电阻测量线路1 .三线式电桥连接法Rt为热电阻，ri、以、出为引线电阻，R、电为两桥臂电阻，Ri=R ,R3为调整电桥的精密电阻。M表内阻很大，故电流近似为零。当Ua=Ub时电桥平衡。若使 ri=r2，则Ra=R,就可消除引线电阻的影响。2 .四线式电阻测量电路1恒流源A-电压表一因 IV0 500 10002000

20、2S00入射光波长/!伏安特性 pA250200UN所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。 在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。频率特性10080604020010 1 瓶 1 伊 101入射光调制频率/Hz时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间。多数光敏电阻的时间常数都很大。第九章将sin。定义为光导纤维的数值孔径，用NA表示，则Na=sinB0=；dn2-n2noNa意义讨论：? NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2 9 c张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。? 一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。? 产品光纤不给出折射率 N,只给数值孔径 NA。? 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器， 又称FF型光纤传感器（测量+传输）；另一类是非功能型传感器又称NF型光纤传感器（仅传输）。