传感器期末复习重点知识点总结必过.doc

第一章 传感器概述人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。 如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。 1.1.1传感器的定义广义：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的输出器件和装置。狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。国家标准对传感器定义是： 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和装置以上定义表明传感器有以下含义： 1、它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置； 2、能按一定规律将被测量转换成电信号输出； 3、传感器的输出与输入之间存在确定的关系； 按使用的场合不同又称为: 变换器、换能器、探测器1.1.2传感器的组成传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：图示：被测量-敏感原件-转换原件-基本电路-电量输出电容式压力传感器-压电式加速度传感器-电位器式压力传感器1.1.3传感器的分类1）按传感器检测的范畴分类：生物量传感器、化学量传感器、物理量传感器、2）按输入量分类：速度、位移、角速度、力、力矩、压力、流速、液面、温度、湿度3）按传感器的输出信号分类 ：模拟传感器 数字传感器4）按传感器的结构分类：结构型传感器、物性型传感器、复合型传感器5）按传感器的功能分类：智能传感器、多功能传感器、单功能传感器6）按传感器的转换原理分类：机电传感器、光电传感器、热电电传感器、磁电传感器电化学传感器。7）按传感器的能源分类：有源传感器、无源传感器国标制定的传感器分类体系表将传感器分为：物理量、化学量、生物类传感器三大门类；1.2 传感器的地位与作用 在基础学科研究中，传感器更有突出的地位。宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 现代工业生产尤其是自动化生产过程中，每个生产环节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，一是保证产品达到最好的质量，二是保证设备工作在最佳状态。传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。传感器具有以下作用（1）测量与数据采集（2）检测与控制（3）诊断与监测（4）辅助观测仪器（5）资源探测（6）环境保护（7）医疗卫生（8）家用电器目前传感器总的发展趋势是： （1）发现、利用新效应；（2）开发新材料；（3）提高传感器性能和检测范围（4）微型化与微功耗（5）集成化与多功能化；（6）传感器的智能化；（7）传感器的数字化和网络化。第二章传感器的特性与标定快变信号 输入量X随时间 t 较快变化时考虑输出的动态特性即随时间变化的特性；慢变信号 输入X为静态或变化极缓慢的信号时研究静态特性，即不随时间变化的特性。 2.1传感器的静态特性 当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信号时（如环境温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关系称静态特性。静态特性包括：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性非线性误差是以拟合直线作基准直线计算出来的，基准线不同，计算出来的线性度也不相同。因此，在提到线性度或非线性误差时，必须说明其依据了怎样的基本直线。拟合直线的几种常见方法有：1）理论线性度 2）最佳平均直线与独立线性度；3）端点直线和端点线性度；4）端点直线平移线； 5）最小二乘法直线和最小二乘法线性度。2.1.2 灵敏度线性传感器的校准线的斜率就是静态灵敏度，它是传感器的输出量变化和输入量变化之比。产生迟滞误差的原因：该指标反映了传感器的机械部件和结构材料等存在的问题，如轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当、螺钉松动、元件磨损（或碎裂）以及材料的内部摩擦等。迟滞的大小通常由整个检测范围内的最大迟滞值max与理论满量程输出之比的百分数表示动态特性是传感器输出对时间变化的输入量的响应特性，输入与输出之间存在的差异就是动态误差！输入信号按正弦变化时，分析动态特性的相位、振幅、 频率，称频率响应； 输入信号为阶跃变化时，对传感器随时间变化过程进行分析，称阶跃响应（瞬态响应）；讨论：暂态响应是指数函数，输出曲线成指数变化逐渐达到稳定；因为惯性存在输出不能立刻达到稳定，理论上t时才 能达到稳定，当t=时即达到稳定值的63.2%，可见时间常数越小越好，是反映一阶传感器的重要参数；实际运用时t = 4时工程上认为已达到稳定；由曲线看出它与动态测温相似，所以动态测温是典型的一阶系统 。一阶系统在时间常数 1才近似零阶系统特性， A（）k,（）0; 输出y(t)反映输入x(t)变化; 当=1/时，传感器灵敏度下降了3dB，如果灵敏度下降到3db时的频率为工作频率上限，则：上限频率为H=1/， 所以时间常数越小，H越高工作频率越宽，响应越好；一阶系统的动态响应主要取决于时间常数，减少可改善传感器的频率特性，加快响应过程。根据阻尼比大小可分四种情况： 1.=0,零阻尼,等幅振荡，产生自激永远达不到稳定；2.1,过阻尼，稳定时间较长。 二阶传感器的动态特性主要取决于传感器的固有频率n和阻尼系数。影响传感器动态特性的主要参数是：时间常数，越小响应越快，频带越宽；传感器固有频率n ，选择在（35）（信号）；阻尼比，选择在0.60.8，原则是过冲不太大，稳定时间不太长。影响传感器动态特性的主要参数：时间常数，越小响应越快，频带越宽； 传感器固有频率n ，选择在（35）（信号）； 阻尼比，选择在0.60.8，原则是过冲不太大，稳定 时间不太长。第三章传感器中的弹性敏感元件设计变形:物体在外力作用下改变原来的尺寸或形状的现象。弹性变形:如果外力去掉后物体能够完全恢复原来的尺寸和形状的变形。弹性元件:具有弹性变形特性的物件弹性敏感元件是通过物体弹性变形这一特性，把力、力矩或压力转换成为相应的应变或位移，然后配合其它各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力转换成电量的一种元件。弹性元件的分类：根据弹性元件在传感器中的作用，基本上分为两种类型：弹性敏感元件、弹性支承3.1.1 弹性特性 作用在弹性敏感元件上的外力与该外力引起的相应变形（应变、位移式转角）之间的关系称为弹性元件的弹性特性。弹性特性可由刚度或灵敏度来表示。刚度可以反映元件抵抗弹性变形能力的强弱。二、灵敏度灵敏度就是单位力作用下产生变形的大小弹性元件上载荷发生改变时，相应的变形往往不能立即完成，而是在一个时间间隔内逐渐完成，这种现象称为弹性后效。3.1.2 弹性滞后对弹性元件进行加载，可绘制一条弹性特性曲线，然后卸载，可绘制另一条弹性特性曲线。两条曲线往往并不重合，这种现象称为弹性滞后 。弹性变形之差，叫做弹性敏感元件的滞后误差。弹性敏感元件材料基本要求：（1）弹性滞后和弹性后效要小；（2）弹性模量的温度系数要小；（3）线膨胀系数要小且稳定；（4）弹性极限和强度极限要高；（5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性；（6）具有良好的机械加工和热处理性能。几个概念：应力：物体由于外因（受力、温度、湿度等变化等）而变形时， 在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。挠度：弯曲变形时横截面形中心沿与轴线垂直方向的线位移称为挠度，用y表示。简言之就是指梁、桁架等受弯构件在荷载作用下的最大变形，通常指竖向方向y轴的,就是构件的竖向变形。挠度与荷载大小、构件截面尺寸以及构件的材料物理性能有关。转角：弯曲变形时横截面相对其原来的位置转过的角度称为转角。应变：物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般各不相同，用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。线应变：在直角坐标中所取单元体为正六面体时，三条相互垂直的棱边的长度在变形前后的改变量与原长之比，定义为线应变，用表示。一点在x、y、z方向的线应变分别为x、y、z。线应变以伸长为正，缩短为负。圆柱应变的一般表达式及其含义：圆柱内各点的应变大小决定于圆柱的灵敏度结构系数、横截面积、材料性质和圆柱所承受的力，而与圆柱的长度无关。3.3.4 平膜片圆形膜片分为平面膜片和波纹膜片两种。在相同压力情况下，波纹膜片可产生较大的挠度.切向应变在圆板中心（r = 0）处，切向应力与径向应力相等，切向应变与径向应变相等，而且具有正的最大值。在圆板的边缘（r = a）处，切向应力、径向应力和径向应变都达到负的最大值，而切向应变为零。3.3.5 波纹管波纹管是一种表面上有许多同心环状波形皱纹的薄壁圆管。在轴向力或流体压力的作用下，波纹管产生伸长或缩短，从而把轴向力（或压力）变换为位移。金属波纹管轴向容易变形，也就是说灵敏度非常好。在变形量允许范围内，压力（或轴向力）的大小与伸缩量成线性关系。怎样测量波纹管是一种表面上有许多同心环状波形皱纹的薄壁圆管。在轴向力或流体压力的作用下，波纹管产生伸长或缩短，从而把轴向力（或压力）变换为位移。金属波纹管轴向容易变形，也就是说灵敏度非常好。在变形量允许范围内，压力（或轴向力）的大小与伸缩量成线性关系。第四章 电阻应变式传感器应变式传感器特征： 主要优点，使用简单、精度高、范围大体积小。 缺点，电阻、半导体会随温度变化。 不同材料类型，金属应变片、半导体应变片；4.1电阻应变片的工作原理将电阻应变片粘贴在弹性元件特定表面上，当力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于弹性元件时，会导致元件应力和应变的变化，进而引起电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经电路处理后以电信号的方式输出，这就是电阻应变式传感器的工作原理。电阻应变效应电阻应变片简称应变片，是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。 所谓电阻应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。原因：因为金属丝的电阻与材料的电阻率与其几何尺寸有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，它们都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。敏感栅应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。 敏感栅合金材料的选择对所制造的电阻应变计性能的好坏起着决定性的作用。基底固定敏感栅，并使敏感栅与弹性元件相互绝缘；应变计工作时，基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用，为此基底必须很薄，一般为0.020.04mm。常用的基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布。引线连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线。 一般要求引线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。盖片保护敏感栅使其避免受到机械损伤或防止高温氧化。粘结剂在制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变计时，用它把应变计基底再粘贴在试件表面的被测部位，因此它也起着传递应变的作用。4.2.2电阻应变片的种类及特点1.电阻丝式应变片 电阻丝式应变片的敏感元件是丝栅状的金属丝，它可以制成U型、 V型和H型等多种形状 电阻丝式应变片因使用的基片材质又可以分为纸基、纸浸胶基和胶基等种类。2.箔式应变片 箔式应变片的工作原理和结构与丝式应变片基本相同，但制造方法不同。它采用光刻法代替丝式应变片的绕线工艺。3.半导体式应变片 半导体式应变片的使用方法与金属电阻应变片相同，即粘贴在弹性元件或被测体上，随被测试件的应变其电阻值发生相应变化。 半导体式应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。4.2.3金属应变片的参数1.几何尺寸 2.电阻值R 3.最大工作电流4.绝缘电阻 5.相对灵敏系数 应变计的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。K值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定即应变计的标定,故K又称标定灵敏系数。规定条件是：试件材料取泊松比=0.285的钢；试件单向受力；应变计轴向与主应力方向一致。 6.横向效应 将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。7.机械滞后、零漂和蠕变 机械滞后就是循环加载时，加载特性与卸载特性不重合的现象，称为机械滞后。产生的原因主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变以后所留下的残余变形。 粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定没有机械应变的情况下，电阻值随时间变化的特性称为应变片的零漂。 粘贴在试件上的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变，其电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的蠕变。 8.应变极限 应当知道，应变计的线性(灵敏系数为常数)特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限，用 表示。应变片的粘贴工艺：应变片的检查外观、电阻值修整应变片应变片的粘贴通常包括下列工艺流程：表面处理 （研磨 及清洗）弹性体上底胶（涂覆或浸渍）底胶固化粘贴应变片粘贴固化上防潮层粘贴质量检查（外观、电阻值、绝缘电阻）。引出线的固定保护4.3.1应变波的传播过程1.应变波在试件材料中的传播2.应变波在粘帖层和应变片基片中的传播由于粘接层和基片的总厚度非常小，所以它的传播时间是极短的，可以忽略不计。3.应变波在应变片基长内的传播由于应变片所测得的应变是被测构件在基长内的平均应变值，因此，只有在应变波通过应变片敏感栅的全部长度后，应变片所反映的波形幅值才能达到最大值。电桥平衡时的条件为 交流电桥平衡条件为：相对桥臂阻抗模之积相等，相对桥臂阻抗幅角之和相等。 一般消除非线性误差的方法有以下几种：1.采用差动电桥 如果两个应变片同时参与测量，则称为半桥测量。自然，让四个桥臂都由应变片组成，且都产生适当的电阻变化，即为全桥测量。利用桥路中电阻变化的特点，可使桥路形成差动电桥（半桥或全桥）。2.采用高内阻的恒流源电桥产生非线性的原因之一是在工作过程中通过桥臂的电流不恒定，因此，有时用恒流源给桥路供电。采用恒流源比采用恒压源的非线性误差减小一倍。一般半导体应变片的桥路都采用恒流源供电。4.5.2温度补偿法一、桥路补偿法补偿原理：桥路相临两臂增加相同电阻，对电桥输出无影响。二、应变片自补偿法 粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为温度自补偿应变片。利用温度自补偿应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。三、热敏电阻补偿法 热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出电压。选则分流电阻的值可以得到很好的补偿。第五章 电容式传感器概念:电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。5.1电容式传感器基本工作原理：电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行极板组成，并且以空气为介质电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。（1）差动变间隙式的电容传感器 在差动式电容传感器中，其中电容器C1的电容随位移d的减小而增大时，另一个电容器C2的电容则随着d的增大而减小。差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。（2）固定介质与可变间隙式电容传感器 减小极间隙可提高灵敏度，但易击穿。为此，经常在两极板间加一层云母或塑料等介质，以改变电容的耐压性能。由此构成如图所示的固定介质与可变间隙式电容传感器。（1）线位移式电容传感器 极板起始覆盖面积为A = ab，沿活动极板宽度方向移动a，则改变了两极板间覆盖的面积，忽略边缘效应，改变后的电容量为 灵敏度系数KC为常数，可见减小极板起始覆盖长度a可提高灵敏度，而极板的宽度b与灵敏度KC无关。但a不能太小，必须保证ad，否则边缘处不均匀电场的影响将增大。 平板式极板作线位移最大不足之处是对移动极板的平行度要求高，稍有倾斜会导致极距d变化，影响测量精度。因此在一般的情况下，变面积式的电容传感器常作成圆柱式的。（2）圆柱式线位移电容传感器 在不计边缘效应影响时，圆柱式的电容器的电容量： 式中 l 外圆柱筒与内圆柱重叠部分长度； r2外圆柱内径； r1内圆柱外径。综合上述分析，变面积式电容传感器不论被测量是线位移还是角位移，位移与输出电容都为线性关系（忽略边缘效应），传感器灵敏系数为常数。5.3影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施5.3.1边缘效应的影响 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低， 而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间各个区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板 ，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一层金属膜作为极板。5.3.2 寄生电容的影响 电容式传感器测量系统寄生参数的影响，主要是指传感器电容极板并联的寄生电容的影响。由于电容传感器电容量很小，寄生电容就要相对大得多，往往使传感器不能正常使用。消除和减小寄生电容影响的方法可归纳为以下几种：1.缩小传感器至测量线路前置极的距离；2.驱动电缆法；3.整体屏蔽法5.3.3温度影响 1对结构尺寸的影响 由于电容式传感器极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线性膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。为减小这种误差，应尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料，如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金。近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。 2对介质介电常数的影响 温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零。而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数的温度系数可达0.07；若环境温度变化50，则将带来7的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。第六章 电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。被测非电量-电磁感应-自感系数L（互感系数M）-测量电路定义：将非电量转换成自感系数变化的传感器通常称为自感式传感器（又称电感式传感器），而将非电量转换成互感系数变化的传感器通常称为互感式传感器（又称差动变压器式传感器）。电感式传感器种类很多，本章主要介绍自感式、互感式和涡流式三种传感器。 6.1.1 电感传感器的工作原理和等效电路 1工作原理电感传感器有衔铁、铁芯和匝数为W的线圈三部分构成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为 ；传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时发生变化引起磁路的磁阻 变化，使电芯线圈的电感值L变化；只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感。2、等效电路电感传感器是一个带铁芯的可变电感，由于线圈的铜耗、铁芯的涡流损耗、磁滞损耗以及分布电容的影响，它并非呈现纯电感。等效电路如图所示，其中L为电感，Rc为铜损电阻，Re电涡流损耗电阻，磁滞损耗电阻Rh，C为传感器等效电路的等效电容。等效电容C主要是由线圈绕组的固有电容和电缆分布电容引起。电缆长度的变化，将引起C的变化。当电感传感器确定后，这些参数即为已知量。6.1.2 自感式传感器的结构类型及特性常见的自感式传感器有变间隙式、变面积式和螺线管式三类。6.1.3 电感传感器的测量电路电感传感器最常用的测量电路是交流电桥式测量电路，它有三种基本形式，即电阻平衡臂电桥、变压器电桥、紧耦合电感比例臂电桥。6.2 差动变压器式电感传感器差动变压器本身是一个变压器，初级线圈输入交流电压，次级线圈感应出电信号，当互感受外界影响变化时，其感应电压也随之起相应的变化，由于它的次级线圈接成差动的形式，故称为差动变压器。互感式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器差动变压器式传感器次级绕组用差动形式结构：变隙式、螺线管式、变面积式优点：测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠差动变压器式传感器的特性几乎完全是线性的，其灵敏度不仅取决于磁系统的结构参数，同时取决于初、次级线圈的匝数比及激磁电源电压的大小。可以通过改变匝数比及提高电源电压的办法来提高灵敏度。6.2.3 零点残余电压零点残余电压产生原因： 波分量 由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电动势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同 次谐波 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。消除零点残余电压方法：1从设计和工艺上保证结构对称性；2选用合适的测量线路；3采用补偿线路6.3 电涡流式传感器 这种传感技术属主动测量技术，即在测试中测量仪器主动发射能量，观察被测对象吸收（透射式）或反射能量，不需要被测对象主动作功。 涡流传感器的测量属于非接触测量，特别是用于测量运动的物体。 电涡流传感器的应用没有特定的目标 ，一切与涡流有关的因素，在原则上都可用于测量目的。 电涡流式传感器具有结构简单、体积小、频率响应宽、灵敏度高等特点，在测试技术中日益得到重视和推广应用。6.3.3 影响涡流传感器灵敏度的因素 1被测体材料对测量影响 2被测体大小和形状对测量的影响 3传感器形状和大小对传感器的灵敏度影响6.3.4 测量电路1.调频式电路 2调幅式电路