复习要点-传感器.doc

第一章
传感器的定义:能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
传感器的组成（框图）

转换量:便于显示、记录、传输、处理、控制的量，通常为电学量
敏感元件：直接感受被测量，输出与被测量成确定关系的某种物理量的元件。
转换元件：将敏感元件的输出量转换为电学量输出的元件。
信号调节与转换电路：将转换元件的输出信号，转变成便于处理的电信号。
传感器的作用:从人的角度：传感器用于代替、补充、延伸人的感觉器官的功能。例如：对信号进行放大、运算、调制等。
从科学的角度：传感器用于信息采集
传感器在科技发展中的重要性
1. 信息技术的基础与支柱
　 信息技术的三大基础：信息采集、信息传输、信息处理。
2. 各学科领域现代化、自动化的基础　
3. 发达国家对传感器领域的重视：将传感器技术列为高新技术和核心技术。
传感器的基本应用系统
测量系统框图

控制系统框图

传感器的发展动向:发现新现象、开发新材料、采用新型加工技术、多功能集成、
智能化、仿生、航天、数字化、微型化

第二章
传感器的特性：用输入――输出的对应关系描述。
物理量、化学量（信号）随时间变化有两种形态：靜态（准静态）、动态。
静态特性：输入为靜态（准静态）时输入――输出的对应关系。
量程：测量范围。超出测量范围时可能使传感器损坏或者产生较大的测量误差
灵敏度（S）：输出量对输入量的灵敏程度。理想特性：S为常数。
线性度：输入――输出关系的线性程度。数学表示（用非线性误差大小表示线性度――小好）
迟滞：输入量增大、减小行程期间，输入－输出曲线不重合的程度。小好。
重复性：小好。
漂移：输入量保持不变，环境温度变化，使输出发生变化的程度
传感器的动态特性：
激励：输入信号。
响应：输出信号。
动态特性：输入为动态时输入――输出的对应关系。即传感器对激励的响应。
理想特性：输出信号与输入信号具有相同的时间函数。
标准输入信号：正弦和阶跃信号。
第三章 A
弹性变形：有外力作用时，物体改变尺寸或形状。外力撤消时，物体恢复原尺寸或形状。
弹性元件在传感器技术中的作用：
1. 作为弹性敏感元件
2. 用于弹性支承
　支承传感器中活动部分（形变、位移不是测量量）
　例：动圈式话筒
弹性圆柱
　结构：空心或实心圆柱体
　特性：在外力作用下，以应变（相对形变）作为输出量。
用途：大力测量
悬臂梁
　1. 结构：一端固定、一端自由的条形弹性元件，分等截面和等强度（变截面）两种。
　2. 特性：以应变或位移作为输出量。上表面与下表面的应变方向相反。尺寸增大应变为正。
　3. 用途：小力测量。
等截面悬臂梁沿长度方向应变不均匀，根部最大，梢部为0。
等强度悬臂梁（变截面）沿长度方向应变均匀。
扭转棒
　1. 结构：一端固定、一端自由的圆棒。
　2. 特性：当自由端承受力矩时，棒表面前产生沿圆周方向的剪切应力。
　3. 用途：测量力矩
圆形膜片和膜盒
　1. 结构：圆形平面或波汶膜片、圆形膜盒。
　2. 特性：以挠度或应变为输出量。中心处挠度最大。（应力图）
　3. 用途：测量压力（即：压强）、压差。
波汶管
　结构：一端封闭、筒壁有皱折的薄壁圆管。
　特性：力或压力变化，输出量为自由端（封闭端）的位移。
　用途：流体压力。
薄壁圆筒
　1. 结构：薄壁圆筒。
　2. 特性：内腔压力变化，筒壁直径和长度变化。
　3. 用途：流体压力。
双端固定梁
　1. 结构：两端都固定的等截面梁，中间为受力点。
　2.特性：以应变为输出量。
　3.用途：较大力测量。
薄壁圆环
　1. 结构：薄壁圆环。
　2. 特性：压力或拉力使环筒壁产生应变。
　3. 用途：小力。
弹簧管
　1. 结构：弯成各种形状的空心管。C形为多。管的一端封闭，一端开启。一端或两端固定，管截面通常为椭圆、卵形。
2. 特性：输出量为管子的形状变化产生的位移。
　3. 用途：流体压力。

第三章 B
电阻应变效应：金属或半导体材料的电阻值随着其所受机械变形的大小而改变的现象。
应变片结构
基　底：固定与绝缘（厚度为0.03mm）
电阻丝：敏感栅（栅长l、栅宽a）
引出线：电路连接（直径为0.1－0.3mm）
覆盖层：保护、绝缘
半导体应变片的特点：灵敏度很高，温度特性较差。
横向效应：在敏感栅的横向段，由于试件（弹性敏感元件）的横向变形，使得产生的ΔRy与ΔRx相反。
横向效应的有害性：使应变片灵敏度降低。
减小横向效应产生的测量误差：一般采用箔式应变片或短接式应变片。
应变片的极限工作频率估算

三种直流电压源电桥的结构、特点（灵敏度、非线性、温度补偿作用）
1、电压源单臂电桥
电路：电桥的一个臂上为应变片（R1），其他3个为固定电阻。
特点：非线性误差
2、半桥差动电桥
电路：电桥的相邻两个臂上分别为应变方向相反的应变片，另外两个臂上为固定电阻。
特点：电桥电压灵敏度是单臂电桥电压灵敏度的二倍。无非线性误差。有温度补偿作用。
3、全桥差动电桥
电路：电桥的四个臂上全部为应变片，相邻两个臂上应变方向相反。
特点：电桥电压灵敏度是单臂电桥电压灵敏度的四倍。无非线性误差。有温度补偿作用。
温度误差及其产生的原因
1．电阻温度系数的影响。敏感栅的电阻丝阻值随温度变化
2．试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同。
温度补偿方法
　1．桥路补偿法
结构：补偿应变片粘贴于补偿块上（与试件相同的材料），补偿块不受应力。
电路：测量片与补偿片构成半桥（全桥）差动电路。
原理：温度变化引起的应变片电阻变化为相同方向，通过电桥消除影响。
　2．应变片自补偿法

应变式传感器的结构

几种弹性敏感元件与电阻应变片构成传感器的贴片方法与电路结构。
应变式力传感器
　1.柱（筒）式力传感器
　被测物理量为荷重或力。
悬臂梁式力传感器：
应变片粘贴方式：上下各两片，靠近固定端。
电路：差动全桥。
应变式压力传感器：
应变片的位置：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片， 在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片。
薄壁圆筒式应变压力传感器
应变片的位置：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片， 在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片。
电路：Ｒ2是补偿片
应变式加速度传感器：
原理：a－（m）→F－（梁）→应变－（应变片）→ΔR－（电桥）→ΔV

第四章
电感式传感器的基本结构：线圈、铁芯、衔铁、气隙。
工作原理：通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻
电感式传感器的直接测量量：
等效电路（铜损、铁损）：
变磁阻式传感器的结构类型及特征
　三类：变间隙式、变面积式和螺线管式。
　1.变间隙式电感传感器
　结构：线圈、铁芯、衔铁、气隙。
特性：灵敏度是单极式的2倍。非线性误差减小
２.变面积式电感传感器
特性：电感与面积Ｓ（或ｘ）成线性关系。
３. 螺线管式电感传感器
特性：一定范围内电感与位移ｘ成线性关系。
差动变压器式传感器
.结构：差动变压器由铁芯、初级线圈和次级线圈组成。
　　 有门形（n形）和螺管式两种，其中螺管式差动变压器又分二段式和三段式。
工作原理：铁芯位移使得互感M1、M2变化。
两次级线圈串连输出，同相端相连（差分输出）。
正负方向反映了衔铁的移动方向，幅度大小反映衔铁移动的距离。
零位电压（零点残余电压）
　由于两个线圈参数不可能完全相同，使得铁芯在中间位置时，输出电动势不为零（调不到零）的现象叫做零位电压。
零位电压的特点：由于零位电压实际上主要是由实部不对称造成的，所以零位电压的相位与有用输出信号相位相差90度。
零位电压的补偿：使两线圈的实部、虚部分别相等。主要是实部相等。方法是串、并联电阻，并联电容。
　差动变压器式传感器测量电路：差动整流电路和相敏检波电路。
涡流：金属块在变化的磁场中，其体内产生的感应电流（电流线闭合）。
电涡流式传感器的结构型式及特点
结构：变间隙式、变面积式和螺线管式
两种类型的涡流式传感器：高频反射式、低频透射式
1. 高频反射式（f　≥10 7　HZ）
　高频电流的趋肤效应，高频电磁场不能穿透一定厚度的金属板，金属板表面的感应涡流产生电磁场反作用于线圈，改变线圈的L大小。
２. 低频透射式（f ≈10 3　HZ）
　原理：有两个线圈，分布于金属板两面，一个发射电磁波，一个接收电磁波，电磁场能透过金属板。
　感应电动势：E= F（ρ，t，f）
测量电路
1． 调频电路：LC作振荡回路。（f是x的函数，振荡信号由此电路产生）
2． 调幅电路：LC作谐振回路。（f是常数，振荡信号由其他电路产生，uo是x的函数）

电感式传感器的应用
1. 变隙电感式压力传感器
结构：膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成。测量：P
2. 变隙式差动电感压力传感器
结构： C形弹簧管、铁芯、衔铁及线圈等组成。测量：P
3. 差动变压器式加速度传感器
结构： 悬臂梁差动变压器组成。测量：加速度a
4. 高频反射式涡流厚度传感器
5. 电涡流式转速传感器
6. 电涡流式传感器探伤
用途：检测金属材料表面和内部裂痕。
原理：在裂痕处，阻抗增大。
7. 电涡流式传感器其他应用

第五章 ：
电容式传感器
结构:平板电容
类型：变间隙式、差动变间隙式、变面积式
基本测量量：面积、距离和介电常数
电容式传感器的线性及灵敏度（变间隙式、差动变间隙式、变面积式）
变极距型电容传感器在微位移测量中应用最广
电容式传感器的等效电路
调频：信号频率与电容容量变化有关 。
调幅；信号幅度与电容容量变化有关 。
电容式传感器的输出电路（运算放大器式电路）的原理。
运算放大器式电路(输出电压与间隙成正比)

电容式传感器的应用（力、压力、加速度、振动、测厚、介电常数）。
1. 电容式压力传感器：结构：差动电容器 测量：压差
2.电容式加速度传感器：结构：质量块、弹簧、固定电极组成差动电容器。 测量：加速度

第六章
压电效应：某些晶体沿一定方向产生变形时，其表面会产生电荷。
特点：方向性、可逆性。
压电材料的种类：压电晶体和压电陶瓷。
石英晶体的压电性能（哪些方向有压电效应）：x－电轴；y－机械轴；z－光轴 。
1. 当沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷。
2.沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷。
3.沿z轴方向施加作用力，不产生压电效应。
压电效应的物理解释：无对称中心的异极晶体可产生压电效应
　 有对称中心的异极晶体不可产生压电效应
石英晶体的优、缺点
优点：机械强度高 、温度稳定性好
缺点：压电常数低温度稳定性不好。
压电陶瓷（PZT）的优、缺点
优点：压电常数高（是石英晶体的几十――数百倍）。
缺点：机械强度低、温度稳定性不好。
压电元件连接方式
(a) 相同极性端粘结（并联）； (b) 不同极性端粘结（串联）
压电元件的串、并联对总电容、总电荷和总电压的影响:
压电传感器也可以等效为一个电荷源。
两种等效电路：电荷等效电路：将传感器当作电荷源。
电压等效电路：将传感器当作电压源。

压电式传感器的测量电路
作　　用：变换阻抗，放大信号
基本要求：输入阻抗高。
测量电路的种类:电压放大器、电荷放大器
电压放大器的基本结构
主要特性：低频响应特性差，高频响应特性好
电荷放大器
基本结构：电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。
主要特性：输入阻抗极高，uo与频率无关，电荷放大器低频特性好。
压电式传感器的应用（加速度传感器的结构、压力传感器）。
1. 压电式测力传感器
结构：主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。
原理：P－（弹性敏感元件）→F－（压电元件）→Q（或U）
2. 压电式加速度传感器
结构：它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。

第七章
磁电式传感器的原理：法拉第电磁感应定律 。
基本测量量：速度
三种结构类型：动圈式、动铁式、变磁阻（变磁通）式。
动圈磁电式传感器中绝对式和相对式传感器的原理
绝对式（用于单一振动体，惯性原理）
相对式（两体相对运动）原理：两物体相对运动，使线圈切割磁力线
变磁通式传感器的原理
组成：线圈、永久磁铁、导磁材料。
有开磁路磁阻式与闭磁路磁阻式两种。
霍尔电动势的产生原理

第八章A
光敏传感器作用与特点
作用：将光信号转变为电信号。
特点：非接触测量，响应速度快，性能可靠。
光电效应的种类及其基本特征
１.外光电效应：光电子逸出。
２.内光电效应（二种）：光电导效应：电阻率变化。
　　 光生伏特效应（阻挡层光电效应）：产生电动势。
产生外光电效应的条件：当hυ≥ A0 时，A0为逸出功
υ0为能产生外光电效应的光的最低频率（红限频率）。光的颜色与的关系？
能否产生外光电效应与υ有关，与光强无关。
光电二极管
１）真空光电二极管
结构：光电阴极、阳极组成真空管。
原理：阴极受光照（υ适当）――电子逸出阴极表面――电场作用――形成阳极电流。
用途：一般光强测量。
２）充气光电二极管
结构：在管内充以低压惰性气体。
特点：提高灵敏度。
原理：光电子在飞向阳极的过程中与惰性气体分子碰撞，使惰性气体分子电离出电子与正离子，从而增大电流。
用途：较弱光强测量。
光电倍增管
结构：光电阴极、若干倍增电极、阳极组成真空管。
原理：倍增电极受电子轰击――更多的二次电子。
光电导效应：在光的照射下，半导体材料的电导率改变。
光敏电阻
暗电阻、亮电阻与光电流：
暗电阻：不受光照时的电阻值（室温）。典型值：106－108Ω
暗电流：给定电压下（例如：10V），流过暗电阻的电流。
　亮电阻：受光照时的电阻值。典型值：102－103Ω
　亮电流：给定电压下，流过亮电阻的电流。
　光电流：亮电流 － 暗电流。
光谱特性：相对灵敏度与入射光谱频率（波长）的关系。　不同光敏电阻对光谱频率具有选择性。

光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化。
频率特性：入射光的相对灵敏度与调制频率的关系。
光敏电阻的典型应用
硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。
硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区， 常用做火焰探测器的探头。
光生伏特效应：光照射PN结――产生电动势。
光敏二、三极管的特性和基本应用电路
频率特性：减小负载电阻可以提高频率响应范围
光电池：直接将光能转换为电能的光电器件。
原理：光生伏特效应。
结构特点：PN结面积很大，P区很薄，可形成较大电流。
光谱特性
　硅光电池波长在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2μm，而硒光电池只能为0.38~0.75μm。

光照特性：短路电流与光照度呈线性关系；开路电压与光照度是非线性关系。
用光电池作传感器时怎么用？
频率特性：硅光电池有较好的频率响应。
光电式传感器的应用：光电转速传感器

第九章
热电偶的结构一类将温度直接转换成电压的传感器。：
热端：工作端；冷端：参考端
热电效应：两种不同金属组成闭合回路―两个接触点不等温―回路中产生电势。
珀尔帖效应（接触电势）：同温、不同种金属接触――电子扩散――内建电场――接触电势。
汤姆逊效应的物理意义：温差电势
原理：单一导体――两端不等温――电子扩散（高温→低温）――内建电场――温差电势。
三者的关系：热电效应＝珀尔帖效应＋汤姆逊效应
产生热电势的条件：
热电偶的4个基本定律及其工程意义
１.均质导体定律
热电势大小与电极直径、长度、沿长度温度分布无关，只与材料、两端温度有关。
意义：制造热电偶时只需考虑电极的材料和均匀性；使用时不需要考虑环境的温度分布。
2. 标准电极定律
两种金属组成热电偶的热电势可用它们分别与第三种金属组成热电偶的热电势之差来表示
工程上一般用铂、铜作标准电极。
意义：要知道Ａ与Ｂ组成热电偶的效果，不需要直接制造这个热电偶，只要知道它们分别与C组成热电偶的效果即可。
3.中间导体定律
插入均质导体，只要其两端温度相同，不影响原热电势大小。
意义：工程应用的重要条件。利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表
４. 中间温度定律
设Tc为T与T0之间的一个温度，则：eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)
意义：利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。
例：铸件退火炉工作情况。
热电偶的种类：（1）标准化热电偶（2）非标准化热电偶
热电偶的冷端温度补偿的意义，
补偿方法（恒温法、自动补偿等）
冷端0℃恒温法
在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0℃恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0℃，这种方法又称冰浴法。
冷端温度自动补偿法（补偿电桥法）
补偿原理：当环境温度为0度时，电桥平衡，电表指示值为ex；当环境温度不为0度时，电桥产生不平衡电压，电表指示值为ex +Uab。

电阻型温度传感器的原理：大多数金属导体的电阻温度特性方程为：Rt = R0 [ 1 + α( t - t0 )]
α为热电阻的电阻系数，一般α＝α( t )，特定金属在特定的范围α为常数，则R－－t为线性关系。
两类电阻型温度传感器：金属导体（热电阻）、半导体（热敏电阻）
灵敏度高低与金属纯度的关系：α大灵敏度高，纯金属α＞合金金属α
铂热电阻
优点：精度高，线性好，理化性能稳定，易复制。
缺点：价格高。
测温范围：-200～850℃
用途：在－200～850℃范围内作为温度基准，标准传递。
铜热电阻
　优点：灵敏度高，线性好，复制性好，价格低。
　缺点：高温时易氧化。
测温范围：－50～150℃
基本思想：将引线电阻接入电桥的相邻两个臂中。
三种热敏电阻的字母表示：正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）、临界温度系数（CTR）
用途：温度检测、温度补偿等。
集成温度传感器的形式：电压型、电流型、频率型、数字型温度传感器。
AD590的基本测量电路
通过串联的电阻和可调电阻，使输出电压Uo满足1 mV/K的关系。

固态图像传感器
固态图像传感器三大类型：CCD、CMOS、CID
CCD光敏元的结构及原理：是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。
MOS光敏元的结构（MOS电容）
电荷存储原理：栅极加正（负）电压――半导体中形成势阱――易于俘获电子（空穴）
电荷转移原理：电子向深势阱转移

光纤传感器
光纤的结构（4部分组成）
纤芯（传光）：SiO2 + GeO2（微量，以提高折射率）等，Φ5-75μm
包层（反光）：SiO2 + B2O2（微量，以降低折射率）等，Φ100-200μm
保护层（保护）：硅铜或丙烯酸盐
护套（保护及区分型号）：塑料

纤芯与包层的折射率关系：纤芯折射率大于包层折射率
光纤传光原理：光纤的传输是基于光的全内反射。
按光纤工作原理光纤传感器可分为二类：功能型（传感型）和传光型传感器。
功能型传感器：利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器；
传光型传感器：是光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化，这类传感器称为非功能型传感器。

霍尔式传感器
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，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。
影响霍尔常数的因素：导体载流子密度（导电性能）
影响霍尔片灵敏度的因素：
霍尔传感器的直接测量量：I或B