傳感器原理與應(yīng)用復(fù)習(xí)范圍

1、緒論一、傳感器：將各種非電量（包括物理量、化學(xué)量、生物量等），按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量（一般為電量）的裝置。二、傳感技術(shù)：是利用各種功能材料實現(xiàn)信息檢測的一門應(yīng)用技術(shù)，是檢測（傳感）原理、材料科學(xué)、工藝加工等三要素的最佳結(jié)合。三、傳感器的組成：傳感器一般有敏感元件、轉(zhuǎn)換原件和測量電路三部分組成，有事還需要加輔助電源。四、傳感器分類：1.按輸入量分類如輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、加速度、濕度等非電量時，則相應(yīng)的傳感器稱為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器等。2.按測量原理分類現(xiàn)有傳感器的測量原理主要是基于電磁原理和固體物理學(xué)理

2、論。如根據(jù)變電阻的原理，相應(yīng)的有電位器式、應(yīng)變式傳感器；根據(jù)變磁阻的原理，相應(yīng)的有電感式、差動變壓器式、電渦流式傳感器；根據(jù)半導(dǎo)體有關(guān)理論，則相應(yīng)的有半導(dǎo)體力敏、熱敏、光敏、氣敏等固態(tài)傳感器。3.按結(jié)構(gòu)型和物性型分類所謂結(jié)構(gòu)型傳感器， 主要是通過機械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化， 將外界被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、 電感、電容等物理量的變化， 從而檢測出被測信號，這種傳感器目前應(yīng)用的最為普遍。 物性型傳感器則是利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化而實現(xiàn)測量，它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。五、傳感器的發(fā)展趨向1.傳感器的固態(tài)化，2、傳感器的集成化和多功能化3.傳感器的圖像化4.傳感

3、器的智能化第 1 章傳感器的一般特性§1-1傳感器的靜態(tài)特性傳感器在被測量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出量和輸入量之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特性。傳感器靜態(tài)特性的主要指標有以下幾點：一、線性度 (非線性誤差 )在規(guī)定條件下，傳感器校準曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程(F ·S)輸出值的百分比稱為線性度。二、靈敏度傳感器的靈敏度指到達穩(wěn)定工作狀態(tài)時輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。線性傳感器校準曲線的斜率就是靜態(tài)靈敏度K。三、遲滯遲滯是指在相同工作條件下作全測量范圍校準時，在同一次校準中對應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程其輸出值間的最大偏差(見圖1-6)。其數(shù)值用最大偏差或最大偏差的

4、一半與滿量程輸出值的百分比表示。四、重復(fù)性重復(fù)是指在同一工作條件下， 輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變動多次所得特性曲線的不一致性§1-2傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性是指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。動態(tài)特性指標：上升時間tr 、 穩(wěn)定時間ts 、 峰值時間tp 、 超調(diào)量 %。第二章應(yīng)變式傳感器§2-1 金屬應(yīng)變片式傳感器金屬應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。應(yīng)用時將應(yīng)變片用黏結(jié)劑牢固地粘貼在被測試件表面上。 當(dāng)試件受力變形時， 應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形， 引起應(yīng)變片電阻值變化， 通過測量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號輸出

5、。應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：敏感柵1、基底 2、蓋片 3、引線 4 和黏結(jié)劑等組成。§ 2-2 壓阻式傳感器單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。(二 )影響壓阻系數(shù)的因素影響壓阻系數(shù)的因素主要是擴散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度。 擴散雜質(zhì)濃度 NS 增加時，壓阻系數(shù)就會減小。第三章電容式傳感器§ 3-1 電容式傳感器的工作原理用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成最簡單的電容器。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其電容量為CS0 r Sdd式中C電容量；S極板間相互覆蓋面積；d兩極板間距離； 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)一般電容式傳感器可以分成以下三種類型：一、變面積( S)型二、變介

6、質(zhì)介電常數(shù) () 型三、變極板間距 (d)型§3-3 電容式傳感器的誤差分析一、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響二、電容電場的邊緣效應(yīng)三、寄生與分布電容的影響§3-4 電容式傳感器的應(yīng)用一、電容式差壓變送器二、電容式測微儀三、電容式液位計第四章電感式傳感器電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的一種裝置?？梢杂脕頊y量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等參數(shù)。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理不同， 可分為自感式和互感式兩種； 根據(jù)結(jié)構(gòu)型式不同， 可分為氣隙型和螺管型兩種。第五章壓電式傳感器壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器 (或發(fā)電型傳感器 )。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在

7、電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。§5-1壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)， 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后， 又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。相反，在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)( 電致伸縮效應(yīng) )。一、石英晶體壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)石英晶體是一個正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示。其中縱向軸Z-Z 稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X-X 軸稱為電軸；與X-X 軸和 Z-Z 軸同時垂直的Y-

8、Y 軸 (垂直于正六面體的棱面)稱為機械軸。通常把沿電軸X-X 方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機械軸Y-Y 方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z-Z 方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。§5-2壓電材料應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電材料主要有兩種：一種是壓電晶體，如石英等； 另一種是壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。二、測量電路壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：一是把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出； 二是放大壓電式傳感器輸出的弱信號。根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及其等效電路，它的輸出可以是電壓信號也可以是電荷信號。因此設(shè)計前置放大器也

9、有兩種形式：一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(傳感器的輸出電壓)成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。§5-4壓電式傳感器的應(yīng)用一、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種。二、壓電式壓力傳感器三、壓電式流量計第六章數(shù)字式傳感器根據(jù)工作原理不同可分為脈沖數(shù)字式傳感器 (如光柵傳感器、感應(yīng)同步器、磁柵傳感器等 )和頻率輸出式數(shù)字傳感器 (如振弦式、振筒式和振膜式傳感器 )。§ 6-1 碼盤式傳感器一、工作原理光學(xué)碼盤式傳感器是用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件。§ 6-

10、2 光柵傳感器二、莫爾條紋形成的原理及特點(一 )莫爾條紋的形成原理把光柵常數(shù)相等的主光柵和指示光柵相對疊合在一起( 片間留有很小的間隙)，并使兩者柵線 (光柵刻線 )之間保持很小的夾角 ，于是在近于垂直柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，如圖 6-11 所示。在 a-a 線上兩光柵的柵線彼此重合，光線從縫隙中通過，形成亮帶；在 b-b 線上，兩光柵的柵線彼此錯開，形成暗帶。這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋方向與刻線方向垂直，故又稱橫向莫爾條紋。由圖 6-11 可看出，橫向莫爾條紋的斜率為tantan(6-3)2式中 亮 (暗 )帶的傾斜角； 兩光柵的柵線夾角。橫向莫爾條紋 (亮帶與暗帶

11、)之間距離為BH AB BCWW(6-4)sin2sin22式中BH 橫向莫爾條紋之間的距離；W 光柵常數(shù)。由此可見，莫爾條紋的寬度BH 由光柵常數(shù)與光柵的夾角 決定。對于給定光柵常數(shù)W 的兩光柵，夾角 愈小，條紋寬度愈大，即條紋愈稀。所以通過調(diào)整夾角 ，可以使條紋寬度具有任何所需要的值。§ 6-4振弦式傳感器振弦式傳感器以張緊的鋼弦作為敏感元件，其弦振動的固有頻率與張緊力有關(guān)。當(dāng)振弦長度確定后， 弦的振動頻率變化量即可表示張緊力的大小。 其輸入量為力， 輸出量為頻率信號。第七章熱電式傳感器其中將溫度轉(zhuǎn)換為電勢的熱電式傳感器叫熱電偶， 將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的熱電式傳感器叫熱電阻。

12、67; 7-1 熱電偶一、熱電效應(yīng)熱電偶是利用熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器。如圖 7-1 所示，把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料 A 、B 連接成閉合回路，將它們的兩個接點分別置于溫度為T 及 T0 (設(shè) T>T 0)的熱源中，則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電動勢(簡稱熱電勢 )，可用EAB( T，T0)表示，這種現(xiàn)象稱做熱電效應(yīng)。我們把兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的這種組合稱為熱電偶，A 和 B 稱為熱電極，溫度高的接點稱為熱端(或工作端 )，溫度低的接點稱為冷端(或自由端 )。圖 7-1 所示的熱電偶回路中所產(chǎn)生的熱電勢由兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢所組成。三、常用熱電偶及結(jié)構(gòu)從理論上講，任何兩種

13、不同導(dǎo)體(或半導(dǎo)體 )都可以配制成熱電偶，但是作為實用的測溫元件，對它的要求是多方面的。為了保證工程技術(shù)中的可靠性，以及足夠的測量精度，并不是所有材料都能組成熱電偶，一般對熱電偶的電極材料基本要求是：在測溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時間而變化， 有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱??；測溫中產(chǎn)生熱電勢要大，并且熱電勢與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數(shù)關(guān)系；材料復(fù)制性好，機械強度高，制造工藝簡單，價格便宜。§ 7-2 熱電阻絕大多數(shù)金屬具有正的電阻溫度系數(shù) t，溫度越高，電阻越大。利用這一規(guī)律可制成溫度傳感器，與熱電偶對應(yīng)，就稱為“熱電阻” 。用于制

14、造熱電阻的金屬材料應(yīng)滿足以下要求：電阻溫度系數(shù)大，電阻隨溫度變化保持單值并且最好呈線性關(guān)系；熱容量?。浑娮杪时M量大，這樣可以在同樣靈敏度情況下使元件尺寸做得小一些；在工作范圍內(nèi)，物理和化學(xué)性能穩(wěn)定；容易獲得較純物質(zhì)，材料復(fù)制性好，價格便宜。根據(jù)以上要求，目前世界上大都采用鉑和銅兩種金屬作為制造熱電阻的材料第八章 固體傳感器固體傳感器的特點：由于傳感器原理是基于物性變化，因而沒有相對運動部件，不存在磨損問題，可以做到結(jié)構(gòu)簡單，小型輕量；感受外界信息靈活，動態(tài)響應(yīng)好，并且輸出為電量；采用半導(dǎo)體為敏感材料，容易實現(xiàn)傳感器集成化、一體化、多功能化、圖像化、智能化；功耗低，安全可靠。§8-1磁

15、敏傳感器一、霍爾元件(一 )霍爾效應(yīng)電子 (N圖 8-1 為霍爾效應(yīng)原理圖。在與磁場垂直的半導(dǎo)體薄片上通以電流型半導(dǎo)體材料 )，它沿與電流 I 相反的方向運動。由于洛侖茲力fLI ，假設(shè)載流子為的作用，電子將向一側(cè)偏轉(zhuǎn) (如圖中虛線箭頭方向)，并使該側(cè)形成電子的積累。而另一側(cè)形成正電荷積累，于是元件的橫向便形成了電場。該電場阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)電子所受到的電場力fE與洛侖茲力 fL 相等時，電子的積累達到動態(tài)平衡。這時在兩端橫面之間建立的電場稱為霍爾電場 EH ，相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢 UH 。§8-2 光敏傳感器一、光電效應(yīng)光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)通常分為外光電

16、效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。(一 )外光電效應(yīng)在光線作用下， 物體內(nèi)的電子逸出物體表面， 向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。(二 )內(nèi)光電效應(yīng)受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化， 或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。光電導(dǎo)效應(yīng)。 在光線作用下， 電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。光生伏特效應(yīng)。 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏晶體管。§8-3電荷耦合器件(一 )電荷耦

17、合器件的結(jié)構(gòu)金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS) 電容 CCD 是由按照一定規(guī)律排列的MOS 電容陣列組成的。其中金屬為MOS 結(jié)構(gòu)上的電極，稱為“柵極” (此柵極材料不是用金屬而是用能夠透過一定波長范圍光的多晶硅薄膜)。半導(dǎo)體作為底電極，俗稱“襯底”。兩電極之間夾一層絕緣體，構(gòu)成電容。§8-4氣體傳感器氣體敏感元件就是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或者器件。§8-5濕度傳感器(一 )質(zhì)量百分比和體積百分比質(zhì)量為 M 的混合氣體中，若含水蒸氣的質(zhì)量為m，則質(zhì)量百分比為m100%M(8-67)在體積為V 的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為v，則體積百分比為v100%(8-68)V

18、這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量法。(二 )相對濕度和絕對濕度水蒸氣壓是指在一定的溫度條件下，混合氣體中存在的水蒸氣分壓(e)。而飽和蒸氣壓是指在同一溫度下，混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值(es)。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。 在某一溫度下，其水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，稱為相對濕度，其表示式為eRH100%(8-69)絕對濕度表示單位體積內(nèi)，空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，其定義為v m g / m3V(8-70)式中m 待測空氣中水蒸氣質(zhì)量；V 待測空氣的總體積； v待測空氣的絕對濕度。如果把待測空氣看做是一種由水蒸氣和干燥空氣組成的二元理想混合氣體的話，根據(jù)道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程，可以

19、得出如下關(guān)系式eM(8-71)v式中e空氣中水蒸氣分壓；M 水蒸氣的摩爾質(zhì)量；R理想氣體常數(shù)；T空氣的絕對溫度。RT第九章光導(dǎo)纖維式傳感器光纖傳感器用光而不用電來作為敏感信息的載體； 用光纖而不用導(dǎo)線來作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時具有光纖及光學(xué)測量的一些極其寶貴的特點：電絕緣抗電磁干擾 非侵入性 高靈敏度 容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控一、斯乃爾定理 (Snell's Law)斯乃爾定理指出：當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大 )射出至光疏物質(zhì)(折射率小 ) 時，發(fā)生折射如圖 9-1(a)，其折射角大于入射角，即n1> n2 時， r> i。n1、 r、i 之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為n

20、2n1 sin i n2 sin r(9-1)由 (9-1)式可以看出：入射角 i 增大時，折射角 r 也隨之增大，且始終 r> i。當(dāng)r=90 °時， i 仍小于 90°，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ィ鐖D 9-1(b) ，稱為臨界狀態(tài)。這時有sin r=sin 90 ° =1sin i0= n2/n1(9-2) i0=arcsin( n2/n1)(9-3式中 i0 臨界角。當(dāng) i> i0 時， r>90 °，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖 9-1(c)所示，其出射光不再折射而全部反射回來。圖 9-1(a)光的折射示意圖光在不同物質(zhì)分界面的傳

21、播(b)臨界狀態(tài)示意圖(c)光全反射示意圖二、光纖結(jié)構(gòu)要分析光纖導(dǎo)光原理，除了應(yīng)用斯乃爾定理外還需結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)來說明。光纖呈圓柱形，它通常由玻璃纖維芯(纖芯 )和玻璃包皮 (包層 )兩個同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成，如圖9-2所示。圖 9-2光纖結(jié)構(gòu)纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖芯折射率兩層之間形成良好的光學(xué)界面。光線在這個界面上反射傳播。三、光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑NA由圖 9-3 可以看出：入射光線AB 與纖維軸線OO 相交角為 i，入射后折射 (折射角為 j) 至纖芯與包層界面C 點，與 C 點界面法線 DE 成 k 角，并由界面折射至包層， CK 與 DE 夾角為 r 。由圖n1

22、 比包層折射率n2 稍大些，9-3 可得出n0sin i= n1sin jn1sink=n2sin r由 (9-4)式可以推出(9-4)(9-5)sini=( n1/n0)sin j圖 9-3光纖導(dǎo)光示意圖因 j=90 ° - k所以n1 cosn11 sin 2sin in1 / n0 sin90kkn0n0由(9-5) 式可推出 sin k=(n2/n1)sin r 并代入 (9-6) 式得n1n22sini1sinr1n0n1n12n22 sin 2rn0(9-7) 式中 n0 為入射光線 AB 所在空間的折射率，一般皆為空氣，故率， n2 為包層折射率。當(dāng)n0=1，由 (9-7)式得sin in12n22 sin2(9-8)r當(dāng) r=90 °的臨界狀態(tài)時， i= i0k(9-6)(9-7)n01；n1 為纖芯折射sin i0n12n22(9-9)纖維光學(xué)中把 (9-9)式中 sin i0定義為“數(shù)值孔徑”NA(Numerical Aperture) 。由于 n1 與 n2相差較小，即n1+n2 2n1，故 (9-9) 式又可因式分解為sin i0n12(9-10)式中=( n1-n2)/n1 稱為相對折射率差。由(9-8) 式及圖 9-3 可以看出： r=90 °時， sin i0= NA 或 i0=arcsinNA； r>90