天津大學傳感器復習重點-適用于機械工業(yè)

1、傳感器重點復習內(nèi)容緒論傳感器定義：能夠感受規(guī)定的測量量，并且按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件 和裝置一、靜特性指標當輸入量為常量，或變化極慢時，輸出與輸入之間的關系稱為靜特性二、傳感器組成P1敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路1、敏感元件：直接感受被測量，輸出與被測量成確定關系的某一物理量輸出元件。2、轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，他把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。3、基本轉(zhuǎn)換電路電路參數(shù)變化量接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可以轉(zhuǎn)化成電量輸出。傳感器 只需要完成被測參數(shù)到電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入測控電路即可。三、穩(wěn)定性指標及其含義 P71、線性度：在采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線

2、之間的最大 偏差，稱為線性度，通常用相對誤差來表示。2、遲滯：傳感器在正反行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。3、重復性：重復性是指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致 的程度。4、靈敏度與靈敏度誤差：（1）靈敏度：傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比稱為其靜態(tài)靈敏 度。（2）靈敏度誤差：由于某種原因，引起靈敏度發(fā)生變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。用相對誤 差表示。5、分辨力與閾值：（1）分辨力：分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。（2）閥值：傳感器輸入零點附近的分辨力稱為閾值。6、穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長 時間工作穩(wěn)定性

3、或零點漂移。7、溫度穩(wěn)定性：溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指傳感器在外界溫度變化下輸出量發(fā) 生的變化。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干度的絕對誤差或相對誤差表示。每攝氏度引起 的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。8、抗干擾穩(wěn)定性：是指傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能力、抗 潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。9、靜態(tài)誤差：是指傳感器在其全量程內(nèi)任一點的輸出值與理論值的偏離程度。第一章電阻式傳感器Part one應變式傳感器一、工作原理應變式傳感器是利用金屬的電阻應變效應，將被測物體變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。1什么是金屬的電阻應變效應？當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變

4、化，這種現(xiàn)象稱為金屬的 電阻應變效應。2應變片有哪些優(yōu)點？靈敏度和精度高，性能穩(wěn)定、可靠電阻率變化公式P22應變片尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便測量范圍大適應性強便于多點測量、遠距離測量和遙測二、應變片的類型和材料1電阻應變片有哪幾種形式？金屬絲式應變片、金屬箔式應變片、金屬薄膜式應變片2橫向效應：將直的電阻絲繞成敏感柵之后，雖然長度相同，但是應變狀態(tài)不相同，其 靈敏系數(shù)降低了，該現(xiàn)象稱為橫向效應。非線性P25修正方法：多采用箔式應變片，因為其圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多，電阻值較小， 電阻變化量較小。（就是使彎曲處電阻值變小即可）三、轉(zhuǎn)換電路應變片將應變的變化轉(zhuǎn)換成電阻的相對變化，R/R

5、，還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或者電流的變化，才能用電儀器表進行測量。通常采用電橋電路實現(xiàn)微小阻值變化的轉(zhuǎn)換。使用惠斯通電橋（一）直流電橋直流電橋有哪些優(yōu)點？高穩(wěn)定度直流電源易于獲得；電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡單；傳感器及測量電路分布參數(shù)影 響小。（二）電橋的非線性誤差如何減小非線性誤差？采用差動電橋（差動電橋是如何改善非線性和進行溫度補償?shù)?？答：安裝多個應變片、采取4臂差動電橋）采用恒流源電橋四、溫度補償1、什么是溫度誤差？用應變片測量時，由于環(huán)境溫度變化而引起電阻變化，由此而產(chǎn)生的測量誤差，稱為 應變片的溫度誤差。2、溫度誤差是由哪些因素引起的？敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。試件材料的線膨脹引

6、起的誤差3、補償溫度誤差的方法有哪些？應變片自補償法、線路補償法（用電橋電路補償溫度）五、傳感器應用電阻應變片有哪些典型應用？測應力、應變、力、拉力、扭矩、位移、加速度等。（一）應變式力傳感器貼有應變片有柱式力傳感器、梁式、環(huán)式、框式等（二）應變式壓力傳感器膜片式、筒式 主要用于液體、氣體壓力的測量（三）應變式加速度傳感器Part two壓阻式傳感器一、什么是壓阻效應？半導體材料固體受到作用力后，電阻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應。在半導體材料的基片上，用集成電路工藝制稱擴散電阻，稱為擴散性壓阻傳感器。 壓阻式傳感器有哪些優(yōu)缺點？靈敏系數(shù)大分辨率高頻率響應咼體積小溫度誤差較大二、壓阻式傳感器

7、有哪些應用？測應變、壓力、加速度等。第二章電感式傳感器一、互感式傳感器（差動變壓器式傳感器）P451、工作原理：（1）互感式傳感器又稱為差動變壓器式傳感器，它是把被測量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù) 的變 化。（2 ）互感式傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器，當一次線圈接入激勵電壓后，二次 線圈產(chǎn)生感應電壓的輸出，互感變化是，輸出電壓就會產(chǎn)生相應的變化。互感變壓器的二次 線圈有兩個，接線方式是差動接線，又稱為差動變壓式傳感器。2、 差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)：P45,略。總之，檢測的輸出電壓信號，隨互感的變化而變化。被測量的變化引起磁芯的位移，導 致磁鏈0 12的變化和互感系數(shù) M的變化，最后是輸出差動電壓

8、變化。3、 分類：氣隙型、截面型（微同步器）、螺管型4、 什么是零點殘余電壓？電橋在零點總有一個最小的輸出電壓，把這個最小的輸出電 壓稱為零點殘余電壓。5、零點殘余電壓有什么危害？靈敏度下降、非線性誤差增大、放大器末級飽和6、造成零點殘余誤差的原因是什么？是兩電感線圈的等效參數(shù)不對稱。7、零點參與電壓的解決方法常采用相敏整流電路設計上：使上下磁路對稱，制造上：使上下磁性材料特性一致，磁筒磁蓋磁芯要配套挑選，線圈排列要均勻，數(shù)量 一致，每層匝數(shù)相等。調(diào)整法：調(diào)整電容大小。直到殘余電壓為零補償法：電路上進行補償：加串聯(lián)電阻；加并聯(lián)電阻；加并聯(lián)電容；加反饋電容等拆圈法：在單臂上并聯(lián)電阻，使線圈分流，

9、改變諧波分量試探法：并聯(lián)電容，調(diào)整 C的大小二、電渦流傳感器1、什么是渦流效應？金屬導體置于變化著的磁場中，導體內(nèi)就會產(chǎn)生感應電流，這種電流像水中旋渦那樣在導體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，所以稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象稱為渦流效應。電渦流式傳感器就是 建立在渦流效應的基礎上。2、形成渦流必須具備哪兩個條件？存在交變磁場、導電體處于交變磁場中3、被測參數(shù)變化會引起線圈哪些參數(shù)變化？阻抗、電感、品質(zhì)因數(shù)4、線圈阻抗與哪些參數(shù)有關？金屬導體的電阻率、金屬導體的磁導率、線圈與金屬導體的距離、線圈與激勵電流的角 頻率5、工作原理P54把一個扁平線圈置于金屬導體附近，在線圈中通入電流正弦交變電流 11，則線圈的周維空間產(chǎn)生

10、正弦交變磁場 H1，處于該磁場中的金屬導體就會產(chǎn)生渦流12,該渦流產(chǎn)生交變磁場H2.由于H2的作用，渦流要消耗一部分能量，因此使線圈阻抗Z發(fā)生變化。同時，引起了線圈電感L和線圈品質(zhì)因數(shù) Q的變化。我們就可以選擇 ZLQ中的任意一個參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換 成電量的變化進行測量。與之變化相關的有：金屬導體的電導率、磁導率、線圈和金屬導體的 距離、激勵電流的角頻率等等。6、渦流分布渦流只存在于金屬導體的表面薄層內(nèi)，在徑向只有一個有限的范圍內(nèi)存在渦流。渦流分布是不均勻的，在線圈外徑處，渦流密度最大。三、感應同步器1、原理利用兩平面繞組的互感隨位置不同而變化來工作。（交變磁場、互感原理）可以用來測量直 線和轉(zhuǎn)角

11、的位移2、 類型：長感應同步器（測直線位移）、圓感應同步器測轉(zhuǎn)角位移3、結(jié)構(gòu)：（1）長感應同步器由定尺和轉(zhuǎn)尺組成：定尺連續(xù)繞組（2）圓感應同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成：轉(zhuǎn)子連續(xù)繞組4、工作原理P63：（1）工作時，在其中一組繞組上通以交流激磁電壓，由于磁電耦合，在另一組上面會 產(chǎn)生感應電動勢，該電動勢隨二者相對位置不同呈正弦余弦變化，我們對此信號檢測處理即 可。（2）磁通在任意空間分布近似矩形波，而且他的幅值則按照激磁電流的瞬時值以正弦 的方式變化，這種空間位置固定，大小隨時間變化的磁場稱為脈振磁場四、三大傳感器的應用例子掌握1、電感傳感器有哪些典型應用？可測位移、壓力、加速度等。自動測厚儀、在位球

12、度測量、電感測微移、電 感式壓力傳感器、2、渦流式傳感器的應用：可以進行非接觸式策略，可以檢測物質(zhì)的屬性。四個方面的應用：1利用位移x作為變換量，做成位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速傳感器及接近開關、計 數(shù)器等。2利用材料電阻率p作為變換量，做成溫度、材質(zhì)判別等傳感器。3利用導磁率口作為變換量，做成應力、硬度等傳感器。4利用變換量x、p、口的綜合影響，做成探傷裝置。但是難以識別主要因素，等效阻 抗是綜合影響的結(jié)果。3、感應同步器的應用：測直線位移或者角位移。測量范圍大，精度高，可以輸出數(shù)字 結(jié)果第三章電容式傳感器一、工作原理兩平行極板構(gòu)成的電容器，在忽略邊緣效應時，其電容量為C= e S/E=（

13、e r e OS） / S式中某一項或幾項參數(shù)變化，C就隨之變化。其中：S為極板相對覆蓋面積。S極板間的距離。E r相對介電常數(shù)e 0真空介電常數(shù) E電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。二、分類電容式傳感器可分為三種基本類型：變極距型、變面積型、變介電常數(shù)型 極板形狀有：平板形、圓板形、圓柱形、球面形、鋸齒形等。1、變極距型：存在原理非線性，實際常用差動式改善非線性。2、變面積型電容傳感器：圓柱形結(jié)構(gòu)受到極板徑向變化影響很小，成為實際中常采用 的結(jié)構(gòu)。變面積型電容傳感器具有良好的線性。3、變介電常數(shù)型電容傳感器：多用于測量電介質(zhì)的厚度，液位。還可以根據(jù)極板之間的介質(zhì)的介電常數(shù)隨著溫度、濕度的改變，來測量

14、介質(zhì)的溫度濕度。電極板最好涂有絕緣層4、差動結(jié)構(gòu)單邊結(jié)構(gòu)三、轉(zhuǎn)換電路1、二極管雙T型電路P71特點：線路簡單、要求電源周期和幅值高度穩(wěn)定、輸出阻抗與電容無關、適用于具有線 性特性的單阻式差動式電容式傳感器。2、運算放大器式電路特點：能夠克服變極距式的非線性，輸出電壓和電容極板之間的距離呈線性關系，輸出 電壓和電源電壓反相。3、差動脈沖調(diào)寬電路利用對傳感器電容的充放電是電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。我們改變電容大小即可。輸出的是直流電壓輸入為直流電源。適用于任何差動是電容式傳感器，并具有理論上的線性特性（差動變壓器式電容電橋、 二極管環(huán)形檢波電路也有線性）。四、優(yōu)化設計P771、減

15、小環(huán)境溫度濕度變化產(chǎn)生的影響2、消除和減小邊緣效應危害：降低靈敏度、產(chǎn)生非線性消除和減小方法：適當減小極間距，使極徑或邊長與間距比很大電極做得很薄，使之與極間距相比很小 在結(jié)構(gòu)上增設等位環(huán)3、減小和消除寄生電容的影響屏蔽集成化。影響傳感器的靈敏度影響傳感器的精度采用方法：增加傳感器原始電容值（減小 S，增加S）注意傳感器的接地和屏蔽（用短電纜線）集成化（環(huán)境適應性降低）采用“驅(qū)動電纜”技術采用運算放大器法整體屏蔽4、減小和防止外界干擾屏蔽和接地增加原始電容量，降低容抗導線間的分布電容有靜電感應，因此導線和導線之間要離得遠，線盡量短，成直角排 列盡可能一點接地，避免多點接地，地線要粗5、盡量采用

16、差動式電容傳感器五、容柵式傳感器1、原理：原理上屬于變面積型電容傳感器由定柵和動柵組對成， 根據(jù)位移變化，形成差動電容器 C1和C2。通過將電容板刻成柵 狀提高測量精度，也可進行大位移測量。仍然采用差動是變壓器的電路，但是由于通過將電容版刻成柵狀，提高了測量精度，實 現(xiàn)大位移測量。解決了電容式位移傳感器的高精度小量程的矛盾。2、優(yōu)點：采用多極平均效應，高精度。結(jié)構(gòu)簡單體積小，適用于工業(yè)現(xiàn)場使用。長距 離測量。六、應用1、電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置，實質(zhì)上就是一個具 有可變參數(shù)的電容器。2、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應快、易實現(xiàn)非接觸測量缺點：易受干擾、分布電容影響大3、

17、應用：壓力、位移、加速度、液位、厚度、成分含量等測量 應用場合：直線位移、角位移振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度壓力、壓差、液位、料面、成分含量、厚度、濕度、密度等接近開關，電平開關4、應用實例：電容式液位傳感器、電容傳聲器、電容式振動傳感器、電容式厚度傳感 器、電容式加速度傳感器第四章磁電式傳感器一、霍爾式傳感器1、霍爾效應：金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。2、霍爾式傳感器是基于霍爾效應原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、堅固、頻率相應寬、動態(tài)范圍大、無觸點、使用壽命長、可 靠性

18、高、易于微型化和集成電路化。缺點：轉(zhuǎn)換效率較低、溫度影響大。應用：測量技術、自動化技術、信息處理二、 霍爾元件的零位誤差及其補償。當B=0時，Uh=UO不等于0零位誤差（包括不等位電動勢、寄生直流電動勢）、溫度誤差1、不等位電動勢及其補償當霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場時，霍爾輸出端之間的空載電動勢，稱 為不等位電動勢。產(chǎn)生原因：制造工藝不能使兩電極點位于同一等位面上等位面歪斜，使兩霍爾電極不在同一等位面上補償措施：工藝上采取措施采用補償電路，加調(diào)節(jié)電阻2、寄生直流電動勢當霍爾元件通以交流控制電流而不加外磁場時，霍爾輸出除了交流不等位電動勢外，還 有直流電動勢分量，稱為寄生直流電動勢

19、。產(chǎn)生原因：兩對電極不是完全歐姆接觸而形成整流效應兩個霍爾電極的焊點大小不等、熱容量不同引起溫差補償措施：制作、安裝時，使電極歐姆接觸，散熱均勻，有良好的散熱條件3、霍爾元件的溫度誤差及其補償半導體材料的電阻率、遷移率、載流子濃度等都隨溫度而變化?；魻栐砂雽w材料 制成，因此其性能參數(shù)（輸入和輸出電阻、霍爾常數(shù)等）也隨溫度而變化，致使霍爾電動勢變 化，產(chǎn)生溫度誤差。補償措施：選用溫度系數(shù)較小的材料01、采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻02、選取合適的串聯(lián)、并聯(lián)、負載電阻的阻值03、橋路補償04、采用溫度補償元件（熱敏電阻等）三、應用1、霍爾傳感器：霍爾式位移傳感器、霍爾式壓力傳感器。應用：

20、測量技術、自動化技術、信息處理。其為是一種磁傳感器和磁電轉(zhuǎn)換原件，檢測磁場及其變化，與各種磁場相關 的場合都可以使用。實例：開關電路、測位移速度、齒輪檢查、ABS汽車防抱死系統(tǒng)、霍爾電子羅盤2、磁柵式傳感器：精度較低易受影響。用于各種機床、回轉(zhuǎn)臺、檢測儀器四、磁柵式傳感器屬于位移傳感器原理：類似于錄音帶的原理，把周期性的電信號以錄磁的方式記錄在磁性介質(zhì)上，通過 磁頭讀出該信號，當磁頭與磁性介質(zhì)發(fā)生相對位移時，完成位移信號到電信號的轉(zhuǎn)變。第五章光電式傳感器一、光源P1211、熱輻射光源。物體升溫產(chǎn)生光輻射溫度越高，波長越短，輻射能量越大。白熾燈、鹵鎢燈。2、氣體放電光源：電流通過置于氣體中的兩個

21、電極時，兩電極之間會放電發(fā)光。光譜 不連續(xù)3、發(fā)光二極管LED :固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，是將 電能直接轉(zhuǎn)化為光能的過程。4、激光光源：高能粒子集中躍遷到低能能級上，發(fā)射出與一定頻率的光子?？梢苑殖?固體激光器、氣體激光器、半導體激光器、液體激光器等等。具有單色性好、方向性強、亮 度咼、相干性好5、如何選光源；光譜的分布、經(jīng)驗性、二、光電器件1、熱探測器基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應制成的傳感器一一光的熱作用。(1) 測輻射熱電偶與常規(guī)熱電偶相似，只是在一個電偶的接頭上圖上光吸收涂層，可造成溫差電動勢，進 行測量(2) 測輻射熱敏電阻用熱敏電阻代替熱電偶，當有光照

22、時，引起溫度變化，然后熱敏電阻轉(zhuǎn)化為阻值變化。(3) 熱釋電探測器敏感部分是一種鐵電材料，其分子正負電荷中心不重合，呈現(xiàn)電偶極距。當有光照時， 電偶極距的有序排列會有所減弱， 表現(xiàn)為表面電荷減少，相當于釋放電荷，轉(zhuǎn)變成輸出電壓 應用廣泛。2、光子探測器(1) 光電發(fā)射效應 光電發(fā)射探測器光線作用下，電子逸出物體表面，稱為外光電效應。主要器件：真空光電管、光電倍增管、輻射計數(shù)管。(2) 光電導型一一光敏電阻、光導管半導體材料在光線作用下，其電阻值往往變小，稱為光導效應，是基于某些半導體的內(nèi) 光電效應。(3) 光電結(jié)型光敏二極管、光敏晶體管工作原理類似于光電導型，差別在于光照在半導體結(jié)上。(4)

23、光電伏特型光電池光電伏特型器件是自發(fā)電。 即這種半導體受到光照會產(chǎn)生一定方向的電動勢，而不需要 外部電源。因光照而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光電伏特效應。三、CCD工作過程結(jié)構(gòu)應用要求 P1331、 組成：具有自掃描功能的圖像傳感器，是MOS光敏單元和讀出移位寄存器的結(jié)合。2、應用：廣播電視、工業(yè)監(jiān)控、測量。 尺寸工件的檢測、物體缺陷檢查、四、PSD的原理應用P1371、定義：對其感光面上入射光點位置敏感的器件，也叫坐標光電池。有一維和二維的PSD兩種。2、 原理：PSD 一般為PIN結(jié)構(gòu)，底層上表面有兩片均勻的P層和N層電阻層，在P 和N之間灌注離子產(chǎn)生I層，即為本征層，P曾兩端有輸出級11和I2

24、，在N層有輸入級10。 當具-=1 /、有一定強度的光照射到I層時，光點附近產(chǎn)生電子空穴對，在PN結(jié)電廠的作用下，空穴進入P區(qū)，電子進入N區(qū)。由于P區(qū)雜質(zhì)濃度相對較高，空穴迅速沿著P區(qū)表面項兩側(cè)擴散，最終導致P層空穴橫向方向濃度呈梯度變化，這是，同一層面上不同位置呈現(xiàn)一定的電位差，該現(xiàn)象為橫向光電效應。PSD通常工作在反向偏壓狀態(tài)，3接正電壓，輸出級I1和I2分別接地，I0與入射光強 度成正比，流經(jīng)11、I2的電流與入射光的強度和入射光的位置有關，由于P為均勻的電阻層，則11、I2的大小與光電到電極的距離成反比。10=11+123、應用：坐標位置的精確測量、兵器制導跟蹤、工業(yè)自動控制、位置變化檢測，也可 作為距離傳感器五、光電傳感器1、光纖傳感器原理：全反射。光纖不僅作為光傳播的波導，還有測量功能。因為光纖是電光材料，又是磁光材料，所 以可以利用法拉第效應等制成測量強電流、高電壓的傳感器；或者可以利用光纖的傳輸特性， 把輸入量變成調(diào)制的光信號。因為表征光波特性的參量，如振幅相位偏振態(tài)會隨著環(huán)境而 改變。2、分類：僅解調(diào)成光強才可以測光的相位，應用干涉原理；調(diào)制參數(shù)有誰？(1) 光強度調(diào)制型A、原理：被測量通過影響光纖的