傳感器期末復習重點知識點總結必過

1、第-章傳感器概述人的體力和腦力勞動通過感覺器官接收外界信號，將這些信號傳送給人腦，人腦把這些信號分析 處理傳遞給肌體。如果用機器完成這-過程，計算機相當人的人腦，執(zhí)行機構相當人的肌體，傳感器相當于人的五 官和皮膚。1.1.1傳感器的定義廣義：傳感器是-種能把特定的信息（物理、化學、生物）按i定規(guī)律轉換成某種可用信 號的輸出器件和裝置。狹義：能把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件。國家標準對傳感器定義是：能夠感受規(guī)定的被測量并按照定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件和裝置以上定義衣明傳感器有以下含義：1、它是由敬感元件和轉換元件構成的檢測裝置；2、能按-定規(guī)律將被測量轉換成電信號輸出：3、傳感器的輸出

2、與輸入之間存在確定的關系；按使用的場合不同又稱為：變換器、換能器、探測器1.1.2傳感器的組成傳感器由敬感元件、轉換元件、基本電路三部分組成:圖示：被測量敏感原件轉換原件-基本電路電量輸出電容式壓力傳感器 壓電式加速度傳感器 電位器式壓力傳感器1.1.3傳感器的分類1）按傳感器檢測的范疇分類：生物量傳感器、化學量傳感器、物理量傳感器、2）按輸入量分類：速度、位移、角速度、力、力矩、壓力、流速、液面、溫度、濕度3按傳感器的輸出信號分類：模擬傳感器 數(shù)字傳感器4）按傳感器的結構分類：結構型傳感器、物性型傳感器、復合型傳感器5）按傳感器的功能分類：智能傳感器、多功能傳感器、單功能傳感器6）按傳感器的

3、轉換原理分類：機一電傳感器、光一電傳感器、熱一電電傳感器、磁一電傳 感器電化學傳感器。7）按傳感器的能源分類：有源傳感器、無源傳感器國標制定的傳感器分類體系農將傳感器分為：物理量、化學雖、生物類傳感器三大門類；1.2傳感器的地位與作用在展礎學科研究中.傳感器更有突出的地位。宏觀上的茫茫宇宙、微觀上的粒了世界、長 時間的天體演化、短的瞬間反應。超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、弱磁場 等極端技術研究。傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的先驅?，F(xiàn)代丄業(yè)牛.產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都需要用各種傳感器監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程的各個參數(shù)，是保證產(chǎn)品達到最好的質量，二是保證設備工作在最

4、伐狀態(tài)。傳感器是自 動控制系統(tǒng)的關鍵展礎器件，直接影響到自動化技術的水平。傳感器具有以下作用（1）測雖與數(shù)據(jù)采集（2）檢測與控制（3）診斷與監(jiān)測（4）輔助觀測儀器（5 ）資源探測（6）環(huán)境保護（7）醫(yī)療衛(wèi)生（8）家用電器目前傳感器總的發(fā)展趨勢是：（1）發(fā)現(xiàn)、利用新效應：（2）開發(fā)新材料：（3）提高傳感器性能和檢測范圍（4）微型化與 微功耗（5）集成化與多功能化；（6）傳感器的智能化；（7）傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡化。箒二章感器的特性與定快信一 入董X隨t快化考出的特性即隨化的特性；慢信 一 入X靜或化極慢的信號研究靜特性，即不隨 化的特性"2感器的靜特性當入童（X）靜（常量）或化慢的信號

5、（如境溫度、力），感器的靜特性，入出關系稱靜特性"靜特性包括：性度、滯、重復性、靈敏度、定性“非性差是以合直作基準直算出來的，基準不同，算出來的性度也不相同。因此，在提到性度或非性差，必明其依據(jù)了怎的基本直。臺直的幾種常方法有：1）理 性度2）最佳平均直與獨立性度；3）端點直和端點性度；4）端點直平移；5）最小二乘法直和最小二乘法性度2.1.2 靈敏度性感器的校準的斜率就是靜靈敏度，它是感器的出董化和入丘化之比。生滯差的原因：指反映了感器的機械部件和構材料等存在的，如承摩擦、灰 塞、隙不適當、螺 松、元件磨（或碎裂）以及材料的內部摩擦等，滯的大小通常由整個 范內的最大滯max與理 量

6、程出之比的百分數(shù)表示入與出之存在的差異就是率，稱率響；瞬響）;特性是感器出 化的入童的響特性，差！入信號按正弦化，分析 特性的相位、振幅、 入信號 化，感器隨 化程行分析，稱 響（響是指數(shù)函數(shù)，出曲成指數(shù)化逐達到定；因 性存在出不能立刻達到定，理上t-oo才能達到定，當t-r即達到定的63.2%,可 常數(shù)t越小越好，是反映一感器的重要參數(shù)；運用t-4 t工程上 巳達到定；由曲看出它與 溫相似，所以 溫是典型的一系。一系在常數(shù)r才近似宰系特性，A（3”kg（s”0;出y（t）反映入x（t）化；當cu -1/ r ,感器靈敏度下隆了3dB,如果靈敏度下降到3db的率工作率上限，：上限率sH-l/

7、t ,所以常數(shù)r越小，coH越高工作率越,響越好；一系的響主要取決干 常數(shù)t ,減少t可改善感器的率特性，加快響超根據(jù)阻尼比E大小可分四種情況 ：L E -0.阻尼，等幅振，生自激永達不到定；2. E <1,欠阻尼.衰減振，達到定 隨E下隆加；3. E -1,界阻尼，響 最短；4.E>1,阻尼，定。二 感器的 特性主要取決于感器的固有率n和阻尼系數(shù)影響感器 特性的主要參數(shù)是：常數(shù)r, r越小響越快，越；感器固有率co n ,在（35） cd （信號）；阻尼比E ,在0.60.8,原是沖不太大，定不太。影響感器特性的主要參數(shù)：常數(shù)r , r越小響越快，越；感器固有率con ,在（35

8、）co（信號）；阻尼比E ,在0.60.8,原是沖不太大，定不太。第三章傳感器中的彈性敬感元件設計變形:物體在外力作用下改變原來的尺寸或形狀的現(xiàn)象。彈性變形：如果外力去掉后物體能夠完全恢復原來的尺寸和形狀的變形。彈性元件：具有彈性變形特性的物件彈性敬感元件是通過物體彈性變形這特性，把力、力矩或壓力轉換成為相應的應變或位移，然后配合其它各種形式的傳感元件，將被測力、力矩或壓力轉換成電量的i種元件。彈性元件的分類：根據(jù)彈性元件在傳感器中的作用，基本上分為兩種類型：彈性敬感元件、彈性 支承3.1.1彈性特性作用在彈性敬感元件上的外力與該外力引起的相應變形（應變、位移式轉角）之間的關系稱為彈性元件的彈

9、性特性。彈性特性可由剛度或靈敬度來表示。剛度可以反映元件抵抗彈性變形能力的強弱。二、靈敬度靈敬度就是單位力作用下產(chǎn)生變形的人小彈性元件上載荷發(fā)生改變時，相應的變形往往不能立即完成，而繪在一個時間間隔內逐漸完成，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。3.1.2 彈性滯后對彈性元件進行加載，可繪制條彈性特性曲線，然后卸載，可繪制另-條彈性特性曲線。兩條曲線往往并不重合，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后。彈性變形之差，叫做彈性敏感元件的滯后誤 差。彈性敏感元件材料基本要求：（1）彈性滯后和彈性后效要?。海? ）彈性模量的溫度系數(shù)要 ?。海?）線膨脹系數(shù)耍小且穩(wěn)定：（4）彈性極限和強度極限要高；（5）具有良好的穩(wěn)定性和 耐腐蝕性

10、：（6）具有良好的機械加工和熱處理性能。幾個概念：應力：物體由于外因（受力、溫度、濕度等變化等）而變形時，在物體內各部分之間產(chǎn)生相互作用的內力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復到變形前 的位置。在所考察的截面某一點單位面積上的內力稱為應力。撓度：彎曲變形時橫截而形中心沿與軸線垂直方向的線位移稱為撓度，用y表示。簡言之就是指梁、桁架等受彎構件在荷載作用下的最人變形，通常指豎向方向y軸的，就是構件的豎向變形。撓度與荷載大小、構件截面尺寸以及構件的材料物理性能有關。轉角：彎曲變形時橫截而相對其原來的位置轉過的角度稱為轉角。應變：物體受力產(chǎn)生變形時，體內各點處變形程度一般各不相同，

11、用以描述一點處變形的程度的力學雖是該點的應變。線應變：在直角坐標中所取單元體為正六而體時，三條相互亞口的棱邊的長度在變形前后的改變量與原長之比，定義為線應變，用£表示。一點在 x、y、z方向的線應變分別為£ X、 £y、e z。線應變以伸長為正，縮短為負。£ -圓柱應變的-般農達式及其含義：AE圓柱內各點的應變人小決定于圓柱的靈敏度結構系數(shù)、橫截而積、材料性質和圓柱所*受的力，而 與圓柱的長度無關。3.3.4 平膜片圓形膜片分為平而膜片和波紋膜片兩種。在相同壓力情況下，波紋膜片可產(chǎn)生較人的撓度切向應變在圓板中心（r-0）處，切向應力與徑向應力相等，切向應

12、變與徑向應變相等，而且具有正的 最人值。在圓板的邊緣（r-a）處，切向應力、徑向應力和徑向應變都達到負的最人值，而切 向應變?yōu)榱恪?.3.5波紋管波紋管是種表面上有許多同心環(huán)狀波形皺紋的薄壁圓管。在軸向力或流體壓力的作用下，波紋管產(chǎn)生伸長或縮短，從而把軸向力（或壓力）變換為位移。金屬波紋管軸向容易變形，也就是說靈敬度非常好。在變形量允許范圉內，壓力（或軸向力）的人小與伸縮量成線性關系。怎樣測雖波紋管是種表面上有許多同心環(huán)狀波形皺紋的薄壁圓管。在軸向力或流體壓力的作用下，波紋管產(chǎn)生伸長或縮短，從而把軸向力（或壓力）變換為位移。金屬波紋管軸向容易變形，也就是說靈敬度非常好。在變形量允許范圉內，壓力

13、（或軸向力）的人小與伸縮量成線性關系。第四章電阻應變式傳感器應變式傳感器特征：主要優(yōu)點，使用簡單、精度高、范圉人體積小。缺點，電阻、半導體會隨溫度變化。不同材料類型，金屬應變片、半導體應變片：4.1電阻應變片的工作原理將電阻應變片粘貼在彈性元件特定農面上，當力、 扭矩、速度、加速度及流呈等物理呈作用 于彈性元件時，會導致元件應力和應變的變化，進而引起電阻應變片電阻的變化。電阻的變化經(jīng)電路處理后以電信號的方式輸出，這就是電阻應變式傳感器的工作原理。電阻應變效應電阻應變片簡稱應變片，是一種能將試件上的應變變化轉換成電阻變化的傳感元件，其轉換原理是基于金屬電阻絲的電阻應變效應。所謂電阻應變效應是指金

14、屬導體（電阻幺幺）的電阻值隨變形（伸長或縮短）而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。原因：因為金屬絲的電阻與材料的電阻率與 其幾何尺寸有關，而金屬絲在承受機械變形的過 程中，它們都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻變化。敬感柵應變計中實現(xiàn)應變電阻轉換的敬感元件。敏感柵合金材料的選擇對所制造的電阻應變計性能的好壞起著決定性的作用?；滓灰还潭舾袞?，并使敬感柵與彈性元件相互絕緣；應變計工作時，基底起著把試件應變準確地傳遞給敬感柵的作用，為此基底必須很薄，一般為0.020.04mm。常用的基底材料有紙、膠膜和玻璃纖維布。引線一一連接敏感柵和測量線路的效狀或帶狀的金屬導線。一般要求引線材料具有低的穩(wěn)定的電阻率及小

15、的電阻溫度系數(shù)。蓋片一一保護敏感柵使其避免受到機械損傷或防止高溫氧化。粘結劑一一在制造應變計時，用它分別把蓋層和敬感柵固結于基底：在使用應變計時，用它把應變計基底再粘貼在試件農面的被測部位，因此它也起著傳遞應變的作用。4.2.2電阻應變片的種類及特點1- 電阻線式應變片電阻幺幺式應變片的敬感元件是幺幺柵狀的金屬幺幺，它可以制成U型、V型和H型等多種形狀電阻幺幺式應變片因使用的基片材質又可以分為紙基、紙浸膠基和膠基等種類。2- 箔式應變片箔式應變片的工作原理和結構與絲式應變片基本相同，但制造方法不同。它采用光刻法代 替絲式應變片的繞線工藝。3- 半導體式應變片半導體式應變片的使用方法與金屬電阻應

16、變片相同，即粘貼在彈性元件或被測體上，隨被測試 件的應變其電阻值發(fā)生相應變化。半導體式應變片的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。4.2.3金屬應變片的參數(shù)1-幾何尺寸2-電阻值R 3.最大工作電流4絕緣電阻5相對靈敏系數(shù)應變計的靈敬系數(shù)宜接關系到應變測量的精度。K值通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下通過實測確定一一即應變計的標定 ，故K又稱標定靈敏系數(shù)。規(guī)定條件是： 試件材料取泊松比P -0.285的鋼；試件單向受力；應變計軸向與主應力方向一致。6橫向效應將直的電阻幺幺繞成敬感柵之后，雖然長度相同，但應變狀態(tài)不同，其靈敬系 數(shù)降低了。這種現(xiàn)象稱橫向效應。7機械滯后、零漂和蠕變機械滯后

17、就是循環(huán)加戦時，加栽特性與卸載特性不重合的現(xiàn)象，稱為機械滯后。產(chǎn) 生的原因主要是敬感柵、基底和粘合劑在承受機械應變以后所留下的殘余變形。粘貼在試件上的應變片，在溫度保持恒定沒有機械應變的情況下，電阻值隨時間變 化的特性稱為應變片的零漂。粘貼在試件上的應變片，溫度保持恒定，在承受某一恒定的機械應變，其電阻值隨 時間變化而變化的特性稱為應變片的蠕變。8-應變極限應當知道，應變計的線性（靈敬系數(shù)為常數(shù)）特性，只有在一定的應變限度范圍內 才能保持。當試件輸入的真實應變超過某一限值時，應變計的輸出特性將出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達到10%時的真實應變值，稱為應變極限，用表示。應變片的粘貼工藝

18、：應變片的檢查外觀、電阻值修整應變片應變片的粘貼通常包括下列工藝流程：農面處理（研磨 及淸洗）一彈性體上底膠（涂覆或浸漬）一底膠固化一粘貼應變片一粘貼固化一上防潮層一粘貼質量檢查（外觀、電阻值、 絕緣電阻）。引出線的固定保護4.3.1應變波的傳播過程1- 應變波在試件材料中的傳播2- 應變波在粘帖層和應變片基片中的傳播r由于粘接層和基片的總耳度非常小，所以它的傳播時間是極短的，可以忽略不計。3- 應變波在應變片基長內的傳播由于應變片所測得的應變是被測構件在基長內的平均應變值，因此，只有在應變波通過應變片敬感柵的全部長度后，應變片所反映的波形幅值才能達到最大值。電橋平衡時的條件為交流電橋平衡條件

19、為：相對橋臂阻抗模之積相等，相對橋臂阻抗幅角之和相等。一般消除非線性誤差的方法有以下幾種：1- 采用差動電橋如果兩個應變片同時參與測量，則稱為半橋測量。自然，讓四個橋骨都由應變片組成，且都產(chǎn)生適當?shù)碾娮枳兓?，即為全橋測量。利用橋路中電阻變化的特點，可使橋路形成差動電橋 （半橋或全橋）。2- 采用高內阻的恒流源電橋產(chǎn)生非線性的原因之一是在工作過程中通過橋臂的電流不恒定，因此，有時用恒流源給橋路供電。采用恒流源比采用恒壓源的非線性誤差減小-倍。一般半導體應變片的橋路都采用恒流源供電。4.5.2溫度補償法一、橋路補償法補償原理：橋路相臨兩臂增加相同電阻，對電橋輸出無影響。二、應變片自補償法粘貼在彼測

20、部位上的是-種特殊應變片，當溫度變化時，產(chǎn)生的附加應變?yōu)榱慊蛳嗷サ?消，這種特殊應變片稱為溫度自補償應變片。利用溫度自補償應變片來實現(xiàn)溫度補償?shù)姆椒ǚQ 為應變片自補償法。三、熱敬電阻補償法熱敬電阻Rt與應變片處在相同的溫度下，當應變片的靈敬度隨溫度升高而下降時，熱敬 電阻的阻值下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋的輸出電壓。選則分流電阻的值可以得到很好的補償。第五章電容式傳感器槪念：電容式傳感器是將被測非電量的變化轉換為電容量變化的種傳感器。5.1電容式傳感器基本工作原理：電容式傳感器是-個具有可變參數(shù)的電容器。多數(shù)場合下，電容是由兩個金屬平行極板組成，并且以空氣為介質電容式傳

21、感器可分為變 極距型、變而積型和變介質型三種類型。（1）差動變間隙式的電容傳感器在差動式電容傳感器中， 其中電容器C1的電容隨位移 d的減小而增人時，另一個電容 器C2的電容則隨著 d的增人而減小。差動式比單極式靈敬度提高一倍，且非線性誤差大為減小。由于結構上的對稱性，它還 能有效地補償溫度變化所造成的誤差。（2）固定介質與可變間隙式電容傳感器減小極間隙可捉高靈敬度，但易擊穿。為此，經(jīng)常在兩極板間加-層云母或塑料等介 質，以改變電容的耐壓性能。由此構成如圖所示的固定介質與可變間隙式電容傳感器。（1）線位移式電容傳感器極板起始覆蓋面積為 A-aX b,沿活動極板寬度方向移動a.則改變了兩極板間覆

22、蓋的面積，忽略邊緣效應，改變后的電容雖為靈敬度系數(shù)KC為常數(shù)，可見減小極板起始覆蓋長度a可提高靈敏度，而極板的寬度b與靈敬度KC無關。但3不能人小，必須保證a>>d ,否則邊緣處不均勻電場的影響將增大。平板式極板作線位移最大不足之處處對移動極板的平行度要求高，稍有傾斜會導致極距d變化，影響測量精度。因此在般的情況下，變面積式的電容傳感器常作成圓柱式的。< 2）圓柱式線位移電容傳感器在不計邊緣效應影響時，圓柱式的電容器的電容量:式中 1 外圓柱筒與內圓柱重疊部分長度：r2外圓柱內徑：rl 內圓柱外徑。綜合上述分析，變面積式電容傳感器不論彼測量是線位移還是角位移，位移與輸出電容

23、都為線性關系（忽略邊緣效應），傳感器靈敏系數(shù)為常數(shù)。5.3影響電容傳感器精度的因素及捉高精度的措施5.3.1邊緣效應的影響邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敬度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應的影 響，可以采用帶有保護環(huán)的結構。保護環(huán)與定極板同心.電氣上絕緣且間隙越小越好，同 時始終保持等電位，以保證中間各個區(qū)得到均勻的場強分布，從而克服邊緣效應影響。為減小極板耳度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂層金屬膜作 為極板。5.3.2 寄生電容的影響電容式傳感器測量系統(tǒng)寄生參數(shù)的影響， 主要是指傳感器電容極板并聯(lián)的寄生電 容的影響。由于電容傳感器電容量很小，寄生電容就要相對

24、人得多，往往使傳感器不能正常 使用。消除和減小寄生電容影響的方法可歸納為以下幾種：1-縮小傳感器至測量線路前置極的距離；2驅動電纜法；3.整體屏蔽法5.3.3溫度影響1. 對結構尺寸的影響在傳感器各零件材料線性 從而產(chǎn)生很人的溫度誤如電極的支架選用陶由于電容式傳感器極間隙很小而對結構尺寸的變化特別敏感。 膨脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導致極間隙較人的相對變化, 差。為減小這種誤差，應盡星選取溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料, 瓷材料，電極材料選用鐵銀合金。近年來又釆用在陶瓷或石英上進行噴鍍金或銀的工藝。2. 對介質介電常數(shù)的影響溫度對介電常數(shù)的影響隨介質不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)

25、近似為零。而某些液體介質，如硅油、崑麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較人。例如煤油的介電常 數(shù)的溫度系數(shù)可達0.07 %°C；若環(huán)境溫度變化土 50°C,則將帶來7%的溫度誤室,故采用此 類介質時必須注意溫度變化造成的誤差。第六章電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應原理，將彼測的物理量如位移.壓力、流崑 振動等轉換成線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)由非電量到電量轉換的裝置。 彼測非電量一電磁感應一一白感系數(shù) L （互感系數(shù)M） 測雖電路定義：將非電量轉換成自感系數(shù)變化的傳感器通常稱為自感式傳感器（又稱電感式傳感器） 而將

26、非電量轉換成互感系數(shù)變化的傳感器通常稱為互感式傳感器（又稱差動變壓器式傳感 器）o電感式傳感器種類很多，本章主要介紹自感式、互感式和渦流式三種傳感器。6.1.1電感傳感器的工作原理和等效電路1. 工作原理電感傳感器有銜鐵、鐵芯和匝數(shù)為W的線圈三部分構成。鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙耳度為：傳感器運動部分與銜鐵相連，銜鐵移動時發(fā)生變化引起碗路的碗阻變化，使電芯線圈的電感值L變化；只要改變氣隙厚度或氣隙截面積就可以 改變電感。2、等效電路電感傳感器是一個帶鐵芯的可變電感，由于線圈的銅耗、鐵芯的渦流損耗、磁滯損耗以及分 布電容的影響，它并非呈現(xiàn)純電感。等效電路如圖所示，其中L為電感，Rc為銅損電阻，Re電渦 流損耗電阻，磁滯損耗電阻Rh, C為傳感器等效電路的等效電容。等效電容C主耍是由線圈繞組的 固有電容和電纜分布電容引起。電纜長度的變化，將引起C的變化。當電感傳感器確定后，這些 參數(shù)即為已知雖。6.1.2 H感式傳感器的結構類型及特性常見的自感式傳感器有變間隙式、變而積式和螺線管式三類。6.1.3 電感傳感器的測呈電路電感傳感器最常用的測量電路是交流電橋式測量電路，它有三種基本形式，即電阻平衡臂電 橋、變壓器電橋、緊耦合電感比例臂電橋。6.2 差動變壓器式電感傳感器差動變壓器本身