傳感器的主要知識點(diǎn)

..緒論傳感器的定義、組成、分類、開展趨勢能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成。如果傳感器信號經(jīng)信號調(diào)理后，輸出信號為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號〔0~10mA,4~20mA;0~2V,1~5V;…〕，通常稱為變送器，分類：按照工作原理分，可分為：物理型、化學(xué)型與生物型三大類。物理型傳感器又可分為物性型傳感器和構(gòu)造型傳感器。按照輸入量信息：按照應(yīng)用圍：傳感器技術(shù):是關(guān)于傳感器的研究、設(shè)計(jì)、試制、生產(chǎn)、檢測和應(yīng)用的綜合技術(shù).開展趨勢:一是開展根底研究，探索新理論，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；二是實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化、多功能化與智能化。1．發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象；2．創(chuàng)造新材料；3．采用微細(xì)加工技術(shù)；4．智能傳感器；5．多功能傳感器；6．仿生傳感器。信息技術(shù)的三大支柱現(xiàn)在信息科學(xué)〔技術(shù)〕的三大支柱是信息的采集、傳輸與處理技術(shù)，即傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。課后習(xí)題1、什么叫傳感器，它由哪幾局部組成？它們的作用與相互關(guān)系？傳感器(transducer/sensor)：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置〔國標(biāo)GB7665—2005〕。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件：指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量并輸出與被測量成確定關(guān)系的其他量(一般為非電量)局部。轉(zhuǎn)換元件：指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的可用輸出信號(一般為電信號)局部。信號調(diào)理電路(Transductioncircuit)：由于傳感器輸出電信號一般較微弱，而且存在非線性和各種誤差，為了便于信號處理，需配以適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理電路，將傳感器輸出電信號轉(zhuǎn)換成便于傳輸、處理、顯示、記錄和控制的有用信號。傳感器的一般特性傳感器的根本特性動態(tài)特性靜態(tài)特性衡量傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)測量圍、量程線性度傳感器靜態(tài)特性曲線及其獲得的方法傳感器的靜態(tài)特性曲線是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)展校準(zhǔn)的。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件〔傳感器校準(zhǔn)時(shí)，包括零點(diǎn)在的壓力校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)K不應(yīng)少于6點(diǎn)，校準(zhǔn)的循環(huán)次數(shù)R不應(yīng)少于3次。校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)和校準(zhǔn)循環(huán)數(shù)的多少取決于被校傳感器的精度和使用要求，通常K=6～11，R=3～5。每次校準(zhǔn)共可獲得2RK個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。正行程校準(zhǔn)曲線、反行程校準(zhǔn)曲線，傳感器的校準(zhǔn)曲線。經(jīng)校準(zhǔn)的傳感器，應(yīng)給出特性方程、線性、遲滯、重復(fù)性以及精度值?！?〕最小二乘法擬合直線2〕端點(diǎn)法擬合直線靈敏度分辨率、分辨力遲滯重復(fù)性1〕2〕精度精度等級思考題與習(xí)題1、傳感器的定義、組成、分類、開展趨勢。2、何為傳感器的根本特性3、傳感器的靜態(tài)特性是如何定義的，其主要技術(shù)指標(biāo)由哪些？如何測出它們的數(shù)據(jù)？4、某傳感器的給定精度為2%F.S。11、某壓力傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1-5所示。壓力/Mpa第一次循環(huán)〔mV〕第二次循環(huán)〔mV〕第三次循環(huán)〔mV〕第一正第一反第二正第二反第三正第三反0-2.73-2.71-2.71-2.68-2.68-2.690.020.560.660.610.680.640.690.043.964.063.994.094.034.110.067.47.497.437.537.457.520.0810.8810.9510.8910.9310.9410.990.114.4214.4214.4714.4714.4614.46線性度、重復(fù)性、遲滯按照書中公式計(jì)算即可。主要習(xí)題：第一章1、2、3、5，11第二章1、2、5、6、7、10、11第三章1、3第四章1、2第五章1、3、12、13、14第七章1、2、3、5、6、9、11、13、14、16、21、24第2章電阻應(yīng)變式傳感器工作原理：電阻應(yīng)變式傳感器的根本原理是將被測非電量轉(zhuǎn)換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電阻值，再通過測量此電阻值到達(dá)測量非電量的目的。金屬電阻應(yīng)變式傳感器1.電阻—應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將相應(yīng)地發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬導(dǎo)體的電阻—應(yīng)變效應(yīng)。概念：軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、微應(yīng)變〔〕應(yīng)變靈敏系數(shù)金屬導(dǎo)體的靈敏系數(shù)與半導(dǎo)體的靈敏系數(shù)的區(qū)別。2.應(yīng)變片概念：應(yīng)力應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系E試件材料的彈性模量。應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片由敏感柵、基底、蓋片、引線和粘結(jié)劑組成。根據(jù)敏感柵材料形狀和制造工業(yè)的不同，應(yīng)變片的構(gòu)造形式有金屬絲式、箔式和金屬薄膜式三種類型。3.金屬電阻應(yīng)變片的主要特征〔1〕應(yīng)變片的電阻值，已標(biāo)準(zhǔn)化?！?〕絕緣電阻〔3〕靈敏系數(shù)〔4〕允許電流〔5〕橫向效應(yīng)與橫向靈敏系數(shù)〔6〕機(jī)械滯后〔7〕應(yīng)變極限〔8〕零漂和蠕變〔9〕動態(tài)特性4.溫度誤差及補(bǔ)償〔1〕引起溫度誤差的主要因素〔2〕溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?.測量電路對于等臂電橋〔2-36，37〕單臂橋的非線性誤差6．金屬電阻應(yīng)變片的應(yīng)用——電阻應(yīng)變式傳感器〔1〕電阻應(yīng)變式力傳感器柱〔筒〕式力傳感器懸臂梁式力傳感器等截面懸臂梁等強(qiáng)度懸臂梁薄壁圓環(huán)式力傳感器輪輻式力傳感器軸剪切力傳感器〔2〕電阻應(yīng)變式壓力傳感器筒式壓力傳感器膜片式壓力傳感器組合式壓力傳感器〔3〕電阻應(yīng)變式加速度傳感器〔4〕電阻應(yīng)變式加速傳感器應(yīng)用例如半導(dǎo)體應(yīng)變片及壓阻式傳感器半導(dǎo)體片壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體晶體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化的"壓阻效應(yīng)〞(piezoresistiveeffct)。半導(dǎo)體應(yīng)變片有兩種制作方法：體型半導(dǎo)體應(yīng)變片擴(kuò)散硅應(yīng)變片壓阻式傳感器壓阻式傳感器依然是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，在半導(dǎo)體材料底片上選擇一定的晶向位置，利用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，作為測量傳感器元件，基片直接作為測量敏感元件〔甚至有的可包括某些信號調(diào)理電路〕，也稱為擴(kuò)散型壓阻式傳感器或固態(tài)壓阻式傳感器。壓阻式壓力傳感器h=50~500,,壓阻式加速度傳感器為了保證輸出線性度，懸臂梁根部的應(yīng)變不要超過400~500。應(yīng)用例如電位計(jì)式傳感器思考題與習(xí)題何為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？用應(yīng)變片測量時(shí)，為什么必須采取溫度不成措施？有何種溫度補(bǔ)償方法？一個應(yīng)變片的電阻值，K=2.05，用作應(yīng)變800的傳感原件。求與；=2.05*800*10-6==R=120=假設(shè)電源電壓，求其惠斯通電橋的非平衡輸出電壓。一試件的軸向應(yīng)變?yōu)?.0015，表示多大微應(yīng)變？該試件的軸向相對伸長率為百分之幾？假設(shè)惠斯通直流電橋的橋臂1是一個120Ω的金屬電阻應(yīng)變片〔K=2.00，檢測用〕，橋臂1的鄰臂3是用于補(bǔ)償?shù)耐惻蔚膽?yīng)變片，橋臂2和橋臂4是120歐姆的固定電阻。流過應(yīng)變片的最大電流為30mA.畫出該電橋電路，并計(jì)算最大直流供電電壓。Uim=〔120+120〕3010-3=7.2V假設(shè)粘在鋼梁〔E=2.11011N/m2〕上，而電橋由5V電源供電，是問當(dāng)外加負(fù)載時(shí)，電橋的輸出電壓時(shí)多少？假定校準(zhǔn)電阻與橋臂1上未加負(fù)荷的應(yīng)變片并聯(lián)，試計(jì)算為了產(chǎn)生于鋼梁加載一樣輸出電壓所需要的標(biāo)準(zhǔn)電阻值。第3章電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測非電量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化量，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的一種裝置。被測量→自感L(互感M)→Uo(Io)電感式傳感器分類：〔1〕自感式傳感器(電感式傳感器)：氣隙型、螺管型兩種構(gòu)造;〔2〕互感式傳感器：差動變壓器式傳感器、〔3〕電渦流式傳感器氣隙型電感式傳感器〔3-4〕〔3-12〕差動變隙式電感傳感器的優(yōu)點(diǎn):(1)差動式電感傳感器的靈敏度比單線圈電感傳感器提高一倍；(2)差動式電感傳感器的非線性失真小。螺管式電感傳感器〔3-25〕電感靈敏度：〔3-30〕差動構(gòu)造：當(dāng)品質(zhì)因數(shù)較大時(shí)，〔3-49〕阻抗：電感線圈的等效電路〔3-36〕第四章電容式傳感器電容式傳感器：以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。被測量→〔△d，△S，△ε〕→△C1.平行板電容器：2.電容式傳感器的根本類型：即變間隙(d)型、變面積(S)型和變介電常數(shù)(ε)型。電極形狀有平板形、圓柱形和球形三種。2.圓筒電極電容3.電路電橋雙T第五章壓電傳感器壓電式傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為根底的有源傳感器。5.1壓電傳感器的工作原理1.壓電效應(yīng)(Piezoelectric-effect)〔1〕正壓電效應(yīng)〔順壓電效應(yīng)〕某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定外表上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率一樣；當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于外表漏電而很快泄漏、消失?！?〕逆壓電效應(yīng)當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(加電壓)作用時(shí)，這些電介質(zhì)晶體會在一定的晶軸方向產(chǎn)生機(jī)械變形，外加電場消失，變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)(電致伸縮)。2壓電方程或并聯(lián)接法輸出電荷量大、電容大、時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測量慢信號并且以電荷作為輸出量的情況。串聯(lián)接法輸出電壓大、電容小，適宜用于以電壓作為輸出信號、并且測量電路輸入阻抗很高的情況。壓電元件一般采用兩片或兩片以上壓電片組合使用。由于壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種：并聯(lián)連接和串聯(lián)連接。5.2壓電材料壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體〔單晶體〕、壓電瓷〔多晶體〕壓電晶體：〔1〕石英；〔2〕水溶性壓電晶體壓電瓷：〔1〕鈦酸鋇壓電瓷；〔2〕鋯鈦酸鉛系(PZT)〔3〕鈮酸鹽系壓電新材料：二氟乙烯〔PVDF〕高分子材料壓電傳感器的前置放大器由兩種形式：一種是電壓放大器；一種是電荷放大器。第七章熱電勢傳感器熱電式傳感器是利用某種材料或元件與溫度有關(guān)的物理特性，將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置或器件。溫度→電信號〔電阻、電壓、電流等〕分類：熱電偶：將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化。熱電阻：將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化。PN結(jié)型溫度傳感器：PN結(jié)電壓-溫度效應(yīng)。原理：利用物質(zhì)的電阻率隨溫度變化的特性制成的電阻式測溫系統(tǒng)。溫度變化→電阻變化包括：7.1熱電阻金屬熱電阻〔鉑熱阻、銅熱阻等〕：用純金屬熱敏元件制成。半導(dǎo)體熱敏電阻〔PTC、NTC、CTR〕：用半導(dǎo)體材料制成。金屬熱電阻1.鉑熱電阻〔WZP〕鉑電阻作為-259.34～630.74℃常見的構(gòu)造〔1〕直徑0.02～0.07mm鉑絲繞在云母片等絕緣骨架上，然后裝入保護(hù)套管，接出銀制引線；〔2〕鉑膜電阻:采用真空鍍膜方法制造薄膜電阻。百度電阻比W(100)表示鉑的純度W(100)=R100/R0式中，R100—100℃時(shí)的電阻值；R0—0鉑電阻絲純度越高，測溫精度也越高?；鶞?zhǔn)鉑熱電阻：W(100)≥1.39256，純度99.9995％，精度：0.001℃～工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)熱電阻：W(100)≥1.391，精度：200℃～0℃，0℃～100℃，100℃～650℃，(0.5鉑電阻的分度號Pt50,Pt100。2.銅熱電阻〔WZC〕百度電阻比W(100)≥1.425分度號：Cu100(R0100=100Ω)，Cu50(R0=50Ω)測溫圍和應(yīng)用：50℃～100℃3.測量電路消除導(dǎo)線電阻的影響，一般采用三線或四線電橋連接法。半導(dǎo)體熱敏電阻正溫度系數(shù)(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)〔NTC〕、臨界溫度系數(shù)〔CTC〕一定溫度圍，為一條指數(shù)曲線T0=20℃(=293K)→R0=R20，額定電阻；T1=100℃(=373K)標(biāo)稱電阻值RH：〔25±0.2℃7.2PN結(jié)型溫度傳感器1.二極管溫度傳感器2.晶體管溫度傳感器3.集成溫度傳感器分類：按輸出信號分為：〔1〕電壓型：三線制，ku=10mV/℃，LM34/35，LM135/235，TMP35/36?！?〕電流型，兩線制，kI＝1μA/K，AD590/592，LM134/234?！?〕數(shù)字型18B207.3熱電偶熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電式傳感器。用于測量100～1300℃圍的溫度。熱電效應(yīng)：將兩種不同的導(dǎo)體〔金屬或合金〕A和B組成一個閉合回路〔稱為熱電偶〕，假設(shè)兩接觸點(diǎn)溫度(T、T0)不同，那么回路中有一定大小電流，說明回路中有電勢產(chǎn)生，該現(xiàn)象稱為熱電動勢效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。回路中的電勢稱為熱電勢或塞貝克電勢，用EAB〔T，T0〕表示。導(dǎo)體A、B稱熱電極，一個接點(diǎn)為測量端〔熱端或工作端〕，放入被測溫度T中，另一個接點(diǎn)為參考端〔冷端或自由端〕，置于某一恒定溫度T0中。溫差越大，熱電勢越大。熱電勢由兩局部組成：接觸電勢，溫差電勢熱電偶的根本定律1.均質(zhì)導(dǎo)體定律要求熱電極材質(zhì)均勻，防止熱電極上各點(diǎn)溫度不同產(chǎn)生附加電勢。2.中間導(dǎo)體定律熱偶回路斷開接入第三種勻質(zhì)導(dǎo)體C，假設(shè)C兩端溫度一樣，那么回路熱電勢不變。這為熱電勢的測量〔接入儀表〕奠定理論根底。3.中間溫度定律4.標(biāo)準(zhǔn)〔參考〕電極定律：用于確定各種材料熱電勢熱電偶的種類和構(gòu)造國際電工委員會〔IEC〕向世界各國推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,它已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中,具有統(tǒng)一的分度表。我國從1988年開場采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶。分度表熱電偶的構(gòu)造：(1)普通型熱電偶一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。(2)鎧裝型熱電偶由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體。它可以做得很細(xì)很長,使用中隨需要能任意彎曲。主要優(yōu)點(diǎn)是測溫端熱容量小,動態(tài)響應(yīng)快,機(jī)械強(qiáng)度高,撓性好,可安裝在構(gòu)造復(fù)雜的裝置上。(3)薄膜熱電偶熱電偶的冷端處理及補(bǔ)償延長導(dǎo)線利用補(bǔ)償導(dǎo)線代替熱電極，引到溫度較穩(wěn)定的T0端測試。使冷端遠(yuǎn)離熱端。要求：在一定的溫度圍，補(bǔ)償導(dǎo)線與配對的熱電偶具有一樣或相近的熱電特性。冷端補(bǔ)償，其補(bǔ)償方法：1.0℃將熱電偶冷端置于冰水混合物的0℃冷端溫度修正法〔1〕熱電勢修正法利用中間溫度定律〔2〕溫度修正法由實(shí)測熱電勢EAB〔T，Tn〕，查表得T’為儀表指示溫度。3.冷端溫度自動補(bǔ)償法〔1〕電橋補(bǔ)償法〔2〕PN結(jié)冷端補(bǔ)償〔3〕AD590冷端溫度補(bǔ)償法第八章光電式傳感器光電式傳感器是一種將被測量通過光量的變化再轉(zhuǎn)換成電量的傳感器,它的物理根底是光電效應(yīng).光電式傳感器一般由光源、光學(xué)元件和光電元件三局部組成，光源發(fā)射出一定光通量的光線，由光電元件接收，在檢測時(shí)，被測量使光源發(fā)出的光通量變化，因而使承受光通量的光電元件的輸出電量也做相應(yīng)的變化，最后用光用電量來表示被測量的大小。其輸出的電量可以是模擬量也可以是數(shù)字量。8.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)：指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。包括外光電效應(yīng)〔ExternalPhoto-electriceffect〕、光電效應(yīng)〔internalPhoto-electriceffect〕。光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)〔Photoconductioneffect〕、光生伏特效應(yīng)〔Photo-voltaiceffect〕外光電效應(yīng)在光線的作用下，使物體的電子逸出物體外表的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。h—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率〔s-1〕光電子能否產(chǎn)生，取決于入射光子的能量是否大于該物體的外表電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量缺乏以使物體的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。紅限頻率，紅限波長光電效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體。根據(jù)工作原理的不同，光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。1.光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。為了實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即2.光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光