傳感器知識整理

1、This document produced by 傳感器原理及工程應用一、選擇與判斷第一章 傳感與檢測技術的理論基礎1.測量方法的分類按獲得測量值的方法：直接測量、間接測量、組合測量按測量方式：偏差式測量、零位式測量、微差式測量 按測量條件：等精度測量、不等精度測量 按測量變化快慢：靜態(tài)測量、動態(tài)測量 按是否接觸：接觸式測量、非接觸式測量 按是否向被測對象施加能量：主動式測量、被動式測量 2.測量系統(tǒng)構成：被測對象、傳感器、變送器、傳輸通道、信號處理環(huán)節(jié)、顯示裝置。3.開環(huán)測量系統(tǒng)：全部信息變換只能沿一個方向進行，結構簡單，各環(huán)節(jié)特性的變化都會造成測量誤差。閉環(huán)測量系統(tǒng)：兩個通道：一個正向通

2、道，一個反饋通道，輸入輸出關系由反饋關系決定放大器等環(huán)節(jié)的變化不會造成測量誤差，或者造成誤差很小。4.誤差的表示方法： 5.根據測量數據中誤差所呈現的規(guī)律及產生原因可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差、粗大誤差。6.殘差：標準差：標準差估計值： 算術平均值的標準差：7.正態(tài)分布k=1時；k=3時8.“權”可以理解為各組測量結果相對的可信賴程度，衡量可靠性和可信賴程度。計算各組權時，令最小的權數為1=最大的標準差。9.誤差根源：所用傳感器、測量儀表或組成元件是否準確可靠；測量方法是否完善；傳感器儀表安裝、調整或放置是否正確合理；傳感器或儀表工作場所的環(huán)境條件是否符合規(guī)定條件；測量者操作是否正確。10.確定是

3、否含有粗大誤差的三個準則：準則，肖維勒準則，格拉布斯準則（都是以正態(tài)分布為前提）。第二章 傳感器概述1.傳感器組成：敏感元件、轉換元件、信號調理轉換電路、輔助電源。傳感器相當于人體的感覺器官。2.分類按被測參數（被測量）溫度傳感器壓力傳感器位移傳感器速度傳感器按工作原理應變式傳感器電容式傳感器壓電式傳感器磁電式傳感器 3.傳感器的基本特性靜態(tài)特性：被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出與輸入的關系。動態(tài)特性：輸入量隨時間變化時傳感器的響應特性。 靈敏度： （輸出量增量，輸入量增量）。線性回歸后的函數表達式的斜率就等于靈敏度。線性度：（ ）五種擬合方式：零點擬合、旋零擬合、端點擬合、端點平移擬合、最小二

4、乘法擬合，其中最小二乘法擬合線性度最好，其次端點平移擬合。遲滯：（Hmax：最大遲滯差值）。重復性：或漂移：在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨時間變化，此現象稱為漂移，最常見的是溫漂，此外還有零漂，蠕變。它們都反映傳感器的穩(wěn)定度。第三章 應變式傳感器1.電阻應變片工作原理是電阻應變效應，半導體應變片工作原理是壓阻效應。金屬電阻應變片根據敏感柵的不一樣分為絲式電阻應變片和箔式電阻應變片。2.金屬電阻應變片組成有：敏感柵、基片、覆蓋層、引線等。3.靈敏系數：應變片的靈敏系數K并不等于其敏感柵整長應變絲的靈敏系數K0，一般情況下K<K0。絲式應變片靈敏系數大于箔式應變片的靈敏系數。橫向效應：

5、將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度不變，但應變狀態(tài)不同，應變片敏感柵的電阻變化減小，因而其靈敏系數K較整長電阻絲的靈敏系數K0小，這種現象稱為應變片的橫向效應。箔式應變片橫向效應小于絲式應變片橫向效應，因此它比絲式應變片要好。最大工作電流：已安裝的應變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流Imax，工作電流越大，輸出信號也大，靈敏度越高。絕緣電阻下降，靈敏度降低，使應變片的指示應變產生誤差。4.應變片的溫度誤差及補償：產生溫度誤差原因：電阻溫度系數的影響；試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數的影響。溫度補償方法：線路補償法；應變片自補償法。計算公式：5.測量電路： 圖（a）為半橋差動電路，圖

6、（b）為全橋差動電路。6.應用：柱式力傳感器、環(huán)式力傳感器、懸臂梁式力傳感器。第四章 電感式傳感器1.電感式傳感器主要有：自感式、互感式、電渦流式。2.自感式電感傳感器組成：線圈、鐵芯、銜鐵。（線圈的匝數，線圈總磁鏈，穿過線圈的磁通，氣隙的厚度，氣隙的截面積，空氣的導磁率）3.變氣隙厚度式電感傳感器的L與之間是非線性關系。4.單極式電感傳感器靈敏度為，（）差動變隙式電感傳感器靈敏度，（），與單極式相比線性度明顯改善，靈敏度也提高為原來的2倍。5.零點殘余電壓：傳感器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作。產生原因：由于兩電感線圈的電氣參數及導磁體幾何尺寸不完全對稱，因此在兩電感線圈上的電壓

7、幅值和相位不同，從而形成了零點殘余電壓的基波分量；由于傳感器導磁材料磁化曲線的非線性使得激勵電流與磁通波形不一致，從而形成了零點殘余電壓的高次諧波分量。第五章 電容式傳感器1.電容式傳感器分為：變極距型、變面積型、變介電常數型。變極距型電容式傳感器（非線性）變面積型電容式傳感器（C與水平位移x呈線性關系，）（水平位移，介質相對介電常數，兩級板間距離，兩極板間初始覆蓋面積，角位移）變介電常數型電容式傳感器（線性），（初始電容值，空氣介電常數，被測介質的介電常數，h液面高度，H變換器總高度，d內筒外徑，D外筒內徑）。當插入電介質時（插入介質的相對介電常數），若=1，L=0時，（和分別表示極板的長度

8、和寬度，L第二種介質插入極板間的長度），電容量的變化與電介質的移動量成線性關系。變面積型與變介電常數型只有在不考慮邊緣效應的情況下才是線性的。2.電容式傳感器等效電路：（并聯損耗電阻， 串聯損耗電阻即引線電阻）由等效電路可知，它有一個諧振頻率，通常為幾十兆赫。當工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應該低于諧振頻率，否則電容式傳感器不能正常工作。3.測量電路二極管雙T形交流電橋電路圖：輸出電壓差動式脈沖帶寬調制電路輸出電壓（、：、充電至時所需時間，：觸發(fā)器輸出高電平）變極距型（、分別表示、極板間距離）變面積型第七章 磁電式傳感器1.磁電式傳感器兩種結構變磁通

9、式開磁路（測低速）閉磁路（測高速） 恒磁通式動圈式動鐵式（測勻速） 2.霍爾效應：置于磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上垂直與電流和磁場的方向上將產生電動勢，此現象稱為霍爾效應。為提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。具有霍爾效應的材料：金屬材料，不適合做霍爾元件；半導體材料：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等，其中N型半導體材料（N型鍺、N型硅）做霍爾元件最好。3. 不等位電勢和不等位電阻產生原因：霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。寄生直流電勢產生原因：激勵電極與霍爾

10、電極接觸不良，形成非歐姆接觸，造成整流效果；兩個霍爾電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同，散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。 不等位電勢和不等位電阻還有溫度可以補償，而寄生直流電勢沒法補償。5.霍爾元件測量的物理量有：磁感應強度、有功功率、電能參數、位移等第八章 光電式傳感器1.光電效應分為：外光電效應：光電管、光電倍增管 內光電效應光電導效應：光敏電阻 光生伏特效應A光電池a硅光電池：波長在0.8m附近，對紅外光靈敏。 光譜響應范圍：0.41.2m，硅光電池應用波長范圍很寬。b硒光電池：波長在0.5m附近，對可見光靈敏。 光譜響應范圍：0.380.75m，應用最早。 B光敏二極管 C光敏晶體

11、管 必須具有PN結才可以光生伏特 第九章 半導體傳感器1.氣敏傳感器可以檢測：氣體的類別、濃度、成分。2.半導體氣敏傳感器機理：利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化制成的。組成：敏感元件，加熱器（分為直熱式和旁熱式，旁熱式比直熱式應用普遍），外殼。按工藝分為：燒結型，薄膜型，厚膜型（適合批量生產）。3.露點和霜點都是隨濕度或相對濕度的增加而升高；溫度上升，相對濕度下降。結露，結霜。半導體陶瓷濕敏傳感器分為：負特性濕敏半導體瓷（可以用n型半導體也可以用p型半導體）：電阻率隨濕度增加而下降。只有N型半導體表面可以出現反型層，其中空穴為反型載流子。正特性濕敏半導體瓷（只能用n型半

12、導體）：電阻率隨濕度增加而增加。燒結型濕敏電阻具有正特性，粉末型濕敏電阻具有負特性。 4.半導體色敏傳感器（光敏二極管的一種）測量的物理量是波長，不同的色敏傳感器其結深不一樣，淺結深對頻率高的敏感，深結深對頻率低的敏感。利用短路電流比可以確定波長，進而可以確定顏色。第十二章 輻射式傳感器1.紅外輻射俗稱紅外線，波長范圍：0.761000m。分為2.紅外線通過大氣層有三個波段透過率高分別是：22.6m，35m，814m統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇?，分別對應近紅外、中紅外和遠紅外。3.紅外探測器組成：光學系統(tǒng)，探測器，信號調理電路及顯示等。分為熱探測器可以在常溫下工作，頻段很寬，而光子探測器雖然響應快、

13、靈敏度高但只能在低溫下工作，頻段很窄，因此應用沒有熱探測器普遍。第十三章 數字式傳感器1.感應同步器主要測量的物理量是位移，及與之相關的轉速和振動。按形狀可分為直線式：由定尺與滑尺組成；旋轉式：由轉子與定子組成，定尺與轉子是連續(xù)繞組，滑尺和定子是分段繞組，滑尺與定尺的相對位置不同而呈正余弦函數變化。直線式與旋轉式兩者原理相同。按信號處理可分為第十五章 傳感器在工程檢測中的應用1.溫度測量方法：2.熱電偶基本定律：均質導體定律；中間導體定律；中間溫度定律；連接導體定律；標準電極定律。后四個定律的證明見大題3.熱電阻傳感器分為金屬熱電阻（熱電阻）；半導體熱電阻（熱敏電阻）。把標準電阻溫度計作為復現

14、國際溫標的標準儀器，如標準鉑電阻溫度計。鉑熱電阻測量范圍-200850特性方程：（、：鉑熱電阻分別在t和0時的阻值，A=3.9083x10-3/，B=-5.775x10-7/2）C=-4.183x10-12/4銅熱電阻測量范圍-50150特性方程：5.集成溫度傳感器：利用晶體管PN結的電流電壓特性與溫度的關系，把感溫PN結及有關電子線路集成在一個小硅片上，構成一個小型化、一體化的專用集成電路片。由于PN結受耐熱性能和特性范圍的限制，它只能測150以下的溫度。信號輸出方式：電壓輸出型；電流輸出型。二、證明與計算（加黑加粗為必考題，沒加黑加粗的按照順序考的概率逐漸降低）【注】“是必考，不是應該會考

15、!小編從不做沒有態(tài)度的預測”(一)證明題： 1.中間導體定律：分兩種情況2.中間溫度定律: 3.連接導體定律：4.標準電極定律：(二)計算題：1.一精密機床上安裝了一套直線型同步感應器，已知其定尺和滑尺上的繞組具有相同片寬和片距，且滑尺上的繞組為U型繞組。若給滑尺上的sin和cos繞組上所通的激勵電壓分別為us=Umcoswt，uc=Umsinwt，并采用鑒相型電路進行測量。求：1）定尺上感應的總電勢e=？2）畫出當滑尺移動0，W/4，W/2，3W/4，W（W表示定尺繞組的節(jié)矩）時，定尺繞組與滑尺繞組間的相對位置（設滑尺上sin和cos繞組間的中心距l(xiāng)13W/2）及定尺上感應電勢的幅值變化情況

16、。定尺滑尺SCSCSCSSCC3W/4e幅xeces0W/4W/23W/4W解：1）滑尺上的sin和cos繞組在定尺上感應的電勢分別為：es= kwUm cos qx sinwt ec = kwUm sinqx coswt定尺上感應的總電勢為：e=es+ec=kwUmcosqdsinwt+kwUmsinqxcoswt=kwUmsin (wt+qx)=kwUmsin (wt+2px/W)2）定尺繞組與滑尺繞組間的相對位置，見右圖。FR12.圖示為等強度懸臂梁測力系統(tǒng)，為電阻應變片，應變片靈敏系數K2.05，未受應變時，。當試件受力F時，應變片承受平均應變，試求： 應變片電阻變化量和電阻相對變化量

17、。 將電阻應變片置于單臂測量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。 若要減小非線性誤差，應采取何種措施？分析其電橋輸出電壓及非線性誤差大小。已知：K2.05，解：應變片的電阻相對變化量為電阻變化量為設電橋的倍率n1，則電橋的輸出電壓為電橋的非線性誤差為FR1R2R4R1若要減小非線性誤差，可以采用差動電橋電路（半橋差動電路或者全橋差動電路）。此時可以消除非線性誤差，而且可以提高電橋電壓的靈敏度，同時還具有溫度補償作用。（a）如果采用半橋差動電路，需要在等強度梁的上下兩個位置安裝兩個工作應變片，一個受拉應變，一個受壓應變，接入電橋的相鄰橋臂，構成半橋差動電路。此時電橋的輸

18、出電壓為，是單臂工作時的兩倍。（b）如果采用全橋差動電路，需要在等強度梁的上下四個位置安裝四個工作應變片，兩個受拉應變，兩個受壓應變，將兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，構成全橋差動電路。此時電橋的輸出電壓為，是單臂工作時的四倍。3.圖為電容式傳感器的雙T電橋測量電路，已知，。求的表達式及對于上述已知參數的值。解：C0UL4.有一平面直線位移差動傳感器，其測量電路采用變壓器交流電橋，結構組成如題5-7圖。電容器起始時a1=a2=2cm，b1=b2，極距d=2mm，極間介質為空氣，測量電路u1=3sint V，且u= u1。試求當動極板上輸入一位移量x=5mm時，電橋的輸出電壓u0。a1a2b2

19、dC1C2u1C1C2uuu0xb1解：差動式電容傳感器的電容： ； 起始時，a1=a2=a=2cm，b1=b2=b；則輸入位移量x=5mm（左移）時，a1 =a + x，a2 = a - x ；令； 則 C1=C0+C，C2=C0-C電橋輸出：即：u0= u/4= u1/4=0.75sint V5.試件材質為合金鋼，線膨脹系數，電阻應變片敏感柵材質為康銅，其電阻溫度系數，線膨脹系數。當傳感器的環(huán)境溫度從10變化到50時，所引起的附加電阻相對變化量（）為多少？折合成附加應變?yōu)槎嗌伲拷猓阂阎涸嚰辖痄摰木€膨脹系數，電阻應變片的靈敏系數為K02.05，電阻溫度系數，線膨脹系數，則由溫度變化引起的

20、附加電阻相對變化為：。折合成附加應變?yōu)?。t1t2AABBt0t06.用兩只K型熱電偶測量兩點溫差，其連接線路如圖所示。已知t1=420，t0=30，測得兩點的溫差電勢為15.24mV，試問兩點的溫差為多少？后來發(fā)現，t1溫度下的那只熱電偶錯用E型熱電偶，其它都正確，試求兩點實際溫度差。解：t1=420，t0=30。若為K型熱電偶，查表（155）可知：，所以因為所以所以查表可得所以，兩點的溫差為若t1溫度下用的是E型熱電偶，則需查表（156）。t1=420，t0=30，則有，所以.因為所以查表（155）可知：所以查表（155）可知： 所以，兩點的實際溫差為A- +E = 1VEx - +R3R2

21、I1R4RprpI2R1 7.用電位差計測量電勢信號Ex（如圖所示）。已知： I1 = 4mA， I2 = 2mA， R1 = 5，R2 = 10， Rp = 10， rp = 5， 電路中電阻R1、R2、Rp的定值系統(tǒng)誤差分別為， R1 = +0.01， R2 = +0.01， Rp = +0.005。設檢流計A、上支路電流I1、下支路電流I2的誤差忽略不計。求消除系統(tǒng)誤差后的Ex的大小。解：根據上述電路圖，在不考慮系統(tǒng)誤差的條件下輸出電勢：Ex0= I1·（R1+ rp）- I2·R2=4×10-3×(5+5)-2×10-3×10

22、=2×10-2V=20m V由于rp = rp Rp/ Rp = Rp/ 2則 rp =Rp/ 2根據誤差傳遞公式，有Ex0= I1·（R1+ rp）- I2·R2=4×10-3×(0.01+0.005/2)-2×10-3×0.01 =3×10-5 V=0.03 m V消除系統(tǒng)誤差后的Ex的大小為Ex = Ex0-Ex0=20-0.03=19.97 m V8.已知變隙式電感傳感器的鐵芯截面積A1.5cm2，磁路長度L20cm，相對磁導率，氣隙，真空磁導率，線圈匝數，求單端式傳感器的靈敏度。若將其做成差動結構形式，靈

23、敏度將如何變化？解：已知：A01.5cm2，。單端式傳感器的靈敏度為若將其做成差動結構形式，則靈敏度為單線圈式的兩倍，且線性度也會得到明顯改善。9.對某節(jié)流元件（孔板）開孔直徑d20的尺寸進行了15次測量，測量數據如下（單位：mm）：120.42 120.43 120.40120.42120.43120.39120.30120.40120.43 120.41 120.43120.42120.39120.39120.40試用格拉布斯準則判斷上述數據是否含有粗大誤差，并寫出其測量結果。解： 對測量數據列表如下：序號測量值殘余誤差殘余誤差1120.420.0160.0092120.430.0260.

24、0193120.400.0040.0114120.420.0160.0095120.430.0260.0196120.390.0140.0217120.300.1048120.400.0040.0119120.430.0260.01910120.410.0060.00111120.430.0260.01912120.420.0160.00913120.390.0140.02114120.390.0140.02115120.400.0040.011當n15時，若取置信概率P0.95，查表可得格拉布斯系數G2.41。則，所以為粗大誤差數據，應當剔除。然后重新計算平均值和標準偏差。當n14時，若取置

25、信概率P0.95，查表可得格拉布斯系數G2.37。則，所以其他14個測量值中沒有壞值。計算算術平均值的標準偏差所以，測量結果為：10.一個量程為10kN的應變式測力傳感器，其彈性元件為薄壁圓筒軸向受力，外徑為20mm，內徑為18mm，在其表面粘貼八個應變片，四個沿軸向粘貼，四個沿周向粘貼，應變片的電阻值均為120，靈敏度為2.0，泊松比為0.3，材料彈性模量。要求： 繪出彈性元件貼片位置及全橋電路； 計算傳感器在滿量程時各應變片的電阻； 當橋路的供電電壓為10V時，計算電橋負載開路時的輸出。解：已知：F10kN， 外徑，內徑，R120，K2.0，Ui10V。圓筒的橫截面積為彈性元件貼片位置及全

26、橋電路如圖所示。應變片1、2、3、4感受軸向應變：應變片5、6、7、8感受周向應變：滿量程時，電橋的輸出為：11.用K型熱電偶測量溫度如圖所示。顯示儀表測得熱電勢為30.18mV，其參考端溫度為30，求測量端溫度。解：設 T0=30。查表（155）可知：EAB（T0，0）=1.203mV儀表所測電勢為 EAB（T，T0）=30.18mV根據中間溫度定律可得EAB（T，0）= EAB（T，T0）+ EAB（T0，0）=30.18+1.203=31.383 mV查表（155）可知：T75412.某壓力傳感器的測試數據如下表所示，計算非線性誤差、遲滯和重復性誤差。壓力/Mpa輸出量/mV第一循環(huán)第二

27、循環(huán)第三循環(huán)正行程反行程正行程反行程正行程反行程0-2.73-2.71-2.71-2.68-2.68-2.690.020.560.660.610.680.640.690.043.964.063.994.094.034.110.067.407.497.437.537.457.520.0810.8810.9510.8910.9310.9410.990.1014.4214.4214.4714.4714.4614.46解：設壓力為輸入量x，輸出量為y。采用最小二乘法擬合的直線形式為：y = b0+b1x擬合結果：b1=36xiyi-xiyi/36xi2-(xi)2=171.5b0=xi2yi-xixi

28、yi/36xi2-(xi)2=-2.77即擬合直線為y = -2.77+ 171.5x輸入x理論輸出Y第一循環(huán)第二循環(huán)第三循環(huán)正行程反行程正行程反行程正行程反行程yyyyyy0-2.77-2.730.04-2.710.06-2.710.06-2.680.09-2.680.09-2.690.080.020.660.560.10.6600.610.050.680.020.640.020.690.030.044.093.960.134.060.033.990.14.0904.030.064.110.020.067.527.400.127，490.037.430.097.530.017.450.077.5200.0810.9510.880.0710.95010.890.0610.930.0210.940.0110.990.040.101