傳感器技術(shù)及應用(輔導資料)

1、四川大學繼續(xù)教育學院輔導資料傳感器技術(shù)及應用復習資料思考題與習題第3章 應變傳感器31 電阻應變式傳感器311 應變片的結(jié)構(gòu)和類型312 常用的應變片32 薄膜應變電阻及傳感器321 薄膜分類322 薄膜的工作原理323 薄膜應變傳感器的特點33 電阻應變傳感器使用中應注意的一些問題思考題與習題第4章 磁敏傳感器41 磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)霍爾、磁阻、形狀效應411 基礎(chǔ)知識412 霍爾效應413 磁阻效應414 形狀效應42 霍爾元件421 霍爾元件的工作原理422 霍爾元件的結(jié)構(gòu)423 基本電路424 電磁特性425 誤差分析及誤差補償43 磁阻元件431 長方形磁阻元件432 科爾賓元件4

2、33 平面電極元件434 InSbNiSb共晶磁阻元件435 曲折形磁阻元件436 磁阻元件的溫度補償44 磁敏二極管441 磁敏二極管的結(jié)構(gòu)442 磁敏二極管的工作原理443 磁敏二極管的特性444 磁敏二極管的補償技術(shù)45 磁敏三極管451 磁敏三極管的結(jié)構(gòu)452 磁敏三極管的工作原理453 磁敏三極管的特性454 溫度補償技術(shù)46 磁敏傳感器的應用461 霍爾元件的應用462 磁阻元件的應用思考題與習題第5章 壓電傳感器51 壓電效應511 石英晶體的壓電效應512 壓電常數(shù)51 _3壓電陶瓷的壓電效應52 壓電材料521 壓電晶體522 壓電陶瓷523 新型壓電材料53 等效電路與測量

3、電路531 等效電路532 測量電路54 壓電傳感器及其應用541 壓電傳感器中壓電片的連接542 壓電式力傳感器543 壓電式壓力傳感器544 壓電式加速度傳感器545 應用實例思考題與習題第6章 光纖傳感器61 基礎(chǔ)知識611 光纖的結(jié)構(gòu)612 光纖的種類613 光纖的傳光原理614 光纖的特性615 光纖的耦合62 光纖傳感器的分類及構(gòu)成621 分類622 構(gòu)成部件63 功能型光纖傳感器舉例631 相位調(diào)制型光纖傳感器632 光強調(diào)制型光纖傳感器633 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器64 非功能型光纖傳感器舉例641 傳輸光強調(diào)制型光纖傳感器642 反射光強調(diào)制型光纖傳感器643 頻率調(diào)制型光纖

4、傳感器644 光纖液位傳感器思考題與習題第7章 光柵傳感器71 光柵基礎(chǔ)711 光柵的分類及結(jié)構(gòu)712 莫爾條紋的原理713 莫爾條紋的特點72 光柵傳感器的工作原理721 光電轉(zhuǎn)換原理722 莫爾條紋測量位移的原理723 辨向原理73 莫爾條紋細分技術(shù)731 細分方法732 光電元件直接細分733 CCD直接細分734 光柵傳感器的誤差74 常用光學系統(tǒng)741 透射直讀式光路742 反射直讀式光路743 反射積分式光路思考題與習題第8章 光電傳感器81 光電傳感器的基本效應811 生導體的粒子特性812 光電效應82 外光電效應光電元件821 光電管822 光電倍增管83 光電導效應及光電元

5、件831 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理832 光敏電阻的特性84 光電伏特效應及光電元件841 光電導結(jié)型光電元件842 光電伏特型光電元件85 CCD圖像傳感器86 應用光路861 反射式862 透射式863 線紋瞄準用光電傳感器864 脈沖式光電傳感器思考題與習題第9章 氣、濕敏傳感器91 氣敏傳感器911 半導體氣敏元件的分類及必備條件912 表面控制型電阻式半導體氣敏元件第10章 智能傳感器第11章 傳感器應用技術(shù)第12章 傳感器的選擇與使用第1章 傳感器的特性傳感器（transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其

6、他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器廣泛應用于社會發(fā)展及人類生活的各個領(lǐng)域，如工業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、航天技術(shù)、軍事工程、機器人技術(shù)、資源開發(fā)、海洋探測、環(huán)境監(jiān)測、安全保衛(wèi)、醫(yī)療診斷、交通運輸、家用電器等。1.1 傳感器的組成與分類傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關(guān)系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。其包含以下幾個方面的含義：1.傳感器是測量裝置，能完成檢測任務2.它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等3.輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等

7、，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量。4.輸入輸出有對應關(guān)系，且應有一定的精確度。一、 傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成。其在傳感電路中的表現(xiàn)如圖1.1所示。圖1.1 傳感電路敏感元件（Sensitive element）：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件（Transduction element）：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。轉(zhuǎn)換電路（Transduction circuit）：上述電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。實際上，有些傳感器很簡單，僅由一個敏感元件（兼作轉(zhuǎn)換元件）組成，它感受被測量時直接

8、輸出電量。如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不止一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。二、 傳感器的分類 目前對傳感器尚無一個統(tǒng)一的分類方法，但比較常用的有如下三種：按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類，可分為：輸出為開關(guān)量（“1”和"0”或“開”和“關(guān)”）的開關(guān)型傳感器;輸出為模擬型傳感器;輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。關(guān)于傳感器的分類：1.按被測物理量分：如：力，壓力，位移，溫度，角度傳感器等;2.按

9、照傳感器的工作原理分：如：應變式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器等;3.按照傳感器轉(zhuǎn)換能量的方式分：（1）能量轉(zhuǎn)換型：如：壓電式、熱電偶、光電式傳感器等;（2）能量控制型：如：電阻式、電感式、霍爾式等傳感器以及熱敏電阻、光敏電阻、濕敏電阻等;4.按照傳感器工作機理分：（1）結(jié)構(gòu)型：如：電感式、電容式傳感器等;（2）物性型：如：壓電式、光電式、各種半導體式傳感器等;5.按照傳感器輸出信號的形式分：（1）模擬式：傳感器輸出為模擬電壓量;（2）數(shù)字式：傳感器輸出為數(shù)字量，如：編碼器式傳感器。傳感器的分類經(jīng)整理如表1.1.表1.1 傳感器分類表傳感器分類轉(zhuǎn)換

10、原理傳感器名稱典型應用轉(zhuǎn)換形式中間參量電參數(shù)電阻移動電位器角點改變電阻電位器傳感器位移改變電阻絲或片的尺寸電阻絲應變傳感器、半導體應變傳感器微應變、力、負荷利用電阻的溫度效應（電阻的溫度系數(shù)）熱絲傳感器氣流速度、液體、流量電阻溫度傳感器溫度、輻射熱熱敏電阻傳感器溫度利用電阻的光敏效應光敏電阻傳感器光強利用電阻的濕度效應濕敏電阻濕度電容改變電容的幾何尺寸電容傳感器力、壓力、負荷、位移改變電容的介電常數(shù)液位、厚度、含水量電感改變磁路幾何尺寸、導磁體位置電感傳感器位移渦流去磁效應渦流傳感器液位、厚度、含水量利用壓磁效應壓磁傳感器力、壓力改變互感差動變壓器位移自速角機位移旋轉(zhuǎn)變壓器位移頻率改變諧振回路

11、中的固有參數(shù)振弦式傳感器壓力、力振筒式傳感器氣壓石英諧振傳感器力、溫度等計數(shù)利用莫爾條紋光柵大角位移、大直線位移改變互感感應同步器利用拾磁信號磁柵數(shù)字利用數(shù)字編碼角度編碼器大角位移電能量電動勢溫差電動勢熱電偶溫度熱流霍爾效應霍樂傳感器磁通、電流電磁感應磁電傳感器速度、加速度光電效應光電池光強電荷輻射電離電離室離子計數(shù)、放射性強度壓電效應壓電傳感器1.2傳感器的基本特性傳感器特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。（一）傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量

12、的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力、遲滯、漂移、測量范圍、精度、穩(wěn)定性和閾值。（1）傳感器線性度。通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線;或?qū)⑴c特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。（2）傳感器的靈敏度。靈敏度是指傳感

13、器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化y對輸入量變化x的比值。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度S是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應表示為200mV/mm。當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。（3）遲滯。傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g，其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。對于同一大小的輸入信號，傳

14、感器的正反輸出信號不相等，這個差值稱為遲滯差值。（4）傳感器的重復性。重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得線性曲線不一致的程度。（5）漂移。傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）（6）傳感器的分辨力。分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨力時，其輸出才會發(fā)生變化。通常傳感

15、器在滿量程范圍內(nèi)各點的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。（二）傳感器的動態(tài)特性所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。傳感器的動態(tài)特性與其輸入信號的變化形式密

16、切相關(guān)，在研究傳感器動態(tài)特性時，通常是根據(jù)不同輸入信號的變化規(guī)律來考察傳感器響應的。實際傳感器輸入信號隨時間變化的形式可能是多種多樣的，最常見、最典型的輸入信號是階躍信號和正弦信號。這兩種信號在物理上較容易實現(xiàn)，而且也便于求解。對于階躍輸入信號，傳感器的響應稱為階躍響應或瞬態(tài)響應，它是指傳感器在瞬變的非周期信號作用下的響應特性。這對傳感器來說是一種最嚴峻的狀態(tài)，如傳感器能復現(xiàn)這種信號，那么就能很容易地復現(xiàn)其他種類的輸入信號，其動態(tài)性能指標也必定會令人滿意。而對于正弦輸入信號，則稱為頻率響應或穩(wěn)態(tài)響應。它是指傳感器在振幅穩(wěn)定不變的正弦信號作用下的響應特性。穩(wěn)態(tài)響應的重要性，在于工程上所遇到的各種

17、非電信號的變化曲線都可以展開成傅里葉(Fourier)級數(shù)或進行傅里葉變換，即可以用一系列正弦曲線的疊加來表示原曲線。因此，當已知道傳感器對正弦信號的響應特性后，也就可以判斷它對各種復雜變化曲線的響應了。為便于分析傳感器的動態(tài)特性，必須建立動態(tài)數(shù)學模型。建立動態(tài)數(shù)學模型的方法有多種，如微分方程、傳遞函數(shù)、頻率響應函數(shù)、差分方程、狀態(tài)方程、脈沖響應函數(shù)等。建立微分方程是對傳感器動態(tài)特性進行數(shù)學描述的基本方法。在忽略了一些影響不大的非線性和隨機變化的復雜因素后，可將傳感器作為線性定常系統(tǒng)來考慮，因而其動態(tài)數(shù)學模型可用線性常系數(shù)微分方程來表示。能用一、二階線性微分方程來描述的傳感器分別稱為一、二階傳感器，雖然傳感器的種類和形式很多，但它們一般可以簡化為一階或二階環(huán)節(jié)的傳感器(高階可以分解成若干個低階環(huán)節(jié))，因此一階和二階傳感器是最基本的。知識梳理了解傳感器的定義以及傳感器的組成及分類，以及傳感器的兩種基本特性，靜態(tài)特性和動態(tài)特性。重點知識：了解傳感器的組成及分類難點知識：了解傳感器的兩種基本特性。課后習題1、 傳感器由什么組成？2、 傳感器的線性指標有哪些？第2章 熱電傳感器21 熱電勢式測溫傳感器21 熱電勢式測溫傳感器21