《傳感器原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用》總結(jié)

1、本文檔根據(jù)老師最后一次課上課時(shí)所說的相關(guān)內(nèi)容并根據(jù)我自己的個(gè)人情況簡要整理，相對簡潔，和大家分享一下?？紤]到老師說的內(nèi)容和考試內(nèi)容相比，可能不夠完整；而且個(gè)人水平有限，不可能把握的很準(zhǔn)確，所以只是參考而已。建議大家根據(jù)自己的理解補(bǔ)充完善第一章：傳感器概論1、傳感器的定義：傳感器（或敏感元件）基于一定的變換原理/規(guī)律將被測量（主要是非電量的測量，可采用非電量電測技術(shù)）轉(zhuǎn)換成電量信號。變換原理/規(guī)律涉及到物理、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科。2、傳感器的組成：傳感器一般由敏感元件（將非電量變成某一中間量）、轉(zhuǎn)換元件（將中間量轉(zhuǎn)換成電量）、測量電路（將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量變換成可直接利用的電信號）三部分組

2、成，有的傳感器還需加上輔助電源。 3、傳感器的分類按變換原理分類>利用不同的效應(yīng)構(gòu)成物理型、化學(xué)型、生物型等傳感器。按構(gòu)成原理分類：結(jié)構(gòu)型：依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)變化來實(shí)現(xiàn)變換。物性型：利用材料本身的物理性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)變換。按輸入量的不同分類>溫度、壓力、位移、流量、速度等傳感器按變換工作原理分類:電路參數(shù)型:電阻型、電容型、電感型傳感器按參電量如：Q （電量）、I 、U 、E 等分類:磁電型、熱電型、壓電型、霍爾型、光電式傳感器4、傳感器技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向：教材表述：發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、開發(fā)新材料、采用微細(xì)加工技術(shù)、研制多功能集成傳感器、智能化傳感器、新一代航天傳感器、仿生傳感器老師表述：微型化、集成

3、化、廉價(jià)。第二章：傳感器的一般特性1、靜態(tài)特性檢測系統(tǒng)的四種典型靜態(tài)特性線性度：傳感器的輸出與輸入之間的線性程度。傳感器的理想輸出-輸入特性是線性的。靈敏度：系統(tǒng)在靜態(tài)工作的條件下，其單位輸入所產(chǎn)生的輸出，實(shí)為擬合曲線上某點(diǎn)的斜率。即S N=輸入量的變化/輸出量的變化=dy/dx遲滯性：特性表明傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g輸出-輸入特性曲線不重合的程度。（產(chǎn)生的原因：傳感器機(jī)械部分存在的不可避免的缺陷。）重復(fù)性：重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測量時(shí)所得特性曲線不一致程度。曲線的重復(fù)性好，誤差也小。產(chǎn)生的原因與遲滯性類似。精確度.測量范圍和量程. 零漂和溫漂.

4、2、動(dòng)態(tài)特性：（傳感器對激勵(lì)（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性）動(dòng)態(tài)誤差：輸出信號不與輸入信號具有完全相同的時(shí)間函數(shù)，它們之間的差異。包括：穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)誤差、暫態(tài)動(dòng)態(tài)誤差動(dòng)態(tài)測試中的兩個(gè)重要特征：時(shí)間響應(yīng)、頻率響應(yīng)第三章：傳感器中的彈性敏感元件1、什么叫敏感材料?對電、光、聲、力、熱、磁、氣體分布等待測量的微小變化而表現(xiàn)出性能明顯改變的功能材料。半導(dǎo)體材料最主要的特點(diǎn)是對溫度、光、電、磁、各種氣體及壓力等外界因素具有敏感特性，是制造磁敏、熱敏、光敏、力敏、離子敏等傳感器件的主要材料。 2、引言：（1）變形：物體在外力作用下，改變原來的尺寸和形狀的現(xiàn)象。 （2）剛度：彈性敏感元件在外力的作用下抵抗變形的能力

5、 （3）彈性元件：具有彈性變形特性的物體。彈性敏感元件作用：把力、力矩或壓力變換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移; 然后由各種轉(zhuǎn)換元件，將被測力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成電量。3、彈性敏感元件的基本特性：（1）彈性特性：作用在彈性敏感元件上的外力與其引起的相應(yīng)變形（應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系。可由剛度或靈敏度來表示。（2）剛度：彈性敏感元件在外力作用下抵抗變形的能力。dx dF x F k x = =0lim（3）靈敏度是剛度的倒數(shù)（4）彈性滯后：彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，彈性特性的加載曲線與卸載曲線不重合的現(xiàn)象。（5）彈性后效：彈性敏感元件所加載荷改變后，不時(shí)立即完成相應(yīng)的變形，而是在一定時(shí)間間隔中逐漸完成變形

6、的現(xiàn)象。（6）應(yīng)力：反映物體一點(diǎn)處受力程度的力學(xué)量（7）應(yīng)變：用以描述一點(diǎn)處變形的程度的力學(xué)量是該點(diǎn)的應(yīng)變 （8）彈性模量=線性應(yīng)力/線性應(yīng)變第四章：電阻應(yīng)變式傳感器1、電阻應(yīng)變片的種類（P63P65）絲式應(yīng)變片：（1）回線式應(yīng)變片 （2）短接式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片 薄膜應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片2、應(yīng)變效益：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外力作用時(shí)，會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變（拉伸或壓縮），其電阻也將隨之發(fā)生變化。 通過彈性敏感元件轉(zhuǎn)換作用，將位移、力、力矩、加速度、壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變因此可以將應(yīng)變片由測量應(yīng)變擴(kuò)展到測量上述參數(shù)，從而形成各種電阻應(yīng)變式傳感器。第五章：電容式傳感器1、電容式傳感器工作原理：由絕緣介質(zhì)

7、分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)影響時(shí)，其電容量與真空介電常數(shù)、極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)、極板的有效面積以及兩極板間的距離d 有關(guān)：dAC r 0=若被測量的變化使式中d 、 三個(gè)參量中任意一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容量的變化，因此可分為三種：變間隙式、 變面積式、 變介電常數(shù)式。第六章：電感式傳感器（目測老師上課時(shí)沒講，之后視情況補(bǔ)充）第七章：壓電式傳感器1、概念：壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電器件為核心組成的傳感器，已被廣泛應(yīng)用于超聲，通信，宇航，雷達(dá)和引爆等領(lǐng)域。2、（1）正壓電效應(yīng)（壓電效應(yīng)）：在電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生電的極化，導(dǎo)致兩個(gè)相對表面（極化

8、面）上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷Q ，且其電位移D 與外應(yīng)力張量T 成正比：D=dT（d 壓電常數(shù)矩陣 即壓電系數(shù)？）當(dāng)外力消失，又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力消失，電荷極性隨之而變。 （2）逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）：施加電場時(shí)，應(yīng)變S 與外電場強(qiáng)度E 成正比：S= dE（d 逆壓電常數(shù)矩陣 即壓電系數(shù)？） 即能量類型轉(zhuǎn)換：電能量 教材表述：x 軸平行于正六面體的棱線，稱為電軸； y 軸垂直于正六面體的棱面，稱為機(jī)械軸；z 軸表示其縱向軸，稱為光軸。壓電效應(yīng)：這些物質(zhì)（壓電材料）在沿一定的方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生形變時(shí)，其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)他們又回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)。

9、在每一切片中，當(dāng)沿電軸方向加作用力F 時(shí)，則在于電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Q 。逆壓電效應(yīng)：在片狀壓電材料的兩個(gè)電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象壓電材料的這種現(xiàn)象稱為“電致伸縮效應(yīng)”，也叫“逆壓電效應(yīng)”。 3、相關(guān)傳感器：壓電式加速度傳感器、壓電式力傳感器、壓電式壓力傳感器、測力傳感器第八章：磁電式傳感器1、概念：磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理, 將輸入運(yùn)動(dòng)速度變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。有時(shí)也稱作電動(dòng)式或感應(yīng)式傳感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律, 當(dāng)N 匝線圈在均恒磁場內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí), 設(shè)穿過線圈的磁通為, 則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e 與磁通變化率d /dt有如

10、下關(guān)系：dt d Ne -=2、霍爾傳感器（ppt 上沒有相關(guān)內(nèi)容，大家自己補(bǔ)充）第九章：熱電式傳感器1、熱電偶溫度計(jì)（熱電偶溫度計(jì)是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的測溫儀表 ） （1）組成：熱電偶（敏感元件）: 必須用兩種不同的材料作熱電極>1 連接熱電偶和測量儀表的導(dǎo)線（補(bǔ)償導(dǎo)線及銅導(dǎo)線）>2 測量儀表（動(dòng)圈儀表或電位差計(jì)）（2）結(jié)構(gòu)：熱電偶是由兩種不同材料的導(dǎo)體焊接而成；導(dǎo)體被稱為熱電極。 工作端或熱端：焊接的一端用來感受被測介質(zhì)的溫度。 自由端或冷端：與導(dǎo)線相連端。 （3）熱電偶的基本原理：熱電效應(yīng)：在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時(shí)，回路中就要產(chǎn)生熱電勢，稱為S

11、eebeck 電勢。這一物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)?；芈返目偀犭妱轂椋篈B 為熱電勢率或Seebeck 系數(shù)，其值隨電極材料和兩接點(diǎn)的溫度而定。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電勢由珀?duì)柼б婧蜏愤d效應(yīng)引起。接觸電勢（珀?duì)柼妱荩?gt;珀?duì)柼?yīng)將同溫度的兩種不同的金屬互相接觸。由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在金屬A 和B 的接觸處會發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象，從密度大的A 擴(kuò)散到B ；使A 帶正電， B 帶負(fù)電；直到在接點(diǎn)處建立了強(qiáng)度充分的電場，E AB (T 溫差電勢>Thomson效應(yīng)假設(shè)在一勻質(zhì)棒狀導(dǎo)體的一端加熱，則沿此棒狀導(dǎo)體有一溫度梯度。導(dǎo)體內(nèi)的自由電子將從高溫端向低溫端擴(kuò)散，并在溫度較低一端積

12、聚起來，使棒內(nèi)建立起一電場。當(dāng)該電場對電子的作用力與擴(kuò)散力相平衡時(shí)，擴(kuò)散作用停止，電場產(chǎn)生的電勢稱為Thomson 電勢（溫差電勢） 。E A (TT T o溫差電勢遠(yuǎn)小于接觸電勢，常把它忽略掉?；芈返目偀犭妱轂椋? (,(0 0T E TEdTTTEAB ABTT ABAB-=(4插入第三種導(dǎo)線的問題:在熱電偶回路中接入第三種金屬導(dǎo)線對原熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢數(shù)值并無影響。不過必須保證引入線兩端的溫度相同。(5補(bǔ)償導(dǎo)線的選用:(工作端與冷端離得很近，而且冷端又暴露在空間，受周圍環(huán)境溫度的影響，冷端溫度難以恒定。 可以采用一種專用導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸出來，這種專用導(dǎo)線稱為“補(bǔ)償導(dǎo)線”。不同的

13、熱電偶所用的補(bǔ)償導(dǎo)線也不同。(6熱電偶的溫度補(bǔ)償方法（教材上表述方法有些許不同，大家自己補(bǔ)充吧）0恒溫法：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，將清潔的水和冰鞋混合后放在保溫容器內(nèi)，可使T 0保持0補(bǔ)正系數(shù)修正法：設(shè)冷端溫度為t n ，此時(shí)測得溫度為t 1，其實(shí)際溫度應(yīng)為t= t1+kt n （k ：補(bǔ)正系數(shù)）延伸電極法：原理為連接導(dǎo)體定律補(bǔ)償電橋法：利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補(bǔ)償熱電偶參考端溫度變化引起的電勢變化（7）熱電偶的使用誤差分度誤差：熱電偶的分度是指將熱電偶置于給定溫度下測定其熱電勢，以確定熱電勢與溫度的對應(yīng)關(guān)系。方法有標(biāo)準(zhǔn)分度表分度和單獨(dú)分度兩種。儀表誤差=（T max -T min ）K （式中T

14、max 、T min ：儀表量程上，下限；K ：儀表的精度等級。）延伸導(dǎo)線誤差：一種是由延伸導(dǎo)線的熱特性與配用的熱電偶不一致引起的；另一種是由延伸導(dǎo)線與熱電偶參考端的兩點(diǎn)溫度不一致引起的。這種誤差應(yīng)盡量避免。動(dòng)態(tài)誤差產(chǎn)生原因：由于測溫元件的質(zhì)量和熱慣性，用接觸法測量快速變化的溫度時(shí)，會產(chǎn)生一定的滯后，即指示的溫度值始終跟不上被測介質(zhì)溫度的變化值，兩者之間會產(chǎn)生一定的差值。修正方法：在熱電偶測量系統(tǒng)中引入與熱電偶傳遞函數(shù)倒數(shù)近似的RC 或RL 網(wǎng)絡(luò)漏電誤差產(chǎn)生原因：隨溫度升高（特別是在高溫時(shí)）時(shí)，絕緣效果明顯變壞，是熱電勢輸出分流。（8）熱電偶的基本定律（P158）：均質(zhì)導(dǎo)體定律：兩種均質(zhì)金屬組

15、成的熱電偶，其電勢大小與熱電極的直徑、長度及沿?zé)犭姌O長度上的溫度分布無關(guān)，只與熱電極材料和兩端溫度有關(guān)。中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中插入第三、四種導(dǎo)體，只要插入導(dǎo)體的兩端溫度相同，切插入導(dǎo)體是均質(zhì)的，則無論插入導(dǎo)體的溫度分布如何，都不會影響原來熱電偶的熱電勢的大小。中間溫度定律：熱電偶在接點(diǎn)溫度為T,T 0時(shí)的熱電勢等于該熱電勢在接點(diǎn)溫度為T,T n 和T n ，T 0時(shí)相應(yīng)的熱電勢的代數(shù)和，即：E AB (T,T0=EAB (T,Tn +EAB (Tn ,T 0(9熱電偶對熱電極的材料的基本要求任意兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體都能配成熱電偶，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)就能產(chǎn)生熱電勢，但作為實(shí)用的測溫元件，不是

16、所有的材料都適于制作熱電偶?；疽笫牵簾犭娞匦苑€(wěn)定，即熱電勢與溫度的對應(yīng)關(guān)系不會變動(dòng)熱電勢要足夠大，易于測量熱電勢，且課得到較高的準(zhǔn)確度熱電勢與溫度為單值關(guān)系，最好成線性關(guān)系，或者是簡單的函數(shù)關(guān)系電阻溫度系數(shù)和電阻率要小，否則熱電偶的電阻講隨熱端溫度而有較大的變化，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性物理成分穩(wěn)定，化學(xué)成分均勻，不易氧化和腐蝕材料的復(fù)制性好材料的機(jī)械強(qiáng)度要高 2、兩種熱電式傳感器的轉(zhuǎn)換關(guān)系： 熱電阻傳感器（將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻變化） 熱電偶傳感器（將溫度變化轉(zhuǎn)化為熱電勢變化） 3、熱電阻傳感器 電阻式測溫系統(tǒng)是利用熱電阻和熱敏電阻的電阻率溫度系數(shù)而制成溫度傳感器的。大多數(shù)金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體的

17、電阻率都隨溫度發(fā)生變化，都稱為熱電阻。純金屬有整的溫度系數(shù)，半導(dǎo)體有負(fù)的溫度系數(shù)。 （1）熱電阻材料的特點(diǎn)： 高溫度系數(shù)，高電阻率 化學(xué)和物理性能穩(wěn)定 良好的輸出特性 良好的工藝性 （2）熱敏電阻的特點(diǎn) 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 a：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約為熱電阻的十倍。 b：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可測量點(diǎn)溫度。 c：電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測量。 d：易于維護(hù)和進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。 e：制造簡單，使用壽命長。 正溫度系數(shù)熱敏電阻 臨界溫度系數(shù)熱敏電阻 第十章：光電式傳感器 1、分類（光電式傳感器是能將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種器件，簡稱光電器件。它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)） ： 光電管 光電倍增管 光敏電

18、阻 光敏二極管和光敏晶體管 光電池 光電式傳感器的應(yīng)用 光電耦合器件(補(bǔ) 測量非電量時(shí):非電量的變化轉(zhuǎn)化為光量的變化，通過光電器件的作用，將光量的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化 2、光電式傳感器利用的效應(yīng)：光電效應(yīng)，分為：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、阻擋層光電效應(yīng)（光生伏打效應(yīng)） （1）外光電效應(yīng)：在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。例如：光電管、光電倍增管 （2）內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下能使物體電阻值改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。例如：光敏電阻 （3）在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象，稱為阻擋層光電效應(yīng)（光生伏打效應(yīng)） 。例如:光電 池、光敏晶體管等 3、光電管（充氣光電管：玻

19、璃泡內(nèi)充少量惰性氣體，提高光電管靈敏度，但穩(wěn)定性、頻率特性等較差） 6 原理：當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，這 樣在光電管內(nèi)就產(chǎn)生了電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。 4、光電倍增管 它由光電陰極 K、若干倍增極 E1E4 和陽極 A 三部分組成。光電陰極是由半導(dǎo)體光電材料制造的，入射光就 在它上面打出光電子。倍增極數(shù)目在 414 個(gè)不等。在各倍增極上加上一定的電壓。陽極收集電子，外電路形成電 流輸出。 5、光敏電阻（沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件） 當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻很大，電路中電流很小，此時(shí)的電流稱為暗電流。 當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照

20、時(shí)，它的阻值（亮電阻急劇減少，電路中電流迅速增加此時(shí)的電流稱為亮 電流。 光電流與暗電流之差，稱為光電流。 6、光敏二極管和光敏晶體管 （1）接法及原理：光敏二極管在電路處于反向偏置，在沒有光照射，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流 稱為暗電流。當(dāng)光照射在 pn 結(jié)上，通過 Pn 結(jié)的反向電流也隨著增加。如果入射光照度變化，通過外電路的光電流 強(qiáng)度也隨之變動(dòng)，可見光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。 （2）光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有 2 個(gè) pn 結(jié)。它在把光信號轉(zhuǎn)換為電信號同時(shí)又將信號電流加以放大。 又將信號電流加以放大。 7、光電池 7 （1）工作原理：當(dāng)光照到 pn 結(jié)上時(shí)

21、，如果光子能量足夠大，n 區(qū)和 p 區(qū)之間就出現(xiàn)電位差。用導(dǎo)線將 pn 結(jié)兩端用 導(dǎo)線連接起來電路中就有路流流過，電流的方向由 p 區(qū)流經(jīng)外電路至 n 區(qū)。若將電路斷開，就可以測出光生電動(dòng) 勢。 （2）光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的 第十一章：智能式傳感器 （這個(gè)好像也沒上。 。 。 ） 第十二章：光導(dǎo)纖維傳感器 1、光纖傳感器的工作原理 光纖波導(dǎo)原理：光纖波導(dǎo)簡稱光纖，它是用光透射率高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、塑料等構(gòu)成的光通路。它由 折射率 n1 較大(光密介質(zhì)的纖芯和折射率 n2 較小(光疏介質(zhì)的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。 n0 : 光纖周圍媒質(zhì)的折射率 n1：纖芯的折射率 n2：

22、包層的折射率 j : 光線纖端入射角 y：光線纖內(nèi)入射角 q：光線與軸線的夾角 a : 纖芯半徑 在光纖內(nèi)傳輸?shù)臈l件： 2、光纖的分類： y ³ y 0 （y 0：光線在纖芯 -包層分界面的臨界角。 ì ì纖芯直徑 2a = 2 12m ï ï ï單模光纖 í纖 - 皮折射率差 D = n1 - n2 = 0.0005 0.01 ï ï n1 ï î 按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量 í ì纖芯直徑 2a = 50 500m ï ï多模光纖 ï n -n í 纖 - 皮折射率差 D = 1 2 = 0.01 0.02 ï ï n1 ï î î ì ì纖芯折射率均勻 ï階躍折射率光纖 í ï î纖芯與包層界面折射率 發(fā)生突變 按纖芯折射率分布 í &#