傳感器原理及其應(yīng)用考試重點(diǎn)

1、傳感器原理及其應(yīng)用第一章傳感器的一般特性1）信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。2）傳感器又稱變換器、探測(cè)器或檢測(cè)器，是獲取信息的工具廣義：傳感器是一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào) 輸出的器件和裝置。狹義：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）:定義：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào) 的器件或裝置。3）傳感器的組成：敏感元件是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。 轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)或電量?；巨D(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入

2、基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。4）傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)（1）更定義：傳感器輸出量的變化值與相應(yīng)的被測(cè)量（輸入量）的變化值之比，傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。 純線性傳感器靈敏度為常數(shù)，與_輸入量大小無(wú)關(guān)；非線性傳感器靈敏度與_x有關(guān)。（2）線性度定義：傳感器的輸入-輸出校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏離與傳感器滿量程輸出 之比，稱為傳感器的“非線性誤差”或“線性度”。線性度又可分為： 絕對(duì)線性度：為傳感器的實(shí)際平均輸出特性曲線與理論直線的最大偏差。 端基線性度：傳感器實(shí)際平均輸出特性曲線對(duì)端基直線的最大偏差。端基直線定義：實(shí)際平均輸出特性首、末兩端點(diǎn)的連線。 零基線性

3、度：傳感器實(shí)際平均輸出特性曲線對(duì)零基直線的最大偏差。 獨(dú)立線性度：以最佳直線作為參考直線的線性度。 最小二乘線性度：用最小二乘法求得校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的理論直線。（3）遲滯定義：對(duì)某一輸入量，傳感器在正行程時(shí)的輸出量不同于其在反行程時(shí)的輸出量，這一現(xiàn)象稱為遲滯。即:傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。遲滯特性（4）重復(fù)性定義：在相同工作條件下，在一段短的時(shí)間間隔內(nèi)，同一輸入量值多次測(cè)量所得的輸出之間相互偏離的程度。（5）穩(wěn)定性穩(wěn)定性有兩個(gè)指標(biāo)： 測(cè)量傳感器輸出值在一段時(shí)間中的變化，以穩(wěn)定度表示； 傳感器外部環(huán)境和工作條件變化引起輸出值的不穩(wěn)定，用影響量表示。在長(zhǎng)時(shí)間

4、工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時(shí)稱為長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。第二章電阻應(yīng)變式傳感器及應(yīng)用1）金屬電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械形變 （拉伸或壓縮）而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象成為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。2）單根導(dǎo)電絲的靈敏系數(shù)心p / P= 12材料的電阻導(dǎo)電絲的幾何1率P發(fā)生變尺寸的改變物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。K0由兩部分組成：前一部分（1+2?。河刹牧系膸缀纬叽缱兓?，AP/ P后一部分：電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱I /I般金屬壓阻效應(yīng)卩棧3，因此（1+2 Q胡.6 ;也1/150100 倍。金屬材料以前者為主，半導(dǎo)體以后者為主。半導(dǎo)體靈敏度

5、要比金屬大3）金屬電阻應(yīng)變計(jì)的的靈敏度系數(shù)式中：K為靈敏度系數(shù)4）應(yīng)變計(jì)的靈敏度 K恒小于金屬線材的靈敏度的原因：（1）粘合劑、基底傳遞衰減；（2）存在橫向效應(yīng)。5）金屬電阻應(yīng)變計(jì)的其他特性參數(shù)（1）應(yīng)變極限：粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)所能測(cè)量的最大應(yīng)變值。（2）零漂和蠕變：零漂：恒定溫度下，粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在不承受載荷的條件下，電阻隨時(shí)間 變化的特性稱為應(yīng)變計(jì)的零漂。蠕變：力不變，時(shí)間變化，輸出變化。6）電橋補(bǔ)償法一一常用且效果較好的溫度補(bǔ)償法 工作應(yīng)變片貼在試件上，補(bǔ)償片貼在相同材料的補(bǔ)償件上，補(bǔ)償件不受力，并接入電 橋相鄰臂。補(bǔ)償件與被測(cè)件處于完全相同的溫度場(chǎng)內(nèi)。 工作片、補(bǔ)償片貼在同一

6、試件上，但補(bǔ)償片不受力作用。 工作片、補(bǔ)償片貼在同一試件上，但兩者感受的應(yīng)變符號(hào)相反。7）電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路（一）直流電橋的特性方程及平衡條件abUMRR - R2R3(R ® (R R)平衡時(shí)有 尺農(nóng)- R2R3 = 0，稱為直流電橋平衡條件。（二）直流電橋的電壓靈敏度根據(jù)橋臂上應(yīng)變片布置情況，全等臂直流電橋又分為單臂、雙臂、全橋情況: 單臂電橋：U sc雙臂電橋:Use 全臂電橋:8）Use全橋靈敏度最高;R雙臂工作的差動(dòng)電橋靈敏度次之； 單臂電橋靈敏度最低 。靈敏度比較：應(yīng)變式傳感器應(yīng)用1、柱（筒）式力傳感器 如何粘貼應(yīng)變計(jì)？一般將應(yīng)變計(jì)對(duì)稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面的中間

7、部分 橫向粘貼的應(yīng)變計(jì)作用：2、懸臂梁式傳感器溫度補(bǔ)償,提高靈敏度6FIbh2E應(yīng)變片橋路連接方法應(yīng)變片橋路連接信號(hào)輸出Use 二 u 空二 Uk；R9）例題：一臺(tái)采用等強(qiáng)度梁的電子稱，在梁的上下兩面各貼有兩片電阻應(yīng)變片，做成稱重傳感器。已知：L=100mm b0=11mm h=3mm E=2.1 x 104N/mm2 K=2 ,接入直流四臂差動(dòng)電橋， 供橋電壓6V。求( 1)其電壓靈敏度(Ku=UO/F)。(2) 當(dāng)稱重0.5kg時(shí)，電橋的輸出電壓U0為多大？當(dāng)上下各貼兩片應(yīng)變片，并接入四臂差動(dòng)電橋中時(shí)，其輸出電壓：Ui6FlUo LK4；=KUih4h2b°E則其電壓靈敏度為Uo

8、6l： i6 100 6KuK2 -Fh2b E32 11 21 104=3.463X10-3 (V/N)=3.463(mV/N)當(dāng)稱重 F=0.5kg=0.5 X9.8N=4.9N時(shí)，輸出電壓為U =K F=3.463X4.9=16.97(mV)10)例題：以阻值 R=120Q,靈敏度系數(shù) K=2.0的電阻應(yīng)變片與阻值 120 Q的固定電阻組成 電橋，供橋電壓為 3V,并假定負(fù)載電阻為無(wú)窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)? 和2000 時(shí)，分別求出單臂、雙臂和全臂差動(dòng)電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。解：依題意二_ 一 _-年呂" XZ.UXEI 拠科旳差動(dòng):u.5ke = - x 2

9、.0x8 =26x10tF1l（£=2 uf）（j=2000）靈敏度:Kug /4=1.5xlO-tf（P/ 聲）單臂 I kU（f 2-3xl0-6 （y / 則）J 差動(dòng) I可見，差動(dòng)工作時(shí)，傳感器及其測(cè)量的靈敏度加倍。第三章電感式傳感器及其應(yīng)用1) 電感式傳感器是以電和磁為媒介，利用電磁感應(yīng)原理，利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的電感(自感L或互感M)變化來(lái)檢測(cè)非電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。分類：電感式：L 變化差動(dòng)變壓器式：M變化電渦流式：L、M變化2） 自感式傳感器改善非線性：二二_1，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器。53） 自感式傳感器提高靈敏度：減少初始極距（氣隙），構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器。

10、4）自感式傳感器的測(cè)量電路交流電橋UoUac Lfc2 LoL -而Lo 冠所以 Uo2 d可見電橋輸電壓出與 d有關(guān)。變壓器電橋初始 Z1=Z2=Z ，電橋平衡，U0=0 銜鐵上移，設(shè) Z仁Z+A Z, Z2=Z- Z,則Uo同理銜鐵下移時(shí)Uo5）電渦流式傳感器由法拉第電磁感應(yīng)原理知：一個(gè)塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一圈圈閉和的電流， 效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制作的傳感器稱電渦流傳感器 電渦流傳感器能夠?qū)Ρ粶y(cè)量進(jìn)行非接觸測(cè)量 形成電渦流必須具備兩個(gè)條件： 存在交變磁場(chǎng) 導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中6）電渦流式傳感器工作原理當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流 板在此

11、交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流i1時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，金屬i2 （在金屬體內(nèi)是閉合， 稱之為“渦電流”或“渦流”）。i2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng) H2。H2的作用將反抗原磁場(chǎng) 變化。線圈阻抗的取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。7）有一差動(dòng)電感位移傳感器，已知電源電壓 傳感器線圈電阻與電感量分別為 電阻設(shè)計(jì)成四臂等阻抗電橋，試求：（1）匹配電阻的值（2）當(dāng)厶Z=io時(shí)，Z1Usr=4V, f=4ooHZ,R=4oQ, L=3omH用兩只匹配Use分別結(jié)成單臂和差動(dòng)電橋后的輸出電壓值。 Usr(1)線圈感抗 XL=coL=2n/L=2x400x30xl0

12、-3=75.4 (Q)線囿的阻抗 Z =R，+Xj =j40,十754, =854（。）故其電橋的匹配電阻 = =2=854 （Q）（2）當(dāng)AZ=10G時(shí)，電橋的輸岀電壓分別為單臂工作： =扌號(hào)冷x拾"11矽）雙臂差動(dòng)工作：U=c_UW io _ 2 Z 2 85.4=0234(F)8）本章要點(diǎn)： 自感式、互感式傳感器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、性能特點(diǎn)及其應(yīng)用 電渦流式傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及其應(yīng)用 第4章電容式傳感器1）定義：利用電容器的原理，將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器件。2） 工作原理：: Sc = 一d在d、S和£三個(gè)參數(shù)中，保持其中兩個(gè)不變，改變另一

13、個(gè)參數(shù)就可以使電容量C發(fā)生改變。3）三種基本類型：變極距 （變間隙）（d）型；變面積型（S）型；變介電常數(shù)（& ）型4）試計(jì)算習(xí)題42圖所示各電容傳感元件的總電容表達(dá)式。r 4解：由圖可見（1）三個(gè)電容串聯(lián)Cr戲d1C22S二 d2C3 二-3Sd3則1 1 1=十1 =d d2. d3C 串G C 2C31S2S3S=di ；2；3 小2；1；3 d3；2故；1 ；2 3SC 一S 寧3S_ SC串di ；2；3d2 1 ；3 d3；1；2 di/ ；1d2/ ；2 d3/；3(2 )兩個(gè)電容器并聯(lián)(3)柱形電容器C1= C2 = C =名C并二 Cl C22 Sd2 二 LIn d

14、2 / d14、在壓力比指示系統(tǒng)中采用差動(dòng)式變間隙電容傳感器和電橋測(cè)量電路, 已知：(1)(2)如習(xí)題圖4-3所示。0=0.25mm； D=38.2mm R=5.1k Q; Usr=60V(交流)，頻率 f=400Hz。試求： 該電容傳感器的電壓靈敏度Ku (V/呵);C=0.00lJlFM=由傳感器結(jié)構(gòu)及其測(cè)量電路可知(1)初始電容0.001|1F當(dāng)電容傳感器的動(dòng)極板位移=10 pm時(shí)，輸出電壓 Use值。4x025xWJ=40,6x 10-ia（F）= 40.6pF1 16X7c2x 400 x 40.fix 10=9.8 x 106（Q）»= 5. lAn；則從而得（2） UO

15、 二 Ku Ad=O.12V/mxlOim=1.2V第五章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用1) 簡(jiǎn)述壓電效應(yīng)及電致伸縮效應(yīng)答 (正)壓電效應(yīng)：a某些晶體，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷； b當(dāng)去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)； e當(dāng)作用力方 向改變，電荷的極性也隨著改變； d晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比；e當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于漏電而很快泄漏、消失。電致伸縮效應(yīng)：對(duì)晶體施加外電場(chǎng)時(shí)，晶體本身產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。 又稱電致伸縮效應(yīng)。2）簡(jiǎn)述石英晶體內(nèi)部存在的 3種正壓電效應(yīng)（1）縱向壓電效應(yīng)當(dāng)晶體材料受到 X方向壓力時(shí)，

16、在 X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而 Y、Z方向則不產(chǎn)生壓 電效應(yīng)，稱為縱向壓電效應(yīng)。 縱向壓電效應(yīng)使晶面產(chǎn)生的電荷量和外力成正比而與晶片幾何 尺寸無(wú)關(guān)。橫向壓電效應(yīng)當(dāng)晶體受到沿Y方向施加的壓力時(shí)，電荷仍在垂直于X軸的平面上出現(xiàn)，稱為橫向壓 電效應(yīng)。電荷量不僅與的力大小有關(guān)，也與晶片的幾何尺寸有關(guān)切向壓電效應(yīng)當(dāng)沿晶片相對(duì)兩平面施加外力時(shí)，晶體表面便產(chǎn)生電荷， 這種現(xiàn)象稱為切向壓電效應(yīng)。3）壓電式傳感器等效電路和測(cè)量電路 壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器，也是一只平行極板介質(zhì)電容器。 為什么壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，只能用于動(dòng)態(tài)測(cè)量？答：（1）3 =0 （靜態(tài)量），Uim/Uam=0（輸入電壓為零）

17、，由于電荷泄漏，所以不能測(cè)量靜 態(tài)量；（2）3 / 3 0 >>3 （高頻情況），Uim/Uam- 1,實(shí)際接近理想，30 一定，3越高，高頻響應(yīng)越好 分析對(duì)比電壓放大器和電荷放大器的電路特點(diǎn)，指出電荷放大器的最主要優(yōu)點(diǎn)？答：（1）電壓放大器：電路簡(jiǎn)單、元件少、體積小；電路可靠、價(jià)格低；電纜長(zhǎng)度有限（1.2m）, 不能更換；（2）電荷放大器電荷放大器輸出與電纜電容無(wú)關(guān)（電纜長(zhǎng)達(dá)1km,電纜可更換）第7章熱電式傳感器及其應(yīng)用1） 兩種不同的導(dǎo)體 A和B串接成圖示閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸端存在溫差T> T0時(shí)，回路中 就有電流產(chǎn)生，即回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。2）結(jié)論

18、（4點(diǎn)）：（1）熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶 的長(zhǎng)度、粗細(xì)無(wú)關(guān)。（2 ）只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）才能組合成熱電偶； 相同材料不 會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。3）只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同，熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì) 產(chǎn)生。（4）導(dǎo)體材料確定后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。這就是利用熱電偶 測(cè)溫的原理。3）熱電偶基本定律（1 ）均質(zhì)導(dǎo)體定律：兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶的電勢(shì)大小只與熱電極材料和溫度有關(guān)。（2） 中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入另一種導(dǎo)體稱中間導(dǎo)體C,只要中間導(dǎo)體的兩 端溫度相同，熱電偶回路總電動(dòng)勢(shì)不受中間導(dǎo)體接入的影響。EABA B (T

19、,Tn,T0)= EabCTE) EAB(Tn,T0)（4）中間溫度定律（3）連接導(dǎo)體定律EAB (T ,Tn ,T0)- EAB (T,Tn)EAB (T n ,T0 )4）熱電偶溫度補(bǔ)償 方法二測(cè)量出熱電偶自由端的溫度Tnf由熱電偶分度表査 Eab(TJ) f Eqeo尸 Eab(T.T_) + EabCTO) f 再由熱電 偶分度表查出被測(cè)介質(zhì)的真實(shí)溫度°例=用K型(鋒鏈一銀硅)熱電偶測(cè)爐溫，參考端溫度幾= jor ,由熱電偶分度表查得Eab(30V：, or)= L2O3mV,若測(cè) 得EabCH 30r)= 28.344mV,則可得忙衛(wèi)口尸 E 301C) + E OlCO)

20、 =28.344mV+1.203mV =29.547mVo再查分度表可知T=710X? 口5) 補(bǔ)正系數(shù)修正法：把參考端實(shí)際溫度人乘上系數(shù)和加到由7J查分度表所得的溫度上，成為被測(cè)溫度八T二T + kT“k為熱電偶的修正糸數(shù)，見表對(duì)上例，參考端在室溫環(huán)境T產(chǎn)309中，儀表測(cè)得的熱電勢(shì) 為3010)=2834伽口查此熱電偶分度表知，溫度 F=681U,冷端溫度Tn=30r,査表k =則真實(shí)溫度T=681 + l X30 = 711(TC)6 )題目用S型熱電偶測(cè)量某一溫度，若參考端溫戛m=3(TC，測(cè)得 的熱電勢(shì)E(T,Tn)=7.5mV.求測(cè)量端實(shí)際溫度 解：E(77i) = E(F£

21、;)+E(7；7；)在E (7> 對(duì)中人二30G 7 -0°C 查分度表有E (30, 0) =0473 mV E (C Tj = 7r5mVE ( 1,0)= E ( T30)+ E(30=0) = 7.5 + 0.173 = 1.613mV反查分度表有T=830eC?測(cè)量端實(shí)際溫度為83CTC第8章光電式傳感器及其應(yīng)用1) 光電傳感器：將光信號(hào)(紅外、可見光及紫外光)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。2) 外光電效應(yīng)：在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。 基于外光電效應(yīng)的光電器件：光電管、光電倍增管、光電攝像管等3) 內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。 常見器件：光敏電阻4) 光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。常見器件：光敏二極管、三極管、光電池等。磁