傳感器原理與應(yīng)用復(fù)習(xí)范圍

1、緒論一、 傳感器：將各種非電量（包括物理量、化學(xué)量、生物量等），按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量（一般為電量）的裝置。 二、 傳感技術(shù)：是利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門應(yīng)用技術(shù)，是檢測(cè)（傳感）原理、材料 科學(xué)、工藝加工等三要素的最佳結(jié)合。三、 傳感器的組成 ：傳感器一般有敏感元件、轉(zhuǎn)換原件和測(cè)量電路三部分組成，有事還需要加輔助電源。四、 傳感器分類：1.按輸入量分類 如輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、加速度、濕度等非電量時(shí)，則相應(yīng)的傳感器稱為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器等。2.按測(cè)量原理分類 現(xiàn)有傳感器的測(cè)量原理主要是基于電磁

2、原理和固體物理學(xué)理論。如根據(jù)變電阻的原理，相應(yīng)的有電位器式、應(yīng)變式傳感器；根據(jù)變磁阻的原理，相應(yīng)的有電感式、差動(dòng)變壓器式、電渦流式傳感器；根據(jù)半導(dǎo)體有關(guān)理論，則相應(yīng)的有半導(dǎo)體力敏、熱敏、光敏、氣敏等固態(tài)傳感器。3.按結(jié)構(gòu)型和物性型分類 所謂結(jié)構(gòu)型傳感器，主要是通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而檢測(cè)出被測(cè)信號(hào)，這種傳感器目前應(yīng)用的最為普遍。物性型傳感器則是利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化而實(shí)現(xiàn)測(cè)量，它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。五、傳感器的發(fā)展趨向1.傳感器的固態(tài)化，2、傳感器的集成化和多功能化3.傳感器的圖像

3、化4.傳感器的智能化第1章 傳感器的一般特性§1-1 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器在被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出量和輸入量之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特性。傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有以下幾點(diǎn)：一、線性度(非線性誤差) 在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程(F·S)輸出值的百分比稱為線性度。二、靈敏度 傳感器的靈敏度指到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。線性傳感器校準(zhǔn)曲線的斜率就是靜態(tài)靈敏度K。三、遲滯 遲滯是指在相同工作條件下作全測(cè)量范圍校準(zhǔn)時(shí)，在同一次校準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程其輸出值間的最大偏差(見(jiàn)圖1-6)。其數(shù)值用最大偏差

4、或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分比表示。四、重復(fù)性 重復(fù)是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變動(dòng)多次所得特性曲線的不一致性§1-2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)：上升時(shí)間tr 、 穩(wěn)定時(shí)間ts 、 峰值時(shí)間tp 、 超調(diào)量%。第二章 應(yīng)變式傳感器§2-1金屬應(yīng)變片式傳感器 金屬應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。 應(yīng)用時(shí)將應(yīng)變片用黏結(jié)劑牢固地粘貼在被測(cè)試件表面上。當(dāng)試件受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，引起應(yīng)變片電阻值變化，通過(guò)測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓或電

5、流信號(hào)輸出。應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和黏結(jié)劑等組成。§2-2 壓阻式傳感器單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。(二)影響壓阻系數(shù)的因素 影響壓阻系數(shù)的因素主要是擴(kuò)散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度。擴(kuò)散雜質(zhì)濃度NS增加時(shí)，壓阻系數(shù)就會(huì)減小。第三章 電容式傳感器§3-1 電容式傳感器的工作原理 用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成最簡(jiǎn)單的電容器。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容量為式中 C電容量； S極板間相互覆蓋面積； d兩極板間距離； 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)一般電容式傳感器可以分成以下三種類型：一、變面積(S)型二、變介質(zhì)介電常數(shù)()型

6、三、變極板間距(d)型§3-3 電容式傳感器的誤差分析一、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響 二、電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng) 三、寄生與分布電容的影響§3-4 電容式傳感器的應(yīng)用一、電容式差壓變送器 二、電容式測(cè)微儀 三、電容式液位計(jì)第四章 電感式傳感器電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置?？梢杂脕?lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等參數(shù)。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理不同，可分為自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)型式不同，可分為氣隙型和螺管型兩種。第五章壓電式傳感器壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器(或發(fā)電型傳感器)。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷

7、，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。§5-1 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)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。相反，在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)(電致伸縮效應(yīng))。一、石英晶體壓電效應(yīng) 天然結(jié)構(gòu)石英晶體是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來(lái)表示。其中縱向軸Z-Z稱為光軸；經(jīng)過(guò)正六面體棱線，并垂直于光軸的X-X軸稱為電軸；與X-X軸和Z-Z軸同時(shí)垂直的Y-Y軸(垂直于正六面體的棱面)稱為機(jī)

8、械軸。通常把沿電軸X-X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸Y-Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z-Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。§5-2 壓電材料 應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電材料主要有兩種：一種是壓電晶體，如石英等；另一種是壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。二、測(cè)量電路 壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：一是把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出；二是放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào)。根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及其等效電路，它的輸出可以是電壓信號(hào)也可以是電荷信號(hào)。因此設(shè)計(jì)前置放大器也有兩種形式：一種是電壓放大器，其輸出電壓與

9、輸入電壓(傳感器的輸出電壓)成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。§5-4 壓電式傳感器的應(yīng)用 一、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種。二、壓電式壓力傳感器三、壓電式流量計(jì)第六章 數(shù)字式傳感器根據(jù)工作原理不同可分為脈沖數(shù)字式傳感器(如光柵傳感器、感應(yīng)同步器、磁柵傳感器等)和頻率輸出式數(shù)字傳感器(如振弦式、振筒式和振膜式傳感器)。§6-1 碼盤式傳感器一、工作原理 光學(xué)碼盤式傳感器是用光電方法把被測(cè)角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。§6-2 光柵傳感器二、莫爾條紋形成的原理及特點(diǎn) (

10、一)莫爾條紋的形成原理 把光柵常數(shù)相等的主光柵和指示光柵相對(duì)疊合在一起(片間留有很小的間隙)，并使兩者柵線(光柵刻線)之間保持很小的夾角，于是在近于垂直柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，如圖6-11所示。在a-a線上兩光柵的柵線彼此重合，光線從縫隙中通過(guò)，形成亮帶；在b-b線上，兩光柵的柵線彼此錯(cuò)開(kāi)，形成暗帶。這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋方向與刻線方向垂直，故又稱橫向莫爾條紋。由圖6-11可看出，橫向莫爾條紋的斜率為 (6-3)式中 亮(暗)帶的傾斜角； 兩光柵的柵線夾角。橫向莫爾條紋(亮帶與暗帶)之間距離為 (6-4) 式中 BH 橫向莫爾條紋之間的 距離； W 光柵常數(shù)。 由此可

11、見(jiàn)，莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵的夾角決定。對(duì)于給定光柵常數(shù)W的兩光柵，夾角愈小，條紋寬度愈大，即條紋愈稀。所以通過(guò)調(diào)整夾角，可以使條紋寬度具有任何所需要的值。 §6-4 振弦式傳感器 振弦式傳感器以張緊的鋼弦作為敏感元件，其弦振動(dòng)的固有頻率與張緊力有關(guān)。當(dāng)振弦長(zhǎng)度確定后，弦的振動(dòng)頻率變化量即可表示張緊力的大小。其輸入量為力，輸出量為頻率信號(hào)。第七章 熱電式傳感器其中將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的熱電式傳感器叫熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的熱電式傳感器叫熱電阻。§7-1 熱電偶 一、熱電效應(yīng)熱電偶是利用熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器。如圖7-1所示，把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料A、B連接

12、成閉合回路，將它們的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為T及T0 (設(shè)T>T0)的熱源中，則在該回路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)(簡(jiǎn)稱熱電勢(shì))，可用EAB(T，T0)表示，這種現(xiàn)象稱做熱電效應(yīng)。我們把兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的這種組合稱為熱電偶，A和B稱為熱電極，溫度高的接點(diǎn)稱為熱端(或工作端)，溫度低的接點(diǎn)稱為冷端(或自由端)。圖7-1所示的熱電偶回路中所產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)所組成。三、常用熱電偶及結(jié)構(gòu)從理論上講，任何兩種不同導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)都可以配制成熱電偶，但是作為實(shí)用的測(cè)溫元件，對(duì)它的要求是多方面的。為了保證工程技術(shù)中的可靠性，以及足夠的測(cè)量精度，并不是所有材料都能組成熱電偶

13、，一般對(duì)熱電偶的電極材料基本要求是：在測(cè)溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間而變化，有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱小；測(cè)溫中產(chǎn)生熱電勢(shì)要大，并且熱電勢(shì)與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數(shù)關(guān)系；材料復(fù)制性好，機(jī)械強(qiáng)度高，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。§7-2 熱電阻絕大多數(shù)金屬具有正的電阻溫度系數(shù)t，溫度越高，電阻越大。利用這一規(guī)律可制成溫度傳感器，與熱電偶對(duì)應(yīng)，就稱為“熱電阻”。用于制造熱電阻的金屬材料應(yīng)滿足以下要求：電阻溫度系數(shù)大，電阻隨溫度變化保持單值并且最好呈線性關(guān)系；熱容量?。浑娮杪时M量大，這樣可以在同樣靈敏度情況下使元件尺寸做得小一些；在工作范

14、圍內(nèi)，物理和化學(xué)性能穩(wěn)定；容易獲得較純物質(zhì)，材料復(fù)制性好，價(jià)格便宜。根據(jù)以上要求，目前世界上大都采用鉑和銅兩種金屬作為制造熱電阻的材料第八章 固體傳感器固體傳感器的特點(diǎn)：由于傳感器原理是基于物性變化，因而沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，不存在磨損問(wèn)題，可以做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小型輕量； 感受外界信息靈活，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，并且輸出為電量； 采用半導(dǎo)體為敏感材料，容易實(shí)現(xiàn)傳感器集成化、一體化、多功能化、圖像化、智能化； 功耗低，安全可靠。 §8-1 磁敏傳感器一、霍爾元件 (一)霍爾效應(yīng) 圖8-1為霍爾效應(yīng)原理圖。在與磁場(chǎng)垂直的半導(dǎo)體薄片上通以電流I，假設(shè)載流子為電子(N型半導(dǎo)體材料)，它沿與電流I相反的方向運(yùn)

15、動(dòng)。由于洛侖茲力fL的作用，電子將向一側(cè)偏轉(zhuǎn)(如圖中虛線箭頭方向)，并使該側(cè)形成電子的積累。而另一側(cè)形成正電荷積累，于是元件的橫向便形成了電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)電子所受到的電場(chǎng)力fE與洛侖茲力fL相等時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)在兩端橫面之間建立的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)EH，相應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)UH。§8-2光敏 傳感器 一、光電效應(yīng) 光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。 (一)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)象稱為外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。(二)內(nèi)光電效應(yīng) 受光

16、照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。 光電導(dǎo)效應(yīng)。在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。光生伏特效應(yīng)。在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏晶體管。§8-3 電荷耦合器件(一)電荷耦合器件的結(jié)構(gòu) 金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容CCD是由按照一定規(guī)律排列的MOS電容陣列組成的。其中金屬為MOS結(jié)構(gòu)上的電極，稱為“柵極”(此柵極材料不是用金屬而是用能夠透過(guò)一定波長(zhǎng)范圍光的多晶硅薄

17、膜)。半導(dǎo)體作為底電極，俗稱“襯底”。兩電極之間夾一層絕緣體，構(gòu)成電容。§8-4 氣體傳感器氣體敏感元件就是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或者器件。§8-5 濕度傳感器(一)質(zhì)量百分比和體積百分比 質(zhì)量為M的混合氣體中，若含水蒸氣的質(zhì)量為m，則質(zhì)量百分比為 (8-67) 在體積為V的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為v，則體積百分比為 (8-68) 這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量法。 (二)相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度 水蒸氣壓是指在一定的溫度條件下，混合氣體中存在的水蒸氣分壓(e)。而飽和蒸氣壓是指在同一溫度下，混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值(es)。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大

18、。在某一溫度下，其水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，稱為相對(duì)濕度，其表示式為 (8-69) 絕對(duì)濕度表示單位體積內(nèi)，空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，其定義為 (8-70) 式中 m待測(cè)空氣中水蒸氣質(zhì)量； V待測(cè)空氣的總體積； v待測(cè)空氣的絕對(duì)濕度。 如果把待測(cè)空氣看做是一種由水蒸氣和干燥空氣組成的二元理想混合氣體的話，根據(jù)道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程，可以得出如下關(guān)系式 (8-71) 式中 e空氣中水蒸氣分壓； M水蒸氣的摩爾質(zhì)量； R理想氣體常數(shù)； T空氣的絕對(duì)溫度。 第九章 光導(dǎo)纖維式傳感器光纖傳感器用光而不用電來(lái)作為敏感信息的載體；用光纖而不用導(dǎo)線來(lái)作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及

19、光學(xué)測(cè)量的一些極其寶貴的特點(diǎn)：電絕緣抗電磁干擾 非侵入性 高靈敏度 容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控一、斯乃爾定理(Snell's Law) 斯乃爾定理指出：當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)射出至光疏物質(zhì)(折射率小)時(shí)，發(fā)生折射如圖9-1(a)，其折射角大于入射角，即n1>n2時(shí)，r>i。 n1、n2、r、i之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為 (9-1) 由(9-1)式可以看出：入射角i增大時(shí)，折射角r也隨之增大，且始終r>i。當(dāng)r=90°時(shí)，i仍小于 90°，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑?，如圖9-1(b)，稱為臨界狀態(tài)。這時(shí)有sin r=sin 90°=1sin i

20、0=n2/n1 (9-2)i0=arcsin(n2/n1) (9-3式中 i0臨界角。 當(dāng)i>i0時(shí)，r>90°，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象， 如圖9-1(c)所示，其出射光不再折射而全部反射回來(lái)。 圖9-1 光在不同物質(zhì)分界面的傳播(a)光的折射示意圖 (b)臨界狀態(tài)示意圖 (c)光全反射示意圖二、光纖結(jié)構(gòu) 要分析光纖導(dǎo)光原理，除了應(yīng)用斯乃爾定理外還需結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明。光纖呈圓柱形，它通常由玻璃纖維芯(纖芯)和玻璃包皮(包層)兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成，如圖9-2所示。 圖9-2 光纖結(jié)構(gòu) 纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖芯折射率n1比包層折射率n2稍大些，兩層

21、之間形成良好的光學(xué)界面。光線在這個(gè)界面上反射傳播。三、光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑NA 由圖9-3可以看出：入射光線AB與纖維軸線OO相交角為i，入射后折射(折射角為j)至纖芯與包層界面C點(diǎn)，與C點(diǎn)界面法線DE成k角，并由界面折射至包層，CK與DE夾角為r。由圖9-3可得出 n0sini=n1sinj (9-4) n1sink=n2sinr (9-5) 由(9-4)式可以推出 sin i=(n1/n0)sin j 圖9-3 光纖導(dǎo)光示意圖因j=90°-k 所以 (9-6) 由(9-5)式可推出sin k=(n2/n1)sin r并代入(9-6)式得 (9-7) (9-7)式中n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n01；n1為纖芯折射率，n2為包層折射率。當(dāng)n0=1，由(9-7)式得 (9-8)當(dāng)r=90°的臨界狀態(tài)時(shí)，i=i0 (9-9) 纖維光學(xué)中把(9-9)式中sini0定義為“數(shù)值孔徑”NA(Numerical Aperture)。由于n1與n2相差較小，即n1+n22n1，故(9-9)式又可因式分解為 (9-10) 式中 =(n1-n2)/n1稱為相對(duì)折射率差。由(9-8)式及圖9-3可以看出： r=90°時(shí)，sini0=NA或i0=arcsinNA； r>9