傳感器技術概念知識復習課案

1、傳感器技術復習綱要第0章緒論傳感器作為整個檢測系統(tǒng)的前哨，它提取信息的準確與否直接決定著整個檢測系統(tǒng)的精度。人們在研究自然現(xiàn)象、規(guī)律以及生產(chǎn)活動中，有時需要對某一事物的存在與否作定性了解，有時需要進行大量的實驗測量以確定對象的量值的確切數(shù)據(jù)，所以單靠人的自身感覺器官的功能是遠遠不夠的，需要借助于某種儀器設備來完成，這種儀器設備就是傳感器。傳感器是人類“五官”的延伸，是信息采集系統(tǒng)的首要部件。表征物質(zhì)特性及運動形式的參數(shù)很多，根據(jù)物質(zhì)的電特性，可分為電量和非電量兩類。電量一般是指物理學中的電學量，例如電壓、電流、電阻、電容及電感等；電電量一一則是指除電量之外的一些參數(shù)，例如壓力、流量、尺寸、位移

2、量、重量、力、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、溫度、濃度及酸堿度等等。非電量需要轉(zhuǎn)化成與其有一定關系的電量，再進行測量，實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術的器件就是傳感器。傳感器處于研究對象或檢測控制系統(tǒng)的最前端，是感知、獲取與檢測各種信息的窗口，它的作用是延伸、擴展、補充或代替人的聽覺、視覺和觸覺等器官的功能。它是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)與技術基礎。傳感器定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。在圖中，轉(zhuǎn)換元件是可變電感線圈3

3、,它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化?；巨D(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器只完成被測參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測控電路，進行放大、運算、處理等進一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測值或進行過程控制。敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入，敏感元件把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。傳感器的分類傳感器的種類十分繁多，其分類方法也很多。首先，按照傳感器的工作機理，可分為物理型、化學型、生物型等。其次，按構(gòu)成原理，可分為結(jié)構(gòu)型和物性型兩大類。結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學中場的定律構(gòu)成，如力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。物性型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成，例如，虎克定律、歐姆定律等。儀表

4、的精度等級是用儀表的絕對誤差來表示的。第1章傳感器的一般特性靜態(tài)輸入量：不隨時間變化或變化很慢的輸入信號。動態(tài)輸入量：是指隨時間變化的輸入信號。傳感器的靜態(tài)特性：在被測量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸入量與輸出量之間的關系。通常要求傳感器在靜態(tài)情況下的輸出-輸入關系保持線性。實際應用中，若非線性項的次數(shù)不高，則在輸入量變化不大的范圍內(nèi)，用切線或割線代替實際的靜態(tài)特性曲線的某一段，使傳感器的靜態(tài)特性近似于線性，這稱為傳感器靜態(tài)特性的線性化。傳感器的動態(tài)特性：傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應特性，傳感器所檢測的非電量信號大多數(shù)是時間的函數(shù)。為了使傳感器輸出信號和輸入信號隨時間的變

5、化曲線一致或相近，我們要求傳感器不僅有良好的靜態(tài)特性，而且還應具有良好的動態(tài)特性。傳感器的動態(tài)特性是傳感器的輸出值能夠真實地再現(xiàn)變化著的輸入量能力的反映。線性度和非線性誤差傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關系的線性程度。傳感器的差動測量方法的優(yōu)點是減小了非線性誤差、提高了測量靈敏度。從傳感器的性能看，希望具有線性關系，但實際遇到的傳感器大多為非線性，這時傳感器的輸出與輸入關系可用一個多項式表示23ny=a0alxa2xa3x.anxy輸出量；x輸入量；a2,a3,.anao零點輸出；ai理論靈敏度；一一非線性項系數(shù)。各項系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式不同。線性度（非線性誤差）在

6、采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度，通常用相對誤差來表示，即BU=100%A常用擬合方法理論擬合；過零旋轉(zhuǎn)擬合；端點連線擬合；端點連線平移擬合；最小二乘擬合；最小包容擬合等。靈敏度：到達穩(wěn)定工作狀態(tài)時輸出變化量與引起該變化的輸入變化量之比。其計算方法為K=輸出變化量/輸入變化量=曳X精度傳感器的精度表示傳感器在規(guī)定條件下允許的最大絕對誤差相對于傳感器滿量程輸出的百分比。；AS=100%Yfs遲滯遲滯是指在相同工作條件下作全測量范圍校準時，在同一次校準中對應同一輸入量的正行程和反行程輸出值間的最大偏差，遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差。重復性

7、重復性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變動多次所得特性曲線的不一致性，重復性所反映的是測量結(jié)果偶然誤差的大小，而不表示與真值之間的差別。零點漂移零點漂移:傳感器無輸入（或某一輸入值不變）時，每隔一段時間進行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值），即為零點漂移（簡稱零漂）。3溫漂溫漂表示溫度變化時，傳感器輸出值的偏離程度。第2章電阻應變式傳感器應變物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。彈性應變當外力去除后，物體能夠完全恢復其尺寸和形狀的應變。彈性元件具有彈性應變特性的物體。電阻應變式傳感器：就是由于某些物理量的變化引起應變，應變引起電阻變化的一種傳感器。主要是由彈性敏感元

8、件和電阻應變片組成。電阻應變式傳感器工作原理：當被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應的應變或位移，然后傳遞給與之相連的應變片，引起應變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。全橋差動電路的電壓靈敏度比單一工作應變片的電壓靈敏度提高了3倍，全橋差動電路也得到廣泛的應用。電阻應變片的橫向效應：應變片的敏感柵除了有縱向絲柵外，還有圓弧形和直線型的橫柵。當電阻應變片粘貼在一維狀態(tài)下的試件上時，應變片的縱向絲柵因發(fā)生縱向應變，使其電阻值增加，而應變片的橫柵同時感受縱向拉應變和橫向壓應變使其電阻值減小，從而降低了整個電阻應變片的

9、靈敏度。這就是應變片的橫向效應。金屬箔應變片的靈敏度系數(shù)與金屬絲應變片靈敏度系數(shù)不同點是金屬應變片的靈敏度系數(shù)與金屬絲應變片靈敏度系數(shù)不同，金屬絲應變片由于由金屬絲彎折而成，具有橫向效應，使其靈敏度小于金屬箔應變片的靈敏度。電阻應變式傳感器結(jié)構(gòu)：應變式傳感器由彈性元件（敏感元件）上粘貼電阻應變片（轉(zhuǎn)換元件）構(gòu)成。半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。半導體材料的壓阻效應是半導體材料在受到應力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應。電阻應變式傳感器應用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量。金屬材料的應變效應是指金屬材料在受到外力作用時，產(chǎn)生機械變形，導致其阻

10、值發(fā)生變化的現(xiàn)象叫金屬材料的應變效應。采用應變片進行測量時要進行溫度補償?shù)脑蚴牵?）金屬的電阻本身具有熱效應，從而使其產(chǎn)生附加的熱應變；（2）基底材料、應變片、粘接劑、蓋板等都存在隨溫度增加而長度應變的線膨脹效應，若它們各自的線膨脹系數(shù)不同,就會引起附加的由線膨脹引起的應變。第3章電容式傳感器電容式傳感器可以分為三種類型：改變極板距離d的變間隙型、改變極板面積A的變面積型和改變介質(zhì)相對介電常數(shù)的變介電常數(shù)型。其中極距變化型和面積變化型應用較廣。圓柱型電容傳感器是采用當動極板有一線位移時，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導致電容量的變化。移動電容式傳感器動極板，導致兩極板有效覆蓋面積A發(fā)生變化

11、的同時，將導致電容量變化，傳感器電容改變量AC與動極板水平位移成線性關系。第4章電感式傳感器電感式傳感器：利用電磁感應原理，將被測非電量轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)或互感系數(shù)的變化，將被測的機械性的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈電感（或互感）的變化。電感式傳感器可分為自感式傳感器、差動變壓式傳感器和電渦流傳感器三種類型。電感式傳感器一般將機械線位移或角位移轉(zhuǎn)換為感應電動勢。差動電感式傳感器在結(jié)構(gòu)上類似兩個簡單的變氣隙型電感式傳感器的組合，而只共用一個可動鐵心。差動形式工作時其電橋電路常采用雙臂工作方式。兩個差動線圈Z1和Z2分別作為電橋的兩個橋臂，另外兩個平衡臂可以是電阻或電抗，或者是帶中心抽頭的變壓器的兩個二次

12、繞組或緊耦合線圈等形式。與差動變壓器傳感器配用的測量電路中，常用的有兩種：差動整流電路和相敏檢波電路。變隙式差動變壓器傳感器的主要問題是靈敏度與測量范圍的矛盾。這點限制了它的使用，僅適用于微小位移的測量。螺管型電感式傳感器的電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關。電渦流式傳感器的工作原理：根據(jù)法拉第電磁感應原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應電流，稱之為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應。電渦流傳感器是利用電渦流效應，將位移、溫度等非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化或電感的變化從而進行非電量電測的。電渦流傳感器的測量電路主要有調(diào)頻式和調(diào)幅式兩種。交流電橋相敏檢波原理及作用（電路）第

13、5章壓電式傳感器正壓電效應：某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。（什么是逆壓電效應？）壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：一是將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。壓電式傳感器的前置放大器兩大作用是進行阻抗變換和放大信號。壓電式傳感器的等效電路：電壓等效電路和電荷等效電路。h)第6章熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電動勢變化的熱電式傳感器

14、稱為熱電偶，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的熱電式傳感器稱為熱電阻。熱電偶測溫原理：將兩種不同材料的導體，組成一個閉合回路。如果兩端點的溫度不同，則在兩者間產(chǎn)生一電動勢，這個電勢的大小和方向與兩種導體的性質(zhì)和兩個結(jié)點溫度差有關，這一溫度現(xiàn)象稱為熱電效應，有時也稱溫差電效應。由兩種導體組成的回路叫熱電偶。熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢是由兩種導體的接觸電勢和單一導體的溫差電勢組成。特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應在同一溫度下。熱電偶的基本定律：中間導體定律，標準電極定律和中間溫度定律。熱電偶的冷端溫度誤差及其補償：0c恒溫法，冷端補償器法。常用熱電偶的舉例：測控應用。

15、補償導線法常用作熱電偶的冷端溫度補償，它的理論依據(jù)是中間溫度定律。常用的熱電式傳感元件有熱電偶和熱敏電阻。在各種熱電式傳感器中，最為普遍是以將溫度轉(zhuǎn)換為電勢或電阻變化。熱電偶是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢的測溫元件、熱電阻和熱敏電阻是將溫度轉(zhuǎn)換為電阻變化的測溫元件。第7章磁傳感器霍爾效應：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，載流導體上平行于電流和磁場的方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢?；魻栐闹饕卣鳎翰坏任浑妱觿軺o霍爾元件的補償電路：溫度補償電路。霍爾開關集成傳感器主要有穩(wěn)定電路、霍爾元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成?；魻柧€性集成傳感器雙端輸出的作用：可提供差動射極

16、跟隨輸出，以及輸出失調(diào)調(diào)零。第8章光電式傳感器光電式傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器，其理論基礎是光電效應。外光電效應：在光線的作用下，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。通常把光線照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應分為幾大類。第一類是利用在光線作用下光電子逸出物體表面的外光電效應，這類元件有光電管、光電倍增;第二類是利用在光線作用下使材料內(nèi)部電阻率改變的內(nèi)光電效應，這類元件有光敏電阻；第三類是利用在光線作用下使物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向電動勢的先生伏特效應，這類元件有光電池、光電儀表。內(nèi)光電效應：在光照下，物體的電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生一定方向光生電動勢的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應。光

17、電導效應：當光照射在物體上，使物體的電導率（1/R）或電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。二、選擇題1、隨著人們對各項產(chǎn)品技術含量要求的不斷提高，傳感器也朝向智能化方面發(fā)展。其中，典型的傳感器智能化結(jié)構(gòu)模式是（）。A、傳感器+通信技術B、傳感器+微處理器C、傳感器+多媒體技術D、傳感器+計算機2、傳感器主要完成兩方面的功能檢測和（）。A、測量B、感知C、信號調(diào)節(jié)D、轉(zhuǎn)換3、傳感器的下列指標全部屬于靜態(tài)特性的是（）。A、線性度、靈敏度、阻尼系數(shù)B、幅頻特性、相頻特性、穩(wěn)態(tài)誤差C、遲滯、重復性、漂移D、精度、時間常數(shù)、重復性4、傳感器的下列指標全部屬于動態(tài)特性的是（）。A、遲滯、靈敏度、阻尼系數(shù)B、幅頻特性、相

18、頻特性C、重復性、漂移D、精度、時間常數(shù)、重復性5、由（卜應變片以及一些附件（補償元件、保護罩等）組成的裝置稱為應變式傳感器。A、彈性元件B、調(diào)理電路C、信號采集電路D、敏感元件6、100Q的應變片在外力作用（0.005）下，電阻變化了1Q,則該應變片的靈敏系數(shù)K為（）。A、2B、1.5C、2.5D、47、電阻應變片的線路溫度補償方法有（）。A、差動電橋補償法B、補償塊粘貼補償應變片電橋補償法C、補償線圈補償法D、恒流源溫度補償電路法8、交流電橋的平衡條件為（）。A、相鄰橋臂阻抗值乘積相等B、相對橋臂阻抗值乘積相等C、相對橋臂阻抗值比值相等D、相鄰橋臂阻抗值之和相等9、當變間隙式電容傳感器兩極

19、板間的初始距離d增加時，將引起傳感器的（）A、靈敏度增加B、靈敏度減小C、非線性誤差增加D、非線性誤差不變10、下列說法正確的是（）。A、差動整流電路可以消除零點殘余電壓，但不能判斷銜鐵的位置。B、差動整流電路可以判斷銜鐵的位置和運動方向。C、相敏檢波電路可以判斷位移的大小，但不能判斷位移的方向。D、相敏檢波電路可以判斷位移的大小和位移的方向11、對變壓器式電感傳感器而言，要使非線性誤差減小，應該使兩個副線圈（）。A、正向串聯(lián)；B、反向串聯(lián)；C、正向并聯(lián)；D、反向并聯(lián)。12、電渦流式傳感器有如下何種工作形式（）。A、高頻反射式；B、低頻透射式；C、直流反射式；D、直接接觸式。13、對石英晶體，下列說法正確的是（）。A、沿光軸方向施加作用力，不會產(chǎn)生壓電效應，也沒有電荷產(chǎn)生B、沿光軸方向施加作用力，不會產(chǎn)生壓電效應，但會有電荷產(chǎn)生C、沿光軸方向施加作用力，會產(chǎn)生壓電效應，但沒有電荷產(chǎn)生D、沿光軸方向施加作用力，會產(chǎn)生壓電效應，也會有電荷產(chǎn)生14、圖中x0切型的壓電片上電荷的極性相同的是（）。A、（a）和（b）B、（a）和（c）C、（a）和（d）D、（c）和（