传感器笔记概要

1一．1.检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措施。检测技术作为信息科学的一个重要分支，是实现信息化的基础技术之一。一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置、电源和传输通道等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。数字信号检测系统有绝对码数字式和增量码数字式。当传感器输出的编码与被测量一一对应，称为绝对码。当传感器输出增量码信号，即信号变化的周期数与被测量成正比，称为增量码。2.传感器是把被测量转换成电学量的装置，是检测系统与被测对象直接发生联系的部件。3.显示记录装置主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。常用的有模拟显示、数字显示和图像显示三种。4.测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。测量的结果包括数值大小和测量单位两部分。测量方法按照测量手续可以将测量方法分为直接测量和间接测量；按照获得测量值的方式可以分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量；此外，根据传感器是否与被测对象直接接触，可区分为接触式测量和非接触式测量；而根据被测对象的变化特点又可分为静态测量和动态测量等。5．绝对误差0xx相对误差%100%100000xxxxr6.系统误差在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化，这种误差称为系统误差。检测装置本身性能不完善、测量方法不完善、测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等原因都可能产生系统误差。精确度是测量的正确度和精密度的综合反映。精确度高意味着系统误差和随机误差都很小。a)b)c)（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高7.热电偶测温时，冷端温度的变化会引起变值系统误差。在测量系统中采用补偿电桥，就可以起到自动补偿作用。8传感器的命名由主题词加四级修饰语构成。主题词——传感器；第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语；第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字；第三2级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字；第四级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。100mm应变计式位移传感器传感器的代号依次为主称（传感器）被测量—转换原理—序号主称——传感器，代号C；被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表2；转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表3；序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。例：应变式位移传感器：CWY-YB-20；光纤压力传感器：CY-GQ-2。差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。静态特性技术指标线性度y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxnx—输入量；y—输出量；a0—零点输出；a1—理论灵敏度；a2、a3、…、an—非线性项系数。直线拟合的办法非线性误差或线性度通常用相对误差γL表示：γL=±(ΔLmax/yFS)×100%ΔLmax一最大非线性误差；yFS—量程输出。最小二乘法拟合设拟合直线方程：y=kx+b原理就是使2i为最小值，即min2112niiiniibkxy得到k和b的表达式22iiiiiixxnyxyxnk222iiiiiiixxnyxxyxb迟滞%100/maxFSHHy重复性%100/maxFSRRy灵敏度与灵敏度误差K=Δy/Δxγs=(Δk/k)×100%分辨力与阈值3分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。稳定性稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。温度稳定性指传感器在外界温度下输出量发生的变化。温度稳定性误差用温度每变化若干℃的绝对误差或相对误差表示,每℃引起的传感器误差又称为温度误差系数。抗干扰稳定性指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。静态误差静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。2111niiynyi—各测试点的残差；n一测试点数取2σ和3σ值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即%100/3FSy2222SRLH精确度与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。精确度高表示精密度和准确度都比较高。二阶传感器的阶跃响应令x=A单位阶跃响应通式kAydtdydtyd/2/222ω0——传感器的固有频率；ζ——传感器的阻尼比特征方程022002根据阻尼比的大小不同，分为四种情况：1）0＜ξ＜1(有阻尼)：该特征方程具有共轭复数根/)1(22,1j方程通解32221/1sin1cos)(AtAtAetyt根据t→∞,y→kA求出A3；根据初始条件,0)0(,0)0(,0yyt求出A1、A2，则2221arctan1sin1)/exp(1ttkAty其曲线如图，这是一衰减振荡过程,ξ越小,振荡频率越高,衰减越慢。42)ξ=0(零阻尼)：输出变成等幅振荡，即)/sin(10tkAty3)ξ=1(临界阻尼)：特征方程具有重根-1/τ,过渡函数为)/exp()/exp(1tttkAty4）ξ1（过阻尼）：特征方程具有两个不同的实根/)1(22,1过渡函数为ttkAy1exp1211exp1211222222上两式表明，当ξ≥1时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个时间常数不同。二．1.电阻的灵敏系数/210RRk金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6半导体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定0kRR253.温度误差及其补偿应变片的自补偿法粘贴在被测部位上是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。a.选择式自补偿应变片实现温度补偿的条件为00tKtsgt当被测试件的线膨胀系数βg已知时，选择敏感栅材料，使sgK0即可达到温度自6补偿的目的。优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄b.双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足t2t1)()(RR)()(//111222112221ggttKKRRRRRR通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达±0.45με/℃的高精度4.单臂电桥非线性误差及其补偿实际输出电压RRRRURRRUU211424ii0电桥的相对非线性误差为KRRRRRRUU21211211121111'007电阻式传感分类变位器式传感器电阻应变式传感器三．1.电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置。电容式位移传感器电容式加速度传感器电容式压力传感器2.电容式传感器工作原理AC0a)极距δ变化型在1条件下，电容的变化与极板间距变化量近似是线性关系。b)面积变化型：角位移型平面线位移型柱面线位移型变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。c)介质变化型主要测量厚度、液位、介质的温度和湿度3.边缘效应理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。当考虑电场的边缘效应时，情况要复杂的多，边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器灵敏度下降和非线性增加。①为克服边缘效应，首先应增大初始电容量C0，即增大极板面积，减小极板间隙。8②在结构上增设等位环来消除边缘效应。原理：等位环安放在上面电极外，且与上电极绝缘组等电位，这样就能使上电极的边缘电力线平直，两极间电场基本均匀。而发散的边缘电场发生在等位环的外周不影响工作。四．电感式传感器1.分类2.331211112200001112222231211122002,,,,,,2()imiiiiimiilllRsSSSSlSlSNNLllRSSS总磁阻分别为气隙的磁导率、气隙和截面积。分别为铁心的磁导率、长度和截面积。分别为衔铁的磁导率、长度和截面积。铁心的结构和材料确定后，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。3.4.变面积式自感传感器2rl1气隙不变，22000/rrNNLsKsllllss9灵敏度KdsdLk0输入与输出呈线性关系，得到较大的线性范围，灵敏度较低。5.自感线圈的等效电路自感线圈不是一个纯电感，除了电感量L之外，还存在线圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。1011，。7.低频透射式涡流传感器的工作原理如右图所示，发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈ω2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。12五．1.压电效应：某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。相反，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。132.石英晶体有天然和人造石英单晶两种。石英晶体属六方晶系，是一个正六面体，有右旋和左旋石英晶体之分，在晶体学中用三根互相垂直的轴Z、X、Y表示它的坐标。Z轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。X轴为电轴（垂直于光轴），该轴压电效应最显著，它通过正六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然X轴共有三个。Y轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。当石英晶体未受力作用时，正、负离子（即Si4+和2O2−）正好分布在正六边形的顶角上，形成三个大小相等，互成120°夹角的电偶极矩p1、p2和p3。电偶极矩的矢量和等于零，即这时晶体表面不产生电荷，石英晶体从整体上呈电中性。当