传感器笔记课件资料

第一章传感器定义：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。敏感元件：能直接感受或响应被测量的部分；转换元件：将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。测量电路（信号调节与转换电路）：转换信号输出的电量常常难以显示、记录、处理和控制，这时需要将其进一步变换成可直接利用的电信号，而传感器中完成这一功能的部分称为测量电路。辅助电源结构型传感器物理型传感器物性型传感器1、传感器的分类：化学型传感器生物型传感器结构型传感器：是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用某些物理规律来感受（敏感）被测量，并将其转换为电信号实现测量的。物性传感器：是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应感受（敏感）被测量，并转换成可用电信号的传感器。2、按工作原理分类：应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、热电式传感器、电感式传感器、霍尔传感器3、按被测量对象分：温度、压力、流量、物位、加速度、速度、位移。。。传感器4、按是否需要外加电源分：有源传感器：需要辅助电源才能将检测信号转化为电信号。无源传感器：无需外加电源便可将被测量转换成电量。如光电传感器、压电式传感器。5、测量方法的分类直接测量：在使用仪表进行测量时，对仪表读数不需要进行任何运算，就能直接表示测量所需要的结果。（卡尺、温度计、血压计）间接测量：在进行测量时，首先对被测物理量有确定的函数关系的量进行测量，然后将测量值代入函数关系式，经过计算得到所需结果。组合测量（联立测量）：被测物理量必须经过求解联立方程组才能导出最后的测量结果。等精度测量：在影响测量误差的各种因素不改变的条件下进行的测量。不等精度测量：在多次测量中，对测量结果精确度有影响的某些条件不能完全维持不变的测量。接触测量和非接触测量静态测量（测量对象的稳态值如重量、压力）和动态测量（测量对象随时间的变化值如振动、加速度）偏差式测量：用仪表指针的位移决定被测量的量值零位式测量：用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态。，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值。（天平、电位差计）微差式测量：综合了偏差式测量和零位式测量的优点，将被测量与已知标准量相比较，取得差值后再用偏差法测得此差值。6、真值：指某物理量客观存在的确定值，即被测量本身所具有的真正值。精密度：测量值的集中程度7、精度准确度：测量值的偏离程度精确度：精密度和准确度的综合反映8、稳定性：指测量值随时间的变化程度。9、零点漂移：在一定条件下，保持输入信号不变，输出信号随时间的变化。10、静态特性性能指标：⑴灵敏度：传感器或检测仪表在稳态下输出量的变化量△y与输入量的变化量△x之比⑵分辨率（灵敏度阈值）：引起输出量产生可观测的微小变化所需最小输入量的变化量。⑶线性度：传感器的实测输入输出特性曲线与理论拟合直线（理想输入输出特性曲线）的最大偏差对传感器满量程输出之比的百分数表示。⑷迟滞（滞环）：在相同的工作条件下进行全测量范围测量时，输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等的现象。⑸重复性：在同样工作条件下，输入量按同一方向作全量程多次（三次以上）重复测量时，所得到的输出特性往往有一定的差异。11、标定：依靠专用的标准设备来确定传感器的输入-输出转换关系。第二章电阻应变式传感器1、电阻应变式传感器是将被测量的应力（如压力、荷重、扭力等）通过产生的弹性形变转换成电阻变化的检测元件。2、应变电阻效应：指电阻丝的电阻随着它所承受机械变形（伸长或缩短）的大小而发生改变的一种物理现象。横向效应：将直线金属丝绕成敏感栅后，长度相同，应变状态也相同，应变片敏感栅的电阻变化较小，灵敏度系数减小了的现象。3、分类（1）按应变片敏感栅的材料分类（2）按应变片基底材料和安装方法分类：（3）按应变片工作温度分类：常温应变片、中温应变片、高温应变片、低温应变片（4）按用途分类：一般用途应变片和特殊用途应变片4、常见的应变片金属丝式应变片箔式应变片半导体应变片金属薄膜应变片高温及低温应变片5、应变片的主要参数：（1）、应变片电阻值（2）、绝缘电阻（3）、应变灵敏度系数（K）（4）、机械滞后：指粘贴的应变片在一定温度下受到增（加载）、减（卸载）循环机械应变时，同一应变量应变指示值的最大差值。（5）、允许电流（6）、线性度（7）、应变极限：当指示应变值大于真实应变值的10%时的真实应变值（8）、零漂：对于以粘贴好的应变片，在一定温度下不承受机械应变时，其指示应变随时间变化的特性。（9）、蠕变：在一定温度下使应变片承受一恒定的机械应变，则这时指示应变随时间变化而变化的特性。由环境温度引起的电阻丝应变片热输出时电阻值变化的原因：电阻的热效应：当温度变化时，应变片敏感栅材料的电阻值将随温度的变化而变化。电阻丝与被测件材料线膨胀系数的不同：温度补偿方法：1）应变片自补偿法：这是在被测部位粘贴一种特殊应变片来实现温度补偿的方法。当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为温度自补偿应变片。（分类：选择式自补偿应变片、双金属敏感栅自补偿应变片、双金属半桥片）2）电桥补偿法：将两个特性相同的应变片，用同样的方法粘贴在同样材质的两个器件上，置于相同温度中，承受应力的为工作片，不承受应力的为补偿片。3）热敏电阻补偿法：将热敏电阻置于和应变片相同的环境温度下，可以进行环境温度的补偿。电桥原理：（看书）第三章电容式传感器电容式传感器：把被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。分类：变极距型传感器、变面积型传感器、变介质型传感器应用技巧：在实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，克服环境温度等外界因素对检测精度的影响，常把电容式传感器接成差动方式。P74思考问题：P77电容式测厚仪P91电容加速度传感器原理P95习题5（必考）、8、9第四章电感式传感器电感式传感器（变磁阻式传感器）：利用电磁感应把被测量（如位移、压力、流量、振动等）转换成线圈的自感系数L或互感系数M的改变，再由测量电路转换成电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器类型：自感式、互感式、电涡流式传感器自感式传感器器类型：变气隙型、螺管插铁型和变面积型变气隙型自感传感器螺管插铁型自感传感器差动自感传感器电涡流式传感器：置于交变磁场中的金属导体中，当交变磁场穿过该导体时，将在导体内产生感生电流，且呈闭合回线，类似于水涡流形状。产生的涡流大小与金属板的磁导率、电阻率、厚度以及激磁线圈与金属板的距离、激磁电流的频率等参数有关。第五章热电阻式传感器定义：利用导电物体的电阻率随温度变化的原理制成的传感器。热电阻效应：物质的电阻率随温度变化而变化的现象。比热容：单位质量物体改变单位温度时吸收或释放的内能。常用的金属热电阻铂热电阻铜热电阻负温度系数的热敏电阻（NTC）热敏电阻的分类正温度系数的热敏电阻（PTC）临界温度热敏电阻（CTR）热敏电阻的线性化串联电阻法并联电阻法计算修正法第六章热电偶传感器热电势效应（温差效应）温差电势接触电势热电偶应用定则（1）若组成热电偶回路的两导体相同，，则无论两端温度如何，热电偶回路内的总热电动势为零。（2）若热电偶两端温度相同，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路的总热电动势也为零。（3）热电偶的总热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与端点温度有关。（4）热电偶在接点温度为T1、T3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势之和。（5）中间导体定则：在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要该导线的两端温度相同，则第三种导线的接入不会影响热电偶的热电动势。（6）标准电极定则第七章集成温度传感器定义：是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。集成温度传感器的信号输出方式：电压输出式和电流输出式第八章霍尔传感器霍尔元件（霍尔传感器）：利用半导体材料的霍尔效应原理将被测量（如电流或磁场）转换成电动势的一种传感器。霍尔效应：将一块通以电流I的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，则在垂直于电流和磁场的两端产生一个正比于电流和磁感应强度的电势U的现象霍尔元件的连接方式为了获得较大的霍尔电势输出以增加霍尔传感器的灵敏度，可以采用多片霍尔元件串、并联的连接方式。第九章光电式传感器光电传感器组成：光源、光学通路、光电元件。外光电效应：在光线作用下能使电子溢出物体表面的现象。（真空光电管，光电倍增管）内光电效应：在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象。（光敏电阻、光敏晶体管）光生伏特效应：在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象。（光电池）光敏电阻定义：是采用半导体材料制作而成的，利用光电效应工作的光电元件。光照越强，阻值越低。基本特性和参数暗电阻（暗阻）：暗电流亮电阻（亮阻）：亮电流光电流伏安特性光电特性光谱特性频率特性温度特性光电传感器的形式吸收式反射式遮光式辐射式P174习题1、8第十章半导体传感器半导体传感器：以半导体为敏感材料，利用各种物理量的作用，引起半导体内载流子浓度或分布的变化，来反映被测量的一类新型传感器。半导体气敏传感器氧化型气体---电子接收性气体还原性气体---电子供给性气体N型半导体：电子占多数，电子为载流子P型半导体：空穴占多数，空穴为载流子工作机理：当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，使电阻增大。当还原型气体吸附到P型半导体上，氧化型气体吸附到N型半导体上时，将使半导体载流子增多，使电阻减小。电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器的结构类型：烧结型、薄膜型、厚膜型。电阻型半导体气敏传感器的组成：敏感元件、外壳、加热器。加热方式：直热式、旁热式非电阻型半导体气敏传感器MOS二极管气敏元件：利用电容-电压特性的变化MOS场效应晶体管气敏元件：利用阈值电压的变化半导体湿敏传感器湿度：指大气中的水蒸气含量绝对湿度：又称水蒸气密度，它表示水蒸气的质量与总容量的比值相对湿度：表示在相同湿度下大气中水蒸气的实际压强与饱和水蒸气的压强之比。水蒸气压强：当空气和水蒸气的混合物与水保持平衡时，就处于饱和状态。相对湿度达到100%，此时水蒸气对水的饱和压强称为水蒸气压强。露点：在水汽冷却过程中最初发生结露的温度。若气温低于露点，水汽即开始凝结。湿度比：它表示水蒸气的质量与干燥空气的质量之比。负特性湿敏半导体陶瓷正特性湿敏半导体陶瓷（Fe3O4）第十一章超声波传感器超声波超声波传感器纵波：指质点振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和气体介质中传播。横波：指质点的振动方向垂直于传播方向的波。只能在固体介质中传播。表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波。只在固体的表面传播在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面声速约为横波声速的90%超声波的反射和折射反射定律：折射定律：反射系数R和透射系数T的公式声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。超声波传感器：在超声波检测技术中，通过超声波仪器首先将超声波发射出去，然后再将接受回来的超声波变换为电信号，完成这些工作的装置称为超声波传感器。把发射部分和接受部分均称为超声波换能器（超声波探头）逆压电效应：将高频电振动转换成高频机械振动产生超声波。-----作为发射探头正压电效应：将接受的超声振动转换成电信号。-----接受探头用于物体、物位检测的基本形式（1）直射型（2）发射接受分离型（3）反射型应用：锻件探伤、声呐、超声测风速和风向第十二章压电式传感器正压电效应电能机械能逆压电效应压电材料：具有压电效应的电介质。分类：压电晶体、压电陶瓷、高分子压电材料、半导体材料。石英晶体的压电效应机理压电陶瓷的压电效应机理压电式传感器的性能参数：逆正（1）压电系数（2）弹性系数（3）介电常数（4）机械耦合系数：在压电效应中转换输出的能量与输入的能量之比的平方根。是衡量压电材料机电能量转换效率的重要参数（5）绝缘电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电式传感器的低