传感器复习提纲

传感器复习一．绪论：传感器的概念：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的组成：传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感元件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。传感器的特征参数：被测量传感器输入量，是传感器命名和分类的重要依据。输出量含有原始信号，且为便于接收与处理的信号形式传感器的分类：1、按传感器输入量（用途）分类如：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器、光强传感器、湿度传感器、粘度传感器、浓度传感器、…。2、按传感器工作机理分类（1）物性型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把被测量直接转换为电量的传感器。如：各种压电晶体传感器。（2）结构型传感器是以结构（如形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被测量转换为电量。如：气隙型电感式传感器（3）化学传感器是利用化学反应的原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。（4）生物传感器是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器。近年来发展很快。3、按传感器信号变换方式分类根据传感器输出信号是模拟量或是数字量，可将信号变换分为两大类。模拟变换：输入为模拟量，输出为模拟量。数字变换：输入为模拟量，输出为数字量。4、按信息能量变换方式分类（1）能量变换型：传感器从被测对象中获取能量，用于直接输出。如：热电偶、光电池、压电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。（2）能量控制型：传感器从被测对象中获取能量，用于控制激励源，故又称有源型传感器。如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、…。传感器的基本特性：1、传感器的静态特性１、线性度（静态特性的一般数学模型）：指输入输出的数量关系的线性程度。输入输出课分为线性特性和非线性特性。可用一个多项式表示：拟合方法：理论拟合、过零旋转拟合、端点连线拟合、端点平移拟合、最小二乘拟合２、灵敏度（静态灵敏度）：传感器在稳定工作时输出量与输入量的比值。３、滞后性：在相同工作条件下进行全测量范围时正行程和反行程输出的不重合程度。４、重复性：用于描述在统一工作条件下输入量按同一方向在全量程内连续多次重复测量所得特性曲线的不一致性（波动性）５、分辨率：描述传感器可以感受到的被测量最小变化的能力。△𝑋max𝑌𝐹𝑆×100%６、温度漂移：温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。７、零点漂移：传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值），即为零点飘移，用百分比表示：2、传感器的动态特性１、阶跃响应一阶传感器的阶跃响应其中，，为时间常数。二阶传感器的阶跃响应二阶系统分欠阻尼系统（ξ1）、过阻尼系统（ξ＞1）和临界阻尼系统（ξ＝1），一般传感器为欠阻尼系统，ξ值一般在0.7左右，其响应为２、频率响应：指在一系列不同频率的正弦信号的作用下，传感器的输出特性，分幅频特性和相频特性。一阶系统的频率响应函数幅频特性相频特性二阶系统的频率响应函数幅频特性相频特性频域不失真测试条件是：幅频特性为一条与横坐标平行的水平直线，相频特性为一条过原点的具有负斜率的斜直线传感器的标定：传感器的标定，是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时确定出不同使用条件下的误差关系。传感器的标定分静态标定和动态标定两种。静态标定主要于检验、测试传感器的静态特性指标，如静态灵敏度、线性度、迟滞、重复性等；动态标定主要用于检验、测试传感器的动态特性指标，如动态灵敏度、频率响应等。二．温敏传感器：基本概念：温度是表征物体冷热程度的物理量。温度不能直接加以测量,只能借助于冷热不同的物体之间的热交换,以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。用来度量物体温度数值的温度标尺称为温标。温标就是温度的数值表示。温敏传感器的分类：接触式测量是通过测温元件与被测物体接触而感知物体的温度。技术成熟，传感器种类多，选择余地大，测量系统简单，测量精度高；缺点是测量温度不很高，对被测温度场有影响。非接触式测量是接收被测物体发出的辐射来得知物体的温度。测量温度上限不受感温元件耐热程度的限制，因而测量最高温度原则上没有限制。测温时不需与被测物体进行导热交换，因此不会对被测物体的温度场受到影响，测量快；可对运动物体进行温度测量。缺点是测量误差较大。热电偶传感器：利用热电效应将温度变化转换为电势1)结构简单(两根焊接在一起不同金属丝)；2)精度高(铂铑10─铂，t≤600度时，误差为±2.4度)；3)有一定热惯性(惰性级别为Ⅰ,上升63.2%所需时间≤20ms)；4)存在传热误差；5)受冷端温度(环境温度)影响。热电效应：含义：两种不同导体A和B串接成一闭合回路，如果两结合点1和2出现温差，则在回路中就有电流产生，这种现象称为热电效应。热电偶的总电势=接触电势+温差电势在总热电势中,温差电势比接触电势小很多,可忽略不计,热电偶的热电势可表示为ＥAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)对于已选定的热电偶,当参考端温度T0恒定时,EAB(T0)=C为常数,则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系,即：EAB(T,T0)=EAB(T)-C=f(T)热电偶基本定律：（1）均质定律由同一种均质导体组成的闭合回路，由于材料相同，不会产生接触电势；而产生的温差电势，因上、下回路的电势相等，方向相反，故温差电势之和为零。这条定理说明,热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。（2）中间导体定律在热电偶回路中，只要中间导体两端温度相等，接入中间导体后，对热电偶回路的总电势没有影响。EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)（3）中间温度定律在热电偶回路中，如果热电偶分别与热电极A’、B’相连接，接点温度分别为：T、Tn、T0，则总热电势为相应热电势之和：（4）标准电极定律两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶．如果A、C和B、C热电偶的热电动势已知、那么这两种导体A、B组成的热电偶产生的电动势可由下式求得热电偶的结构：),(),(),(000TTETTETTEABBCAC热电偶结构简单，由热电极金属材料丝、绝缘材料、保护材料及接线部分组成，热电偶的感受部分是工作端结点，结点是焊接而成。热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。热电偶冷端温度误差及其补偿：1）冷端恒温法热电偶的分度表是在冷端温度为0度的条件下测得的，如果冷端温度不为0，但保持恒定不变，则可下式修正。2）修正系数法t为测点温度，t1为仪表指示温度，tn为环境温度，k为修正系数。3）补偿导线法如果B、Q的性质相同如果A、P的性质相同则4）冷端温度自动补偿(电桥补偿法)在实际应用中，冷端温度随环境而变化的，不可能保持恒定，此时须加接冷端温度自动补偿器。桥的一臂为铜电阻，阻值随温度升高而变大，使电桥不平衡，产生一不平衡电流，如果该电流与热电偶冷端温度变化产生的热电势大小相等、方向相反，由相互抵消，达到自补偿的作用。设计时，使电桥在20度时处于平衡。实际电势为5）PN结冷端温度补偿法：PN结在-100—+100oC范围内，其端电压与温度有较理想的线性关系。将具有PN结的二极管接入测量回路，其端电压由电位器分压而得，二极管的温度与冷端的相同，因温度变化产生的补偿电压ΔU与冷端温度变化引起的热电势大小成比例，方向相反。则回路总的热电势为式中：UA≈IRt,是随环境温度Tn的变化而变化的；故UA=EAB(Tn,T0)，起补偿环境温度影响作用。所以电阻型温度传感器：电阻型传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。电阻型传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类,一般把金属热电阻称为热电阻,而把半导体热电阻称为热敏电阻热电阻材料特点：电阻温度系数α要尽可能大，且稳定；（灵敏度高）电阻率ρ要高；（体积小，反应快）比热小，亦即热惯性小；电阻值随温度变化关系最好是线性关系；（精度高）在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质；良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产。常用材料：纯金属---铂、铜、镍、铁电阻和温度的关系式中：Rt、R0分别为热电阻在t℃和t0℃时的电阻值；α为热电阻的电阻温度系数（1/℃）；t为被测温度（℃）。铂电阻特性在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好；使用温度范围为-200~+850℃。输入输出特性接近线性；测量精度高：0℃:±1℃、0~100℃:±0.5℃、100~650℃:±0.5%贵重金属，成本较高。应用：标准温度计，高精度工业测温，高低温测试。铜电阻特性输出一输入特性近似线性。工艺性好，价格便宜。电阻率小，仅为铂的1/6，故体积大，热惯性大。当温度高于100℃时，易氧化、测量范围小，不适于在腐蚀性介质或高温下工作。金属热电阻的结构工业用热电阻由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。电阻体由电阻丝和电阻支架组成。用热电阻传感器进行测温时,测量电路经常采用电桥电路。其它低温热电阻：铟热电阻、锰热电阻、碳热电阻。基本测量电路――电桥电路平衡条件：Z1/Z4=Z2/Z3或Z1Z3=Z2Z4热敏电阻：热敏电阻主要特点电阻温度系数大，灵敏度高。通常温度变化1℃，阻值变化1%～6%，电阻温度系数绝对值比一般金属电阻大10～100倍。结构简单，体积小。珠形热敏电阻探头的最小尺寸为0.2mm，能测量热电偶和其他温度传感器无法测量的空隙、腔体、内孔等处的点温度。如人体血管内温度等。电阻率高，热惯性小，不像热电偶需要冷端补偿，适宜动态测量。使用方便。热敏电阻阻值范围在10～105Ω之间可任意挑选，不必考虑线路引线电阻和接线方式，容易实现远距离测量，功耗小。阻值与温度变化呈非线性关系。稳定性和互换性较差。热敏电阻分类陶瓷热敏电阻：用某种金属氧化物为基体原料，加入一些添加剂，采用陶瓷工艺制作的具有半导体特性的电阻器。分为PTC、NTC、CTR三种半导体热敏电阻：包括纯半导体材料和杂质半导体材料热敏电阻。如硅电阻等。热敏电阻工作原理：半导体导电是靠载流子的定向移动。其数目比原子的数目小几千到几万倍，温度增加，价电子获得热能激发，摆脱核束缚成为载流子，所以载流子数目增加，电阻值下降。热敏电阻特性参数标称电阻值（R25)：RT=R25[1+α25(t-25)]电阻温度系数：时间常数（τ）：变化到63%所需的时间额定功率（PE)：长期工作所允许的最大耗散功率陶瓷半导体热敏电阻正温度系数热敏电阻(PTC)负温度系数热敏电阻(NTC)临界温度系数热敏电阻(CTR)负温临界热敏电阻(CTR)可用控温、报警及无触点开关等场合开关温度Tc：电阻值下降到某一规定值时，对应的温度。该电阻规定值称为开关电阻Rc。经验公式：Rc=(Rh+Rl)1/2半导体热电阻温度传感器工作原理半导体材料的电阻率对温度非常敏感，虽然对半导体器件的可靠性会产生不利影响，但却利用其电阻率随温度变化的特性制作成温度传感器。对于纯半导体材料，电阻率主要由本征载流子浓度决定。本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降，这是半导体热电阻区别于金属热电阻的一个重要特征。对于杂质半导体，载流子浓度受杂质电离和本征激发两个因素影响，有电离杂质散射和晶格散射两种散射机构，因而电阻率随温度的变化关系更为复杂。半导体pn结型温度传感器温敏二极管测温原理：PN结的正向压降VVD与温度T在一定条件下，近似地为线性关系温敏三极管基本原理：研究表明：晶体管发射结上的正向电压随温度上升而近似成线性下降，这种特性与二极管十分相似，且晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性。集成温度传感器：集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系,把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上,构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点,由于PN结受耐热性能和特性范围的限制,它只能用来测150℃以下的温度。温