传感器知识整理

Thisdocumentproducedby1传感器原理及工程应用一、选择与判断第一章传感与检测技术的理论基础1.测量方法的分类{⑴按获得测量值的方法：直接测量、间接测量、组合测量⑵按测量方式：偏差式测量、零位式测量、微差式测量⑶按测量条件：等精度测量、不等精度测量⑷按测量变化快慢：静态测量、动态测量⑸按是否接触：接触式测量、非接触式测量⑹按是否向被测对象施加能量：主动式测量、被动式测量2.测量系统构成：被测对象、传感器、变送器、传输通道、信号处理环节、显示装置。3.⑴开环测量系统：全部信息变换只能沿一个方向进行，结构简单，各环节特性的变化都会造成测量误差。⑵闭环测量系统：两个通道：一个正向通道，一个反馈通道，输入输出关系由反馈关系决定放大器等环节的变化不会造成测量误差，或者造成误差很小。4.误差的表示方法：xLxLδ x100Lδ x100LxLγ x100Lx⑴绝对误差：（测量值，真值）绝对误差有正、负并有量纲；⑵实际相对误差：％（绝对误差，真值）；⑶标称相对误差：％；由于被测量的真值无法知道，实际测量时用测量值代替真值进行计算，这个相对误差称为标称相对误差；⑷引用误差（满量程相对误差）：％；测量范围上限测量范围下限⑸基本误差；⑹附加误差。5.根据测量数据中误差所呈现的规律及产生原因可分为系统误差、随机误差、粗大误差。6.⑴残差：iiνxx⑵标准差：2211nn(L)limlim（:随机误差）nniiiiixσnn⑶标准差估计值：211()1nsiiσxxnThisdocumentproducedby2⑷算术平均值的标准差：sx=n7.正态分布k=1时P0.6827a；k=3时P0.9973a8.“权”可以理解为各组测量结果相对的可信赖程度，衡量可靠性和可信赖程度。计算各组权时，令最小的权数为1=最大的标准差。9.误差根源：⑴所用传感器、测量仪表或组成元件是否准确可靠；⑵测量方法是否完善；⑶传感器仪表安装、调整或放置是否正确合理；⑷传感器或仪表工作场所的环境条件是否符合规定条件；⑸测量者操作是否正确。10.确定是否含有粗大误差的三个准则：3准则，肖维勒准则，格拉布斯准则（都是以正态分布为前提）。第二章传感器概述1.传感器组成：敏感元件、转换元件、信号调理转换电路、辅助电源。传感器相当于人体的感觉器官。2.分类{按被测参数（被测量）{温度传感器压力传感器位移传感器速度传感器按工作原理{应变式传感器电容式传感器压电式传感器磁电式传感器3.⑴传感器的基本特性{静态特性：被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。动态特性：输入量随时间变化时传感器的响应特性。⑵①灵敏度：ySx（y输出量增量，x输入量增量）。②线性回归后的函数表达式的斜率就等于灵敏度。⑶①线性度：maxLFSLγx100%Y（maxL：最大非线性绝对误差FSY：传感器满量程输出值）②五种拟合方式：零点拟合、旋零拟合、端点拟合、端点平移拟合、最小二乘法拟合，其中最小二乘法拟合线性度最好，其次端点平移拟合。⑷迟滞：maxLFSHγx100%Y（∆Hmax：最大迟滞差值）。Thisdocumentproducedby3⑸重复性：RFS(2~3)σγx100%Y或maxRFSRγx100%Y⑹漂移：在输入量不变的情况下，传感器输出量随时间变化，此现象称为漂移，最常见的是温漂，此外还有零漂，蠕变。它们都反映传感器的稳定度。第三章应变式传感器1.电阻应变片工作原理是电阻应变效应，半导体应变片工作原理是压阻效应。金属电阻应变片根据敏感栅的不一样分为丝式电阻应变片和箔式电阻应变片。2.金属电阻应变片组成有：敏感栅、基片、覆盖层、引线等。3.⑴灵敏系数：应变片的灵敏系数K并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数K0，一般情况下KK0。丝式应变片灵敏系数大于箔式应变片的灵敏系数。⑵横向效应：将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化减小，因而其灵敏系数K较整长电阻丝的灵敏系数K0小，这种现象称为应变片的横向效应。箔式应变片横向效应小于丝式应变片横向效应，因此它比丝式应变片要好。⑶最大工作电流：已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax，工作电流越大，输出信号也大，灵敏度越高。⑷绝缘电阻下降，灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。4.应变片的温度误差及补偿：⑴产生温度误差原因：①电阻温度系数的影响；②试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。⑵温度补偿方法：①线路补偿法；②应变片自补偿法。⑶计算公式：10t00t1t00gs00sgt0t01011100211R=KRtRRKtRKR/RKERU4RnRERUEUR2R1n①（温度为时的电阻值，K灵敏系数，应变）②⑴应变（电阻应变片灵敏系数，电阻温度系数，电阻丝的线膨胀系数，被测试件的线膨胀系数）③①单臂电路⑵输出电压（）②半桥差动电路1011111L1234L1111RUERRRR2RR=R=R=Rn==RR1n1R2R，是单臂工作时的两倍。③全桥差动电路，是单臂工作时的四倍。⑶非线性误差。四等臂电桥时，即1，此时。（只对单臂电路而言。差动电桥电路无线性误差，同时还具有温度补偿。）5.测量电路：Thisdocumentproducedby4图（a）为半桥差动电路，图（b）为全桥差动电路。6.应用：柱式力传感器、环式力传感器、悬臂梁式力传感器。第四章电感式传感器1.电感式传感器主要有：自感式、互感式、电涡流式。2.自感式电感传感器组成：线圈、铁芯、衔铁。2200mm00WALIWIWR22RA⑴电感⑵总磁阻（W线圈的匝数，线圈总磁链，穿过线圈的磁通，气隙的厚度，0A气隙的截面积，0空气的导磁率）3.变气隙厚度式电感传感器的L与δ之间是非线性关系。4.⑴单极式电感传感器灵敏度为00LL1K，（00LL）⑵差动变隙式电感传感器灵敏度00LL2K，（00L2L），与单极式相比线性度明显改善，灵敏度也提高为原来的2倍。5.⑴零点残余电压：传感器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作0U。Thisdocumentproducedby5⑵产生原因：①由于两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，因此在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成了零点残余电压的基波分量；②由于传感器导磁材料磁化曲线的非线性使得激励电流与磁通波形不一致，从而形成了零点残余电压的高次谐波分量。第五章电容式传感器1.⑴电容式传感器分为：变极距型、变面积型、变介电常数型。⑵变极距型电容式传感器（非线性）0r0gg0g000g000gAACC=7ddd=1dd，（介质的相对介电常数，如云母，空气的介电常数，，空气隙厚度，介质的厚度）⑶变面积型电容式传感器（C与水平位移∆x呈线性关系，0CxCa）0r00r0r0000000A(1)bxAC=CC,C,CCCddd水平位移时旋转时（x水平位移，0介质相对介电常数，0d两级板间距离，0A两极板间初始覆盖面积，角位移）⑷①变介电常数型电容式传感器（线性）102h()lnCCdD，0nd2lHCD（0C初始电容值，空气介电常数，1被测介质的介电常数，h液面高度，H变换器总高度，d内筒外径，D外筒内径）。②当插入电介质时r10r2000(LL)LCbd（r2插入介质的相对介电常数），若r1=1，L=0时，00r1000bLCd（0L和0b分别表示极板的长度和宽度，L第二种介质插入极板间的长度）0r2000CC(1)LCCCL，电容量的变化与电介质r2的移动量成线性关系。③变面积型与变介电常数型只有在不考虑边缘效应的情况下才是线性的。2.电容式传感器等效电路：Thisdocumentproducedby6（pR并联损耗电阻，SR串联损耗电阻即引线电阻）由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该低于谐振频率，否则电容式传感器不能正常工作。e2ee222eCC1LCCCCCC,(1LC)C1LC3.测量电路⑴二极管双T形交流电桥①电路图：②输出电压LLL102LR(R2R)URUf(CC)(RR)⑵差动式脉冲带宽调制电路11X12211rr21X1UUln,lnUTRCTRCUUU输出电压X1X201X1X2CCUUCC（1T、2T：X1C、X2C充电至rU时所需时间，1U：触发器输出高电平）Thisdocumentproducedby7①变极距型210112ddUUdd（1d、2d分别表示X1C、X2C极板间距离）②变面积型01AUUA第七章磁电式传感器1.磁电式传感器两种结构{变磁通式{开磁路（测低速）闭磁路（测高速）恒磁通式{动圈式动铁式（测匀速）2.⑴霍尔效应：置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上垂直与电流和磁场的方向上将产生电动势，此现象称为霍尔效应。为提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。⑵具有霍尔效应的材料：①金属材料，不适合做霍尔元件；②半导体材料：锗、硅、砷化铟、锑化铟等，其中N型半导体材料（N型锗、N型硅）做霍尔元件最好。3.⑴不等位电势和不等位电阻产生原因：①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；③激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。⑵寄生直流电势产生原因：①激励电极与霍尔电极接触不良，形成非欧姆接触，造成整流效果；②两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，散热状态不同而形成极间温差电势。⑶不等位电势和不等位电阻还有温度可以补偿，而寄生直流电势没法补偿。5.霍尔元件测量的物理量有：磁感应强度、有功功率、电能参数、位移等第八章光电式传感器1.光电效应分为：{⑴外光电效应：光电管、光电倍增管⑵内光电效应{①光电导效应：光敏电阻②光生伏特效应{A光电池{a硅光电池：波长在0.8μm附近，对红外光灵敏。光谱响应范围：0.4～1.2μm，硅光电池应用波长范围很宽。b硒光电池：波长在0.5μm附近，对可见光灵敏。光谱响应范围：0.38～0.75μm，应用最早。B光敏二极管C光敏晶体管(必须具有PN结才可以光生伏特)第九章半导体传感器1.气敏传感器可以检测：气体的类别、浓度、成分。2.⑴半导体气敏传感器机理：利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化制成的。⑵组成：敏感元件，加热器（分为直热式和旁热式，旁热式比直热式应用普遍），外壳。Thisdocumentproducedby8⑶按工艺分为：烧结型，薄膜型，厚膜型（适合批量生产）。3.⑴露点和霜点都是随湿度或相对湿度的增加而升高；温度上升，相对湿度下降。t0℃结露，t0℃结霜。⑵半导体陶瓷湿敏传感器分为：①负特性湿敏半导体瓷（可以用n型半导体也可以用p型半导体）：电阻率随湿度增加而下降。只有N型半导体表面可以出现反型层，其中空穴为反型载流子。②正特性湿敏半导体瓷（只能用n型半导体）：电阻率随湿度增加而增加。烧结型34FeO湿敏电阻具有正特性，粉末型34FeO湿敏电阻具有负特性。4.半导体色敏传感器（光敏二极管的一种）测量的物理量是波长，不同的色敏传感器其结深不一样，浅结深对频率高的敏感，深结深对频率低的敏感。利用短路电流比可以确定波长，进而可以确定颜色。第