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《传感器原理设计与应用》重点总结


本文档根据老师最后一次课上课时所说的相关内容并根据我自己的个人情况简要整理,相对简洁,和大家分享一下。 考虑到老师说的内容和考试内容相比,可能不够完整;而且个人水平有限,不可能把握的很准确,所以只是参考而已。 。 。 建议大家根据自己的理解补充完善~

第一章:传感器概论 1、传感器的定义:传感器(或敏感元件)基于一定的变换原理/规律将被测量(主要是非电量的测

量,可采用非电 量电测技术)转换成电量信号。变换原理/规律涉及到物理、化学、生物学、材料学等学科。 2、传感器的组成:传感器一般由敏感元件(将非电量变成某一中间量) 、转换元件(将中间量转换成电量) 、测量 电路(将转换元件输出的电量变换成可直接利用的电信号)三部分组成,有的传感器还需加上辅助电源。

3、传感器的分类 按变换原理分类——>利用不同的效应构成物理型、化学型、生物型等传感器。 按构成原理分类: 结构型:依靠机械结构参数变化来实现变换。 物性型:利用材料本身的物理性质来实现变换。 按输入量的不同分类——>温度、压力、位移、流量、速度等传感器 按变换工作原理分类: 电路参数型:电阻型、电容型、电感型传感器 按参电量如:Q(电量) 、I、U、E 等分类:磁电型、热电型、压电型、霍尔型、光电式传感器 4、传感器技术的发展动向: 教材表述:发现新现象、开发新材料、采用微细加工技术、研制多功能集成传感器、智能化传感器、新一 代航天传感器、仿生传感器 老师表述:微型化、集成化、廉价。

第二章:传感器的一般特性 1、静态特性 检测系统的四种典型静态特性 线性度:传感器的输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出-输入特性是线性的。 灵敏度:系统在静态工作的条件下,其单位输入所产生的输出,实为拟合曲线上某点的斜率。 即 SN=输入量的变化/输出量的变化=dy/dx 迟滞性: 特性表明传感器在正 (输入量增大) 反 (输入量减小)行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度。 (产生的原因:传感器机械部分存在的不可避免的缺陷。 ) 重复性:重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测量时所得特性曲线不一致程度。曲线的重 复性好,误差也小 。产生的原因与迟滞性类似。 精确度.
1

测量范围和量程. 零漂和温漂. 2、动态特性: (传感器对激励(输入)的响应(输出)特性) 动态误差:输出信号不与输入信号具有完全相同的时间函数,它们之间的差异。包括:稳态动态误差、暂态动 态误差 动态测试中的两个重要特征:时间响应、频率响应

第三章:传感器中的弹性敏感元件 1、什么叫敏感材料? 对电、光、声、力、热、磁、气体分布等待测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料。 半导体材料最主要的特点是对温度、光、电、磁、各种气体及压力等外界因素具有敏感特性,是制造磁敏、热 敏、光敏、力敏、离子敏等传感器件的主要材料。 2、引言: (1)变形:物体在外力作用下,改变原来的尺寸和形状的现象。 (2)刚度:弹性敏感元件在外力的作用下抵抗变形的能力 (3)弹性元件:具有弹性变形特性的物体。 弹性敏感元件作用:把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移;然后由各种转换元件,将被测力、力矩或压力 转换成电量。 3、弹性敏感元件的基本特性: (1)弹性特性:作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形(应变、位移或转角)之间的关系。可由 刚度或灵敏度来表示。 (2)刚度:弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力。
? ?F ? dF k ? lim ? ? ? ?x ?0 ?x ? ? dx

(3)灵敏度是刚度的倒数 (4)弹性滞后:弹性元件在弹性变形范围内,弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象。 (5)弹性后效:弹性敏感元件所加载荷改变后,不时立即完成相应的变形,而是在一定时间间隔中逐渐完成 变形的现象。 (6)应力:反映物体一点处受力程度的力学量 (7)应变:用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变 (8)弹性模量=线性应力/线性应变

第四章:电阻应变式传感器 1、电阻应变片的种类(P63~P65) 丝式应变片: (1)回线式应变片 (2)短接式应变片 箔式应变片 薄膜应变片 半导体应变片 2、应变效益:金属导体或半导体在受到外力作用时,会产生相应的应变(拉伸或压缩) ,其电阻也将随之发生变化。

通过弹性敏感元件转换作用,将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变因此可以将应变片由测量应 变扩展到测量上述参数,从而形成各种电阻应变式传感器。

2

第五章:电容式传感器 1、电容式传感器工作原理:由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,当忽略边缘效应影响时,其电 容量与真空介电常数、极板间介质的相对介电常数、极板的有效面积A以及两极板间的距离 d 有关:
C ?

? 0? r A
d

若被测量的变化使式中 d、A、 三个参量中任意一个发生变化时,都会引起电容量的变化,因此可分为三种: 变间隙式、 变面积式、 变介电常数式。

第六章:电感式传感器 (目测老师上课时没讲,之后视情况补充) 第七章:压电式传感器 1、概念:压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器,已被广泛应用于超声,通信,宇航, 雷达和引爆等领域。 2、(1)正压电效应(压电效应) : 在电介质的一定方向上施加机械力而产生电的极化,导致两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷 Q,且其电位移 D 与外应力张量 T 成正比: D=dT(d—压电常数矩阵 即压电系数?)

当外力消失,又恢复不带电原状;当外力消失,电荷极性随之而变。 (2)逆压电效应(电致伸缩) : 施加电场时,应变 S 与外电场强度 E 成正比:S= dE(d—逆压电常数矩阵
机 械 量 压电元件 电 能 量

即压电系数?)

即能量类型转换: 教材表述:

x 轴平行于正六面体的棱线,称为电轴; y 轴垂直于正六面体的棱面,称为机械轴; z 轴表示其纵向轴,称为光轴。

压电效应:这些物质(压电材料)在沿一定的方向受到压力或拉力作用而发生形变时,其表面上会产生电荷; 若将外力去掉时他们又回到不带电的状态, 这种现象就称为压电效应。 在每一切片中, 当沿电轴方向加作用力 F 时, 则在于电轴垂直的平面上产生电荷 Q。 逆压电效应:在片状压电材料的两个电极面上,如果加以交流电压,那么压电片能产生机械振动,即压电片在 电极方向上有伸缩的现象压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应” ,也叫“逆压电效应” 。 3、相关传感器:压电式加速度传感器、压电式力传感器、压电式压力传感器、测力传感器

第八章:磁电式传感器
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1、概念:磁电式传感器是利用电磁感应原理,将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。有时也称作电动式或 感应式传感器。根据电磁感应定律,当 N 匝线圈在均恒磁场内运动时,设穿过线圈的磁通为Φ ,则线圈内的感应电势 e 与磁通变化率 dΦ /dt 有如下关系:
e ? ?N d? dt

2、霍尔传感器(ppt 上没有相关内容,大家自己补充)

第九章:热电式传感器 1、热电偶温度计(热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表 ) (1)组成: 热电偶(敏感元件): 必须用两种不同的材料作热电极—>1 连接热电偶和测量仪表的导线(补偿导线及铜导线)—>2

2

3

测量仪表(动圈仪表或电位差计)—>3

1

(2)结构: 热电偶是由两种不同材料的导体焊接而成;导体被称为热电极。 工作端或热端:焊接的一端用来感受被测介质的温度。 自由端或冷端:与导线相连端。 (3)热电偶的基本原理: ①热电效应:在两种不同的金属所组成的闭合回路中,当两接触处的温度不同时,回路中就要产生热电势,称 为 Seebeck 电势。这一物理现象称为热电效应。回路的总热电势为: α AB—为热电势率或 Seebeck 系数,其值随电极材料和两接点的温度而定。热电效应产生的电势由珀尔帖效益 和汤姆逊效应引起。 ②接触电势(珀尔帖电势)——>珀尔帖效应 将同温度的两种不同的金属互相接触。由于不同金属内自由电子的密度不同,在金属 A 和 B 的接触处会发生 自由电子的扩散现象,从密度大的 A 扩散到 B;使 A 带正电, B 带负电;直到在接点处建立了强度充分的电场,
EAB(T)
A B

能够阻止电子扩散达到平衡为止。两种不同金属的接点处产生的电动势称为接触电势。 ③温差电势——>Thomson 效应 假设在一匀质棒状导体的一端加热,则沿此棒状导体有一温度梯度。导体内的自由电子将从高温端向低温端扩 散,并在温度较低一端积聚起来,使棒内建立起一电场。当该电场对电子的作用力与扩散力相平衡时,扩散作用停

4

EA(T)

T

To

止,电场产生的电势称为 Thomson 电势(温差电势) 。 温差电势远小于接触电势,常把它忽略掉。回路的总热电势为:

EAB (T , T0 ) ? ? ? ABdT ? EAB (T ) ? EAB (T0 )
T0

T

(4)插入第三种导线的问题:在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不 过必须保证引入线两端的温度相同。 (5)补偿导线的选用 :(工作端与冷端离得很近,而且冷端又暴露在空间,受周围环境温度的影响,冷端温度难以 恒定。)可以采用一种专用导线,将热电偶的冷端延伸出来,这种专用导线称为“补偿导线” 。不同的热电偶所用的 补偿导线也不同。 (6)热电偶的温度补偿方法(教材上表述方法有些许不同,大家自己补充吧~) ①0℃恒温法:在标准大气压下,将清洁的水和冰鞋混合后放在保温容器内,可使 T0 保持 0℃ ②补正系数修正法:设冷端温度为 tn,此时测得温度为 t1,其实际温度应为 t= t1+ktn(k:补正系数) ③延伸电极法:原理为连接导体定律 ④补偿电桥法:利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化 (7)热电偶的使用误差 ①分度误差: 热电偶的分度是指将热电偶置于给定温度下测定其热电势, 以确定热电势与温度的对应关系。 方法有标准分度表分度和单独分度两种。 ②仪表误差 δ =(Tmax-Tmin)K (式中 Tmax、Tmin:仪表量程上,下限 ;K:仪表的精度等级。 ) ③延伸导线误差:一种是由延伸导线的热特性与配用的热电偶不一致引起的;另一种是由延伸导线与热电 偶参考端的两点温度不一致引起的。这种误差应尽量避免。 ④动态误差 产生原因:由于测温元件的质量和热惯性,用接触法测量快速变化的温度时,会产生一定的滞后,即指 示的温度值始终跟不上被测介质温度的变化值,两者之间会产生一定的差值。 修正方法:在热电偶测量系统中引入与热电偶传递函数倒数近似的 RC 或 RL 网络 ⑤漏电误差 产生原因:随温度升高(特别是在高温时)时,绝缘效果明显变坏,是热电势输出分流。 (8)热电偶的基本定律(P158) : ①均质导体定律:两种均质金属组成的热电偶,其电势大小与热电极的直径、长度及沿热电极长度上的温 度分布无关,只与热电极材料和两端温度有关。 ②中间导体定律:在热电偶回路中插入第三、四?种导体,只要插入导体的两端温度相同,切插入导体是 均质的,则无论插入导体的温度分布如何,都不会影响原来热电偶的热电势的大小。 ③中间温度定律:热电偶在接点温度为 T,T0 时的热电势等于该热电势在接点温度为 T,Tn 和 Tn,T0 时相应 的热电势的代数和,即:EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0) (9)热电偶对热电极的材料的基本要求任意两种导体或半导体都能配成热电偶, 当两个接点温度不同时就能产生 热电势,但作为实用的测温元件,不是所有的材料都适于制作热电偶。基本要求是: ①热电特性稳定,即热电势与温度的对应关系不会变动 ②热电势要足够大,易于测量热电势,且课得到较高的准确度 ③热电势与温度为单值关系,最好成线性关系,或者是简单的函数关系 ④电阻温度系数和电阻率要小,否则热电偶的电阻讲随热端温度而有较大的变化,影响测量结果的准确性 ⑤物理成分稳定,化学成分均匀,不易氧化和腐蚀 ⑥材料的复制性好
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⑦材料的机械强度要高 2、两种热电式传感器的转换关系: 热电阻传感器(将温度变化转化为电阻变化) 热电偶传感器(将温度变化转化为热电势变化) 3、热电阻传感器 电阻式测温系统是利用热电阻和热敏电阻的电阻率温度系数而制成温度传感器的。大多数金属导体和半导体的 电阻率都随温度发生变化,都称为热电阻。纯金属有整的温度系数,半导体有负的温度系数。 (1)热电阻材料的特点: ①高温度系数,高电阻率 ②化学和物理性能稳定 ③良好的输出特性 ④良好的工艺性 (2)热敏电阻的特点 ①负温度系数热敏电阻 a:电阻温度系数大,灵敏度高,约为热电阻的十倍。 b:结构简单,体积小,可测量点温度。 c:电阻率高,热惯性小,适宜动态测量。 d:易于维护和进行远距离控制。 e:制造简单,使用寿命长。 ②正温度系数热敏电阻 ③临界温度系数热敏电阻 第十章:光电式传感器 1、分类(光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件,简称光电器件。它的物理基础是光电效应) : 光电管 光电倍增管 光敏电阻 光敏二极管和光敏晶体管 光电池 光电式传感器的应用 光电耦合器件(补) 测量非电量时:非电量的变化转化为光量的变化,通过光电器件的作用,将光量的变化转换为电量的变化 2、光电式传感器利用的效应:光电效应,分为:外光电效应、内光电效应、阻挡层光电效应(光生伏打效应) (1)外光电效应:在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象称为外光电效应。例如:光电管、光电倍增管 (2)内光电效应:在光线作用下能使物体电阻值改变的现象称为内光电效应。例如:光敏电阻 (3)在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象,称为阻挡层光电效应(光生伏打效应) 。例如:光电 池、光敏晶体管等 3、光电管(充气光电管:玻璃泡内充少量惰性气体,提高光电管灵敏度,但稳定性、频率特性等较差)

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原理:当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子,电子被带正电位的阳极所吸引,这 样在光电管内就产生了电子流,在外电路中便产生了电流。

4、光电倍增管 它由光电阴极 K、若干倍增极 E1~E4 和阳极 A 三部分组成。光电阴极是由半导体光电材料制造的,入射光就 在它上面打出光电子。倍增极数目在 4—14 个不等。在各倍增极上加上一定的电压。阳极收集电子,外电路形成电 流输出。

5、光敏电阻(没有极性,纯粹是一个电阻器件) 当无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流很小,此时的电流称为暗电流。 当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值(亮电阻)急剧减少,电路中电流迅速增加此时的电流称为亮 电流。 光电流与暗电流之差,称为光电流。

6、光敏二极管和光敏晶体管 (1)接法及原理:光敏二极管在电路处于反向偏置,在没有光照射,反向电阻很大,反向电流很小,这反向电流 称为暗电流。当光照射在 pn 结上,通过 Pn 结的反向电流也随着增加。如果入射光照度变化,通过外电路的光电流 强度也随之变动,可见光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。 (2)光敏晶体管与一般晶体管很相似,具有 2 个 pn 结。它在把光信号转换为电信号同时又将信号电流加以放大。 又将信号电流加以放大。

7、光电池
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(1)工作原理:当光照到 pn 结上时,如果光子能量足够大,n 区和 p 区之间就出现电位差。用导线将 pn 结两端用 导线连接起来.电路中就有路流流过,电流的方向由 p 区流经外电路至 n 区。若将电路断开,就可以测出光生电动 势。 (2)光电池对不同波长的光,灵敏度是不同的

第十一章:智能式传感器 (这个好像也没上。 。 。 ) 第十二章:光导纤维传感器 1、光纤传感器的工作原理 光纤波导原理:光纤波导简称光纤,它是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。它由 折射率 n1 较大(光密介质)的纤芯和折射率 n2 较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。
n0 : 光纤周围媒质的折射率 n1:纤芯的折射率 n2:包层的折射率 ? : 光线纤端入射角

?:光线纤内入射角 ?:光线与轴线的夹角
a : 纤芯半径

在光纤内传输的条件: 2、光纤的分类:

? ? ? 0 (? 0:光线在纤芯 ?包层分界面的临界角。

? ?纤芯直径 2a ? 2 ~ 12μm ? ? ?单模光纤 ?纤 - 皮折射率差 ? ? n1 ? n2 ? 0.0005~ 0.01 ? ? n1 ? ? 按传输的模式数量 ? ?纤芯直径 2a ? 50 ~ 500μm ? ?多模光纤 ? n ?n ? 纤 - 皮折射率差 ? ? 1 2 ? 0.01 ~ 0.02 ? ? n1 ? ? ?

? ?纤芯折射率均匀 ?阶跃折射率光纤 ? ? ?纤芯与包层界面折射率 发生突变 按纤芯折射率分布 ? ?纤芯折射率不均匀 ? ?梯度折射率光纤 ?纤芯折射率按一定函数 关系沿光纤径向变化 ? ?
3、光调制与解调技术 所谓“调制” ,是将被研究对象的信号(信息)通过载体传输出去。因此,光的调制过程就是将一携带信息的 信号叠加到载波光波上;完成这一过程的器件叫做调制器。 4、概念:纤传感器是通过被测量对光纤内传输光进行调制,使传输光的强度(振幅)、相位、频率或偏振等特性发生 变化,再通过对被调制过的光信号进行检测,从而得出相应被测量的传感器。 5、 光纤的特性 (1)损耗:吸收损耗、散射损耗,物质的吸收作用将使传输的光能变成热能,造成光功能的损失。 损耗的单位:dB/km (2)色散:所谓光纤的色散就是输入脉冲在光纤传输过程中,由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象 可分为:材料色散、波导色散(结构色散) 、多模色散
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6、光强度的外调制 光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分:发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。

反射式强度调制器: 7、信息容量用所能调制的频带宽度表示。载波信号的频率越高,获得的频带宽度越大信息传送容量越大。

第十三章、第十四章可能不考。 。 。 第十五章:湿度传感器 1、湿度测量技术发展已有 200 多年的历史 2、绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量:ρ =Mv/V (Mv:被测空气中水汽质量;V:被测空气体积) 相对湿度是气体的绝对湿度(ρ v)与在同一温度下,水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度(ρ w)之比, 表达式为:相对湿度= (ρ v /ρ w)×100%RH 第十六章:红外传感器 红外线与可见光、紫外线、X 射线、γ 射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱。

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