传感器原理及应用课程总结

绪论 传感器定义：传感器是将各种非电量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的 装置。 组成：敏感元转，转换元件（调制作用） ，测量电路 分类：按输入量分类，按测量原理分类，按结构型和物理型分类【第 2 页】 第一章 静态特性：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为稳 态特性。 Y=a0+a1X+a2X2+anXn 【第 4 页 公式 1-1】静态数学模型 线性度：在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差裕满量程（FS）输出值 的百分比称为线性度。 L=Y max/YFS100 灵敏度：指到达稳定工作状态时输出变化量与引起次变化的输入变化量之比。 【第 7 页 公式 1-2】 动态特性：指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 （传感器的动态特性是传感器的输 出值能够真实地再现变化着的输入量能力的反映。 ） 【第 1011 页，0，1 ，2 阶数学模型】 幅频特性，相频特性【第 1315 页】 对系统响应测试时，常采用正弦和阶跃两种输入信号。这是由于任何周期函数都可以用傅 里叶级数分解为各次谐波分量，并把它近似地表示为这些正弦量之和。而节约信号则是最 基本的瞬变信号。 第二章（应变传感器 与 压阻式传感器相联系） 金属应变片，特点：1.精度高，测量范围广。2.频率响应特性好。3. 结构简单，尺寸小，质 量轻。4.可在高（低）温、告诉、高压、强烈震动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条 件下正常工作。5.易于实现小型化，固态化。6.价格低廉，品种多样，便于选择。 缺点：大应变状态时明显非线性，半导体传感器非线性严重；输出信号微弱，抗干扰能力 差；不能显示应力场中应力梯度变化。 金属丝：应变系数【第 20 页 公式 2-6】 金属应变片：【第 23 页 公式 2-7】 横向效应：金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应 变 使敏感栅电阻发生变化，其横向应变 r 也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化， 应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。 温度误差：温度漂移温度误差因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：其一 是应变片的电阻丝具有一定温度系数；其二是电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。 【公式 2-16，17，18 】 （补偿方式？） 应变极限：【第 25 页 公式 2-11】与测量电路联系起来看 测量电路：电桥： 相邻相异，相对相同【第 30 页 公式 2-27】 应用：看书后习题【第 332 页】 第三章 电容表达式：C= 0 rS/d = 0 r 三种类型：变面积型，变介质介电常数型，变间距型【第 46 页】 变间距型，采用差动式电容传感器，使灵敏度提高已被，而且使非线性误差可以减小一个 数量级。线性度极大减少？【第 49 页】 测量电路：【第 53 页 图 3-10】 差动脉冲宽度调制电路：分析【第 55 页】 误差分析：寄生分布电容，边缘效应【第 59 页】 边缘效应：边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器的灵敏度下降 和非线性增加。消除方法：增大初始电容 C0，即增大极板面积，减小极板间距，加装等位 环。 寄生分布电容：一般电容传感器的电容值很小，如果激励电源频率较低，则电容传感器的 容抗很大。因此，对传感器绝缘电阻要求很高；另一方面传感器除有极板间电容外，极板 与周围物体也产生电容联系，这种电容称为寄生电容。寄生电容极不稳定，导致传感器特 性不稳定，产生严重干扰。措施：静电屏蔽，将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体 与大地相连。电极引出线也必须用屏蔽线，屏蔽线外套要求接地良好。 第四章 电涡流传感器 电涡流传感器工作原理：当被测物体与传感器间的距离 d 改变时，传感器的 Q 值和等效阻 抗 Z、电 L 均发生变化，越是把位移量转化为电量。 为何说被测导体是传感器一部分：1.无被测导体，不发生电涡流效应，必要条件。2. 被测导 体变化，传感器特性也变化。 如何测，测量参数，影响因素【第 89 页】 第五章 压电式传感器是一种典型的有缘传感器。 压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象， 同时在他的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态。 压电陶瓷和晶体有何不同，有极性为何不显电性 电致伸缩效应 正负压电效应 测量电路：原理 【第 105 页】 内部泄露：传感器内部不可能没有泄露，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频 率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，从这个意义上讲，压电晶体不适合于静态测 量。 电压放大器【第 106 页 图 5-17 公式 5-18】模值，峰峰值，理想输出 电荷放大器 压电加速度传感器【第 110 页】阻尼系数，固有频率 第六章 数字式传感器：直接采用数字式传感器可将被测参数直接转换成数字信号输出【第 114 页】 光栅式传感器：由照明系统、光栅副和光电接收元件组成。 摩尔条纹形成【第 120 页】 辨向原理：如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已 累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。 细分技术【第 123 页】 光栅传感器特性 第八章 霍尔效应，霍尔系数【第 167 页】 为何选 N 型材料：输出电势小，受温度影响小，线性度较好 磁敏传感器温度补偿：【第 173 页】半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等随温度 变化的缘故。因此，霍尔元件性能参数，如内阻、霍尔电势等都将随温度变化。为减少霍 尔元件温度误差，可：1.选温度系数小的材料。2.采用恒温措施。3. 采用恒流源供电。4.采 用补偿电路 为何尺寸，外形有要求？ 测量电路，概念，两种符号，各种特性，形状系数，不等位电势 光敏传感器 光电效应 外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效 应。 内光电效应：受光照的物体导电率发生变化，活产生光生电动势的效应叫内光电效应 各种元件的基本特性，原理 负载，功率的选择 应用【第 367 页 例 8-5】 光电传感器的类型及应用【第 201 页】 类型划分，按原理，按测量量（连续，断续） 光纤传感器 特点，原理，计算公式，结构，分类 特点：1.电