传感器原理与应用期末复习.ppt

传感器原理与应用 期末复习 试题构成： 1单选题 10题 20分 2填空题10题 30分 3简答题 4题 24分 4计算题 4题 26分 考试地点：J3-402 考试时间：26日（周三）下午1:303:30 答疑时间：25日 8:3017:00 地点： K2楼302室 期末复习 1 传感器技术基础 期末复习 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是： 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号 的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和测量电路 组成。 感受(或响应)被测量转换成适合于测量的电信号 利用场的定律构成的传感器称为：结构型传感器。 基于物质定律构成的传感器称为：物性型传感器。 传感器具有能量信息转换的功能在于它的工作机理是基 于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律 和法则所支配。 期末复习 l表示转换原理的限定符号应写进正方形内，表示被测 量的限定符号应写进三角形内。 l当无须强调具体的转换原理时，传感器的图形符号可 以简化。 传感器的图形符号 对角线 内在的能量转换功能； (A)、(B) 输入、输出信号 被测量符号 转换原理 传感器图形符号的说明(1) 传感器图形符号的说明(2) * * 传感器的静态模型 零位输出传感器的理 论灵敏度 非线性项 系数 输入量输出量 期末复习 传感器的主要静态特性指标 期末复习 1.线性度 线性度是表征传感器输出 输入校准曲线与所选定的拟合 直线之间的吻合程度的指标。 通常用相对误差来表示线性度 或非线性误差： 选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也不同 选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差 通常采用的方法最小二乘法 传感器的主要静态特性指标 期末复习 2.灵敏度 灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比。线 性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率： 3.阈值（最小检测量） 阈值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输 入量值，即零位附近的分辨力。 有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成“死区“，则 将死区的大小作为阈值。 更多情况下阈值主要取决于传感器的噪声大小，因而有的 传感器只给出噪声电平。 传感器的主要静态特性指标 期末复习 其它还有： 回差（迟滞、滞后） 重复性 分辨力(率) 稳定性 漂移 静态误差(精度) 传感器的动态模型 通常可以用零阶、一阶或二阶的常微分方程来描述： 零阶环节 一阶环节 期末复习 时间常数 静态灵敏度 时间常数越小，阶跃响应越迅速，频率响应的上限截 止频率越高。 的大小表示惯性的大小，一阶环节有称为惯性环节 。 二阶环节 固有频率 静态灵敏度 阻尼比 固有频率 越高，响应曲线上升越快。 阻尼比 越大，过冲现象越弱。通常使得 期末复习 凡是能用一个零阶线性微分方程来描述的传感器就称为 零阶传感器，能用一个一、二阶线性微分方程来描述的 传感器就称为一、二阶传感器。 期末复习 传感器动态特性分析方法 传感器主要动态特性 时域：单位阶跃响应特性阶跃变化信号，阶跃函数 频域：频率响应特性正弦变化信号，正弦函数 通频带： 2 电阻应变式传感器 在应力作用下材料的电阻率发生变化应变电阻效应 电阻应变式传感器一：电阻应变片 期末复习 金属材料 应变电阻效应 半导体材料 压阻效应 它们的电阻相对变化与线应变成正比 电阻应变片测量的是应变栅范围内的平均应变，单个应 变片不能测量应力场中的应力梯度。 测量电路电桥 在测量中一般采用等臂电桥： 桥臂比： 期末复习 作用：将传感器的参数变化转换为电压输出 实际的测量电路多采用全等臂差动电桥： 期末复习 差动技术可以改善传感器的非线性。 要保证三个环节： 1. 构成差动的传感器特性要完全相同； 2. 接收的输入量要大小相等、方向相反； 3. 输出量相减。 全等臂4臂工作差动电桥： 期末复习 补偿了非线性 + - 3 变磁阻式传感器 期末复习 电磁 感应 被测非电量 自感系数 互感系数 测量 电路 磁路磁阻变化 自感式 互感式 (差动变压器) 变气隙式 变面积式 螺线管式 变气隙式 变面积式 螺线管式 电涡流式 反射式 透射式 一般采用差动技术 次级线圈要保证 同名端相连 测量电路 期末复习 自感式 变压器电桥 谐振电路 调频电路 相敏检波电路 恒流源电路 (一般用于螺线管式) 互感式 (差动变压器) 差动相敏检波电路 差动整流电路 电涡流式 定频、变频调幅电路 调频电路 应用：检测位移、振动、力、应变、流量、比重等。 4 电容式传感器 1.变极距型电容传感器 期末复习 如果满足条件 那么上式可按级数展开： 电容的相对变化量： 一般可用 作为其特性表达式 期末复习 非线性误差大，仅适合测量微小位移量 可用减小 来提高灵敏度 高分辨率，可测量 的线位移 理论曲线 2. 变面积型电容传感器 灵敏度： 线性输出，量程不受线性范围的限制，适合测量较 大的直线位移和角位移。灵敏度低。 由于灵敏度较低，在具体应用中多采用差动方式。 期末复习 3. 变介质型电容传感器 可测量介质的材质及厚度，或测量介质的移动距离。 在具体应用中还要考虑： 边缘效应 静电引力 寄生电容 温度影响 电容式传感器 期末复习 电容式传感器的测量电路 直放式 外差式 普通交流电桥 耦合电感电桥 变压器电桥 双T二极管交流电桥 交流电桥电路 运算放大器式电路 调频电路 调幅电路 脉冲调宽电路 期末复习 电容式传感器的测量电路 期末复习 + - 传感器 固定电容 运算放大器: 运算放大器输入电流为 零理想运放 对变极距型电容传感器： 代入上式：线性关系 这是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件 下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。 霍尔传感器基于霍尔效应 当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场 和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象 称为霍尔效应。 5 磁电式传感器 期末复习 霍尔系数 霍尔元件厚度 霍尔元件的灵敏度 霍尔器件的测量电路 霍尔电势输出端 激励电流 输入端 激励电流调节 补偿不等位电势 B磁场 控制电极 霍尔电极 期末复习 霍尔器件的应用 期末复习 1.微位移及机械振动测量 当霍尔元件的控制电流不变，并置于均匀梯度的磁场 中移动时，霍尔电势 只取决于它在磁场中的位移。 2.测量交、直流磁感应强度，磁场强度 控制电流一定时，霍尔电势与磁感应强度成正比。 6 压电式传感器 压电效应: 正(顺)压电效应 逆压电效应(电致伸缩) 期末复习 1. 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一 定存在逆压电效应； 2. 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 3. 无论是正或逆压电效应，其作用力与电荷之间呈线 性关系。 压电半导体:砷化镓(GaAs)等 压电材料: 压电晶体：石英晶体(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3) 压电陶瓷：钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅 有机高分子压电材料：聚氟乙烯(PVF)等 期末复习 必须使用前置放大器 信号放大 阻抗匹配 电压放大器 电荷放大器 测量电路 电压放大器（阻抗变换器）、电荷放大器： 作用是将压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出 阻抗，并保持输出电压与输入电压（电荷）成正比。 期末复习 压电式传感器的频响特性 7 热电式传感器 温度 电势 电阻 金属 半导体 热电阻 热敏电阻 热电偶 期末复习 1. 热电阻铂、铜、镍、铁 期末复习 三线制，电桥法测量 三线制要求三根导线的材质、线径、长度一致且工作 温度相同，即 。 调节 ，使得 即可消除引线电阻的影响。 2. 热敏电阻钴、锰、镍等的氧化物 负温度系数热敏电阻： NTC 正温度系数热敏电阻： PTC 临界温度系数热敏电阻：CTR 期末复习 3. 热电偶 热电势 接触电势： 温差电势： 总热电势 产生热电势的条件： 热电偶不同电极材料；两端温度不同 工作定律 中间导体定律 连接导体定律 中间温度定律 参考电极定律 期末复习 8 光电式传感器 光电导效应 光生伏特效应 光电效应 外光电效应 内光电效应半导体材料 金属材料：铯、钠、锌等 期末复习 8 光电式传感器 1. 外光电效应 2. 光电导效应 红限波长 3. 光生伏特效应 电压输出 电流输出短路电流 光强 开路电压与光强非线性 期末复习 4. 光生电流与光强光照特性 相对灵敏度与入射光波长光谱特性 9 光纤传感器 压力、温度 电场、磁场 光强、相位 频率、偏振 光纤传感器 临界角 全反射 光纤波导原理 Snell定律： 期末复习 光纤的数值孔径： 光纤传感器的分类 1)非功能型：调制环节在光纤外部，光纤只起 传光作用。（传光型） 调制器 入射光纤出射光纤 光源 光敏元件 输出 期末复习 2)功能型：调制环节在光纤内部，外界作用下 光纤光学特性变化。（传感型） 入射光纤出射光纤 光源 光敏元件 输出 调制器 光纤传感器的光强度调制方式 期末复习 解调：直接用光电器件检测光强信号的幅值 光强度的外调制 折射率光强度调制 光源必须是非相干光 相位调制光源必须是相干光 相位调制一般与干涉测量并用，构成相位调制的干涉型 光纤传感器。 光电探测器不能检测相位的变化，因此需要用光学干涉 技术将相位调制转换为振幅调制。 光纤传感器的应用 期末复习 反射式光纤位移传感器 光纤温度传感器 光纤吸收的光谱对温度敏感 光纤电流传感器 法拉第旋光效应 光纤角速度传感器(光纤陀螺) Sagnac效应 10 数字式传感器 数字输出：感应同步器、绝对编码器； 脉冲输出：增量编码器、感应同步器、光栅等； 频率输出：RC频率式、振体、振梁式。 期末复习 光栅 莫尔条纹 位移放大作用 莫尔条纹的移动方向可判别光栅的移动方向。 误差减小作用 编码器 直线式编码器 旋转式编码器 结构形式 数字式角位移测量传感器 增量编码器至少1条