南邮传感器复习资料整理.doc

绪论:传感器：能感知被测量并转化为可用信号输出的器件或装置。组成：敏感元件 转换元件 转换电路传感器技术基础传感器静态特性：传感器在被测输入量处于稳定状态时的输入输出关系。静态特性包括：线性度，回差，重复性，稳定性，分辨率，稳定精度，灵敏度，漂移，阀值线性度：传感器输入输出校准曲线与所选定拟合直线之间的吻合程度。直线拟合四种方法：理论直线法、端点直线法、最佳直线法、最小二乘法灵敏度：输出增量与输入增量的比值传感器动态特性：传感器对随时间变化的输入量的响应特性改善传感器性能的差动技术：减小非线性，增大灵敏度，抵消共模误差电阻式传感器定义利用电阻参数变化实现电测非电量的传感器。种类电阻应变式 压阻式电阻应变计原理应变电阻效应输入输出特性金属：dR/R=Km*dl/l （主要：金属的结构尺寸变化）半导体：dR/R=Km*dl/l （主要：基于压阻效应）金属材料应变电阻效应金属材料电阻相对变化与其线应变成正比。类型丝式 箔式 半导体式结构敏感栅 盖层 基底 引线（一对输出线，一对电源线） 粘结剂灵敏系数K横向效应金属应变计由轴向纵栅和圆弧横栅组成 ，试件受单向应力，处于平面应变 定义：电阻应变计暨敏感纵向应变，又受横向应变的影响使灵敏系数降低，相对电阻比都减小的现象。横向效应系数动态特性1、对正弦应变波的响应2、对阶跃应变波的响应3疲劳寿命温度效应单纯由温度变化引起应变计电阻变化的现象。公式补偿方法：温度自补偿法（单丝自补偿应变计，双丝自补偿应变计） 桥路补偿法电阻应变仪把应变计电阻相对变化转换为可用电压或电流输出非线性误差补偿差动电桥补偿法（接入电桥相对臂应变计受拉力，另一对受压力）恒流源补偿法四臂差动有没有温度效应电阻相对变化大小相等，方向相反，有温度补偿作用变磁阻式传感器定义利用磁路磁阻变化引起传感器线圈电感变化来检测非电量变化的机电转换装置。种类自感式 互感式 电涡流式电气参数线圈电感L=N*N/Rm 铜损电阻 涡流损耗电阻 磁滞损耗电阻 品质因数 并联寄生电容应用位移与尺寸测量自感式传感器实质一个带气隙的铁芯线圈种类变气隙式（用来测量位移） 变面积式 螺管式掌握变气隙式自感式传感器、差动式自感式传感器输入输出特性、灵敏度、非线性误差推导，计算。差动式传感器的灵敏度增大，非线性误差减小。测量电路电桥电路（变压器电桥 交流电桥 掌握变压器电桥输出计算） 谐振电路相敏检波电路输出信号的正负代表了衔铁位移方向。输出特性的非线性减小非线性的方法 ：采用差动结构零位误差定义衔铁处于中间位置时，电桥理论输出为零，实际总存在不平衡电压输出。组成基波 高次谐波产生原因（基波）两线圈电气参数和几何尺寸不对称，以及构成电桥的另外两臂电气参数不一致。（高次谐波）磁性材料磁化曲线的非线性。补偿方法1、 串联电阻消除基波零位误差2、 并联电阻消除高次谐波零位误差3、 并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量互感式传感器（差动变压器）定义线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器特点开磁路 互感随衔铁的移动而变化种类变气隙式 变面积式 螺管式输出电压Uo=-jw(M1-M2)I1衔铁位于中间时，两互感相等。互感差值与衔铁位移成比例U0=-jwM*IP81 3-64测量电路差动相敏检波电路 差动整流电路 直流差动变压器电路误差非线性误差 零位误差 电涡流式传感器原理电涡流效应基本形式位移传感器工作原理电涡流效应导致线圈电感量、阻抗、品质因数变化电容式传感器定义被测非电量变化转化为电容量变化种类变极距型 变面积型 变介质型p99 4-11变极距型电容式传感器工作原理2灵敏度与初始极距的平方成反比，可以利用减小初始极距来增大灵敏度。但是这样会增大非线性误差。3如何平衡非线性误差和灵敏度大小（极板间采用高介电常数材料来增大灵敏度，对非线性误差没有影响）4、差动结构（动极板置于两定极板之间），灵敏度提高一倍，非线性误差减小。测量电路变压器电桥Uo=(E/2)*(Z2-Z1)/(Z1+Z2) 运算放大器测量电路（克服变极距型的非线性）电容式物位传感器电容值计算p112磁电式传感器（电动式传感器/感应式传感器）定义利用电磁感应原理，将输入运动速度或磁量的变化变换为感应电动势输出的传感器。特点是唯一的自源式传感器基本原理P115 式5-1惯性式传感器振动能量能量几乎全都被弹簧吸收，弹簧形变量接近或等于物体振幅应用（测量线速度、角速度）测振传感器种类磁敏式 磁电式霍尔传感器定义能敏感磁场的变化并将其转换为电信号输出的传感器霍尔元件利用霍尔效应制作的一种磁电转换元件。（半导体薄片+霍尔电极+控制电极）面接触型输入电流极（控制电极） 点接触型输出电压极（霍尔电极）霍尔效应导电材料中的电流与外磁场相互作用产生电动势的物理现象霍尔电势Uh=BI/end 霍尔系数Rh=1/en 霍尔元件灵敏度Kh=1/end=Uh/IB特点厚度d越小，Uh越大 元件越灵敏 所以常制成薄片状Q1为什么金属元件不宜制作霍尔元件（金属元件载流子浓度n太大，霍尔电势太小）主要特性参数输入电阻Ri（两电流极之间之间的电阻）输出电阻Ro（霍尔电极之间的电阻）不等位电势Uo（没有外磁场时，霍尔元件在控制电流下，两霍尔电极之间的开路电动势，产生原因：由于工艺制备限制，两霍尔电极位置不能精确地在同一等位面上造成的输出误差，补偿方法：利用外电路补偿不等位电势，所有能使电桥平衡的外电路都可以来补偿不等位电势）不等位电阻（rm=Uo/Icm延控制电流方向的电阻）了解：寄生直流电势 霍尔电势温度系数 工作温度范围等效电路和电路符号P125利用两极之间的分布电阻将其看做四个桥臂，等效为电桥。应用微位移和机械振动的测量 霍尔测速霍尔转速传感器产生周期电压 速度v=每秒脉冲数/圆盘上的铁氧体数目压电式传感器定义以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。压电效应特性自发性 可逆性压电传感器特性唯一的双向无源器件压电效应（正压电效应）机械能转化为电能离子型晶体电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下都会产生极化现象。在离子型晶体电介质上施加机械力产生变形，引起它内部电荷中心相对转移而产生电的极化，导致两个相对表面（极化面）出现符号相反的束缚电荷，其电位移与外应力张量成正比。当外力消失，又恢复不带电原状；当外力改变，电荷极性随之改变。D（电位移）=d(压电常数矩阵)T逆压电效应（电致伸缩）对离子型晶体电介质施加电场作用，会引起电介质内部正负电荷中心相对位移而导致电介质变形。S=d转置*E S:应变 E:外电场强度压电材料参数：压电常数（衡量压电效应强弱）弹性常数 介电常数 机电耦合常数电阻 居里点压电材料种类压电晶体（包括石英晶体） 压电陶瓷（经极化处理） 新型压电材料压电方程对压电元件压电效应的数学描述。压电性材料都是各向异性的石英晶体切型厚t（x） 长l（y） 宽w（z）压电方程图解P141完全各向异性的压电特性（机械弹性与介电性耦合特性）可以用压电常数矩阵表示。不同的压电材料18个压电常数存在的个数也各不相同。石英晶体有良好对称性，它是介于各项同性和完全各向异性之间的晶体（独立的压电常数只有两个d11 d14）左旋石英晶体收拉力时取正，受压时取负。压电晶体的正压电效应和逆压电效应是对应存在的。石英晶体不是任何方向都存在压电效应。等效电路压电器件实际是一个电荷发生器（实质又是一个自源式电容器）高内阻、小功率。等效为电压源（需要输出电压时等效为与电容串联的电压源）、电荷源（需要输出电荷时，等效为与电容并联的电荷源）电压灵敏度Ku=Ua/F 电荷灵敏度Kq=Q/F Ku=Kq/Ca测量电路名称：前置放大器 电压源：电压放大器 电荷源：电荷放大器具备的功能：信号放大 阻抗匹配电压放大器又称阻抗变换器 把压电器件高输出阻抗变成传感器低输出阻抗，保持输入电压与输入电压成正比。电压灵敏度只和等效电容C有关电荷放大器高内阻电荷源变换为低内阻电荷源，使输出电压与输入电荷成正比电压灵敏度不受电缆变化的影响。电压放大器与电荷放大器的区别1、 一个放大电压 一个放大电荷2、 电压放大器受电缆分布电容Cc的影响，因此电缆线改变时，电压放大器灵敏度必须重新分配。电荷放大器Uo=-Q/Cf与电缆电容无关 只和反馈电容有关（只要反馈电容恒定，输出电压与输入电荷成正比相位差180度），整个电路的线性也较好。热电式传感器定义利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。种类热电阻式传感器 热电偶式传感器热电阻式传感器定义将温度变化转化为电阻变化。分类金属热电阻式（热电阻） 半导体热电阻式（热敏电阻）热电阻材料特点1、高温度系数、高电阻率2、物理 化学性能稳定（保证测量准确性）3、良好的输出特性（接近线性）4、良好的工艺性热敏电阻的特点1、 温度系数大，是热电阻的10倍2、结构简单3、电阻率高4、易于维护5、制造简单2、 非线性严重热敏电阻分类负温度系数 正温度系数 临界温度温度系数热敏电阻伏安特性（解答题）1、 热敏电阻电流较小时，曲线呈直线状服从欧姆定律2、 电流增加时，自身温度明显增加，由于负温度系数，阻值下降，电压上升速度减慢出现非线性3、 电流继续增加时，自身温度上升更快，阻值大幅度下降，减小速度远大于电流增大速度，出现电压随电流增大而降低的现象热电偶式传感器定义将温度变化转化为热电势变化热电效应两种不同性质的导体组成闭合回路。节点1、2处于不同温度，两者之间将产生一热点势，在回路形成一定大小的电流。热电势由接触电势和温差电势两部分组成热电偶必须用两种不同的材料做热电极中间导体定律导体AB组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持其两端温度相同，则对回路热电势没有影响。应用：将第三导体换成毫安表，测量回路电流连接导体定律和中间温度定律连接导体定律：导体A B 分别与导线A B相接，接点温度T Tn To，回路总热电势等于热电偶电势Eab和连接导线电势Eab的代数和。应用：工业上运用补偿导线进行温度测量。中间温度定律：当导体与连接导线材料形同时，回路总热电势等于Eab（T,Tn）+Eab（Tn，To）应用：制定分度表参考电极定律把参考电极C接在热电偶A B 之间，形成三个热电偶回路，参考电极C与各电极配对时的热电势为两电极A B 配对后的电势差。Eac-Ebc=Eab应用：简化热电偶配对工作，只要知道有关电极与标准电极配对的热电势，即可求出任意两电极配对的热电势而不需要测量。热电偶温度补偿输出电势是