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传感器 复习资料 第一章测量 （1）误差定义测量误差就是测量值与真实值之间的差值。 它反映了测量质量的好坏。 （1）系统误差对同一被测量进行多次重复测量时,如果误差按照一定的规律出现,则把这种误差称为系统误差。 例如,标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。 （2）随机误差对同一被测量进行多次重复测量时,绝对值和符号不可预知地随机变化，符合一定的统计规律。 （3）粗大误差明显偏离测量结果的误差称为粗大误差,又称疏忽误差。 这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。 对于粗大误差,首先应设法判断是否存在,然后将含有粗大误差的测量值剔除。 在测量中,对测量数据进行处理时,首先判断测量数据中是否含有粗大误差,如有,则必须加以剔除。 再看数据中是否存在系统误差,对系统误差可设法消除或加以修正。 对排除了系统误差和粗大误差的测量数据,则利用随机误差性质进行处理。 （2）误差处理在测量中,对测量数据进行处理时,首先判断测量数据中是否含有粗大误差,如有,则必须加以剔除。 再看数据中是否存在系统误差,对系统误差可设法消除或加以修正。 对排除了系统误差和粗大误差的测量数据,则利用随机误差性质进行处理。 1、随机误差的处理在实际测量时,真值L不可能得到。 但如果随机误差服从正态分布,则算术平均值处随机误差的概率密度最大。 对被测量进行等精度的n次测量,得n个测量值x1,x2,x n,它们的算11术平均值为x?(x1?x2?x n)?n均方根偏差可由下式求取:n?xi?1ni?limn?(x i?L)i?1n2n?2?ii?1nn各测量值与算术平均值差值称为残余误差,即v i=x i-x样本标准差?s?(x i?x)i?1n2n?1?2v?ii?1nn? 12、系统误差处理有效地找出系统误差的根源并减小或消除的关键是如何查找误差根源,这就需要对测量设备、测量对象和测量系统作全面分析,明确其中有无产生明显系统误差的因素,并采取相应措施予以修正或消除。 仪表及仪表的安装、测量方法、操作方法及操作环境、操作是否正确。 （1）在测量结果中进行修正在测量结果中进行修正对于已知的系统误差,可以用修正值对测量结果进行修正;对系统误差,则按随机误差进行处理。 （2）消除系统误差的根源在测量之前,仔细检查仪表,正确调整和安装;防止外界干扰影响;选好观测位置，消除视差;选择环境条件比较稳定时进行读数等。 （3）在测量系统中采用补偿措施找出系统误差的规律,在测量过程中自动消除系统误差。 如用热电偶测量温度时,热电偶参考端温度变化会引起系统误差,消除此误差的办法之一是在热电偶回路中加一个冷端补偿器,从而进行自动补偿。 （4）实时反馈修正由于自动化测量技术及微机的应用,可用实时反馈修正的办法来消除复杂的变化系统误差。 当查明某种误差因素的变化对测量结果有明显的复杂影响时,应尽可能找出其影响测量结果的函数关系或近似的函数关系。 在测量过程中,用传感器将这些误差因素的变化转换成某种物理量形式（一般为电量）,及时按照其函数关系,通过计算机算出影响测量结果的误差值,对测量结果作实时的自动修正。 3、粗大误差的处理通常把等于3的误差称为极限误差。 3准则就是如果一组测量数据中某个测量值的残余误差的绝对值|vi|3时,则该测量值为可疑值（坏值）,应剔除。 第二章传感器基本特性 （1）静态特性当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关系称静态特性。 静态特性可以用函数式表示为y=f（x）。 静态特性包括线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性。 ?分辨率传感器能够检测到的最小输入增量；?阈值输入小到某种程度输出不再变化的X值；?门槛灵敏度指输入零点附近的分辨能力。 （2）动态特性当输入量随时间变化时,如:加速度、振动等，讨论传感器的动态特性。 这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。 传感器的动态特性参数有瞬态响应特性，频率响应特性。 第三章应变式传感器电阻应变式传感器它利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。 电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。 其物理意义是单位应变所引d?起的电阻相对变化量,其表达式为?K?1?2?敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示Rt=R0（1+0t）式中:Rt温度为t时的电阻值;R0温度为t0时的电阻值;0金属丝的电阻温度系数;t温度变化值,t=t-t0。 当温度变化t时,电阻丝电阻的变化值为Rt=Rt-R0=R00t设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为s和g,若两者不粘贴,则它们的长度分别为Ls=L0（1+st），Lg=L0（1+gt）当二者粘贴在一起时,电阻丝产生的附加变形L,附加应变和附加电阻变化R分别为L=Lg-Ls=（g-s）L0t，=L/L0=（g-s）t，R=K0R0=K0?R R0(g-s)t R?可得由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为?t?0?0?(?g?s)?tK0K0电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为Uo=A（R1R4-RB R3）对角相乘再减。 若有被测试件有应变的作用,则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K,而补偿片因不承受应变,故不产生新的增量,此时电桥输出电压为Uo=AR1R4K1.直流电桥平衡条件电桥如图所示,E为电源,R 1、R 2、R3及R4为桥臂电阻,RL为负载电阻。 当电桥平衡时,Uo=0,则有R1R4=R2R3U nK U?0?E?R1电桥电压灵敏度定义为(1?n)2R1电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压,供电电压越高,电桥电压灵敏度越高,但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制,所以要作适当选择;电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数,恰当地选择桥臂比n的值,保证电桥具有较高的电压灵敏度。 在电桥电压确定后,当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有E?R E KU=U?104R4直流电桥(全桥)若将电桥四臂接入四片应变片,即两个受拉应变,两个受压应变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上,构成全桥差动电路,若R1=R2=R3=R4,且R1=R2=R3=R4,则?R1U?EKU?E0R1此时全桥差动电路不仅没有非线性误差,而且电压灵敏度是单片的4倍,同时仍具有温度补偿作用应变力传感器的应用被测物理量为荷重或力的应变式传感器,统称为应变式力传感器。 其主要用作各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性,当传感器在受到侧向作用力或力的作用点发生轻微变化时,不应对输出有明显的影响。 第四章电感式传感器电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量（如位移、压力、流量、振动）转换为电感系数或互感系数的变化。 按传感器结构可分为自感式、互感式、电涡流式。 结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为;传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时发生变化，引起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈的电感值L变化；只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感。 因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。 第五章电容式传感器传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。 现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。 驱动电缆技术提高电容传感器的稳定性，克服寄生电容耦合。 原理是连接电缆采用双层屏蔽内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同。 从而消除引线与内屏蔽之间的电容。 第六章压电传感器压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。 当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会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；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；这种现象称压电效应。 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，他有一定的极化方向。 无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。 施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。 外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。 外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。 所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。 利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。 第七章磁电传感器磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（如振动、位移、转速）转换成电信号的一种传感器。 常用的有磁电感应式传感器、霍尔式传感器。 磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势；霍尔式传感器是载流半导体在磁场中有电磁效应而输出电动势。 霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势。 通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I与磁场B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。 磁阻效应载流导体置于磁场中,除了产生霍尔效应外,导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转,载流子运动方向偏转使电流路径变化,起到了加大电阻的作用,磁场越强增大电阻的作用越强。 外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大的现象称磁阻效应。 根据霍尔电势的公式UH=KHIB，可知霍尔传感器即可以测量磁场的变化，又可以测量电信号的变化。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好。 可以进行无损探伤、位移、速度、压力、加速度、振动、电流、电压、功率等。 按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。 前者输出模拟量，后者输出数字量。 第八章光电式传感器内光电效应在光线的作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电势的效应称为内光电效应光生伏特效应光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。 ?不加偏压的PN结当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0Eg）,可激发出电子空穴对，在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区，使P区和N区这个电压就是光生电动势.基于这种效应的器件有光电池?处于反偏的PN结?无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；?有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流，?光照越大光电流越大。 ?具有这种性能的器件有光敏二极管、光敏晶体管.光电导效应入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。 这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg。 基于光电导效应的光电器件常见的有光敏电阻。 光敏二极管?工作原理光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，PN结处产生光生电子空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。 电荷耦合器件，又称CCD图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件,它以电荷为信号，具有光电信号转换，存储、转移并读出信号电荷的功能。 特点集成度高、尺寸小、电压低（DC712V）、功耗小。 该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。 CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCD被广泛用于再线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。 第九章半导体传感器?半导体传感器是典型的物理型传感器，它是利用某些材料的电特征的变化实现被测量的直接转换，如改变半导体内载流子的数目。 ?凡是用半导体材料制作的传感器都属于半导体传感器。 ?其中包括光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、霍尔元件、磁敏元件、压阻元件、气敏、湿敏等等。 气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的器件按构成传感器材料可分为半导体和非半导体两大类，目前实际使用最多的是半导体气敏传感器。 半导体气敏传感器从不同的角度出发，可分为表面控制型和体控制型、电阻型和非电阻型。 ?气敏传感器是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，如?氧气等具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧化型气体电子接收性气体；?氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸附倾向的气体，被称为还原型气体电子供给性气体。 氯化锂湿敏电阻即电解质湿敏电阻，利用物质吸收水分子而导电率发生变化检测湿度。 在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl以正负离子的形式存在，锂离子（Li+）对水分子的吸收力强离子水合成度高，溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率上升。 负湿敏特性半导体瓷湿敏电阻，电阻随湿度增加而下降。 由于水分子中氢原子具有很强的正电场，当水分子在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面俘获电子，使半导体表面带负电，相当表面电势变负，电阻率随湿度增加而下降。 半导体色敏传感器是一种半导体光敏器件，工作原理基于光电效应，可将光信号转换为电信号的光辐射探测器，半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管，实际不是晶体管而是两个深浅不同的PN结，又称光电双结二极管。 浅结的光电二极管对紫外光灵敏度高，深结的光电二极管对红外光灵敏度高；这一特征为色敏器件提供了识别颜色的可能。 在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。 这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性,也就是可以用来测量入射光的波长。 将两只结深不同的光电二极管组合。 硅色敏管中VD和VD的光谱响应曲线就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。 在具体应用时,应先对该色敏器件进行标定。 也就是说，测定不同波长的光照射下,该器件中两只光电二极管短路电流的比值SD2SD1,SD1是浅结二极管的短路电流,它在短波区较大，SD2是深结二极管的短路电流,它在长波区较大,因而二者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。 根据标定的曲线,实测出某一单色光时的短路电流比值,即可确定该单色光的波长。 第十章波与射线传感器超声波传感器超声波技术是以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术;通过超声波的产生、传播、接受等物理过程完成。 超声波传感器主要功能是产生、接收超声波信号。 当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时,除有纵波的反射、折射外,还发生横波的反射和折射,在某种情况下,还能产生表面波。 红外线传感器红外传感器按应用可分为红外辐射测量；热成像遥感技术；红外搜索、跟踪目标、确定位置；通讯、测距等。 红外传感器有两部分组成1）红外辐射源，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源；2）红外探测器，能将红外辐射能转换为电能的热敏和光敏器件。 热探测器利用红外辐射的热效应，探测器吸收辐射能后引起温度升高，使其它物理量变化；如热释电、热敏电阻、热电阻、气体等。 热释电元件基于物体的热效应，首先将光辐射能变成材料自身的温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号，包括了光热电，两次信息变换过程；光热阶段，物质吸收光能，温度升高；热电阶段，利用某种效应将热转换为电信号光子探测器是利用光电效应，利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，改变电子能量的状态引起电学现象，光量子型传感器有光电导型光生伏特光电磁型肖特基型红外探测器可分为热探测器和光子探测器，请问热探测器与热敏电阻传感器，光子探测器与光电传感器在工作原理上有什么异同之处？热探测器和热敏电阻相同之处热探测器和热敏电阻都是以热能为输入信号。 热探测器和热敏电阻不同之处热探测器主要是以红外辐