传感器原理及工程应用基础知识

1 / 4 下载文档可编辑 第二章 传感器概 述 1、传感器是能感受规定的被 测量并按照一定的规律转换 成可用输出信号的器件或装 置。 2、传感器是由敏感原件和转 换原件组成 3、两种分类方法：一种是按 被测参数分类，一种是按传 感器工作原理分类 4、传感器的基本特性可分为 静态特性和动态特性 5、静态特性是指被测量的值 处于稳定状态时输入与输出 的关系。主要指标有灵敏度、 线性度、迟滞、重复性和漂 移等。 6、灵敏度是输出量增量 Y 与引起输出量增量 Y 的相 应输入量增量 X 之比。用 S 表示即 S=YX。 7、线性度是指传感器的输入 与输出之间数量关系的线性 程度。也叫非线性误差用 L 表示即 L= 8、传感器在相同工作条件下 输入量由小到大（正量程） 及由大到小（反量程）变化 期间输入输出特性曲线不重 合的现象称为迟滞。迟滞误 差用 9、重复性是指传感器在相同 的工作条件下输入量按同一 方向做全量程连续多次变化 时，所得特性曲线不一致的 程度。最大重复差值 10、漂移是指输入量不变的 情况下传感器输出量随着时 间变化。产生漂移的原因有 两个一是传感器自身结构参 数一是周围环境。温度漂移 的计算 第三章第三章 应变式传感器应变式传感器 1、电阻应变式传感器是以电 阻应变片为转换原件的传感 器。 2、工作原理是基于电阻应变 效应，即导体在外界作用下 产生机械变形（拉伸或压缩） 是，其电阻值相应发生变化 （应变效应） 。 3、电阻应变片分为丝式电阻 应变片和箔式电阻应变片。 4、电阻在外力作用下而改变 原来尺寸或形状的现象称为 变形，而去掉外力后物体又 能完全恢复其原来的尺寸和 形状，这种变形称为弹性变 形。具有弹性变形特性的物 体称为弹性原件。 5、应变片的电阻值是指应变 片没有粘贴且未受应变时， 在室温下测定的电阻值即初 始电阻值。 6、将直的电阻丝绕成敏感栅 后，虽然长度不变，但应变 状态不同，应变片敏感栅的 电阻变化减小，因而其灵敏 系数 K 较整长电阻丝的灵敏 系数 K0 小，这种现象称为应 变片的横向效应。为了减少 横向效应产生的测量误差， 现在一半多采用箔式应变片。 7、应变片温度误差：由于测 量现场环境温度的改变而给 测量带来的附加误差。产生 的主要因素有以下两个方面： 一是电阻温度系数的影响， 一是试件材料和电阻丝材料 的线膨胀系数的影响。 8、电阻应变片的温度补偿方 法：1）线路补偿法 2）应变 片的自补法 9*电阻应变片 的测量电路 10、压阻效应是指在一块半 导体的某一轴向施加一定的 压力时，其电阻值产生变化 现象， 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 1、利用电磁感应原理将被测 非电量如、位移、压力、流 量、振动等转换成线圈自感 系数 L 或互感系数 M 的变化， 再由测量电路转换为电压或 电流的变化量输出，这种装 置称为电感式传感器。 2、零点残余电压：传感器在 零点位移时的输出电压。产 生原因主要有以下两点一是 由于两电感线圈的电气参数 及导磁体几何尺寸不完全对 称，因此在两电感线圈上的 电压幅值和相位不同，从而 形成了零点残余电压的基波 分量。一是由于传感器导磁 材料磁化曲线的非线性（如 铁磁饱和，磁滞损耗）使得 激励电流与磁通波形不一致， 从而形成了零点残余电压的 高次谐波分量。为减小电感 式传感器的零点残余电压， 可以采取以下措施 1）在设计 和工艺上，力求做到磁路对 称，铁芯材料均匀；要经过 热处理以除去机械应力和改 善磁性；两线圈毕恭毕敬绕 制要均匀，力求几何尺寸与 电气特性保持一致。2）在电 路上进行补偿。 3、把被测的非电量变化转化 为线圈互感变化的传感器称 为互感式传感器。这种传感 器 是根据变压器的基本原理制 成的，并且次级绕组用差动 形式连接，故称差动变压器 式传感器。差动变压器结构 形式较多，有变隙式，变面 积式和螺线管式等等， 4、差动式变压器传感器的测 量电路 1）差动整流电路 2） 相敏检波电路（用来区分大 小方向） 5、根据法拉第电磁感应定律， 块状金属导体置于变化的磁 场中或在磁场中作切割磁力 线运动时，导体内将产生呈 旋涡状的感应电流，此电流 叫电涡流，以上现象称为电 涡流效应。根据电涡流效应 制成的传感器称为电涡流传 感器。电涡流传感器可分为 高频反射式和低频透射式两 类。 6、电涡流径向形成范围大约 在传感器线圈外半径的 1.82.5 倍范围内，且分布 不均匀。 7、所谓贯穿深度是指把电涡 流强度减小到表面强度的 1e 2 / 4 下载文档可编辑 处的表面厚度。 8、电涡流传感器的测量电路 1）调频式电路 2）调幅式电 路 第五章第五章 电容式传感器电容式传感器 1、电容式传感器是将被测非 电量的变化转换为电容量变 化的一种传感器。可分为 1） 变极距型电容传感器 2）变面 积型电容式传感器 3）变介质 型电容式传感器。 2、电容传感器做成差动式之 后，灵敏度增加了一倍，而 非线性误差则大大降低了。 第六章第六章 压电式传感器压电式传感器 1、压电式传感器的工作原理 是基于某些介质材料的压电 效应，是一种典型的有源传 感器。通过材料受力作用变 形时，其表面会有电荷产生 面实现非电量测量。 2、某些电介质同学录沿着一 定方向对其施力而使它变形 时内部就产生极化现象，同 时在它的两个表面上便产生 符号相反的电荷同学录外力 去掉后，又重新恢复到不带 电的状态，这种现象称压电 效应。当作用力方向改变时， 电荷的极性也随之改变。有 时人们把这种机械能转换为 电能的现象，称为“正压电 效应” 。相反，当在电介质极 化方向施加电场，这些电介 质也会产生几何变形，这种 现象称为“逆压电效应” 3、压电材料分为两大类：压 电晶体和压电陶瓷。主要特 性参数有 1）压电常数：是衡 量压电效应强弱的参数，它 直接关系到压电输出灵敏度。 2）居里点温度：它是指压电 材料开始丧失压电特性的温 度。 4、纵向轴 Z 称为光轴，经过 六面体棱线并垂直于光轴的 X 轴称为电轴，与 X 和 Z 轴 同时垂直的轴 Y 称为机械轴。 通常批把沿电轴方向作用下 产生的电荷的压电效应称为 “纵向压电效应” 。而把沿机 械轴 Y 方向的力作用下产生 电荷的压电效应称为“横向 压电效应” 。 5、压电陶瓷要先极化再应用。 6、压电式传感器的测量电路 有 1）电压放大电路（阻抗变 换器）2)电荷放大器。 7、了解压电式加速度传感器。 工作原理：当加速度传感器 和被告测物一起受到冲击振 动时，压电元件受质量块惯 性力的作用，根据牛顿第二 定律，此时惯性力是加速度 的函数，即 F=ma 式中 F 质量块产生的惯性力，m质 量块的质量；a加速度； 此时惯性力 F 作用于压电元 件上，因而产生电荷 Q，当传 感器选定后,m 为常数，则传 感器输出电荷为 q=d1 1F=d1 1ma 与加速度 a 成正比。因此，测得加速度 传感器输出设备的电荷便可 知加速度的大小。 第七章第七章 磁电式传感器磁电式传感器 1、磁电式传感器是通过磁电 作用将被测量转换成电信号 的一种传感器。磁电传感器 有磁电感应式传感器，霍尔 式传感器等。 2、磁电式传感器的结构有两 种：变磁通式和恒磁通式。 变磁通式传感器又可分为开 磁路变磁通式（线圈、磁铁 静止不动， ）和闭磁路变磁通 式传感器。 3、磁电式传感器的基本特性 有非线性误差和温度误差 4、置于磁场中的静止载流导 体，当它的电流方向与磁场 方向不一致时，载流体上垂 直于电流和磁场的方向上将 产生电动势，这种现象称霍 尔效应。 5、霍尔元件基本特性 1）输 入电阻和输出电阻：激励电 极间的电阻值称为输入电阻。 霍尔电极输出电势寻电路外 部来说相当于一个电压源， 其电源内阻即为输出电阻。 不等位电势和不等位电阻： 当霍尔元件的激励电流为 I 时，若元件所处位置磁感应 电流强度为零，则它的霍尔 电势应该为零但实际不为零 这时测得的空载霍尔电势称 为不等势电势。产生原因： 1）霍尔电极安装位置不对称 或不在同一等电位面上 2）半 导体材料不均匀造成了电阻 率不均匀右是几何尺寸不均 匀 3)激励电极接触不良造成 激励电流不均匀分布等。;寄 生直流电势，在外加电场为 零、霍尔元件用交流激励时， 霍尔电极输出除了交流不等 位电势外，还有一直流电势 称为寄生直流电势。 6、大多数霍尔元件的温度系 数 是正值，它们的霍尔电 势随温度升高而升高而增加 了 T 倍。 第八章第八章 光电式传感器光电式传感器 1、光电式传感器（1）定义： 是将被测量的变化转换成光 信号的变化，再通过光电器 件把光信号的变化转换成电 信号的一种传感器。 （2）组 成：一般由光源、光学通路、 光学器件三部分组成。 （3） 优点：频谱宽、不易受电磁 干扰的影响、非接触式测量、 响应快、可靠性高等。 2、光电器件：是将光信号的 变化转换成电信号的一种器 件，它是构成光电式传感器 最主要的部件。光电器件工 作的物理基础是光电效应。 光电效应分为外光电效应和 内光电效应。 3、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。光电管、光电倍 增管等基于外光电效应。 4、内光电效应：在光线作用 下，物体的导电性能发生变 化或产生光生电动势的效应 称为内光电效应。内光电效 应分为光电导效应（如光敏 3 / 4 下载文档可编辑 电阻）和光生伏特效应（光 电池） 。光敏二极管、光敏晶 体管也基于内光电效应。 5、光敏电阻：又称为光导管。 它几乎都是用半导体材料制 成的光电器件，其常用材料 有硫化镉、硫化铅、锑化铟 等。主要参数：暗电阻与暗 电流（光敏电阻在不受光照 射时的阻值称为暗电阻，此 时流过的电流称为暗电流） ； 亮电阻与亮电流（光敏电阻 在受光照射时的电阻称为亮 电阻，此时流过的电流称为 亮电流） ；光电流（亮电流与 光电流之差称为光电流） 。 6、光敏电阻的基本特性：伏 安特性、光照特性、光谱特 性、频率特性、温度特性。 7、光电池：是一种直接将光 能转换为电能的光电器件。 光电池的工作原理是基于 “光生伏特效应”的。 光电池的基本特性：光谱特 性、光照特性、频率特性、 温度特性。 8、光电耦合器件：是由发光 原件（如发光二极管）和光 电接收原件合并使用，以光 作为媒介把输入端的电信号 耦合到输出端的一种器件。 9、光电开关：是一种利用感 光元件对变化的入射光加以 接受，并进行光电转换，同 时加以某种形式的放大和控 制，从而获得最终的控制输 出“开” 、 “关”信号保定器 件。 10、光导纤维：简称光纤， 是一种特殊结构的光学纤维。 组成：纤芯、包层、保护层。 11、光纤的基本特性：（1） 数值孔径（NA）：是表征光 纤集光本领的一个重要参数 即反应光纤接收光量的多少。 其意义是：无论光源发射功 率有多大，只有入射角处于 2c 的光椎角内，光纤才能 导光。 （2）光纤模式：是指 光波传播的途径和方式。 （一 般纤芯直径为 2-12um，只能 传输一种模式称为单模光纤； 纤芯直径较大 50-100um，传 输模式较多称为多模光纤） 。 （3）光纤传输损耗：主要来 源于材料吸收损耗、散射损 耗、光波导弯曲损耗。 12、光纤传感器一般分为两 大类：一类是利用光纤本身 的某种敏感特性或功能制成 的传感器称为功能型，又称 为传感型传感器；一类是光 纤仅仅起传输光的作用，它 在光纤端面或中间加装其它 敏感元件感受测量的变化， 这类称为非功能性，又称为 传光型传感器。 13、光纤传感器由光源、敏 感元件（光纤或非光纤的） 、 光探测器、信号处理系统以 及光纤等组成。 14、光纤传感器的应用：光 纤加速度传感器、光纤温度 传感器光纤旋涡流量传感器。 第十章第十章 超声波传感器超声波传感器 1、超声波特性：聚束、定向、 反射、透射等。按超声振动 辐射大小不同大致可分：用 超声波使物体或物性变化的 功率应用，称之为功率超声； 用超声波获取若干信息，称 之为检测超声。 2、波型分为（1）纵波：质 点振动方向一致的波，它能 在固体、液体和气体介质中 传播；（2）横波：质点振动 方向垂直于传播方向的波， 只能在固体介质中传播； （3）表面波：质点的振动介 于横波和纵波之间。沿着介 质表面传播，其振幅随深度 增加而迅速衰减的波，表面 波只在固体表面传播。 3、声波从一种介质传播到另 一种介质，在两个介质的分 界面上一部分声波被反射， 另一部分声波透射过界面， 在另一种介质内继续传播。 这两种情况称之为声波的反 射和折射。 4、利用超声波在超声场中的 物理特性和各种效应而研制 的装置可称为超声波传感器、 换能器或探测器。 5、超声波发射器和接收器简 称为超声波探头。按工作原 理分为压电式、磁致伸缩式、 电磁式等。压电式最为常用。 （压电式超声波探头常用的 材料是压电晶体和压电陶瓷） 。 第十五章第十五章 传感器在工程传感器在工程 检测中的应用检测中的应用 1、温度测量可以分为接触式 测温和非接触式测温两大类。 2、热电偶测温原理：两种不 同材料的导体可半导体组成 一个闭合回路，当两接点温 度 T 和 To 不同时，则在该回 路中就会产生电动势，这种 现象称为热电效应，该电动 势称为热电势。这两种不同 材料的导体或半导体的组合 称为热电偶，超导体 A、B 称 为热电极。两个接点，一个 称热端，又称为测量端或工 作端，测温时将它置于被测 介质中;另一个称为冷端，又 称参考或自由端，它通过导 线与显示仪器表相连。 3、热电偶基本定律：（1） 均质导体定律：由两种均质 导体组成的热电偶，其热电 动势的大小只与两材料季两 接触点温度有关，与热电偶 的大小尺寸、形状及沿电极 各处的温度分布无关。 （2） 中间导体定律：在热电偶测 温回路内，接入第三种导体 时，只要第三种导体的两端 温度相同，则对回路中的总 热电势没有影响。 4、热电偶的结构形式： （1）普通型热电偶：一般由 热电极、绝缘套管、保护管 和接线盒组成。 （2）铠装热 电偶：又称为套管热电偶， 是由热电偶丝、绝缘材料和 金属套管三者经拉伸加工而 4 / 4 下载文档可编辑