传感器原理及其应用考试重点

传感器原理及其应用复习纲要传感器原理及其应用第一章传感器的一般特性1 )信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，是现代信息产业的三大支柱。2 )传感器也称为转换器、检测器或检测器，是获取信息的工具广义：传感器是一种设备和装置，它可以将特定信息(物理、化学、生物)转换为可用信号输出，并按照一定的规则。狭义：可将外部非电气信息转换成电信号输出的元件。国家标准(GB7665-87 ) :定义可以感受规定的测量并且根据某些规则将其转换为可输出的信号的设备或装置。3 )传感器的构成：传感器元件是直接感受被测量，输出与被测量相关的物理量的元件。转换元件：将传感器输出的非电气物理量转换为电路参数或电量。基本转换电路：上述电路参数通过访问基本转换电路(简称转换电路)，可以转换为电量输出。4 )传感器的静态性能指标(1)灵敏度57348；定义：传感器输出量的变化值和与其对应的被测定(输入量)的变化值之比传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。单纯的线性传感器的灵敏度与输入量的大小无关，是一定的非线性传感器的灵敏度与x有关。(2)直线性定义了：传感器的输入-输出标准曲线和理论拟合直线的最大偏差与传感器全输出的比，称为传感器的“非线性误差”或“线性度”。线性分为以下几类绝对直线度：传感器的实际平均输出特性曲线和理论直线的最大偏差。端基线性度：传感器的实际平均输出特性曲线相对于端基直线的最大偏差。端基直线定义：连接实际平均输出特性的第一个、最后两个端点的线。零基线性度：传感器的实际平均输出特性曲线相对于零基线的最大偏差。独立直线度：以最佳直线为基准直线的直线度。通过最小二乘法求出校正数据的理论直线。(3)滞后现象定义：对于某个输入量，传感器正行程时的输出量和反行程时的输出量不同的现象称为滞后。也就是说，传感器在正(输入量增大)、反(输入量减少)的行程中输出输入曲线不重叠称为滞后。(4)再现性定义：在相同工作条件下，以短时间间隔多次测量相同输入量值的输出之间的偏差程度。(5)稳定性稳定性有两个指标测量传感器输出值的时间变化，用稳定度表示用影响量表示传感器外部环境和工作条件的变化引起的输出值的不稳定。长时间工作时输出量的变化有时被称为长时间工作的稳定性和零偏移。第二章电阻应变式传感器及应用1 )金属电阻应变片的工作原理基于金属的应变效应。 导线的电阻，根据其受到的机械变形(拉伸或压缩)而变化的现象成为金属的电阻变形效果。2 )一根导电丝的灵敏度系数材料的电阻率发生变化导电丝的几何尺寸的变化物理意义：单位变形引起的电阻的相对变化。K0由两部分组成前面的部分(1 2) :由于材料的几何尺寸变化，是一般的金属0.3，因此(1 2)1.6；后半部分：电阻率起因于变形(称为压阻效应 )金属材料以前者为主，半导体以后者为主。 半导体灵敏度比金属大50100倍。3 )金属电阻应变计的灵敏度系数式中： k是灵敏度系数4 )应变计的灵敏度k比金属线材的灵敏度小一定的原因：(1)粘接剂、基板的传递衰减(2)具有横向效果。5 )金属电阻应变计的其他特性参数(1)应变极限：粘贴在试验片上的应变片能测定的最大应变值。(2)零漂和蠕变：零漂移：在一定温度下，贴在试验片上的应变片，在不受负荷的条件下电阻随时间变化的特性称为应变片的零漂移。蠕变：力不变，时间不变，输出不变。6 )桥接补偿法常用的、高效的温度补偿法作业应变片连接试验片，补偿片连接相同材料的补偿材料，补偿材料不受力，连接桥旁边的臂。 补偿材料与被测量材料处于完全相同的温度场。工作表、补偿表粘贴在同一试验片上，但补偿表不起力作用。工作表、补偿表贴在同一个试验片上，但两者感觉到的应变符号相反。7 )电阻应变式传感器测量电路(1)直流桥的特性方程式和平衡条件平衡时，被称为直流桥平衡条件。(2)直流桥的电压灵敏度根据桥臂上应变片的配置情况，全等臂直流桥可分为单臂、两臂、全桥的情况悬臂桥：双臂桥接：全臂桥：灵敏度比较：全桥灵敏度最高的两臂功的差动桥灵敏度如下所示，单臂桥灵敏度最低。8 )应变传感器的应用1、柱(筒)式力传感器如何贴应变计呢？ 一般在应力均匀的圆柱表面的中间部分对称地粘贴应变片横贴的应变片作用：温度补偿，提高灵敏度2、悬臂式传感器应变片桥连接方法：应变片桥连接信号输出：9 )例题：采用等强度梁的电子称，在梁的上下两面各贴2张电阻应变片，制作了测力计。已知L=100mm、b0=11mm、h=3mm、E=2.1104N/mm2、K=2、与直流四臂差动桥连接，并提供桥电压6V。(1)求出其电压灵敏度(Ku=U0/F )。(2)重量为0.5公斤时，桥的输出电压U0是多少？解：等强度梁受到力f时的变形是上下各贴两张应变片，连接到四臂差动桥时，其输出电压如下其电压灵敏度=3.46310-3 (V/N)=3.463(mV/N )称量F=0.5kg=0.59.8N=4.9N时，输出电压为U=K F=3.4634.9=16.97(mV )10 )例题：由电阻值R=120、灵敏度系数K=2.0的电阻应变片和电阻值120的固定电阻构成桥，假设供给桥电压为3V，负载电阻为无限大，应变片的变形为2和2000时，单臂、两臂、全臂差动桥的输出电压为解：根据问题可以看出，差动动作时，传感器及其测定的灵敏度加倍。第三章感应式传感器及其应用1 )感应式传感器是以电和磁为介质，利用电磁感应原理，利用由磁路的磁阻变化引起的传感器线圈的电感(自感l或互感m )的变化来检测非电量的机电转换装置。分类：诱导式： l变化差动变压器式： m变化涡流式： l、m的变化2 )自感式传感器改善了非线性，构成了差动式自感式传感器。3 )自感式传感器提高灵敏度：减少初期极间距离(气隙)，构成差动式自感式传感器。4 )自感式传感器的测量电路交流桥Z3=RZ4=R然后Z1Z2U0二分之一二分之一u型I所以可知与桥接输出电压的输出有关。变压器桥初始Z1=Z2=Z，桥平衡，U0=0如果电枢向上移动，设Z1=Z Z、Z2=Z-Z同样地，当电枢向下移动时5 )涡流式传感器根据法拉第电磁感应的原理，当一个块状金属导体置于变化的磁场中，或在磁场中进行切断磁力线的运动时，在导体内部产生一圈闭合电流，把这种电流称为涡电流效应。由涡流效应产生的传感器被称为涡流传感器涡流传感器可以非接触地测定被测定物形成涡流需要以下两个条件存在交变磁场导电体处于交变磁场中6 )涡流式传感器的工作原理Z1Z2Z3Z4系列美国国家足球队美国航空如果传感器线圈中流过正弦交变电流i1，则在线圈周围的空间一定会产生正弦交变磁场H1，金属板在该交变磁场中产生感应电流i2 (在金属体内闭合，被称为“涡电流”或“涡电流”)。 i2还产生新的交变磁场H2。 H2的作用抵抗原磁场H1，传感器线圈的等效阻抗发生变化。 线圈的阻抗取决于被测量金属导体的涡流效应。7 )有差动感应位移传感器，已知电源电压Usr=4V、f=400HZ传感器线圈的电阻和电感分别为R=40，L=30mH，用两根进行匹配电阻设计在4个臂等阻抗桥上。(1)匹配电阻的值(2)z=10时，分别连接单臂和差动桥后的输出电压值。8 )本章的要点：自感式、互感式传感器的结构、工作原理、性能特性及其应用涡流式传感器的工作原理、结构构成及其应用第四章静电电容式传感器1 )定义：利用电容器的原理，将测量的非电量变化转换为电容变化的传感器器件。2 )工作原理：如果使d、s、三个参数中的两个保持不变，而变更另一个参数，则可以改变容量c。3 )三种基本类型：可变极间距(可变间隙) (d )型变面积型(s )型； 可变介电常数()型4 )练习问题4-2计算图所示的各静电电容传感器元件的总静电电容式。解：从图中可以看出(1)三个电容器串联连接原则故(2)两个电容器并联连接(3)柱形电容器4 .压力比指示系统采用差动式可变间隙电容器传感器和桥接测量电路，练习问题如图4-3所示。 0=0.25mm毫米； D=38.2mm毫米； R=5.1k； Usr=60V (交流)，频率f=400Hz。 尝试：(1)该静电电容传感器的电压灵敏度Ku (V/m )(2)在静电电容传感器的可动极板位移=10m时，输出电压Usc的值。第五章压电式和超声波传感器及其应用1 )简述压电效应和电致伸缩效应a :某结晶在一定方向上受到外力而变形时，在内部产生极化现象，在其表面产生电荷，去除b外力后，再次返回到不带电状态c的力的方向发生了变化，电荷的极性也发生了变化，d结晶受到力的电荷量与外力的大小成比例，e动态的力成为静态的力时电致伸缩效应：晶体受到外电场作用时，晶体本身机械变形的现象称为逆压电效应。 也被称为电致伸缩效应。2 )简述存在于水晶晶体内部的3种正压电效应(1)纵向压电效应结晶材料受到x方向的压力时，在x方向上产生正的压电效应，在y、z方向上不产生压电效应，称为纵压电效应。 纵向压电效应使结晶面产生的电荷量和外力成比例，与晶片的几何学尺寸无关。(2)横向压电效应如果对结晶施加y方向的压力，则在垂直于x轴的平面上出现电荷，称为横向压电效应。 电荷量不仅与力的大小有关，还与晶片的几何学尺寸有关(3)切线压电效应当沿着晶片相对的两个平面施加外力时，在晶体表面上产生电荷的现象称为切线压电效应。 3 )压电式传感器的等效电路和测量电路压电传感器可以看作电荷发生器，也是平行极板介质电容器。为什么压电传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量？a:(1)=0(静态量)、Uim/Uam=0(输入电压零)、因电荷泄漏而无法测定静态量(2)/0 3 (高频的情况)、Uim/Uam1，实际上接近理想，0恒定，越高，高频响应越好分析电压放大器和电荷放大器电路的特征，指出电荷放大器的主要优点吗？a:(1)电压放大器：电路简单，元件少，体积小的电路可靠，价格低，电缆长度有限(1.2m )，不能更换(2)电荷放大器的电荷放大器输出不依赖于电缆容量(电缆长度为1km，可以更换电缆)第七章热电式传感器及其应用1 )连接不同的两种导体a和b形成图示的闭合电路，当两个接触端有温度差TT0时，电路中产生电流，即电路中产生热电势的现象被称为热电效应。2 )结论(4点):(1)热电偶电路的热电偶电位与构成热电偶的材料和仅两端温度有关系的热电偶的长度和粗细无关。 (2)只能用不同性质的导体(或半导体)组装热电偶的相同材料不会产生热电势。 3 )如果热电偶的两端温度不同，则仅在热电偶的两导体材料不同的情况下才产生热电势。 (4)导体材料决定后，热电势的大小仅与热电偶两端的温度有关。 这就是用热电偶测温的原理。3 )热电偶的基本规律(1)均质导体规律：由两种均质金属组成的热电偶的电位大小只与热电极材料和温度有关。(2)中间导体法则：将另一个导体放入热电偶电路称为中间导体c，如果中间导体两端温度相同，热电偶电路的总电动势就不受中间导体连接的影响。(3)连接导体的法则(4)中间温度定律4 )热电偶温度补偿5 )校正系数校正方法：6 )主题第八章光电传感器及其应用1 )光电传感器：将光信号(红外、可见光、紫外光)转换成电信号的装置。2 )外光电效应：通过光的作用，物体内的电子从物体表面释放到外面的现