传感器的主要知识点

1、绪论 一、传感器的定义、组成、分类、发展趋势 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置， 通常由敏感 元件和转换元件构成。 如果传感器信号经信号调理后，输出信号为规定的标准信号 (010mA,420mA;02V ,15V;)，通常称为变送器， 分类： 按照工作原理分，可分为：物理型、 化学型与生物型三大类。 物理型传感器又可分为物 性型传感器和结构型传感器。 按照输入量信息： 按照应用范围： 传感器技术 : 是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术. 发展趋势 : 一是开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工 艺；二是实现传感器的

2、集成化、多功能化与智能化。 1 发现新现象； 2发明新材料； 3采用微细加工技术； 4智能传感器； 5多功能传感器； 6仿生传感器。 二、信息技术的三大支柱 现在信息科学(技术)的三大支柱是信息的采集、传输与处理技术，即传感器技术、通 信技术和计算机技术。 课后习题 1 、什么叫传感器，它由哪几部分组成？它们的作用与相互关系？ 传感器 (transducer/sensor) ：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(国标 GB7665 2005)。通常由敏感元件和转换元件组成。 敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被测量并输出与被测量成确定关系的其他量(一般 为非电

3、量 ) 部分。 转换元件 ：指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的可用输出 信号 (一般为电信号 )部分。 信号调理电路 (Transduction circuit) ：由于传感器输出电信号一般较微弱， 而且存在非线性 和各种误差， 为了便于信号处理， 需配以适当的信号调理电路， 将传感器输出电信号转换成 便于传输、处理、显示、记录和控制的有用信号。 第一章 传感器的一般特性 1. 传感器的基本特性 动态特性 静态特性 2. 衡量传感器静态特性的性能指标 ( 1 )测量范围、量程 ( 2)线性度 Lmax100% yF S 传感器静态特性曲线及其获得的方法 传感器的静态

4、特性曲线是在静态标准条件下进行校准的。 静态标准条件 (传感器校准时，包括零点在内的压力校准点数K不应少于6点，校准的循环次数 R不应 少于3次。校准点数和校准循环数的多少取决于被校传感器的精度和使用要求，通常K=6 11, R=35。每次校准共可获得 2RK个校准数据。 正行程校准曲线、反行程校准曲线，传感器的校准曲线。 1 R1 R1 丫。 二 Ycj丫打 二 丫可 Yi -(Yci 丫訂 R j 1R j 12 经校准的传感器，应给出特性方程、线性、迟滞、重复性以及精度值。) 1)最小二乘法拟合直线 kx b, iyi (kXi b) nXi yiXiyi 22 ,b nXi ( Xi)

5、 / 2 (x y 2 n 为 XiXi yi) 2 (Xi) 2 )端点法拟合直线 ykxb, iyi(kXib) k土y,bykx0 X1X0 (3) 灵敏度 Sn 输出量的变化量dy 输入量的变化量dx (4) 分辨率、分辨力 (5) 迟滞 max y F S 100% (6) 重复性 1) R100% y f s 2) H (23) 100% n_ (yi y)2 （7）精度 100% L H R yF S 精度等级 思考题与习题 1、传感器的定义、组成、分类、发展趋势。 2、何为传感器的基本特性 3、传感器的静态特性是如何定义的，其主要技术指标由哪些？如何测出它们的数据? 4、 某传

6、感器的给定精度为2%F.S。 11、某压力传感器的校准数据如表1-5所示。 压力/Mpa 第一次循环（mV 第二次循环（mV 第三次循环（mV 第一正 第一反 第二正 第二反 第三正 第三反 0 -2.73 -2.71 -2.71 -2.68 -2.68 -2.69 0.02 0.56 0.66 0.61 0.68 0.64 0.69 0.04 3.96 4.06 3.99 4.09 4.03 4.11 0.06 7.4 7.49 7.43 7.53 7.45 7.52 0.08 10.88 10.95 10.89 10.93 10.94 10.99 0.1 14.42 14.42 14.47

7、 14.47 14.46 14.46 线性度、重复性、迟滞按照书中公式计算即可。 主要习题： 第一章 1、2、3、5，11 第二章 第三章 第四章 第五章 第七章 1、2、5、6、7、10、11 1、3 1、2 1、3、12、13、14 1 、 2、 3、 5、 6、 9、 11、 13、 14、 16、 21、 24 第2章 电阻应变式传感器 工作原理： 电阻应变式传感器的基本原理是将被测非电量转换成与之有确定对应关系的电阻值, 再通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。 2.1金属电阻应变式传感器 1. 电阻一应变效应 当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化，这种现象

8、称为金属导体的电阻一应变效应。 概念：轴向应变、径向应变、微应变() 应变灵敏系数 R/R T/T R/R (1 2 ) R/R K 金属导体的灵敏系数与半导体的灵敏系数的区别。 2. 应变片 概念：应力 应力与应变的关系 E 应变片 E试件材料的弹性模量。 金属电阻应变片由敏感栅、基底、盖片、弓I线和粘结剂组成。 根据敏感栅材料形状和制造工业的不同，应变片的结构形式有金属丝式、箔式和金属 薄膜式三种类型。 3. 金属电阻应变片的主要特征 (1) 应变片的电阻值，已标准化。 (2) 绝缘电阻 (3) 灵敏系数 (4) 允许电流 (5) 横向效应与横向灵敏系数 (6) 机械滞后 (7) 应变极限

9、 (8) 零漂和蠕变 (9) 动态特性 lo sin10 4. 温度误差及补偿 (1) 引起温度误差的主要因素 (2) 温度补偿的方法 5. 测量电路 I Ui / R R2 R3 R4 Uo ( ) 4 R R R R Ui Uo k( 1 23 4) 4 对于等臂电桥 1 单臂桥的非线性误差-K 2 (2-36，37) 6. 金属电阻应变片的应用一一电阻应变式传感器 （1）电阻应变式力传感器 柱（筒）式力传感器 lF l E SE 悬臂梁式力传感器 等截面悬臂梁 6FI E bh2E 等强度悬臂梁 6FI boh2E 薄壁圆环式力传感器 轮辐式力传感器 轴剪切力传感器 （2）电阻应变式压力

10、传感器 筒式压力传感器 膜片式压力传感器 -37-(1 8h E 2)(R2 3r2) 2 2 2 )(R r ) 组合式压力传感器 （3）电阻应变式加速度传感器 （4）电阻应变式加速传感器应用示例 2.2半导体应变片及压阻式传感器 半导体片 压阻效应 半导体晶体材料的电阻率随作用应力而变化的“压阻效应 （piezoresistive effct）。 半导体应变片有两种制作方法: （1）体型半导体应变片 （2）扩散硅应变片 压阻式传感器 压阻式传感器依然是基于半导体材料的压阻效应，在半导体材料底片上选择一定的晶向 位置，利用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感器元件， 基片直接作为测量敏感

11、元件（甚至有的可包括某些信号调理电路），也称为扩散型压阻式传感器或固态压阻式 传感器。 （1） 压阻式压力传感器 2 2 )ro(3 )r 2 2 )ro (1 3 )r 0.01 0.30 h=50500 m, ro1.8 10mm, h r ）压阻式加速度传感器 为了保证输出线性度，悬臂梁根部的应变不要超过400500 应用示例 2.3电位计式传感器 2.4思考题与习题 1. 何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？ 2. 什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？ 3. 用应变片测量时，为什么必须采取温度不成措施？有何种温度补偿方法？ 4. 一个应变片的电

12、阻值 R0 120 ，K=2.05，用作应变800的传感原件。 (1) R/R =2.05*800*10 -6 R/R ； = 1.64 10 R = 1.64 10 3 R=1.64 10 3 120=0.197 （2）若电源电压Ui 3V，求其惠斯通电桥的非平衡输出电压。 Uo Ul-R - 1.64 10 31.23mV 4 R 4 5.一试件的轴向应变为 0.0015，表示多大微应变？该试件的轴向相对伸长率为百分之几? 6. 假设惠斯通直流电桥的桥臂1是一个120Q的金属电阻应变片 （K=2.00 ,检测用），桥臂 1的邻臂3是用于补偿的同类批次的应变片，桥臂2和桥臂4是120欧姆的固

13、定电阻。 流过应变片的最大电流为30mA. (1) 画出该电桥电路，并计算最大直流供电电压。 Uim=( 120+120)30 10-3=7.2V (2) 若粘在钢梁(E=2.1 1011N/m2)上，而电桥由 5V电源供电，是问当外加负载 3 70kg / cm 时，电桥的输出电压时多少？ Ui Ui (3) 假定校准电阻与桥臂 1上未加负荷的应变片并联，试计算为了产生于钢梁加载 相同输出电压所需要的标准电阻值。 第3章电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量转换成线圈自感或互感的变化 量，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种装置。 被测量t自感L(互感M) t

14、Uo(lo) 电感式传感器分类: (1) 自感式传感器(电感式传感器)：气隙型、螺管型两种结构 (2) 互感式传感器：差动变压器式传感器、 (3) 电涡流式传感器 3.1.1气隙型电感式传感器 W2 l 2 S2 0S w2 0S (3-4) Kl L L 1 11( r) (3-12) 2 2 0 差动变隙式电感传感器的优点： (1) 差动式电感传感器的灵敏度比单线圈电感传感器提高一倍; (2) 差动式电感传感器的非线性失真小。 3.1.2螺管式电感传感器 lc -W 2 r rc lc *W 0 W2 V lr2 (3-25) 电感灵敏度: K L L lc 0 W 2 2 r r c (

15、3-30) l2 差动结构： 当品质因数较大时， ? ? E L U o 2 L (3-49) 阻抗： Z ； R2 (L)2 3.1.3电感线圈的等效电路 Rs L Zp 2 2 j2 rpJ Lp 1 2lc 1 LC (3-36) 第四章电容式传感器 电容式传感器：以各种类型的电容器作为传感元件，将被测量的变化转换成电容 量变化的一种传感器。 被测量d, S,e) C C 1.平行板电容器： oS C d 1 d d C0 d C d C0 d K C/C。 1 d d（ 2. 电容式传感器的基本类型：即变间隙（d）型、变面积（S）型和变介电常数（则 R20 B 1365ln R100

16、标称电阻值Rh: (25 0.2C)时的电阻值，又称冷电阻。 7.2 PN结型温度传感器 1. 二极管温度传感器 IS(eqU/kT 1) I SeqU /kT UkTln 丄 q Is 2. 晶体管温度传感器 3. 集成温度传感器 分类：按输出信号分为: (1) 电压型：三线制, (2) 电流型，两线制, (3) 数字型 18B20 ku=10mV/ C, LM34/35 , kI = 1 卩 A/K ,AD590/592 , LM135/235 , TMP35/36。 LM134/234。 7.3热电偶 热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。用于测量1001300 C范围内 的温度

17、。 7.3.1热电效应：将两种不同的导体(金属或合金)A和B组成一个闭合回路(称 为热电偶)，若两接触点温度(T、T。)不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电 势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克效应。回路中的电势称为热电势或塞贝克电 势，用Eab (T , T0)表示。导体A、B称热电极，一个接点为测量端(热端或工作端)： 放入被测温度T中，另一个接点为参考端(冷端或自由端)，置于某一恒定温度 T0中。 温差越大，热电势越大。 热电势由两部分组成：接触电势，温差电势 7.3.2 热电偶的基本定律 1. 均质导体定律 要求热电极材质均匀，避免热电极上各点温度不同产生附加电势。 2. 中

18、间导体定律 热偶回路断开接入第三种匀质导体C,若C两端温度相同，则回路热电势不变。 这为热电势的测量(接入仪表)奠定理论基础。 3. 中间温度定律 EAB(T,T0) EAB (T,Tn ) E AB (Tn, T0 ) 4. 标准(参考) 电极定律：用于确定各种材料热电势 EAB(T,T0) EAC (T,T0)EBC (T,T0) 7.3.3 热电偶的种类和结构 国际电工委员会 (IEC )向世界各国推荐 8 种标准化热电偶 , 所谓标准化热电偶 , 它 已列入工业标准化文件中 , 具有统一的分度表。我国从 1988 年开始采用 IEC 标准生产 热电偶。 分度表 热电偶的结构： (1)

19、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) 铠装型热电偶 由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。它可以 做得很细很长 ,使用中随需要能任意弯曲。 主要优点是测温端热容量小 ,动态响应快 ,机械 强度高 ,挠性好 ,可安装在结构复杂的装置上。 (3) 薄膜热电偶 7.3.4 热电偶的冷端处理及补偿 延长导线 利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的T0 端测试。使冷端远离热端。要求： 在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性。 冷端补偿，其补偿方法： 1.0C恒温法 将热电偶冷端置于冰水混合物的0 C恒温器内，使其工作与分

20、度状态达到一致。 冷端温度修正法 (1 )热电势修正法 利用中间温度定律 (2)温度修正法 由实测热电势Eab (T, Tn),查表得T为仪表指示温度。 3. 冷端温度自动补偿法 ( 1 )电桥补偿法 ( 2) PN 结冷端补偿 ( 3) AD590 冷端温度补偿法 第八章 光电式传感器 光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器,它的物理基础是 光电效应 .光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成,光源发射出一定光 通量的光线,由光电元件接收, 在检测时,被测量使光源发出的光通量变化,因而使接受光 通量的光电元件的输出电量也做相应的变化，最后用光用电量来表示被测

21、量的大小。其输出 的电量可以是模拟量也可以是数字量。 8.1光电效应 光电效应：指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。 包括外光电效应(External Photo electric effect )、内光电效应(internal Photo-electric effect )。内光电效应又分为光电 导效应(Photoconduction effect )、光生伏特效应(Photo-voltaic effect ) 8.1.1外光电效应 在光线的作用下，使物体内的电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，向外发射的电 子叫做光电子。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电

22、倍增管等。 1 2 h 一 m 0Ag 2 E h h普朗克常数，6.626 X 10-34J s；v光的频率(s-1) 光电子能否产生，取决于入射光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A。不同 的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。 光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光， 光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有 光电子射出。 红限频率 半，红限波长0 he Ao 8.1.2内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率p发生变化， 或产生光生电动势的现象叫做内光电

23、 效应，它多发生于半导体内。 根据工作原理的不同， 内光电效应分为光电导效应和光生伏特 效应两类。 1. 光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化， 这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即 一 hc 1.24 h Eg 2. 光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。 光生伏特效应有两种： 结光电效应(也称为势垒效应)和横向光电效应(也称为侧向光电效 应)。 8.2光电器件 8.2.1光电管 光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度 特性来描述。 8.2.2光电倍增管 8.2.3光敏电阻 8.2.4光敏二极管和光敏三极管 825光电池 826