传感器原理与应用期末复习

1、传感器原理与应用传感器原理与应用期末复习期末复习试题构成：试题构成：一一单选题单选题 1010题题 2020分分二二填空题填空题1010题题 3030分分三三简答题简答题 4 4题题 2424分分四四计算题计算题 4 4题题 2626分分考试地点：考试地点：J3-402J3-402考试时间：考试时间：2626日（周三）下午日（周三）下午1:301:303:303:30答疑时间：答疑时间：2525日日 8:308:3017:0017:00地点：地点： K2K2楼楼302302室室 期末复习期末复习1 1 传感器技术基础传感器技术基础期末复习期末复习国家标准国家标准GB7665-87GB7665-

2、87对传感器下的定义是：对传感器下的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和测量电路的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和测量电路组成。组成。感受感受( (或响应或响应) )被测量被测量转换成适合于测量的电信号转换成适合于测量的电信号利用场的定律构成的传感器称为：结构型传感器。利用场的定律构成的传感器称为：结构型传感器。基于物质定律构成的传感器称为：物性型传感器。基于物质定律构成的传感器称为：物性型传感器。传感器具有能量信息转换的功能在于它的工作机理是基传感器具有能量信息转换的功能在于它的

3、工作机理是基于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法则所支配。和法则所支配。期末复习期末复习l表示转换原理的限定符号应写进正方形内，表示被测表示转换原理的限定符号应写进正方形内，表示被测量的限定符号应写进三角形内。量的限定符号应写进三角形内。 l当无须强调具体的转换原理时，传感器的图形符号可当无须强调具体的转换原理时，传感器的图形符号可以简化。以简化。 传感器的图形符号传感器的图形符号x对角线对角线 内在的能量转换功能；内在的能量转换功能；(A)(A)、(B) (B) 输入、输出信号输入、输出信号 被测量符号被测量符号 转换原理转换原

4、理 传感器图形符号的说明传感器图形符号的说明(1) (1) 传感器图形符号的说明传感器图形符号的说明(2)(2)* * *传感器的静态模型传感器的静态模型nnxaxaxaay.2210零位输出零位输出传感器的理传感器的理论灵敏度论灵敏度非线性项非线性项系数系数输入量输入量输出量输出量期末复习期末复习传感器的主要静态特性指标传感器的主要静态特性指标期末复习期末复习1.1.线性度线性度 线性度是表征传感器输出线性度是表征传感器输出输入校准曲线与所选定的拟合输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合程度的指标。直线之间的吻合程度的指标。通常用相对误差来表示线性度通常用相对误差来表示线性度或非线性误差：

5、或非线性误差：max. .100%LF SLey 选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也不同选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也不同选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差通常采用的方法通常采用的方法最小二乘法最小二乘法传感器的主要静态特性指标传感器的主要静态特性指标期末复习期末复习2.2.灵敏度灵敏度 灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比。线灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率：性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率：yKx3.3.阈值（最小检测量）阈值（最小检测量） 阈值是能使传感器输出端产

6、生可测变化量的最小被测输阈值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。入量值，即零位附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成 死区死区 ，则，则将死区的大小作为阈值。将死区的大小作为阈值。更多情况下阈值主要取决于传感器的噪声大小，因而有的更多情况下阈值主要取决于传感器的噪声大小，因而有的传感器只给出噪声电平。传感器只给出噪声电平。传感器的主要静态特性指标传感器的主要静态特性指标期末复习期末复习其它还有：其它还有：回差（迟滞、滞后）回差（迟滞、滞后）重复性重复性分辨力分辨力( (率率) )稳定性稳定性漂移漂移静态

7、误差静态误差( (精度精度) )传感器的动态模型传感器的动态模型通常可以用零阶、一阶或二阶的常微分方程来描述：通常可以用零阶、一阶或二阶的常微分方程来描述：00a yb x零阶环节零阶环节100dyaa yb xdt一阶环节一阶环节期末复习期末复习时间常数时间常数 静态灵敏度静态灵敏度 10aa00bKa时间常数越小，阶跃响应越迅速，频率响应的上限截时间常数越小，阶跃响应越迅速，频率响应的上限截止频率越高。止频率越高。 的大小表示惯性的大小，一阶环节有称为惯性环节。的大小表示惯性的大小，一阶环节有称为惯性环节。221002d ydyaaa yb xdtdt二阶环节二阶环节固有频率固有频率 静态

8、灵敏度静态灵敏度 002aa00bKa阻尼比阻尼比1022aa a固有频率固有频率 越高，响应曲线上升越快。越高，响应曲线上升越快。阻尼比阻尼比 越大，过冲现象越弱。通常使得越大，过冲现象越弱。通常使得 00.707期末复习期末复习凡是能用一个零阶线性微分方程来描述的传感器就称为凡是能用一个零阶线性微分方程来描述的传感器就称为零阶传感器，能用一个一、二阶线性微分方程来描述的零阶传感器，能用一个一、二阶线性微分方程来描述的传感器就称为一、二阶传感器。传感器就称为一、二阶传感器。期末复习期末复习传感器动态特性分析方法传感器动态特性分析方法传感器主要动态特性传感器主要动态特性时域：单位阶跃响应特性时

9、域：单位阶跃响应特性阶跃变化信号，阶跃函数阶跃变化信号，阶跃函数频域：频率响应特性频域：频率响应特性正弦变化信号，正弦函数正弦变化信号，正弦函数通频带：通频带：HL2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器在应力作用下材料的电阻率发生变化在应力作用下材料的电阻率发生变化应变电阻效应应变电阻效应电阻应变式传感器一：电阻应变片电阻应变式传感器一：电阻应变片期末复习期末复习金属材料金属材料 应变电阻效应应变电阻效应半导体材料半导体材料 压阻效应压阻效应它们的电阻相对变化与线应变成正比它们的电阻相对变化与线应变成正比电阻应变片测量的是应变栅范围内的平均应变，单个应电阻应变片测量的是应变栅范围内的平均应变

10、，单个应变片不能测量应力场中的应力梯度。变片不能测量应力场中的应力梯度。测量电路测量电路电桥电桥在测量中一般采用等臂电桥：在测量中一般采用等臂电桥：1234RRRR桥臂比：桥臂比：23141RRRR期末复习期末复习作用：将传感器的参数变化转换为电压输出作用：将传感器的参数变化转换为电压输出1234123414ORRRRUURRRRRKR123414OUUK实际的测量电路多采用全等臂差动电桥：实际的测量电路多采用全等臂差动电桥：期末复习期末复习差动技术可以改善传感器的非线性。差动技术可以改善传感器的非线性。要保证三个环节：要保证三个环节：1.1. 构成差动的传感器特性要完全相同；构成差动的传感器

11、特性要完全相同；2.2. 接收的输入量要大小相等、方向相反；接收的输入量要大小相等、方向相反；3.3. 输出量相减。输出量相减。123412341234123414112ORRRRRRRRUURRRRRRRR全等臂全等臂4 4臂工作差动电桥：臂工作差动电桥：13241324,RRRRRRRRRRRR 0ORUUU KR1234RRRR期末复习期末复习补偿了非线性补偿了非线性+-3 变磁阻式传感器变磁阻式传感器期末复习期末复习电磁电磁感应感应 被测非电量被测非电量自感系数自感系数互感系数互感系数测量测量电路电路MIUfL磁路磁阻变化磁路磁阻变化 自感式自感式 互感式互感式( (差动变压器差动变压

12、器) )变气隙式变气隙式变面积式变面积式螺线管式螺线管式变气隙式变气隙式变面积式变面积式螺线管式螺线管式 电涡流式电涡流式反射式反射式透射式透射式一般采用差动技术一般采用差动技术次级线圈要保证次级线圈要保证同名端相连同名端相连测量电路测量电路期末复习期末复习 自感式自感式变压器电桥变压器电桥谐振电路谐振电路调频电路调频电路相敏检波电路相敏检波电路恒流源电路恒流源电路 ( (一般用于螺线管式一般用于螺线管式) ) 互感式互感式( (差动变压器差动变压器) )差动相敏检波电路差动相敏检波电路差动整流电路差动整流电路 电涡流式电涡流式定频、变频调幅电路定频、变频调幅电路调频电路调频电路应用：检测位移

13、、振动、力、应变、流量、比重等。应用：检测位移、振动、力、应变、流量、比重等。4 4 电容式传感器电容式传感器1.1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器期末复习期末复习23000001.CC如果满足条件如果满足条件 那么上式可按级数展开：那么上式可按级数展开：0/1 0001CC电容的相对变化量：电容的相对变化量：0001CC一般可用一般可用 作为其特性表达式作为其特性表达式期末复习期末复习CC1CCCC 非线性误差大，仅适合测量微小位移量非线性误差大，仅适合测量微小位移量 可用减小可用减小 来提高灵敏度来提高灵敏度 高分辨率，可测量高分辨率，可测量 的线位移的线位移0.01 m1CC理论曲

14、线理论曲线2. 2. 变面积型电容传感器变面积型电容传感器00ClCl000rbCKl 灵敏度：灵敏度： 线性输出，量程不受线性范围的限制，适合测量较线性输出，量程不受线性范围的限制，适合测量较大的直线位移和角位移。灵敏度低。大的直线位移和角位移。灵敏度低。 由于灵敏度较低，在具体应用中多采用差动方式。由于灵敏度较低，在具体应用中多采用差动方式。期末复习期末复习3. 3. 变介质型电容传感器变介质型电容传感器020001rCCClCCl可测量介质的材质及厚度，或测量介质的移动距离。可测量介质的材质及厚度，或测量介质的移动距离。在具体应用中还要考虑：在具体应用中还要考虑：边缘效应边缘效应静电引力

15、静电引力寄生电容寄生电容温度影响温度影响电容式传感器电容式传感器期末复习期末复习电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路直放式直放式外差式外差式普通交流电桥普通交流电桥耦合电感电桥耦合电感电桥变压器电桥变压器电桥双双T T二极管交流电桥二极管交流电桥交流电桥电路交流电桥电路运算放大器式电路运算放大器式电路调频电路调频电路调幅电路调幅电路脉冲调宽电路脉冲调宽电路期末复习期末复习电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路期末复习期末复习1COU0CiUILIK+ +- -传感器传感器固定电容固定电容iI运算放大器运算放大器: :10CCUUiOKZi,运算放大器输入电流为运算放大器输入电流为

16、零零理想运放理想运放对变极距型电容传感器：对变极距型电容传感器：01rAC 代入上式：代入上式：ACUUriO00线性关系线性关系这是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件这是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。霍尔传感器霍尔传感器基于霍尔效应基于霍尔效应当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应。称为霍尔效应。5 磁电式传感器磁电式

17、传感器期末复习期末复习HHRUI BdHKI B 霍尔系数霍尔系数霍尔元件厚度霍尔元件厚度霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度霍尔器件的测量电路霍尔器件的测量电路霍尔电势输出端霍尔电势输出端 激励电流激励电流输入端输入端 激励电流调节激励电流调节 补偿不等位电势补偿不等位电势 B B磁场磁场控制电极控制电极 霍尔电极霍尔电极 期末复习期末复习霍尔器件的应用霍尔器件的应用期末复习期末复习1.1.微位移及机械振动测量微位移及机械振动测量当霍尔元件的控制电流不变，并置于均匀梯度的磁场当霍尔元件的控制电流不变，并置于均匀梯度的磁场中移动时，霍尔电势中移动时，霍尔电势 只取决于它在磁场中的位移。只取决于它在

18、磁场中的位移。HU2.2.测量交、直流磁感应强度，磁场强度测量交、直流磁感应强度，磁场强度控制电流一定时，霍尔电势与磁感应强度成正比。控制电流一定时，霍尔电势与磁感应强度成正比。6 压电式传感器压电式传感器压电效应压电效应: :正正( (顺顺) )压电效应压电效应逆压电效应逆压电效应( (电致伸缩电致伸缩) )期末复习期末复习1.1. 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；定存在逆压电效应；2.2. 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；3.3. 无论是正或逆压电效应，其作用力与电荷之

19、间呈线无论是正或逆压电效应，其作用力与电荷之间呈线性关系。性关系。压电半导体压电半导体: :砷化镓砷化镓(GaAs)(GaAs)等等压电材料压电材料: :压电晶体：石英晶体压电晶体：石英晶体(SiO(SiO2 2) )、铌酸锂、铌酸锂(LiNbO(LiNbO3 3) )压电陶瓷：钛酸钡压电陶瓷：钛酸钡(BaTiO(BaTiO3 3) )、锆钛酸铅、锆钛酸铅有机高分子压电材料：聚氟乙烯有机高分子压电材料：聚氟乙烯(PVF)(PVF)等等期末复习期末复习必须使用前置放大器必须使用前置放大器信号放大信号放大阻抗匹配阻抗匹配电压放大器电压放大器电荷放大器电荷放大器测量电路测量电路电压放大器（阻抗变换器

20、）、电荷放大器：电压放大器（阻抗变换器）、电荷放大器：作用是将压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出作用是将压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压（电荷）成正比。阻抗，并保持输出电压与输入电压（电荷）成正比。期末复习期末复习压电式传感器的频响特性压电式传感器的频响特性7 7 热电式传感器热电式传感器温度温度电势电势电阻电阻金属金属半导体半导体热电阻热电阻热敏电阻热敏电阻 热电偶热电偶期末复习期末复习1. 1. 热电阻热电阻铂、铜、镍、铁铂、铜、镍、铁期末复习期末复习tR1R2R3REM三线制，电桥法测量三线制，电桥法测量1r2r3r三线制要求三根导线的材质、线

21、径、长度一致且工作三线制要求三根导线的材质、线径、长度一致且工作温度相同，即温度相同，即 。321rrr331RrRrt调节调节 ，使得，使得 即可消除引线电阻的影响。即可消除引线电阻的影响。 3R2. 2. 热敏电阻热敏电阻钴、锰、镍等的氧化物钴、锰、镍等的氧化物负温度系数热敏电阻：负温度系数热敏电阻： NTCNTC正温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻： PTCPTC临界温度系数热敏电阻：临界温度系数热敏电阻：CTRCTR期末复习期末复习3. 3. 热电偶热电偶热电势热电势接触电势：接触电势：温差电势：温差电势：( )lnAABBkTNETeN00( ,)TAATE T TdT000( ,

22、)()ln()TAABABBTkNET TTTdTeN总热电势总热电势产生热电势的条件：产生热电势的条件：热电偶不同电极材料；两端温度不同热电偶不同电极材料；两端温度不同工作定律工作定律中间导体定律中间导体定律连接导体定律连接导体定律中间温度定律中间温度定律参考电极定律参考电极定律期末复习期末复习8 光电式传感器光电式传感器光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应光电效应光电效应外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应半导体材料半导体材料金属材料：铯、钠、锌等金属材料：铯、钠、锌等期末复习期末复习8 光电式传感器光电式传感器1. 1. 外光电效应外光电效应0cEhhA0chA2. 2. 光

23、电导效应光电导效应1.24gchhE 红限波长红限波长3. 3. 光生伏特效应光生伏特效应电压输出电压输出电流输出电流输出短路电流短路电流 光强光强LI 开路电压与光强非线性开路电压与光强非线性期末复习期末复习4. 4. 光生电流与光强光生电流与光强光照特性光照特性 相对灵敏度与入射光波长相对灵敏度与入射光波长光谱特性光谱特性9 光纤传感器光纤传感器压力、温度压力、温度电场、磁场电场、磁场光强、相位光强、相位频率、偏振频率、偏振光纤传感器光纤传感器临界角临界角C21sinCnn1C全反射全反射光纤波导原理光纤波导原理1122sinsinnnSnellSnell定律：定律：0n1n2n01期末复

24、习期末复习光纤的数值孔径：光纤的数值孔径：2212NAnn光纤传感器的分类光纤传感器的分类1)1)非功能型：调制环节在光纤外部，光纤只起非功能型：调制环节在光纤外部，光纤只起 传光作用。（传光型）传光作用。（传光型）调制器调制器入射光纤入射光纤出射光纤出射光纤光源光源光敏元件光敏元件输出输出期末复习期末复习2)2)功能型：调制环节在光纤内部，功能型：调制环节在光纤内部，外界作用下外界作用下 光纤光学特性变化。光纤光学特性变化。（传感型）（传感型）入射光纤入射光纤出射光纤出射光纤光源光源光敏元件光敏元件输出输出调制器调制器光纤传感器的光纤传感器的光强度调制方式光强度调制方式期末复习期末复习解调：

25、直接用光电器件检测光强信号的幅值解调：直接用光电器件检测光强信号的幅值光强度的外调制光强度的外调制折射率光强度调制折射率光强度调制光源必须是非相干光光源必须是非相干光相位调制相位调制光源必须是相干光光源必须是相干光相位调制一般与干涉测量并用，构成相位调制的干涉型相位调制一般与干涉测量并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。光纤传感器。光电探测器不能检测相位的变化，因此需要用光学干涉光电探测器不能检测相位的变化，因此需要用光学干涉技术将相位调制转换为振幅调制。技术将相位调制转换为振幅调制。光纤传感器的应用光纤传感器的应用期末复习期末复习 反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器 光纤温度传感器光纤温度传