《传感器原理》期末复习课件

1、时间：12月 16 日（周三）下午 3:005:00考试：电科专业、信工、通信专业：地点： 电201 测控专业：地点：电101 考试题型：填空题：40分简答题：20分综合题：40分传感器的定义：能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。绪论传感器的组成：通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指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电信号部分。传感器的一般特性传感器的特性是指传感器的输入信号与输出信号的关系。传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态（即输入量对时间 t 的各阶导数为零）或缓慢变化时，传感器的输出值与输入

2、值之间的关系。传感器的主要静态性能指标：1、测量范围和量程2、分辨力和阈值3、灵敏度4、迟滞5、重复性6、线性度7、时漂和温漂 8、总精度传感器的动态特性是传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。传感器的动态响应，一般采用正弦信号和阶跃信号作为输入信号。传感器对正弦输入信号的响应为传感器的动态频率响应，对阶跃输入信号的响应为传感器的动态阶跃响应。电阻应变式传感器上式表明：在应力作用下，金属材料的电阻相对变化与其轴向应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。一、电阻应变计的工作原理1、金属材料的应变电阻效应金属丝在应力x 作用下产生轴向伸长、径向缩短形变，从而使其电阻发生变化。金属材料电阻的相对

3、变化与轴向应变x 的关系：式中：Km=( 1+2)+C( 1-2) 金属材料的应变灵敏度系数（简称灵敏系数）2、 半导体材料的应变电阻效应半导体材料受到应力作用后，其内部电阻率发生变化。半导体材料电阻相对变化与轴向应变x 的关系：式中：Ks=1+2+E 半导体材料的应变灵敏度系数上式表明：在应力作用下，半导体材料的电阻相对变化与其轴向应变成正比。这就是半导体材料的应变效应。综合上述两种情况，可得导电材料的应变电阻效应为：式中：K0 导电材料的应变灵敏度系数二、电阻应变片的主要特性金属丝应变片的横向效应金属应变片的敏感栅通常是呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成。由于试件承受单向应力时，其表

4、面处于平面应变状态中，即轴向（拉伸）应变x 和横向（收缩）应变y 。其纵栅主要感受轴向应变x、横栅主要感受横向应变y ，从而引起应变片总电阻的变化为：它表示当y = 0时，单位轴向应变x引起的电阻相对变化式中：K=Kx(1-H)它表示当x = 0时，单位横向应变y引起的电阻相对变化双向应变灵敏系数比，称为横向效应系数双向应变比（横向应变与轴向应变比）实验证明：y /x= -0 0双向应变比系数Kx轴向灵敏系数式中：Ky横向灵敏系数H=Ky / Kx=y /x在横向应变y 和轴向应变x 的作用下，横栅所产生应变电阻的增量与纵栅所产生应变电阻的增量方向相反。其原因就是横向应变和轴向应变对横栅作用的

5、结果。结论：在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消轴向应变的作用。应变片既敏感轴向应变，又同时受横向应变影响，使灵敏系数及相对电阻比都减少的现象，称为横向效应。金属丝应变片横向效应系数 H横向灵敏度系数 Ky 与轴向灵敏度系数 Kx 之比值，称为横向效应系数H。消除金属丝应变片横向效应的办法短接式、直角式横栅三、应变片的温度效应及其补偿敏感栅在温度的作用下，产生电阻的变化，这种情况称为敏感栅的热阻效应。在温度的作用下，应变片线膨胀、试件体膨胀引起应变电阻的相对变化，这种情况称为敏感栅的热膨胀效应。式中： t 敏感栅材料的电阻温度系数（/） K 应变片的灵敏系数s 、t 分别为试件和敏

6、感栅材料的线膨胀系数（m/）上式表明在温度的作用下，应变片电阻相对变化与其敏感栅材料的电阻温度系数t、敏感栅材料线膨胀系数t、试件和基底材料体膨胀系数s 有关，这是应变片的温度效应。综合以上分析得出结论在温度的作用下，引起应变片电阻的相对变化为：上式以应变形式表示，称为应变片的热输出（温度作用的结果实际最终是以应变的形式表现出来），即热输出由上两式可以看出，应变片的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为应变片的热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件（和基底）热膨胀所引起。热输出补偿方法常采用的方法有：温度自补偿法桥路补偿法四、测量电路应变直流电桥U电源电压U0输出电压R1R2R4R3ABCD直

7、流电桥桥路输出电压变化量U0与桥臂应变电阻的相对变化有关：实际上，应变电阻的相对变化R/R 等于其所受到应变，即：R1/R1 = K1，R2/R2 = K2R3/R3 = K3，R4/R4 = K4因此，有：结论：从上式可见桥路输出电压变化量U0与桥臂各个应变电阻所受的应变有关利用上述特点可以进行温度补偿和提高测量的灵敏度。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性不同，即一为拉应变，另一为压应变时，输出电压为两者之和；若相对两桥臂应变的极性一致时，输出电压为两者之和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。电容式传感器平板电容器当忽略边缘

8、效应影响时，其电容量C 为：平板电容器由绝缘介质分开的两个平行金属板组成，如下图。式中： C 电容量（F 法）0 真空介电常数（8.8510-12F/m） r 电容极板间介质的相对介电常数 电容极板间介质的介电常数 电容极板间距离（m） A 电容极板的有效面积（m2） A极板极板平板电容器以电容极板间距离为变化量，可组成变极距型电容传感器；以电容极板的有效面积A 为变化量，可组成变面积型电容传感器； 以电容极板间介质的介电常数 r 为变化量，可组成变介质型电容传感器。电容式传感器分为：变极距型、变面积A型、变介质r 型1、变极距型电容传感器测量原理：被测量通过动极板的上下移动，引起两极板的极距

9、 改变，从而得到电容量的变化。一、电容式传感器的工作原理差动式结构相对非线性误差ef 为：灵敏度提高一倍非线性误差减小一个数量级（/R1时，（式1）变为：此时，灵敏度与频率无关，为一常数。当电源电压频率过低时，L1R1，（式1）变为：当电源电压频率再继续增加时由于铁损、磁质磁饱和等因素的影响使灵敏度下降。通常应按所用铁心材料，选取合适的较高的激励频率，以保持灵敏度不变。互感传感器灵敏度K与激磁频率 f 的关系激励频率（Hz）灵敏度K（mV/mm）激励频率与灵敏度的关系 L1R1四、电涡流式传感器电涡流式传感器工作原理电涡流式传感器的基本原理示意图xI2.被 测 导 体H2.I1.电感线圈U1H

10、1电涡流式传感器由激磁线圈（电感线圈）、被测导体组成。在图中有一个通以交变电流 I1 的电感线圈，由于电流 I1 的存在，线圈周围就产生一个交变磁场H1。若被测导体置于该磁场范围内，被测导体内便产生电涡流I2，I2也将产生一个新磁场H2；H2与H1方向相反，力图削弱原磁场H1，从而导致线圈的电感量L、阻抗 Z 和品质因数Q 发生变化。在应用时，如果控制上述可变参数只改变其中一个参数，阻抗变化即成为这个参数的单值函数，如电涡流测距传感器，即在, r, I恒定不变时，阻抗Z仅是距离x的单值函数。即可实现金属物体的位移、振动等参数测量。线圈阻抗的变化不仅与电涡流效应有关，还与金属导体的电阻率（）、磁

11、导率（）、线圈的几何尺寸（r）、激励电流（I）、频率（）以及线圈到被测导体间的距离（x） 有关，即 Z=f(, r, I, x ) 。涡流传感器的参数计算和分析1、线圈涡流损耗功率 Pe涡流引起的能量损耗，称为涡流损耗，其大小用涡流损耗功率Pe表示。涡流损耗功率 Pe 是衡量涡流式传感器性能的重要指标。一般情况下，涡流损耗功率越小越好。涡流回路的涡流损耗功率Pe为:上式说明，影响涡流损耗功率Pe 的因素有交变磁场的角频率（或频率 f）最大磁感应强度 Bm导体的电阻率涡流形成的范围 r 被测金属导体的厚度 h 被测金属导体越薄，涡流损耗功率 Pe越小（hPe）。一般情况下，被测金属导体的厚度很薄

12、。2、线圈轴向磁感应强度Bx线圈轴向磁感应强度分布（对被测金属导体内的磁感应）对涡流式传感器的工作有着重大影响。线圈轴向磁场分布对其灵敏度和线性范围起着决定性的作用。要使线性范围大，就要磁场轴向分布范围大。要使灵敏度高，就要求被测体在检测线圈轴向移动时涡流效应的变化大，即线圈轴向磁场强度变化梯度大。所以，分析线圈轴向磁感应强度分布十分必要。对传感器来说，希望灵敏度高，线性范围大。3、涡流分布在涡流区内，涡流的密度是按轴向和径向梯度分布的。轴向：涡流区在被测金属导体的表面层（即有限的轴向深度）径向：涡流区在被测金属导体径向方向上一个有限的范围径向分布在线圈外径r=r2 处，涡流密度最大在 rn包

13、层根据光学原理当光线以较小的入射角k 由光密媒质1 射向光疏媒质2（n1 n2）时，一部分光以折射角r 折射入媒质2，一部分以k 反射回媒质1。由光折射和反射的斯乃尔Snell 定律有：纤芯n1包层n2j光纤的结构及光导原理媒质1媒质2krk包层n2媒质22、光纤波导的工作原理媒质2（n2）媒质1（n1）光在两个媒质界面上的折射与反射当k 角逐渐增大，直到k =c 时，射入媒质2中折射光沿界面传播（r = 90）。对应于r = 90时的入射角k 称为临界角c当入射角k c 时，入射光不再折射入媒质2，而在媒质1（纤芯）内产生连续向前的全部反射，直至由终端面射出。这是光纤波导的工作原理。aaak

14、krccccr= 90bbkcn1 n23、光纤的重要参数数值孔径NA传播模式传播损耗色散4、光纤的分类按纤芯到包层折射率变化：阶跃折射率光纤；渐变折射率光纤根据传播模式的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。光纤传感器的原理1、光纤传感器的基本原理光纤传感器一般由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成（见下图）。其基本工作原理就是由光发送器发出的光经光纤引导至敏感元件。在这里，光的某一性质（如强度、偏振态（矢量A的方向）、频率和相位等参量）受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理系统处理得到所要的被测量。光发送器信号处理光纤敏感元件光接收器图 光纤传感器示意图2、光纤传感器的分类按光纤在传感器中的作用，通常可将光纤传感器分为两种类型：一类是功能型传感器（FF型）；另一类是非功能型传感器（NF型）。3、光纤传感器的组成构成光纤传感器除光导纤维外，还必须有光源、光探测器及一些光无源器件。调制技术是指在时域上用被测信号对一个高频信号（如