搜索
IBKdIBRUHHH第一章概述传感器：能感受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。传感器功能：检测和转换。传感器组成：传感器的分类：按输入量分类：位移；速度；温度；压力传感器；按输出量分类：模拟式；数字式；按基本效应分类：物理型（物性型传感器、结构型传感器）、化学型、生物型。物理型传感器是指依靠传感器的敏感元件材料本身的物理特性变化或转换元件的结构参数变化来实现信号的变换。分为物性型，结构型；化学传感器是指依靠传感器的敏感元件材料本身的点化学反应来实现信号的变换，用于检测无机或有机化学物质的成分和含量。生物传感器是利用生物活性物质选择性的识别来实现对生物化学物质的测量，即依靠敏感元件材料本身的生物效应来实现信号的变换。按工作原理分类：应变式；电容式；电感式；压电式；热电式传感器；按能量变换关系分类：无源（能量控制型）需外加电源、有源（能量变换型）不需外加电源。有源电子器件工作时需要外加电源。无源电子器件工作时不需外加电源。传感器技术的发展：传感器集成化、智能化、网络化、微型化第二章传感器的基本特性传感器的基本特性：是指传感器的输入，输出关系特性，是传感器的内部结构参数作用关系的特性表现。传感器所测物理量两种形式：稳态（静态或准静态）动态（周期变化和瞬态）。静态特性：在稳态信号作用下的输入，输出关系。静态特性主要指标：量程、线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性、和漂移。线性度：传感器的输入、输出间成线性关系的程度。灵敏度：传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化的比值。分辨率：是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。分辨率可以用绝对值或与满量程的百分比来表示。迟滞：在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等的现象。产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等。重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输入——输出特性曲线一致的程度。漂移：传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。动态特性：是指传感器对动态激励的响应特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。时域（瞬态响应法，阶跃信号输入）：时间常数tao；延迟时间ta，上升时间tr，峰值时间tp，响应时间ts，超调量6。频域（频率响应法，正弦输入信号）：幅频特性，相频特性。传感器的校准：是指对使用或储存一段时间后的传感器性能进行再次测试和校正。传感器的标定：是利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度，它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度。分为静态标定和动态标定两种，静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，包括线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性等。动态特性的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率、和阻尼比等。在国内，标定的过程一般分为三级精度。第三章电阻式传感器应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变：当外力去除后物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变弹性元件：具有弹性应变特性的物体应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化应变电阻式传感器的基本工作原理：当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生形变，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的电阻应变片，引起应变敏感元件的电阻值发生变化，通过测量电路变成电压等电量输出。输出的电压大小反映了被测物理量的大小。R=pL/A应变片种类有金属电阻应变片（应变效应为主）和半导体电组应变片（压阻效应为主）非线性误差及其补偿方法：提高桥臂比；采用差动电桥（优点是输出灵敏度提高一倍；非线性误差小）电阻应变片的温度误差由环境温度的改变给测量带来的附加误差。补偿方法为电桥补偿法直流电桥消除非线性误差的方法提高桥臂比；采用差动电桥（优点是输出灵敏度提高一倍；非线性误差小）差动电桥半桥差动和全桥差动第四章电感式传感器分类：变磁阻式；变压器式；电涡流式；零点残余电压的产生原因：①（线圈）传感器的两个二次绕组的电气参数与几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电动势幅值不等、相位不同，构成了零点残余电压的基波；②（铁心）由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞），产生了零点残余电压的高次谐波（主要是三次谐波）；②（电源）励磁电压本身含高次谐波。零点残余电压的消除方法：①尽可能保证传感器的几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称；②采用适当的测量电路，如差动整流电路。差动整流电路（消除零点残余电压）：它把两个二次输出电压分别整流，然后将经整流的电压或电流的差值作为输出。图a、c适于交流负载阻抗；b、d适于低负载阻抗。电阻R0作为电位器用于消除零点残余电压。相敏检波电路（判断位移的大小和方向）：四个性能相同的二极管VD1~VD4以同一方向串联成一个闭合的环形电桥，四个接点1~4分别接到两个变压器A和B两个二次绕组上。输入信号uy`（是差动变压器电感式传感器输出的调幅波电压）和检波器的参考信号u0(即同步信号)分别经变压器A、B加到环形电桥的两个对角。电阻R起限流作用。u0是作为辨别极性的标准，Rf为连接在两个变压器二次绕组中点之间的负载电阻。电涡流式传感器：是根据电涡流效应制成的传感器，它由传感器激励线圈和被测金属体组成。分类：高频反射，低频透射。应用：位移测量，振幅测量，转速测量，无损探伤。第五章电容式传感器电容式传感器分类：平板电容器（变面积型、变介质型，变极距型。）或圆筒电容器（变面积型、变介质型）。变极距型非线性误差解决办法：差动电路，运算放大器式电路调频电路：运算放大器：具有放大倍数大、输入阻抗高的特点，将其作为电容式传感器的测量电路。电容式厚度传感器：用于测量金属带材在轧制过程中的厚度。在被测带材的上下两边各放一块面积相等、与带材中心等距离相连的极板，极板与带材就构成两个电容器。用导线将这两个极板连接起来作为一个极板，带材作为电容器的另一极，相当于两个电容的并联，总电容C=C1+C2；金属带材在轧制过程中不断前行，若带材厚度变化，会导致上下两个极板间距离发生变化，从而引起电容量的变化。将总电容量作为交流电桥的一个臂，电容的变化将使得电桥产生不平衡输出，从而实现对带材厚度的检测。应用：测压力，位移，加速度，厚度。第六章压电式传感器压电效应是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化而使表面出现电荷集聚的现象，也称为正压电效应（使机械能转变为电能）逆压电效应（将电能转变为机械能）压电片在电极方向上产生伸缩变形，压电材料的这种现象称为电致伸缩效应，也称为逆压电效应。分类：石英晶体：z轴：是通过锥顶端的轴线，是纵向轴，称为光轴，沿该方向受力不会产生压电效应。x轴：经过六棱柱的棱线并垂直于z轴的轴为x轴，称为电轴（压电效应只在该轴的两个表面产生电荷集聚），沿该方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”。y轴：与x、z轴同时垂直的轴为y轴，称为机械轴（该方向只产生机械形变，不会出现电荷集聚）。沿该方向受力产生的压电效应称为“横向压电效应”；压电陶瓷。压电材料的特性参数：1.机电耦合系数：指压电效应中，转换后的输出能量与转换前的输入能量之比的二次方根。机电耦合系数用于衡量压电材料在压电效应中的能量转换效率。2.居里点：当温度升高到一定程度后，材料的压电特性将消失。压电材料开始失去压电特性的温度称为居里点。压电元件的连接：并联法：与单片相比，在外力作用下，正负电极上的电荷量增加了一倍（Q’=2Q），总电容量增加了一倍（C’a=2Ca），其输出电压与单片时相同（U’=U）。并联法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜测量慢变信号且以电荷作为输出量的场合。串联法：在外力作用下，两电压元件产生的电荷在中间粘结处正负电荷中和，上、下极板的电荷量Q与单片时相同，总电荷量为单片时的一半，输出电压增大了一倍。（Q’=Q，C’a=Ca/2，U’=2U）。串联法输出电压大、本身电容小，适宜以电压作输出信号且测量电路输入阻抗很高的场合。第七章磁敏式传感器磁电作用：主要分为电磁感应和霍尔效应两种情况。因此，相应的磁敏式传感器主要有利用电磁感应的磁电感应式传感器和利用霍尔效应的霍尔式传感器两种。霍尔效应：当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。霍尔电动势与霍尔系数或霍尔灵敏度的关系可表示为：霍尔元件产生不等位电阻的原因：（1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位上；（2）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不对称；（3）激励电极接触不良造成激励电流不均匀分配。r0=U0/I不等位电动势：不等位电动势误差是零位误差中最主要的一种，它与霍尔电动势具有相同的数量级。不等位电动势误差是很难消除的，一般采用的方法是利用补偿的原理来消除不等位电动势的影响。霍尔元件的温度误差及其补偿：一般半导体材料都具有较大的温度系数。所以当温度发生变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率、以及霍尔系数都会发生变化。为了减少温度误差，除了使用温度系数小的半导体材料（如砷化铟）外，还可以采用适当的补偿电路进行补偿。应用：测微位移；转速；压力；液位；串联并联第八章热电式传感器接触电动势：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。温差电动势：同一导体的两端因温度不同而产生的一种电动势。热电偶的基本定律：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，则对回路的总热电势没有影响。（应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。）标准电极定律：如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两个导体A、B组成的热电偶产生的热电动势可由式子来确定中间温度定律：均质导体定律：如果组成热电偶的两个热电极的材料相同，无论两接点的温度是否相同，热电偶回路中的总热电动势均为0。（均质导体定律有助于检验两个热电极材料成分是否相同及热电极材料的均匀性。）热电偶测量两点间温度差：反极性串联热电偶测量多点的平均温度：①热电偶的并联：并联测量电路的总热电动势等于三支热电偶热电动势的平均值。②热电偶的串联：回路总的热电动势等于三支热电偶的热电动势之和。热敏电阻可分为三类：负温度系数、正温度系数和临界温度系数热敏电阻。第九章光电式传感器光电式传感器的类别：光电效应传感器、红外热释电探测器、固体图像传感器、光纤传感器光电倍增管：主要由光阴级、次阴极（倍增极）以及阳极三部分组成。阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。光电倍增管是灵敏度极高、响应速度极快的光探测器，其输出信号在很大范围内与入射光子数成线性关系。光纤传感器的分类：（1）功能性（传感型）光纤传感器。这是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，是传输的光的速度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。（2）非功能性（传光型）光纤传感器。这是利用其他敏感元件感受被测量的变化，与其他敏感元件组合而成的传感器，光纤只作为光的传输介质。光栅的结构：在一块长条形镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（称为刻线），这就是光栅。光栅的工作原理：两块具有相同栅线宽度和栅距的长光栅叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角θ，则在大致垂直于栅线的方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。利用光栅具有莫尔条纹的特性，可以通过测量莫尔条纹的移动数，来测量两光栅的相对位移量，这比直接计数光栅的线纹更容易；由于莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成的，对光栅刻线的本身刻划误差有平均抵消作用，所以称为精密测量位移的有效手段。光纤的主要特性：（1）数值孔径（2）光纤模式（3）传输损耗CCD固体图像传感器：电荷耦合器件以电荷转移为核心，是一种使用非常广泛的固体图像传感器。它具有光电转换、信息储存和延时等功能。第十章辐射与波式传感器红外辐射