传感器原理与检测期末复习知识

1、 第一章传感器是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转化成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，是检测原理、材料科学,工艺加工等三个要素的最佳结合。变送器是将非电量的信息转换成具有标准信号的装置。凡能输出标准信号的传感器就称为变送器。传感器一般有敏感元件、转换元件及测量电路组成，有时还要加辅助电源。敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：能将敏感元件感受的非电量直接转换为电量的器件。测量电路：将转换元件输出的电量转换成便于记录、显示、控制和处理的电信号的电路。结构型：主

2、要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号。物性型：利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。复合型：将中间转换环节与物性型敏感元件复合而成的传感器。静态特性：当输入量是常量(稳定状态的信号或变化及其缓慢的信号)时，输入与输出间的关系。动态特性：当输入量随时间变化时，输入与输出间的关系(动态量指周期信号、瞬变信号或随机信号) 。线性度（非线性误差）：在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（Full Scale)输出值的百分比称为线性度。在标准工作状态

3、下，利用一定精度等级的校准设备，对传感器进行往复循环测试，即可得到输出-输入数据。将这些数据列成表格，再画出各被测量值对应输出平均值的连线，称为传感器的静态校准曲线。灵敏度：传感器的灵敏度是指到达稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。精度的指标：精密度，正确度，精确度、精密度它说明测量结果的分散性(随即误差）。正确度说明测量结果偏离真值大小的程度(系统误差)。精确度它含有精密度和正确度之和的意思，即测量的综合优良程度。最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极限量。值越小，表示传感器检测微量的能力越高。迟滞是指在相同工作条件下全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的

4、正行程和反行程其输出值间的最大偏差。重复性是指同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。数值上用各测量值正、反行程标准偏差的两倍或三倍与满量程的百分比。传感器无输入时(或某一输入值不变)，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值(或原指示值)，即为零点漂移。温漂：表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1输出最大偏差与满量程的百分比来表示。静态特性：线性度，灵敏度，精确度，重复性，迟滞等动态特性：时间常数，阻尼比。 第二章 应变片式传感器应变片式传感器优缺点：精度高，测量范围广。频率响应特性较好。 结构简单，尺寸小，质量轻。 可在高(低)温、高

5、速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作。易于实现小型化、固态化。 价格低廉，品种多样，便于选择。缺点：大应变状态中具有明显的非线性；半导体应变片的非线性更为严重；应变片式传感器输出信号微弱，故它的抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；应变式传感器测出的只是一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等。应变片的灵敏度系数K恒小于线材的灵敏度系数K0；原因：胶层传递失真；横向效应。应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。贴有应变计的试件进行加载和卸载时, 其R/R特性曲线不重合。把加载和卸载特性曲线的最大差值

6、（如图所示）称为应变计的机械滞后值。原因：应变片在承受机械应变后，内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量的不可逆变化，粘结剂固化不充分。零漂：恒定温度下, 粘贴在试件上的应变计, 在不承受载荷的条件下, 电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。零漂的产生原因：敏感栅通过工作电流后的温度效应，应变计的内应力逐渐变化，粘接剂固化不充分等。蠕变：当应变片承受恒定的机械应变量，应变片的指示应变却随时间而变化，这种特性称之为蠕变。蠕变产生的原因：胶层之间的“滑动 ”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这种由于环境温度改变而带来的误差, 称为应变计的温度误差, 又称热输出。原因： 应变片的电阻丝具有一定温度

7、系数； 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。补偿方法： 单丝自补偿、双丝组合式自补偿 电路补偿（一个工作应变片，一个补偿应变片）。半桥差动电路：电桥的输出灵敏度比单臂工作时提高了一倍，消除非线性误差，温度补偿作用。为了减少温度的影响，压阻器件一般采用恒流源供电U=IR，电桥输出与温度无关，但是压阻器件本省受到温度影响后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移，因此必须采取温度补偿措施。零点温度补偿：压阻式应变片测量桥路，在R1上串联Rs起调零作用，R2上并联Rp起补偿作用。（四个电阻的阻及其温度系数不一致导致），回路中串联二极管起灵敏度温度补偿。（灵敏度温度漂移由于压阻系数随温度变化导致）。金属

8、应变片式传感器和压阻式传感器相同点原理相同，即它们都是利用在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化的原理。金属应变片式传感器和压阻式传感器不同点前者利用的是金属材料的应变效应，后则利用的是半导体材料的压阻效应。金属应变片式传感器的敏感元件是弹性敏感元件，转换元件是电阻应变片。而压阻式传感器的敏感元件和转换元件均为半导体(硅)。核心元件不同。前者使用的是金属应变片。后者使用的是半导体应变片。前者利用金属导体形变引起电阻的变化；后者则是利用半导体电阻率的变化引起电阻的变化。 第三章 电容式传感器优点：测量范围大，灵敏度高，动态响应时间短，结构简单，适应性强，机械损失小，易实现非接触测

9、量 。缺点:寄生电容影响较大,用于变间隙原理测量时具有非线性输出特性。供电电源频率必须低于电容传感器的等效电路谐振频率，一般为谐振频率的1312，传感器才能正常工作。测量电路：1，交流不平衡电桥(了解)2，调频电路3，二极管环形检波电,4,运算放大器电路5，差动脉宽调制电路电容传感器设计要点：1. 保证绝缘材料的绝缘性能，尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质（也不受湿度变化的影响）作为电容式传感器的电介质。若用某些液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度、湿度变化时，它们的介电常数随之改变，产生误差。2. 消除和减小边缘效应，边缘效应相当于传感器并联一个附加电容，（如何克服边

10、缘效应：增大初始电容C0，增大极板面积和减小极板间距增加等位环）3. 消除和减小寄生电容的影响（I 增加传感器原始电容值II 注意传感器的接地和静电屏蔽III 集成化IV 采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术V整体屏蔽法）4. 防止和减小外界干扰 第四章 电感式传感器优点：结构简单，输出功率大，无活动触点，工作可靠。灵敏度和分辨力高，输出信号强。线性度、重复性好。缺点：频率响应低不易用于快速动态测量。 比较式（4-15）与式（4-23），单线圈式和差动式两种变间隙电感传感器的灵敏度特性，可以得到如下结论： 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。 差动式变间隙电感传感器的非线性项由

11、式(4-21)可得 (忽略高次项)。单线圈电感传感器的非线性项由式(4-11)或式(4-13)可得（忽略高次项)。 由于/01，因此，差动式的线性度得到明显改善。差动式电感传感器测量电路有交流电桥和变压器电桥（不能判断移动方向，接入相敏检波电路），谐振式测量电路（调频电路和调幅电路）。应用：变隙电感式压力传感器，隙式差动电感压力传感器。差动变压器与一般变压器不同之处：一般变压器是闭合磁路而差动变压器是开磁路；一般变压器原副边间的互感是常数，而差动变压器原，副边之间的互感随衔铁移动作相应的变化。差动变压器式传感器零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线

12、性等引起的。零点残余电压的产生原因：1. 基波分量。2. 高次谐波。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称， 导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置， 两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波中起主要作用的是三次谐波，其产生的原因是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小Ux，否则将会影响传感器的测量结果。 消除零点残余电压的方法：在设计和工艺上，做到磁路对称、线圈对称；提高差动变压器的灵敏度：1.提高次级线圈匝数N。2，提高出极线圈电压e。3，提高激励电压的频率。采用相敏检波电路

13、；在电路上进行补偿：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻，反馈电容。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路相敏检波电路 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中漩涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流，这种现象称之为涡流效应。电涡流式传感器不是在电涡流整个波及范围内都能呈线性变换的。影响线性范围的因素有哪些？I激励电流强度。r圆导线半径。X轴上点离圆导线的距离。 第五章 压电式传感器原理：以电介质的压电效应为基础，在外力的作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量的目的。原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。压电传

14、感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。压电式传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。密勒效应（Miller effect）是在电子学中，反相放大电路中，输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用，其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍，其中K是该级放大电路电压放大倍数。虽然一般密勒效应指的是电容的放大，但是任何输入与其它高放大节之间的阻抗也能够通过密勒效应改变放大器的输入阻抗。 （4）密勒效应的好处： 采用较小的电容来获得

15、较大的电容（例如制作频率补偿电容），这种技术在IC设计中具有重要的意义（可以减小芯片面积）； 获得可控电容 (例如受电压或电流控制的电容) 。当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，会造成传感器灵敏度下降，因而要扩大工作频带的低频端，就必须提高测量回路的时间常数t。但是靠增大测量回路的电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度。切实可行的办法是提高测量回路的电阻。两种放大器的主要区别:使用电压放大器时，测量系统的输出对电缆电容的变化很敏感，连接电缆长度的变化明显影响测量系统的输出。使用电荷放大器时,电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计，允许使用很长的电缆，但它与电压放大器比较，价格要高得

16、多，电路也比较复杂，调整又比较困难。电荷放大器的输出电压uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与q成正比，这是电荷放大器的最大特点。优点：响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、。结构简单、工作可靠、体积小重量轻。 缺点：无静态输出，要求高的电输出阻抗，需用低电容的低噪声电缆，工作温度只有250。当振动频率远低于传感器的固有共振频率时,传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。低频响应：前置放大器的输入内阻越大，回路时间常数越大，低频响应越好，增加回路电容会使灵敏度下降。 第六章 光栅传感器标尺光栅的有效长度决定了传感器的有效测量长度和范围。莫尔条纹特性（光栅传感器具有高精度的原因）

17、（1）运动对应关系。（2）位移放大作用。（3）误差平均作用。提高光栅传感器分辨力的方法1. 增加刻线密度来减小栅距。2. 采用细分技术（直接细分法，电阻电桥细分法）。 第八章 固态传感器元件的输入阻抗及输出阻抗并不是常数，随磁场增强而增大，这是半导体的磁阻效应。为了减少这种效应的影响,控制电流Ic最好用恒流源提供。B恒定， 测量频率高。I恒定，测量频率低。当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，实际不为零，这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。原因：由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上;霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。 补偿方法1.工艺上采取措施降低U0；2.采用补偿电路加以补偿。当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出除了交流不等位电势外，还有一个直流电势，称寄生直流电势。交流零点偏离零V电位。原因：元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应，以及两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产生的。减少温度误差的措施：1. 采用温度系统小的元件，如砷化铟。2. 恒温措施。3.恒流源。采用恒流源供电可以减小元件内阻随温度变化而引起的控制