检测与传感重点知识

1、 测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。测量结果的表述：估计值 测量单位 测量不确定度（可信度）实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法测量误差是测得值减去被测量的真值。 1. 传感器的定义 传感器是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。目前一般采用两种分类方法按被测参数分类: 如温度、位移、速度、压力、湿度、光强等；按传感器的工作原理分类， 如应变式、压电式、半导体式、微波式等 2 特性静态特性: 灵敏度、迟滞、线性度、重复性、漂移和分辨率 动态特性：零阶、一阶系统的特性方程 时域、频域1. 应变效应 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变

2、效应，即导体在外界作用下产生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为电阻应变效应。 即半导体应变片的工作原理主要是基于其半导体材料的轴向受力，电阻率发生变化的现象压阻效应2常用的电阻应变片有两种：丝式电阻应变片、箔式电阻应变片康铜是目前应用最广泛的应变丝材料3弹性元件的基本特性有两个：刚度和灵敏度1. 刚度（C）定义：弹性元件单位形变下所需要的力。含义：衡量弹性元件在外力作用下产生变形的大小）式中: F作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿； x弹性元件所产生的变形，单位为毫米。2. 灵敏度（S）定义：单位力作用下弹性元件产生形变的大小（刚度的倒数）。与刚度相似，如果弹性特性是

3、线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变数，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的。 1. 直流电桥平衡条件电桥电路如图所示，图中E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻 当RL时，电桥输出电压为当电桥平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3 或式（3-35）为电桥平衡条件。 这说明欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。2） 不平衡（处于测量状态时）3）差动变隙式传感器由两个完全相同的电感线圈用一个衔铁和相应磁路组成。测量时，衔铁与被测件相连，当被测件上下移动时，带动衔铁也以相同的位

4、移上下移动，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，从而形成差动形式。差动变隙式传感器与传统的单极式传感器相比较，非线性大大减小，灵敏度也提高了。电容式传感器分类：书上87页 变极距型 变面积型 变介质型 压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。压电材料可以分为两大类：压电晶体 压电陶瓷石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。下图表示了天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。轴z光轴轴x电轴轴y机械轴 x轴：经过石英

5、晶体六面体棱线并垂直于光轴的轴为x轴，称为电轴；特点：当沿x轴方向施加作用力F时，在于电轴x垂直的平面上将产生电荷，称为纵向压电效应。y轴：与x轴和z轴同时垂直的轴为y轴，成为机械轴；特点：当沿y轴方向施加作用力F时，将仍在于电轴x垂直的平面上产生电荷，称为横向压电效应。z轴：纵向轴为z轴，成为光轴；特点：当沿z轴方向施加作用力F时，不产生压电效应。 磁电感应式传感器基本特性为补偿非线性误差, 可在传感器中加入补偿线圈进行温度补偿。补偿通常采用热磁分流器。 磁电式传感器是速度传感器, 若要获取被测位移或加速度信号, 则需要配用积分或微分电路。一块长为l、宽为b、厚为d的导电板置于磁感应强度为B

6、的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当导电板中有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH。这种现象称为霍尔效应。由上式可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度。 霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片、 引线和壳体组成。1光电式传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。2外光电效应125页、内光电效应126 3光敏电阻基本特性 伏安特性、光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性4光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收、转换、放大和控制，而获得最终的控制输出“开”、 “关”信号的器件。 原理：133页 光电开关广泛应用于工业控

7、制、自动化包装线及安全装置中作为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测、产品计数、 料位检测、尺寸控制、 安全报警及计算机输入接口等。 5光电耦合器件其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）光敏元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，作为摄像或摄敏的器件6光纤的结构光纤由纤芯、包层和保护层三层组成传光原理 光在空间是直线传播的；在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤能传送很远的距离，其基本原理就是基于光的全反射。（只产生反射而不产生折射的现象）具体过程144页1. 气敏传感器的机理（氧化还原性气体与不同半导体材料的反应规律）（1） 基本原理 是利用

8、气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。（2） 测量过程 当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面时，一部分气体分子会被吸附。 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时， 吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。2. 气敏传感器加热器的作用（1）去除在传感器表面的油污和尘埃；（2）加速气体的吸附；（3

9、）提高灵敏度和响应速度3. 湿敏传感器的定义 能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成电信号的装置。 主要由湿敏元件和转换电路组成。除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等。4. 负特性半导瓷、正特性半导瓷它通常是由两种以上的半导体材料混合烧结成为多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷； 烧结型Fe3O4的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷（1） 负特性湿敏半导瓷的特性上图表示

10、了几种负特性半导瓷阻值与湿度之间的关系，可以看出其电阻率随湿度的增加而下降（2） 正特性湿敏半导瓷的特性 正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。下图给出了烧结型Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线对比两图可以看出，当相对湿度从0%RH变化到100%RH时，负特性材料的阻值均下降3个数量级，而正特性材料的阻值只增大了约一倍。因此，负特性湿敏半导瓷的灵敏度更高。 第十章 超声波传感器1. 超声波频率范围超声波：高于2104Hz的机械波。2. 超声波的波形和传播速度 声波的波型通常分为： 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能

11、在固体、液体和气体介质中传播； 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播； 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。 在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为：横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90% 超声波在气体和液体中传播时，仅有纵波的传播，其传播速度c为 式中：介质的密度； Ba绝对压缩系数。 上述的、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。1. 微波的频率范围频率范围：300MHz到3000GHz(3THz波长范围：1m到0.1mm2

12、. 微波湿度传感器的测量原理基本原理：由于水的介电常数远大于大多数物质，如果待测物中含有水分子，其介电常数将显著上升，而不同的介电常数所引起的微波信号的相移与衰减量不同，由此就可推算物质含水量。 下图给出了测量酒精含水量的仪器框图，微波源产生的微波经功率分配器分成两路，分别输入到放置无水酒精的转换器T1、放置被测样品的转换器T2中。相位与衰减测定仪记录它们之间的相位差与衰减差，从而确定样品酒精的含水量。 酒精含水量测量仪框图 1. 红外线的分类红外线即红外辐射，它是一种不可见光， 由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。波长范围大致在0.76-1000m。 红外线在电磁波谱中的位置如上

13、图。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分：近红外、中红外、远红外和极远红外。 2. 红外辐射的物理本质和规律 红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。 红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量是通过红外线辐射出来的。 物体温度越高，其具有的能量越多，辐射出的电磁波能量越大； 物体温度越低，其具有的能量越少，辐射出的电磁波能量越小1. 什么是莫尔条纹 把两块栅距相等的光栅面向对叠合在一起，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，如图所示，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。 莫尔条纹的是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。2. 感应同步器的结构、分类1. 原理 利用两个平面型印刷电路绕组的互感随相对位置不同而变化的原理，将线位移或角位移转换成电信号。2.分类 感应同步器有两种： 直线式：感应同步器由定尺和滑尺组成（直线位移） 旋转式：感应同步器由转子和定子组成（角位移） 在定尺和转子上的是连续绕组，在滑尺和定子上的则是分段绕组。分段绕组分为两组，在空间相差90相角，又称为正弦、余弦绕组。 工作时可以在其中一种或两种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在连续绕组线圈中就产生感应电动势，该电动势随相对位置不同而呈正