传感器(唐文彦)总复习

1、电阻式传感器基本原理：将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转换电路变成电量输出。工作原理 :金属的电阻应变效应 :金属导体的电阻随着机械变形 伸长或缩短 的大小发 生变 化的现象称为金属的电阻应变效应。特点：结构简单，性能稳定，灵敏度较高，适用 于动态测量。1）横向效应： 将直的电阻丝绕成敏感栅之后， 虽然长度相同， 但应变状态不 同，其灵敏系数 降低了。这种现象称横向效应。为了减少横向效应产生的测量误差，一般多采用箔式应变片， 其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸 大得多，电阻值较小，因而电阻变 化量也就小得多。2）机械滞后 应变片安装在试件上以后，在一定温度下，其 R/R-的加 载特性与卸载特性不重

2、合，在同一机械应变值g下，其对应的 R/R值相对应的指示应变& i丨不一致。加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值 !）称应变片的滞后。机械滞后产生的原因： 敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的。3）零漂 P0： 粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。4）蠕变B：如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。5）最大工作电流：是指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。6）绝缘电阻：是指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常

3、要求50MQ100MQ以上。7）电阻式应变片的温度误差：当测量现场环境温度变化时，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数之差异性而给 测量带来的附加误差，称为应变片的温度误 差。 对应变片温度误差产生的主要因素进行分析 : 1. 电阻温度系数的影响； 2. 测试件材料和电 阻丝材料的线膨胀系数影响。温度补偿方法： 1线路补偿法加温度补偿电阻 ： 利用电桥的和、差原理来到达温度补 偿的目的。 2自补偿法选材 ： 主要是通过精心选配敏感栅材料与应变片结构参数来 实 现温度补偿。2. 压阻式传感器 工作原理：对半导体材料施加外力作用时，除了产生形变之外，材料的电阻率也要发生明显变化，这种现象被称为

4、“压阻效应”。特点：压阻式应变片的灵敏度比金属丝式的要高5080倍 ；半导体材料的应变片尺寸小、横向效应小、滞后和蠕 变都很小。二电感式传感器 基本原理：将电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量 自感或互 感的一种装置。可用来测位移、压力、振动等多种非电 量，既可用于静态测量，又可用 于动态测量。1. 自感式传感器变磁阻式传感器 原理：衔铁移动导致气隙变化导致电感量变化，从而得知位移量的大小方向。1) 变气隙式自感传感器改变 I s 磁路中气隙长度 须保持气隙磁通截面积不变；输出特性是非线性的； 灵敏度随着气隙的增加而减小；为保证一定的测量范围和线性度，通常s=0.10.5m

5、m , 3=1/51/10S.2) 变面积式自感传感器改变S须保证气隙长度保持不变；磁通面积随着被测量改变，即衔铁水平方向移动；输出特性呈线性； 可以得到较大的线性范围。3) 螺管式自感传感器改变 卩由于空气气隙大，磁路的磁阻大，所以灵敏度比前面两种要低；可以使线圈绕组均匀排列，来得到较大的线性工作范围。自感式传感器的转换电路：将传感器的电感量接入不同的转换电路之后，可以被转换成电压或者电流的幅值、频率、相位的变化，这些转 换电路相应的被称为调幅、调频、调 相电路。2互感式传感器一一差动变压器 原理：把非电量的变化转化为互感量的变化， 互感式传感器是一种线圈互感随着衔铁位移变 化的变磁阻式传感

6、器。1零位误差一一零点残余电压：差动自感式传感器当衔铁位于中间平衡位置时，电桥的输 出在理论上应该为零，但实际总是存在一个零点不平衡电 压输出。零点残余电压的危害： 1过大的零点残余电压会导致放大器提前饱和； 2使电路产生零 点错误动作；3零点残余电压中的基波正交分量会使传感器的输出产生大小随输入信号而变化的相移 .消除零点残余电压： (1)衔铁、骨架等零件保证足够的加工精度，两线圈的绕制要一致；(2) 合理选择磁性材料与激励电流，使传感器工作在磁化曲线 的线性区； 磁性材料要选择 磁滞小的材料，并保证其加工精度，消除 内部应力； (3) 减少激励源的谐波成分、采用屏蔽 外壳进行电磁屏蔽； (

7、4)采用适当的电路措施， 比方添加串联电阻消除基波零位电 压、添加 并联电容去除基波正交分量等。3. 电涡流电感式传感器特点 :结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强。1) 电涡流效应：块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中做切割磁感线的运动，磁通变 化，产生电动势，电动势将在导体外表形成闭合的电流回路。2) 趋肤效应：电涡流只集中在导体外表的现象。3) 电涡流的贯穿深度是指把电涡流强度减小到外表强度的 1/e 处的表 面厚度。 影响涡流传感器灵敏度的因素：1 被测体材料对测量影响 2被测体大小和形状对测量的影响 3传感器形状和大小 对传感器的灵敏度影响 三电容式传感器 工作

8、原理：电容式传感器是将被测非电量的变化转换成电容量变化的一种传感器。 特点：结构简单、分辨力高、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量 等。由于材 料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已到达 了相当高的水平，因此寄生电 容的影响得到较好地解决，使电容式传感 器的优点得以充分发挥。1.变面积型电容传感器2. 变介质型电容传感器1边缘效应：当极板厚度h与极距3之比较大时，边缘效应的影响就不能忽略。此时，计算电容时必须引入边缘效应因子。消除边缘效应：采用保护环结构。2 寄生电容：寄生电容对传感器的输出特性有严重干扰，甚至会淹没有用信号。消除寄生电容： 1增加传感器原始电容值 2注意传感

9、器的接地和屏蔽 3集成化， 将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线 4驱动电缆法 5整体屏蔽法3温度影响： 温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及某些介质的介电常数发生改变 ,从而改变传感器的电容量 , 产生温度误差。消除温度影响：设计电容式传感器时，需根据使用环境适当选择材料结构尺寸对温度不敏感、介电常数温度系数较小 。四磁电式传感器工作原理： 磁电式传感器是以电磁感应原理为基础， 通过磁电作用将被测量转换成电信号的 一种传感器1磁电感应式传感器分为恒定磁通式和变磁通式1.霍尔式传感器：基于霍尔效应原理而将被测量，转换成电动势输出的一种传感器1霍尔效应：

10、金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流与磁场的方 向上将产生电动势2磁阻效应：霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增加3霍尔元件的误差：零位误差、温度误差 零位误差主要包括：不等位电动势主要误差 、寄生直流电动势 不等位电动势： 当霍尔元件在额定控制电流作用下， 不加外磁场时， 霍尔输出端之间的空载 电动势4不等位电动势 U。产生原因：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， 致使两电极点不可能完全位于同一等位面上。 此外，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倾斜， 致使两霍尔电极不再同一等位面上而产 生不等动电动势降低不 5寄

11、生直流电动势：当霍尔元件通以交流控制店里路而不加外磁场时，霍尔输出除了交流 不等位电动势外，还有直流电动势分量防止措施： 在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到散热均匀，有良好的散热条件62.合理选取负载，电阻 Rn 的阻值4. 采用温度补偿元件热敏电阻、电阻丝等不等位电动势U。的温度补偿磁致伸缩效应焦耳效应： 铁磁性材料在磁场中磁化时， 在磁场方向上会伸长或缩短， 长 度或体 积会发生微小的变化， 去掉磁场之后， 又恢复到原来形状， 这种现象 称为磁致伸缩 效应，也被称为焦耳效应。逆磁致伸缩效应：磁性材料受力形成磁弹 性能，使磁化强度矢量重新取向，从而改变受力 方向上的磁导率， 这

12、种现象称为逆磁致伸缩效应。对于磁性棒材： 磁性棒材在轴向和圆周方向的磁场磁化过程中， 棒材发生扭转的现象 ，被 称为魏德曼效应。电荷中心相对转移五压电式传感器 压电效应：某些电介质在一定方向上受外力而产生变形时，其内部正负而产生极化现象， 同时在该电介质两个外表上产生符号相反的电荷；当外力消失， 电介质又恢复到不 带电状态；当外力变向，电荷极性也随之改变。这种机械能 转化为电能的现象， 被称为“正压电效应”，简称压电效应。2.逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生形变，这种 现象被称为“逆压电效应”，也被称为电致伸缩效应 3等效电路：从压电效应的现象可以看出， 压电元件既是一个电荷发生 器，又是一个有源 的电容器。当需要压电元件输出电压时，当需要压电元件输出电荷时，可以把它等效成一个与电容 串联的电压源：可以把它等效成一个与电容 并联的电荷源。六光电式传感器1.光电效应：物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应，称为光电效应。2.外光电效应：在光的照射下，使物体内的电子逸出物体外表而产生光子发射的现象称为外光电效