传感器的主要知识点

..绪论传感器的定义、组成、分类、开展趋势能够感受规定的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，通常由敏感元件和转换元件构成。如果传感器信号经信号调理后，输出信号为规定的标准信号〔0~10mA,4~20mA;0~2V,1~5V;…〕，通常称为变送器，分类：按照工作原理分，可分为：物理型、化学型与生物型三大类。物理型传感器又可分为物性型传感器和构造型传感器。按照输入量信息：按照应用围：传感器技术:是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术.开展趋势:一是开展根底研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化、多功能化与智能化。1．发现新现象；2．创造新材料；3．采用微细加工技术；4．智能传感器；5．多功能传感器；6．仿生传感器。信息技术的三大支柱现在信息科学〔技术〕的三大支柱是信息的采集、传输与处理技术，即传感器技术、通信技术和计算机技术。课后习题1、什么叫传感器，它由哪几局部组成？它们的作用与相互关系？传感器(transducer/sensor)：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〔国标GB7665—2005〕。通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被测量并输出与被测量成确定关系的其他量(一般为非电量)局部。转换元件：指传感器中能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可用输出信号(一般为电信号)局部。信号调理电路(Transductioncircuit)：由于传感器输出电信号一般较微弱，而且存在非线性和各种误差，为了便于信号处理，需配以适当的信号调理电路，将传感器输出电信号转换成便于传输、处理、显示、记录和控制的有用信号。传感器的一般特性传感器的根本特性动态特性静态特性衡量传感器静态特性的性能指标测量围、量程线性度传感器静态特性曲线及其获得的方法传感器的静态特性曲线是在静态标准条件下进展校准的。静态标准条件〔传感器校准时，包括零点在的压力校准点数K不应少于6点，校准的循环次数R不应少于3次。校准点数和校准循环数的多少取决于被校传感器的精度和使用要求，通常K=6～11，R=3～5。每次校准共可获得2RK个校准数据。正行程校准曲线、反行程校准曲线，传感器的校准曲线。经校准的传感器，应给出特性方程、线性、迟滞、重复性以及精度值。〕1〕最小二乘法拟合直线2〕端点法拟合直线灵敏度分辨率、分辨力迟滞重复性1〕2〕精度精度等级思考题与习题1、传感器的定义、组成、分类、开展趋势。2、何为传感器的根本特性3、传感器的静态特性是如何定义的，其主要技术指标由哪些？如何测出它们的数据？4、某传感器的给定精度为2%F.S。11、某压力传感器的校准数据如表1-5所示。压力/Mpa第一次循环〔mV〕第二次循环〔mV〕第三次循环〔mV〕第一正第一反第二正第二反第三正第三反0-2.73-2.71-2.71-2.68-2.68-2.690.020.560.660.610.680.640.690.043.964.063.994.094.034.110.067.47.497.437.537.457.520.0810.8810.9510.8910.9310.9410.990.114.4214.4214.4714.4714.4614.46线性度、重复性、迟滞按照书中公式计算即可。主要习题：第一章1、2、3、5，11第二章1、2、5、6、7、10、11第三章1、3第四章1、2第五章1、3、12、13、14第七章1、2、3、5、6、9、11、13、14、16、21、24第2章电阻应变式传感器工作原理：电阻应变式传感器的根本原理是将被测非电量转换成与之有确定对应关系的电阻值，再通过测量此电阻值到达测量非电量的目的。金属电阻应变式传感器1.电阻—应变效应当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化，这种现象称为金属导体的电阻—应变效应。概念：轴向应变、径向应变、微应变〔〕应变灵敏系数金属导体的灵敏系数与半导体的灵敏系数的区别。2.应变片概念：应力应力与应变的关系E试件材料的弹性模量。应变片金属电阻应变片由敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂组成。根据敏感栅材料形状和制造工业的不同，应变片的构造形式有金属丝式、箔式和金属薄膜式三种类型。3.金属电阻应变片的主要特征〔1〕应变片的电阻值，已标准化。〔2〕绝缘电阻〔3〕灵敏系数〔4〕允许电流〔5〕横向效应与横向灵敏系数〔6〕机械滞后〔7〕应变极限〔8〕零漂和蠕变〔9〕动态特性4.温度误差及补偿〔1〕引起温度误差的主要因素〔2〕温度补偿的方法5.测量电路对于等臂电桥〔2-36，37〕单臂桥的非线性误差6．金属电阻应变片的应用——电阻应变式传感器〔1〕电阻应变式力传感器柱〔筒〕式力传感器悬臂梁式力传感器等截面悬臂梁等强度悬臂梁薄壁圆环式力传感器轮辐式力传感器轴剪切力传感器〔2〕电阻应变式压力传感器筒式压力传感器膜片式压力传感器组合式压力传感器〔3〕电阻应变式加速度传感器〔4〕电阻应变式加速传感器应用例如半导体应变片及压阻式传感器半导体片压阻效应半导体晶体材料的电阻率随作用应力而变化的"压阻效应〞(piezoresistiveeffct)。半导体应变片有两种制作方法：体型半导体应变片扩散硅应变片压阻式传感器压阻式传感器依然是基于半导体材料的压阻效应，在半导体材料底片上选择一定的晶向位置，利用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感器元件，基片直接作为测量敏感元件〔甚至有的可包括某些信号调理电路〕，也称为扩散型压阻式传感器或固态压阻式传感器。压阻式压力传感器h=50~500,,压阻式加速度传感器为了保证输出线性度，悬臂梁根部的应变不要超过400~500。应用例如电位计式传感器思考题与习题何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？用应变片测量时，为什么必须采取温度不成措施？有何种温度补偿方法？一个应变片的电阻值，K=2.05，用作应变800的传感原件。求与；=2.05*800*10-6==R=120=假设电源电压，求其惠斯通电桥的非平衡输出电压。一试件的轴向应变为0.0015，表示多大微应变？该试件的轴向相对伸长率为百分之几？假设惠斯通直流电桥的桥臂1是一个120Ω的金属电阻应变片〔K=2.00，检测用〕，桥臂1的邻臂3是用于补偿的同类批次的应变片，桥臂2和桥臂4是120欧姆的固定电阻。流过应变片的最大电流为30mA.画出该电桥电路，并计算最大直流供电电压。Uim=〔120+120〕3010-3=7.2V假设粘在钢梁〔E=2.11011N/m2〕上，而电桥由5V电源供电，是问当外加负载时，电桥的输出电压时多少？假定校准电阻与桥臂1上未加负荷的应变片并联，试计算为了产生于钢梁加载一样输出电压所需要的标准电阻值。第3章电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量转换成线圈自感或互感的变化量，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种装置。被测量→自感L(互感M)→Uo(Io)电感式传感器分类：〔1〕自感式传感器(电感式传感器)：气隙型、螺管型两种构造;〔2〕互感式传感器：差动变压器式传感器、〔3〕电涡流式传感器气隙型电感式传感器〔3-4〕〔3-12〕差动变隙式电感传感器的优点:(1)差动式电感传感器的灵敏度比单线圈电感传感器提高一倍；(2)差动式电感传感器的非线性失真小。螺管式电感传感器〔3-25〕电感灵敏度：〔3-30〕差动构造：当品质因数较大时，〔3-49〕阻抗：电感线圈的等效电路〔3-36〕第四章电容式传感器电容式传感器：以各种类型的电容器作为传感元件，将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。被测量→〔△d，△S，△ε〕→△C1.平行板电容器：2.电容式传感器的根本类型：即变间隙(d)型、变面积(S)型和变介电常数(ε)型。电极形状有平板形、圆柱形和球形三种。2.圆筒电极电容3.电路电桥双T第五章压电传感器压电式传感器是以某些电介质的压电效应为根底的有源传感器。5.1压电传感器的工作原理1.压电效应(Piezoelectric-effect)〔1〕正压电效应〔顺压电效应〕某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，部就产生极化现象，同时在它的一定外表上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。输出电压的频率与动态力的频率一样；当动态力变为静态力时，电荷将由于外表漏电而很快泄漏、消失。〔2〕逆压电效应当在电介质的极化方向上施加电场(加电压)作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形，外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。2压电方程或并联接法输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜用在测量慢信号并且以电荷作为输出量的情况。串联接法输出电压大、电容小，适宜用于以电压作为输出信号、并且测量电路输入阻抗很高的情况。压电元件一般采用两片或两片以上压电片组合使用。由于压电元件是有极性的，因此连接方法有两种：并联连接和串联连接。5.2压电材料压电材料可以分为两大类：压电晶体〔单晶体〕、压电瓷〔多晶体〕压电晶体：〔1〕石英；〔2〕水溶性压电晶体压电瓷：〔1〕钛酸钡压电瓷；〔2〕锆钛酸铅系(PZT)〔3〕铌酸盐系压电新材料：二氟乙烯〔PVDF〕高分子材料压电传感器的前置放大器由两种形式：一种是电压放大器；一种是电荷放大器。第七章热电势传感器热电式传感器是利用某种材料或元件与温度有关的物理特性，将温度的变化转换为电量变化的装置或器件。温度→电信号〔电阻、电压、电流等〕分类：热电偶：将温度变化转换为电势变化。热电阻：将温度变化转换为电阻值变化。PN结型温度传感器：PN结电压-温度效应。原理：利用物质的电阻率随温度变化的特性制成的电阻式测温系统。温度变化→电阻变化包括：7.1热电阻金属热电阻〔铂热阻、铜热阻等〕：用纯金属热敏元件制成。半导体热敏电阻〔PTC、NTC、CTR〕：用半导体材料制成。金属热电阻1.铂热电阻〔WZP〕铂电阻作为-259.34～630.74℃常见的构造〔1〕直径0.02～0.07mm铂丝绕在云母片等绝缘骨架上，然后装入保护套管，接出银制引线；〔2〕铂膜电阻:采用真空镀膜方法制造薄膜电阻。百度电阻比W(100)表示铂的纯度W(100)=R100/R0式中，R100—100℃时的电阻值；R0—0铂电阻丝纯度越高，测温精度也越高。基准铂热电阻：W(100)≥1.39256，纯度99.9995％，精度：0.001℃～工业用标准热电阻：W(100)≥1.391，精度：200℃～0℃，0℃～100℃，100℃～650℃，(0.5铂电阻的分度号Pt50,Pt100。2.铜热电阻〔WZC〕百度电阻比W(100)≥1.425分度号：Cu100(R0100=100Ω)，Cu50(R0=50Ω)测温围和应用：50℃～100℃3.测量电路消除导线电阻的影响，一般采用三线或四线电桥连接法。半导体热敏电阻正温度系数(PTC)、负温度系数〔NTC〕、临界温度系数〔CTC〕一定温度围，为一条指数曲线T0=20℃(=293K)→R0=R20，额定电阻；T1=100℃(=373K)标称电阻值RH：〔25±0.2℃7.2PN结型温度传感器1.二极管温度传感器2.晶体管温度传感器3.集成温度传感器分类：按输出信号分为：〔1〕电压型：三线制，ku=10mV/℃，LM34/35，LM135/235，TMP35/36。〔2〕电流型，两线制，kI＝1μA/K，AD590/592，LM134/234。〔3〕数字型18B207.3热电偶热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。用于测量100～1300℃围的温度。热电效应：将两种不同的导体〔金属或合金〕A和B组成一个闭合回路〔称为热电偶〕，假设两接触点温度(T、T0)不同，那么回路中有一定大小电流，说明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克效应。回路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用EAB〔T，T0〕表示。导体A、B称热电极，一个接点为测量端〔热端或工作端〕，放入被测温度T中，另一个接点为参考端〔冷端或自由端〕，置于某一恒定温度T0中。温差越大，热电势越大。热电势由两局部组成：接触电势，温差电势热电偶的根本定律1.均质导体定律要求热电极材质均匀，防止热电极上各点温度不同产生附加电势。2.中间导体定律热偶回路断开接入第三种匀质导体C，假设C两端温度一样，那么回路热电势不变。这为热电势的测量〔接入仪表〕奠定理论根底。3.中间温度定律4.标准〔参考〕电极定律：用于确定各种材料热电势热电偶的种类和构造国际电工委员会〔IEC〕向世界各国推荐8种标准化热电偶,所谓标准化热电偶,它已列入工业标准化文件中,具有统一的分度表。我国从1988年开场采用IEC标准生产热电偶。分度表热电偶的构造：(1)普通型热电偶一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。(2)铠装型热电偶由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。主要优点是测温端热容量小,动态响应快,机械强度高,挠性好,可安装在构造复杂的装置上。(3)薄膜热电偶热电偶的冷端处理及补偿延长导线利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的T0端测试。使冷端远离热端。要求：在一定的温度围，补偿导线与配对的热电偶具有一样或相近的热电特性。冷端补偿，其补偿方法：1.0℃将热电偶冷端置于冰水混合物的0℃冷端温度修正法〔1〕热电势修正法利用中间温度定律〔2〕温度修正法由实测热电势EAB〔T，Tn〕，查表得T’为仪表指示温度。3.冷端温度自动补偿法〔1〕电桥补偿法〔2〕PN结冷端补偿〔3〕AD590冷端温度补偿法第八章光电式传感器光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器,它的物理根底是光电效应.光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三局部组成，光源发射出一定光通量的光线，由光电元件接收，在检测时，被测量使光源发出的光通量变化，因而使承受光通量的光电元件的输出电量也做相应的变化，最后用光用电量来表示被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量也可以是数字量。8.1光电效应光电效应：指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。包括外光电效应〔ExternalPhoto-electriceffect〕、光电效应〔internalPhoto-electriceffect〕。光电效应又分为光电导效应〔Photoconductioneffect〕、光生伏特效应〔Photo-voltaiceffect〕外光电效应在光线的作用下，使物体的电子逸出物体外表的现象称为外光电效应，向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率〔s-1〕光电子能否产生，取决于入射光子的能量是否大于该物体的外表电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量缺乏以使物体的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。红限频率，红限波长光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做光电效应，它多发生于半导体。根据工作原理的不同，光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。1.光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即2.光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光