傳感器知識點

1、1 傳感器的定義傳感器是一種能把感受到的外界信息（物理、化學、生物量）按一定規(guī)律轉換成所需要的有用信息的器件和裝置。能按一定規(guī)律將被測量轉換成電信號輸出。 傳感器由敏感元件、轉換元件、轉換電路三部分組成敏感元件 感受被測量，是傳感器的核心部件;用來感知外界信息和轉換成有用信息的元件。轉換元件 將響應的被測量轉換成電參量;轉換電路 把電參量接入轉換電路轉換成電量輸出; 按傳感器的構成原理分類：結構型、物性型 按傳感器檢測的工作機理分類：物理量傳感器、 化學量傳感器、 生物量傳感器 按傳感器的能量轉換分類：能量控制型傳感器、 能量轉換型傳感器 按傳感器的物理原理分類：電參量式傳感器（電阻式、電容式

2、、電感式）、 磁電式傳感器、 壓電式傳感器、 光電式傳感器、 氣電式傳感器、 熱電式傳感器、 波式傳感器（超聲波、微波）、 射線式傳感器、 半導體式傳感器、 其他原理的傳感器2 測量方法的分類，根據獲取測量結果的方法：直接測量、間接測量、組合測量 測量系統是傳感器與測量儀表、變換裝置等的有機結合。 測量誤差 就是測量值與真實值之間的差值。反映測量質量的好壞。 測量誤差的表示方法：絕對誤差、相對誤差、引用誤差、基本誤差、附加誤差 根據誤差的性質對誤差進行分類：系統誤差、隨機誤差、粗大誤差。 精密度： 描述測量儀表指示值不一致程度的量。 準確度： 描述儀表指示值有規(guī)律地偏離真實值的程度。準確度是系

3、統誤差產生的，它是指服從某一特定規(guī)律（如，定值、線性、多項式、周期性等函數規(guī)律）的誤差。 靜態(tài)特性技術指標：線性度、靈敏度、遲滯、重復性。 線性度：實際曲線與擬合曲線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差或稱線性度。 靈敏度：在穩(wěn)定條件下輸出變化對輸入變化的比值，用K表示。 對線性傳感器，靈敏度是直線的斜率：S = Y/X ，為常數。 對非線性傳感器靈敏度為一變量： S = dy/dx 遲滯：傳感器在正、反行程期間輸入、輸出曲線不重合的現象稱遲滯。 產生遲滯誤差的原因：由于敏感元件材料的物理性質缺陷造成的。 動態(tài)特性：指傳感器輸出對時間變化的輸入量的響應特性。傳感器輸出對時間變化的輸入量的響應即反映

4、了傳感器的動態(tài)特性。 動態(tài)特性分析方法：輸入信號按正弦變化時，分析動態(tài)特性的相位、振幅、頻率，稱頻率響應；輸入信號為階躍變化時，對傳感器隨時間變化過程進行分析，稱瞬態(tài)響應； 頻率響應特性是指將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號輸入傳感器，其輸出正弦的幅值、相位、與頻率之間的關系，頻率響應特性常用的評定指標是通頻帶WB、時間常數、固有頻率0。 提高傳感器性能的方法：（1）合理選擇結構、材料與參數、（2）采用線性化技術、（3）采用差動技術、（4）采用平均技術.誤差平均效應，.數據平均處理、（5）用零位法、微差法與閉環(huán)技術、（6）采用補償與校正技術、（7）集成化與智能化、（8）采用屏蔽、隔離與抑制干擾

5、措施、（9）穩(wěn)定性處理3 半導體應變計的主要優(yōu)點是靈敏度高。（靈敏度高是半導體應變計的主要優(yōu)點。） 金屬導體和半導體材料受力后電阻變化的內在機理不同：金屬導體受力后，電阻變化是由于尺寸變化和電阻率變化而引起的。半導體材料受力后電阻變化主要是由于電阻率變化引起的。 金屬電阻應變片分為絲式、箔式和膜式。 疲勞壽命是指已安裝的應變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產生疲勞損壞的循環(huán)次數。 應變極限：在一定的溫度下，指示應變值與真實應變的相對差值不超過規(guī)定值（一般為10%）時的最大真實應變值。它是衡量應變計測量范圍和過載能力的指標。 差動半橋消除了非線性誤差，靈敏度比單臂電橋提高了一倍。且

6、具有溫度補償作用。 差動全橋電路電壓靈敏度為單臂橋的4倍，消除了非線性誤差，且具有溫度補償作用。 溫度誤差（熱輸出）：由于環(huán)境溫度的改變而給測量結果帶來的附加誤差, 稱為應變片的溫度誤差。即，應變片安裝在自由膨脹的試件上，如果環(huán)境溫度變化，應變片的電阻也會變化，這種變化疊加在測量結果中稱應變片溫度誤差。 溫度誤差產生的原因：電阻熱效應、敏感柵與試件熱膨脹失真。 溫度誤差補償的措施：自補償法、線(橋)路補償法（采用補償應變片、采用差動技術、采用熱敏電阻補償） 自補償法：是通過合理選配敏感柵材料和結構參數來實現熱輸出補償的。 按電感式傳感器轉換原理的不同可分為：自感(電感)式、互感(差動變壓器)式

7、、電渦流式三大類。 無論是閉磁路變隙式傳感器和開磁路螺旋管式傳感器都有單線圈式和差動式兩種結構形式。 差動式變隙式電傳感器與單線圈變隙式電傳感器相比有下列優(yōu)點：線性度明顯得到改善；靈敏度提高一倍。 螺旋管式電感傳感器，往往利用其測量較大行程的位移量。 單線圈螺線管式電傳感器優(yōu)點是測量范圍大、線性度好、結構簡單、便于制作，缺點是靈敏度低。 差動螺線管式電傳感器可改善線性特性，提高靈敏度。 自感式傳感器測量電路有交流電橋式、交流變壓器和諧振式等幾種。 差動變壓器的結構形式較多,有變隙式、變面積式和螺旋管式等。 零點殘余電壓：理論上講，鐵芯處于中間位置時輸出電壓應為零U0=0，而實際輸出U00，在零

8、點上總有一個最小的輸出電壓，這個鐵芯處于中間位置時最小不為零的電壓稱為零點殘余電壓。 產生零點殘余電壓的原因：由于兩個次級線圈繞組電氣參數 (M互感 L電感 R內阻)不同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同，使實際的特性曲線總有最小輸出。 減小零點殘余電壓的方法如下：（1）應盡可能保證傳傳感器的幾何尺寸、線圈電氣參數和磁路的相互對稱，（2）采用導磁性能良好的材料制作傳感器殼體，使之兼顧屏蔽作用，以便減小外界磁場的干擾，（3）將傳感器磁回路工作區(qū)域設計在鐵芯磁化曲線的線性段，以減小由于磁化曲線的非線性而產生的三次諧波（4）采用外電路補償法來減小零點殘余電壓，（5）采用相敏檢波作為測量電路。 既能檢出

9、調幅波包絡的大小，又能檢出包絡極性的檢波電路稱為相敏檢波電路，也稱解調器。 相敏檢波電路既具有線性特性，又較好地消除了差動變壓器形成的零點殘余電壓。 由法拉第電磁感應原理可知：塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內部會產生一圈圈閉合的電流，這種電流叫電渦流，這種現象叫做電渦流效應。根據電渦流效應制作的傳感器稱電渦流傳感器。 按照電渦流在導體內的貫穿情況，渦流式傳感器分為：.高頻反射式渦流傳感器，.低頻透射式傳感器。 長而細的線圈靈敏度高、線性范圍小，扁平線圈線性范圍大、靈敏度低。 渦流的徑向分布特點：.電渦流的徑向形成范圍大約在傳感器線圈，外半徑ras的1.82.5倍

10、范圍內，且分布不均勻；.電渦流密度在短路環(huán)半徑R=0處為0；. 電渦流的最大值在r=ras附近的狹窄區(qū)域內；. 可以用平均半徑為ras(ras=(r1+ra)/2)來集中表示分散的電渦流。 渦流的軸向分布特點：可以用一個底為h的矩形分布來取代指數分布，使矩形面積和曲線下的面積相等。 被測體的電阻率越大、頻率越低，則電渦流的軸向貫穿深度也越大。5 電容傳感器分類：變面積型、變極距型、變介質型。 變面積型電容傳感器：輸入輸出呈線性關系，但靈敏度(為常數)較低，適用較大直線位移及角位移測量。 變極距型傳感器：靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距受極板間擊穿電壓的限制。 變極距型傳感

11、器：非線性誤差與間隙0成反比關系，要想減小非線性誤差，需要增大極板間距，這又會降低傳感器的靈敏度。因此，提高傳感器的靈敏度和減小非線性誤差是互相矛盾的。 為了提高變極距型傳感器的靈敏度、線性特性及克服電源電壓、環(huán)境溫度等對測量精度的影響，常采用差動式變極距電容傳感器。 變極距電容傳感器采用差動形式后，靈敏度提高、線性變好，可克服電源電壓、環(huán)境溫度等對測量精度的影響，是提高傳感器綜合性能的很重要的方法。但，采用差動式結構并沒從根本上解決靈敏度和線性度的矛盾。所以，變極距式電容傳感器常用于測量微小位移。 常用的電容轉換電路有：交流不平衡電橋電路、運算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋電路、差動脈沖

12、寬度調制電路 6 壓電效應：某些電介質(晶體)當沿著一定方向施加力變形時，內部產生極化現象，同時在它表面會產生符號相反的電荷；當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變; 這種現象稱壓電效應。 壓電材料可分為三類：壓電晶體、壓電陶瓷、壓電薄膜。 縱向壓電效應：沿X(電軸)作用產生電荷稱縱向壓電效應 橫向壓電效應：沿Y(機械軸) 作用產生電荷橫向壓電效應 沿Z(光軸)不產生壓電效應。 壓電式傳感器是力敏感元件，所以它能測量最終變換為力的物理量，例如應力、壓力、加速度等。 壓電式傳感器具有響應頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結構簡單、工作可靠、質量輕等優(yōu)點。 壓電元件

13、結構形式：常采用并聯和串聯方式。 兩片壓電元件并聯連接時與單片相比輸出電壓相同，電荷量、電容量均為單片時的2倍。 壓電傳感器前置放大器也有兩種形式：電壓放大器、電荷放大器。 壓電傳感器與前置放大器的組合系統輸出電壓與電纜電容有關。在設計時，常常把電纜長度定為一個常值，使用時如果要改變電纜長度，必須重新校正靈敏度值，否則由于電纜電容的改變將會引入測量誤差。 電荷放大器的輸出電壓U0只取決于輸入電荷Q和反饋電容Cf，輸出電壓與電纜電容Cc無關，與Q成正比，與電容Cf成反比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點。8 光電器件的物理基礎是光電效應。 光電效應就是指光照射到物質上時，物質的電子吸收了光子的能量而發(fā)生

14、了相應的電效應現象。那么，產生光電效應的這種物質就叫光電材料。產生光電效應現象諸如有電阻率的變化、電子逸出、電動勢的變化等。 光敏電阻的光譜響應特性是指光敏電阻兩端的電壓一定，若照射在光敏電阻上的是波長一定的單色光，則對相同的入射功率，輸出光電流會隨波長的不同而變化。 光敏三極管實際上相當于在基極和集電極之間接有一個光敏二極管的三極管。 大多數光敏三極管的基極無引線。 光敏二極管和光敏三極管基本特性有：光譜特性、伏安特性、溫度特性。 光纖是光導纖維的簡稱，由纖芯和包層組成。 光纖按纖芯的材料分有：玻璃光纖、塑料光纖、玻璃塑料混合光纖。 光纖按纖芯的折射率分布分類有：階躍型光纖和梯度型光纖。 光纖按纖芯的傳輸模式分類有：單模光纖和多模光纖。 梯度型光纖纖芯內的折射率不是定值，這種光纖又稱自聚焦光纖。 光纖內光的傳播基于光的全反射原理。 光纖的數值孔徑(NA)的物理意義：（表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2c張角之內的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進入包層漏光。一般NA越大集光能力越