傳感器復(fù)習(xí)大綱

1、第一章傳感器的定義:能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置叫做傳感器， 也叫變換器、 換能器或探測器。傳感器的組成 : 敏感元件 :直接感受被測非電量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系的其它量的元件傳感元件：又稱變換器。能將敏感元件感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件。信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路：能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、 處理、 和控制的有用電信號的電路。 常用的電路有電橋、放大器、變阻器、振蕩器等。輔助電路通常包括電源等。傳感器的分類：按工作機(jī)理分類： 根據(jù)物理和化學(xué)等學(xué)科的原理、 規(guī)律和效應(yīng)進(jìn)行分類按被測量分類：根據(jù)輸入物理量的性質(zhì)進(jìn)行分類。按敏感

2、材料分類：根據(jù)制造傳感器所使用的材料進(jìn)行分類?？煞譃榘雽?dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器等。按敏感材料分類：根據(jù)制造傳感器所使用的材料進(jìn)行分類。可分為半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器等。按能量的關(guān)系分類： 根據(jù)能量觀點(diǎn)分類， 可將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器兩大類。靜態(tài)特性1 .線性度：輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的 程度。又稱非線性誤差?？捎孟率奖硎荆篹 = lmax|io0 0/(1.70yfs/02 .靈敏度：在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值：dy df x qsn = = f (x )(1-11)dx dx3 .重復(fù)性：輸入量按同一方向作全程多次測試時，所得特性曲 線不一致的程度。rvr

3、= malx100%(1-13)yfs4 .遲滯(回差滯環(huán))現(xiàn)象：h = 土 h max - 100 %(1 - 14)y fs動態(tài)特性：(1)階躍響應(yīng)最大超調(diào)量bp：.*;:jo。%d-偽 延滯時間td：階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50%所需要的時間。上升時間tr：響應(yīng)曲線從零到第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。 峰值時間tp：響應(yīng)曲線到第一個峰值所需要的時間。響應(yīng)時間ts：響應(yīng)曲線衰減到穩(wěn)態(tài)值之差不超過士 5% 或2%時所需要的時間。(2)頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)h(j. )= y(j止)=ye通= a(g h一(1-20x j x幅頻特性a( )= h (jo ) = jh r +【h i3 )】2(1 -

4、21)相位角，一 f門、一 lm| j)i巴。)=tgjhhhtg/w二xj)二,(i_22)-hry_l re .i _x j典型環(huán)節(jié)傳感器系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析(1)零階傳感器系統(tǒng)y(tbx(t )= kx (t)(1一2a 025零階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性為：h (s )= 穿=坐工=b=k(1x s x j a0(1 h 27)(2) 一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析i y1h頻率響應(yīng)函數(shù)：h( ji)iyj1=a12-；/aoa2aoh s 二 -2-2s 2so - 0(1- 39)=(1 - 40a =221 22j i 2 j 0-022 0=-arc tan(1 - 41)(1 - 4

5、2)第二章應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外界力的作用時， 產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。靈敏系數(shù) ksdr = ks4,或 ksrr(2-9)r；x應(yīng)力(t= e壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料某一軸向受外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化。(2-1橫向效應(yīng)：金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵, 量應(yīng)變時，構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變 r也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫向效應(yīng)系數(shù)h。即:.k yn -1 r

6、h =k x2 nln -1 二 r機(jī)械滯后、零漂及蠕變應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不 重合，即為機(jī)械滯后。對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時，不承受應(yīng)變時，其電阻值隨時 間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移 。如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時間 增加而變化的特性稱為蠕變。溫度誤差（因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素）：應(yīng)變片的電阻絲（敏感柵）具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。溫度補(bǔ)償1 .單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片：單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造 和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件 上

7、使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹? .雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片：這種應(yīng)變片的自補(bǔ)償條件要求粘貼在 某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相 等，符號相反.3 .電路補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法要達(dá)到全補(bǔ)償，需滿足下列三個條件：ri和后須屬于同一批號的，即它們的電阻溫度系數(shù)出線膨脹系數(shù)（3、應(yīng)變靈敏系數(shù)k都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等；2魚。力齊話打.和兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中4 .熱敏電阻補(bǔ)償法電阻應(yīng)變片的測量電路直流電橋1.平衡條件uo = erirr2r3 r4(2 - 24)當(dāng)電橋平衡時，uo=

8、0,所以:ri r4 = r2 r32.電壓靈敏度(2 - 311r1單臂交流電橋 uo - e-sv =二e (2-30)4r14(2-34). u -1匚力半橋差動電路u0 一 2 e rsv= e/2全橋差動電路u 0 = e困sv=e交流電橋1.交流電橋平衡條件sc二uz3sr乙z2z3 + z4 jz1z4 - z2z3乙z2 z3 z4(2 - 36)1,、usc = -usr1(2-41)4乙1 ，一 一use =1usr*(2-42)2 乙u sc = u sr( 2 43)z11uo - -pr = u0(2 - 455)4ziz4 = z2z3,或(2-37)z2z42 .

9、交流電橋的不平衡狀態(tài)單臂交流電橋半橋差動電路全橋差動電路恒流源電橋第三章1.變極距型電容傳感器 非線性誤差傳感器的靈敏度為:二1100%(3-2.差動式變間隙型電容傳感器 非線性誤差為：靈敏度:2s (3,12)2.變面積型電容傳感器角位移變面積型1-板狀線位移變面積型cx二 c0- c 二c。ac =-(3 14(313)3.變介電常數(shù)型電容傳感器電容式傳感器的測量電路1.電橋電路ob/i.格浪產(chǎn)占皮端717s振蕩器2.運(yùn)算放大器電路uic0 (3- 20 i cx(3 24)3 .二極管雙t形電路 u 0定k f ue (ci c2 )4、差動脈寬調(diào)制電路3-16差動脈沖調(diào)寬電路5、調(diào)頻電

10、路lb l振蕩器超曝鑒頻器j(3h 32 )電容傳感器的特點(diǎn)4 .電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)(1)溫度穩(wěn)定性好(2)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)(3 )動態(tài)響應(yīng)好(4 )可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)5 .電容式傳感器的缺點(diǎn)(1)輸出阻抗高，負(fù)載能力差(2)寄生電容影響大(3)輸出特性非線性電感式傳感器1自感式傳感器變氣隙式自感傳感器的輸出特性第四章互感式傳感器一差動變壓器分氣隙型和螺管型兩種差動變壓器的測量電路1 .差動整流電路2 .二級管相敏檢波電路3 電渦流式傳感器（一電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度為：h = 5030 rf說明電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度與傳感器線圈的激勵信號頻率有關(guān)。故電渦流式 傳感器

11、可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。第五章某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時，會產(chǎn)生變形，同時其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時在這種材料的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。 反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸 縮效應(yīng)”。常見的壓電材料可分為兩類，即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。壓電單晶體有石英（包括天然

12、石英和人造石英 卜水溶性壓電晶體（包括酒石酸鉀鈉、酒石 酸乙烯二俊、酒石酸二鉀、硫酸錘等）；多晶體壓電陶瓷有鈦酸鋼壓電陶瓷、錯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鋸酸鹽系壓電陶瓷和銀鎂酸鉛壓電陶瓷等。壓電晶體 當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時，qx只與作用力fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)；qx=diifx 沿機(jī)械軸y方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的；bcb匚qi2 一 d12fy 一 d12 fyaca 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的； 晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)； 無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強(qiáng)度）之間皆呈線性 關(guān)系。壓電陶

13、瓷極化方向?yàn)閦軸，當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時，則在垂直于 z軸的上、下兩表面上 將會出現(xiàn)電荷，其電荷量 q與作用力fz成正比 q = d33fz壓電陶瓷在受到沿 y方向的作用力fy或沿x方向的作用力fx時，在垂直于z軸的上、下平面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷，其電荷量q與作用力fy、fx也成正比q=y32f2=y31fx2q 32 y31 xayax壓電材料應(yīng)具備以下幾個主要特性：轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫 度范圍。時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。壓電晶片

14、的連接方式并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳 感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測量緩變信號及電 荷量輸出信號。串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號。q）并聯(lián)3）串聯(lián)1q =2q u =u; c =2c q = q； u = 2u; c = -c當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把 壓電傳感器看成一個電荷源與一個電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。car 0s1 .電壓放大器（阻抗變換器）u

15、oca cc ci (1 a)cf第六章熱電偶熱電勢eab( t,t0 )(1 )接觸電動勢若金屬a的自由電子濃度大于金屬b的，則在同一瞬間由 a擴(kuò)散到b的電子將比由b擴(kuò)散到a的電子多，因而 a對于b因失去電子而帶正電，b獲得電子而帶負(fù)電，在接觸處便產(chǎn)生電場。a b之間便產(chǎn)生了一定的接觸電動勢。(2)溫差電動勢對于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一 端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此高溫端的自由電子要 向低溫端擴(kuò)散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負(fù)電，形成溫差電動勢， 又稱湯姆森電動勢。(3)回路總電動勢e（t,久）j

16、 -11 i / i 、ieabm +。77加 0 + 為。e ab （t ,t0 卜 qab （t b gab （t0 ）+ qb（t ,t（）f ga（t ,t（）ktinatbtkto . n at0in e n bt 0bdt由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對自由電子密度的影響很小，故溫差電動勢可以忽略不計(jì)，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢。熱電偶基本性質(zhì) 熱電偶回路的熱電動勢只與組成熱電偶的材料及兩端接點(diǎn)的溫度有關(guān)；與熱電偶的 長度、粗細(xì)、形狀無關(guān)。只有用不同性質(zhì)的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會產(chǎn)生熱電動勢。因?yàn)楫?dāng)a、b兩種導(dǎo)體是同一種材料時，ln (na/nb) =0,

17、所以 eab (t, t0) =0。 只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同時，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動勢產(chǎn)生；當(dāng)熱電偶兩端溫度相同時，不同材料組成的熱電偶也不產(chǎn)生熱電動勢，即eab (t, to) =0。導(dǎo)體材料確定后，熱電動勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使eab (to)=常數(shù)，則回路熱電動勢 eab (t, to )就只與溫度t有關(guān)，而且是t的單值函數(shù)，這就是利 用熱電偶測溫的基本原理。對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點(diǎn)溫度分別為ti、t2n ,閉合回路總的熱電動勢為：eet .etoet mab n e ab 1e bc 2e na n熱電偶基本定律(1)均質(zhì)導(dǎo)體定律如果

18、熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動勢均為零； 反之，如果有熱電動勢產(chǎn)生，兩個熱電極的材料則一定是不同的。(2)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體c,只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo) 體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就可知。(4)中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為t、to時的熱電動勢等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為t、tn和接點(diǎn)溫度分別為國、to時的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。電橋補(bǔ)償(又稱冷端補(bǔ)償器)法回路輸出電壓為：u= e (t, to) +(ut u3)只要能滿足下式即可達(dá)到自動補(bǔ)償?shù)哪康膃=aut=ilrtaat如果熱電偶的冷端溫度變化范圍為o+5oc,熱電偶選用鉗銬io-鉗。查分度表得出 e為0.299mv,因此補(bǔ)償電阻 rt的阻值可以根據(jù)上式求出。3.07- e0.299rtti i