傳感器基礎(chǔ)知識(shí)(20210216161848)

1、基礎(chǔ)知識(shí) 傳感器：將能感受到的及規(guī)定的被測(cè)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸 出信號(hào)的器件或裝置。 傳感器特性：靜態(tài)特性：輸入為0時(shí)，輸出也為0,或輸出相 對(duì)于輸入應(yīng)保持一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系；動(dòng)態(tài)特性：傳感器對(duì)于隨時(shí)間 變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，通常要求傳感器不僅能精確地顯示被 測(cè)量的大小，而且還能復(fù)現(xiàn)被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律。 靜態(tài)特性分類：靈敏度：傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化 y對(duì)輸入量變化 X的比值。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。 如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度S是一個(gè)常 數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸 入量的量綱之比。 線性：輸入與輸出量之間為線性比例關(guān)系

2、，稱為線性關(guān)系。時(shí)滯 （滯后）：輸入與輸出不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。環(huán)境特性：周圍環(huán)境 對(duì)傳感器影響的最大溫度。 穩(wěn)定性：理性特性的傳感器是加相同大小輸入量時(shí)，輸出量總是 相同的。 精度：評(píng)價(jià)系統(tǒng)的優(yōu)良程度。A準(zhǔn)確度：測(cè)量值與真實(shí)值偏離程 度；B精密度：即使測(cè)量相同對(duì)象，每次測(cè)量也會(huì)得到不同測(cè)量 值，即為離散偏差。 重復(fù)性：在相同的工作條件下，對(duì)同一個(gè)輸入值在短時(shí)間內(nèi)多次 連 續(xù)測(cè)量輸出所獲得的極限值之間的代數(shù)差。 溫漂：；連續(xù)工作的傳感器，在輸入恒定的情況下，輸出量也會(huì) 朝著一個(gè)方向偏移。零點(diǎn)漂移：由于溫度或其他原因會(huì)導(dǎo)致傳感 器在檢測(cè)的基準(zhǔn)零點(diǎn)發(fā)生變化，偏離零點(diǎn)位置。分辨率：分辨率是 指?jìng)鞲衅骺?/p>

3、感受到的被測(cè)量的最小變化的能力。 光電傳感器 光電效應(yīng)：物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的 能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。 外光電效應(yīng)：在光照射下，電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射 的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電 子逸出功A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對(duì)某種材料而 言便有一個(gè)頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多 大，也不能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率 時(shí)，即使光線微弱也會(huì)有光電子發(fā)射出來，這個(gè)頻率限稱為“紅限頻 率”。 在入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流正比于光強(qiáng)。即光強(qiáng) 愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出

4、的電子數(shù)也就越多。 基于外光電效應(yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器件，有光電管、光 電倍增管等。 光電子的初動(dòng)能決定于光的頻率，與頻率成線性關(guān)系，與入射光 強(qiáng)度無(wú)關(guān)。 光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能，故即使沒有陽(yáng)極電壓也會(huì)產(chǎn) 生光電流，為了使零點(diǎn)穩(wěn)定，應(yīng)加反向截止電壓，切電壓大小與入射 光頻率成正比。 內(nèi)光電效應(yīng)：在光的照射下材料的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電 動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)?？煞譃椋汗庹找鸢雽?dǎo)體電阻值變化 的光電導(dǎo)效應(yīng)；光照產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光生伏特效應(yīng)。 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，沒有極性，使用時(shí)可加直 流電壓，也可以加交流電壓。其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值 隨光照增強(qiáng)而減小。

5、光敏電阻在未受到光照時(shí)的阻值稱為暗電阻， 此 時(shí)流過的電流稱為暗電流。在受到光照時(shí)的電阻稱為亮電阻，此 時(shí)的 電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。一般暗電 阻越大，亮電阻越小，光敏電阻的靈敏度越高。 光電導(dǎo)效應(yīng)，又稱為光電效應(yīng)、光敏效應(yīng)，是光照變化引起半導(dǎo) 體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。即光電導(dǎo)效應(yīng)是光照射到某些物體上后， 引起其電性能變化的一類光致電改變現(xiàn)象的總稱。當(dāng)光照射到半導(dǎo) 體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子， 引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。在光線作用下，對(duì) 于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體 材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子

6、-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半 導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻 就是基于這種效應(yīng)的光電器件。 電阻傳感器 壓阻效應(yīng)，是指當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，由于載流子遷移率的 變化，使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)體的電阻值隨著它受力所產(chǎn)生機(jī)械 變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 橫向效應(yīng)：應(yīng)變片的核心部分是敏感柵。將電阻絲繞成敏感柵 后，雖然長(zhǎng)度不變，但其直線段和圓弧段的應(yīng)變狀態(tài)不同，其靈敏 系數(shù)K較整長(zhǎng)電阻絲的靈敏系數(shù)K0小的現(xiàn)象。 蠕變：不穩(wěn)定性，由膠層間的“滑動(dòng)”引起。熱電阻的測(cè)溫原 理：基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化這一特性來

7、測(cè)量溫 度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。（Rt二Ro （1+a ） At） 熱電偶測(cè)溫的基本原理：兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材 或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)兩個(gè)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中 就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電 勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè) 量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端 （也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指 出熱電偶 所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。 在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的 溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬 接入回路中的影響。因此，在

8、熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得 熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)量溫度時(shí)要求其 冷端（測(cè)量端為熱端，通過引線與測(cè)量電路連接的端稱為冷端）的 溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小才與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè) 量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ) 償正常。與測(cè)量?jī)x表連接用專用補(bǔ)償導(dǎo)線。 均質(zhì)導(dǎo)體定律：由同一種均質(zhì)材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）兩端焊接組 成閉合回路，無(wú)論導(dǎo)體截面如何以及溫度如何分布，將不產(chǎn)生接觸 電勢(shì)，溫差電勢(shì)相抵消，回路中總電勢(shì)為零?？梢?，熱電偶必須由兩 種不同的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成。若熱電極材

9、料不均勻，由于溫度 梯存在，將會(huì)產(chǎn)生附加熱電勢(shì)。 中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)體），只 要 中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路總電勢(shì)沒 有影 響，這就是中間導(dǎo)體定律。應(yīng)用：常采用熱端焊接、冷端開路的 形式，冷端經(jīng)連接導(dǎo)線與顯示儀表連接構(gòu)成測(cè)溫系統(tǒng)。 中間溫度定律：熱電偶回路兩接點(diǎn)（溫度為T、TO）間的熱電勢(shì)， 等于熱電偶在溫度為T、Tn時(shí)的熱電勢(shì)與在溫度為Tn、TO時(shí)的熱 電勢(shì)的代數(shù)和。Tn稱中間溫度。應(yīng)用：由于熱電偶E-T之間通常 呈非線性關(guān)系，當(dāng)冷端溫度不為0攝氏度時(shí)，不能利用已知回路實(shí) 際熱電勢(shì)E （ t,tO）直接查表求取熱端溫度值；也不能利用已知回

10、路實(shí)際熱電勢(shì) （t, tO）直接查表求取的溫度值, 再加上冷端溫度確定熱端被測(cè)溫 度值，需按中間溫度定律進(jìn)行修正。初學(xué)者經(jīng)常不按中間溫度定律來 修正！ 參考電極定律：這個(gè)定律是專業(yè)人士才研究、關(guān)注的，一般生產(chǎn)、 使用環(huán)節(jié)的人士不太了解，簡(jiǎn)單說明就是：用高純度鉗絲做標(biāo)準(zhǔn)電 極，假設(shè)鎳珞-鎳珞熱電偶的正負(fù)極分別和標(biāo)準(zhǔn)電極配對(duì)，他們的 值相加是等于這支鐮鉛-鐮珞的值。 單絲補(bǔ)償主要是通過選用合適溫度系數(shù)的電阻材料，作為應(yīng)變片 的敏感柵，使其在某種相匹配的受力構(gòu)件上使用時(shí)，由溫度變化產(chǎn) 生的電阻變化量，由于它們的線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的電阻變化量 相抵消，以達(dá)到消除溫度變化所引起的電阻變化。此種自補(bǔ)償形

11、式 無(wú)需改變應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)便易行，但它必須在特定材料的受力構(gòu) 件上才能使用，也就是存在匹配問題，故使其應(yīng)用受到了很大的限 制。 雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片主要是利用兩種不同電阻溫度系數(shù)（一 種是正溫度系數(shù)、另一種為負(fù)的材料串聯(lián)組成應(yīng)變片的敏感柵，以 達(dá)到在某一溫度范圍內(nèi)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償。這種補(bǔ)償法的優(yōu)點(diǎn)是 在制造應(yīng)變片時(shí)可以通過調(diào)節(jié)兩段敏感柵的長(zhǎng)度之比來適應(yīng)不同的受 力元件，以獲得在一定溫度范圍內(nèi)具有良好的溫度自適應(yīng)性。這種 方法雖有較好的補(bǔ)償效果，但應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 電路補(bǔ)償是指在測(cè)量電路中采取一定的措施來消除溫度變化的影 響。具體方法有差動(dòng)電路法和熱敏電阻法兩種。差動(dòng)電路法是將相同 溫

12、度系數(shù)的兩片或四片電阻應(yīng)變片接成雙臂或四臂工作的差動(dòng)電路。 這種方法最簡(jiǎn)單實(shí)用，但對(duì)應(yīng)變片的自身性能和貼片工藝要求較高； 熱敏電阻法是利用熱敏電阻隨溫度而改變的值來抵消應(yīng)變片隨溫度變 化而改變的電阻值，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)姆椒?。其原理電路圖如圖3.2所 示。只要合理選擇分流電阻R5和熱敏電阻RT的阻值，就能補(bǔ)償 由于溫度的改變而引起的輸出誤差，達(dá)到保證測(cè)量精度的要求。 電容式傳感器 把被測(cè)的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。 它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個(gè) 平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器（見圖）。若忽略邊緣效 應(yīng)，平板電容器的電容為 S/d,式中e

13、為極間介質(zhì)的介電常數(shù)， S為兩極板互相覆蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。d、s、 三 個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測(cè)量。 因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三 類。極距 變化型一般用來測(cè)量微小的線位移或由于力、壓力、振動(dòng) 等引起的極距變化（見電容式壓力傳感器）。面積變化型一般用于 測(cè)量角位移或較大的線位移。介質(zhì)變化型常用于物位測(cè)量和各種介質(zhì) 的溫度、密度、濕度的測(cè)定。 溫度對(duì)電容式傳感器的結(jié)構(gòu)和有影響（寄生電容）。 C= e *S/d二Q/U二I*t/U. 壓電傳感器 壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)， 其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象

14、，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的 電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正 壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反， 當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電 場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱 為電致伸縮現(xiàn)象。 石英晶體：Z光軸：不產(chǎn)生壓電效應(yīng)；X電軸：縱向壓電效應(yīng)；Y 機(jī)械軸：橫向壓電效應(yīng)。 磁敏傳感器形狀效應(yīng)：由于磁敏元件的幾何尺寸變化而引起的磁阻大 小變化的現(xiàn)象。 霍爾效應(yīng)：在導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，會(huì)使得導(dǎo)線中 的電子受到洛倫茲力而聚集，從而在電子聚集的方向上產(chǎn)生一個(gè)電 場(chǎng)，此一電場(chǎng)將

15、會(huì)使后來的電子受到電力作用而平衡掉磁場(chǎng)造成的洛 倫茲力，使得后來的電子能順利通過不會(huì)偏移，此稱為霍爾效應(yīng)。而 產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。 一個(gè)霍爾元件一般有四個(gè)引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置 電流IC的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成 外回路，就會(huì)產(chǎn)生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設(shè)定通常由外部 的基準(zhǔn)電壓源給出；若精度要求高，則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。 為了達(dá)到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的坡 莫合金；這類傳感器的霍爾電勢(shì)較大，但在0. 05T左右出現(xiàn)飽和， 僅適用在低量限、小量程下使用。 Uh 二 Kh*B*I 超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用

16、超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是 指頻率高于20kHz的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng) 產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能 夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很 大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲 波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物 體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。 串聯(lián)阻抗小，作為發(fā)射；并聯(lián)阻抗大，作為接收。 光纖傳感器 基本工作原理：將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參 數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、 波長(zhǎng)、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，再 過利用被測(cè)量對(duì)光的傳輸特性施加的影響，完成測(cè)量。 偏振調(diào)制方式。 頻率調(diào)制方式。相位調(diào)制方式（不能直接測(cè)量光波的相位變 化）O光強(qiáng)度調(diào)制