傳感器原理及應(yīng)用復(fù)習(xí).doc

1、檢測技術(shù)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)的一部分，主要研究各種物理量的測量原理和測量信號(hào)分析處理方法. 一般來說，檢測系統(tǒng)由：輸入裝置、中間變換裝置、輸出裝置三個(gè)部分組成.如下圖所示：被測對象輸入裝置非電量中間變換裝置輸出裝置電量有用電信號(hào)（1）輸入裝置的關(guān)鍵部件是傳感器，它將被測量(通常為非電量）轉(zhuǎn)換為電量，負(fù)責(zé)采集信號(hào)的任務(wù)。（2）中間變換裝置（信號(hào)處理電路）的主要作用是把傳感器輸出的電量變成具有一定功率的模擬電壓（或電流）信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，以推動(dòng)后級(jí)的輸出顯示或記錄設(shè)備、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。(3）輸出裝置常見的有各種指示儀表、記錄儀、顯示器等。其主要作用是使人們了解檢測數(shù)值的大小或變化過程。傳感器的定義 能

2、夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器是測量裝置,能完成檢測任務(wù);輸入量是某一被測量,可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等,可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系,且應(yīng)有一定的精確程度. 結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器傳感器的發(fā)展動(dòng)向v 開發(fā)新型傳感器 v 開發(fā)新材料 v 新工藝的采用 v 集成化、多功能化v 智能化 靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)1線性度2靈敏度3、精確度4遲滯5重復(fù)性6.零點(diǎn)漂移7.溫漂二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性指傳感器對隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。（一）

3、零階傳感器的數(shù)學(xué)模型第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器的工作原理1）應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。（3）主要特性靈敏度系數(shù)當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后,其電阻應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。橫向效應(yīng)4、  溫度誤差及其補(bǔ)償（1） 溫度誤差因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)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。（2） 溫度補(bǔ)償（自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法)  單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片 雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片

4、0; 電路補(bǔ)償法3。2 電容式傳感器的測量電路3。4 電容式傳感器的應(yīng)用油量測量濕度測量電容傳聲器指紋識(shí)別1。 高頻反射式電渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量低頻透射式電渦流傳感器渦流式傳感器的應(yīng)用1位移測量2 振幅測量3厚度測量 4轉(zhuǎn)速測量5. 渦流探傷 工作原理磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知,當(dāng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體在磁場中切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時(shí)，導(dǎo)體中的磁通量發(fā)生變化，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢e,當(dāng)導(dǎo)體形成閉合回路就會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流。導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢e的大小與回路所包圍的磁通量的變化率成正比，則N匝線圈在變化磁場中感應(yīng)電動(dòng)勢為:5。2

5、 磁電感應(yīng)式傳感器的類型按磁場方式分類，磁電感應(yīng)式傳感器分為變磁通式和恒定磁通式兩大類,每類還有不同型式.5。3 磁電感應(yīng)式傳感器的特性分析磁電感應(yīng)式傳感器只適用于測量動(dòng)態(tài)物理量，因此這種傳感器主要考慮其動(dòng)態(tài)性能。主要技術(shù)指標(biāo)磁電感應(yīng)式傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)有輸出電流I0、電流靈敏度Ki、輸出電壓U0，以及電壓靈敏度KU。5.4 磁電感應(yīng)式傳感器的應(yīng)用磁電感應(yīng)式傳感器可用于速度、振動(dòng)、扭矩、流量等參數(shù)的測量.對應(yīng)的有（1）磁電感應(yīng)式振動(dòng)加速度傳感器（2）磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器(3）磁電感應(yīng)式扭矩儀(4)磁流量計(jì)（所測的流體應(yīng)具有導(dǎo)電性，蒸餾水以及各種油類都不能使用）第6章 壓電式傳感器§

6、 6。1 壓電式傳感器的工作原理§ 6.2 壓電材料§ 6.3 壓電式傳感器的測量電路§ 6.4 壓電式傳感器的應(yīng)用§ 6.1 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ),在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷,從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。 壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。 壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn).近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展,隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，

7、在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。 （一）石英晶體的壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸ZZ稱為光軸（光線沿此軸射入晶體不會(huì)產(chǎn)生雙折射，所以可用光學(xué)方法確定)；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的XX軸稱為電軸(沿該軸施加作用力時(shí),在垂直于該軸面上得到的電荷最多，即壓電效應(yīng)最強(qiáng))；與XX軸和ZZ軸同時(shí)垂直的YY軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸（當(dāng)電場作用在此軸方向時(shí)機(jī)械變形最為明顯）.通常把沿電軸XX方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸YY方向的力作用下

8、產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”,沿光軸ZZ方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線）,片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小,極化強(qiáng)度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷,有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后,陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個(gè)膨脹過程)，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大,因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。 同理，如果外加電場的方向與極化方向相反,則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變.這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效

9、應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)(二）  測量電路 壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：u 把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出；u 放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào). 前置放大器形式:u 電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(傳感器的輸出電壓）成正比；u 電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 1、電壓放大器 AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua6。4 壓電式傳感器的應(yīng)用（一）壓電式加速度傳感器(二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計(jì)(四）集成壓電式傳感器（五)壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用第7章 磁敏傳感器一、霍爾效應(yīng)置于磁場中的

10、靜止載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體,當(dāng)它的電流方向和磁場方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上垂直于電流和磁場方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電動(dòng)勢稱霍爾電勢,載流導(dǎo)體（多為半導(dǎo)體）稱霍爾元件?；魻栃?yīng)是導(dǎo)體中的載流子在磁場中受洛侖磁力作用發(fā)生橫向漂移的結(jié)果?；魻栃?yīng)原理圖+I+LddUH若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾片平面法線夾角為時(shí)，如P127,圖8-2所示，此時(shí)實(shí)際作用于霍爾片的有效磁場是其法線方向的分量，即Bcos，其霍爾電勢為： UH KH I B cos 注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時(shí)，輸出霍爾電勢的方向也改變.但當(dāng)磁場與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍爾電勢并不改變方向。 利用霍爾傳感器制作的

11、儀器優(yōu)點(diǎn)： (1) 體積小,結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用。 (2)無可動(dòng)部件,無磨損,無摩擦熱，噪聲小. (3)裝置性能穩(wěn)定,壽命長，可靠性高。 (4)頻率范圍寬,從直流到微波范圍均可應(yīng)用。 （5)霍爾器件載流子慣性小，裝置動(dòng)態(tài)特性好。 霍爾器件也存在轉(zhuǎn)換效率低和受溫度影響大等明顯缺點(diǎn).但是,由于新材料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺點(diǎn)正逐步得到克服。第8章 熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電式傳感器。 當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同,一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0 ，稱為自由

12、端（也稱參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”,兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶"，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極"，產(chǎn)生的電動(dòng)勢則稱為“熱電勢"。 熱電勢由兩部分電勢組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電勢，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電勢. 由兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)回路，當(dāng)兩接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢。這個(gè)物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。結(jié)論：(1）熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細(xì)、形狀無關(guān)。(2）如果熱電偶兩電極材料相同,即使兩端溫度不同,回路中的總熱電勢仍

13、為零.(3）如果熱電偶兩電極材料不同，而熱電偶兩端的溫度相同,回路中也不產(chǎn)生熱電勢。二、 熱電偶基本定律（1) 均質(zhì)導(dǎo)體定律兩種均質(zhì)金屬組成的熱電極,其電勢大小與熱電極的直徑、長度及沿?zé)犭姌O長度上的溫度分布無關(guān)，只與熱電極材料和兩端溫度有關(guān).如果材質(zhì)不均勻，則當(dāng)熱電極上各處溫度不同時(shí)，將產(chǎn)生附加熱電勢,造成測量誤差，因此,熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要標(biāo)志之一。如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢均為零;反之,如果有熱電動(dòng)勢產(chǎn)生，兩個(gè)熱電極的材料則一定是不同的。根據(jù)這一定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料的成分是否相同（稱為同名極檢驗(yàn)法)，也可以檢查熱電極材料

14、的均勻性。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)體的兩端溫度相等,且接入導(dǎo)體是均質(zhì)的，則無論接入導(dǎo)體的溫度分布如何,都不會(huì)影響原來熱電偶的熱電勢大小.因此,可以將毫伏表接入熱電偶回路，并保證兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度一致，就可以對熱電勢進(jìn)行測量，而不影響熱電偶的輸出。7.2 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償原因：由熱電偶測溫原理知，只有當(dāng)冷端溫度保持不變時(shí),熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù) ;熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0條件下測得的，使用時(shí)必須滿足T00 ，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。在工程測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度的變化而變化，將引入測量誤差，因此，必須采取修正或補(bǔ)償措施.Ø 冰點(diǎn)槽法、計(jì)

15、算修正法、補(bǔ)正系數(shù)法、冷端補(bǔ)償器法、軟件處理法8.2 熱電阻一、概述 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測溫的. 1。 優(yōu)點(diǎn)： 測量精度高； 有較大的測量范圍;200600 易于使用在自動(dòng)測量和遠(yuǎn)距離測量中熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與R0 有關(guān)。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種， 它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100， 其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表, 即Rtt 的關(guān)系表, 這樣在實(shí)際測量中， 只要測得熱電阻的阻值Rt， 便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值. 四、熱電阻傳感器應(yīng)用內(nèi)部引線方式有兩線制、 三線制和四線制三

16、種. 二線制中引線電阻對測量影響大, 用于測溫精度不高場合.三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響， 用于高精度溫度檢測。工業(yè)用鉑電阻測溫采用三線制或四線制。8。3 熱敏電阻溫度傳感器 熱敏電阻是利用某種半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。一、熱敏電阻的特點(diǎn)（1）靈敏度高；（2）體積小；（3）使用方便。 熱敏電阻的主要缺點(diǎn)：阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系，元件穩(wěn)定性和互換性較差。 第9章 信號(hào)處理電路9。1 信號(hào)放大電路信號(hào)放大電路是傳感器信號(hào)處理電路最常用的電路。傳感器的輸出電壓或電流一般都比較小，電壓為

17、微伏級(jí)或毫伏級(jí)，電流為微安級(jí)或毫安級(jí)。通常采用集成運(yùn)算放大器（Operation Amplifier）構(gòu)成放大電路。集成運(yùn)算放大器是內(nèi)部具有差分放大器的集成電路,有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，“+"端為同相輸入端，表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相同；“”端為反相輸入端，表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反。理想運(yùn)算放大器具有如下特點(diǎn)：（1）開環(huán)放大倍數(shù)無窮大;（2）輸入阻抗無窮大；（3）輸入間的電流、電壓等于零。（1）反相放大器（2)同相放大器9.2 信號(hào)濾波電路允許一定頻率范圍的信號(hào)順利通過,抑制或削弱(即濾除）那些不需要的頻率分量的過程稱為濾波。濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號(hào)的功能.幾乎所有的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用都會(huì)