傳感器原理復習總結

1、1.傳感器的作用 傳感器實際上是一種功能塊，其作用是將來自外界的各種信號轉換成電信號。傳感器所檢測的信號品種極其繁多。為了對各種各樣的信號進行檢測、控制，就必須獲得盡量簡單易于處理的信號，這樣的要求只有電信號能夠滿足。電信號能較容易地進行放大、反饋、濾波、微分、存貯、遠距離操作等。2.傳感器（Transducer或Sensor）定義： “能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件組成”。傳感器有時也叫換能器、變換器、變送器或探測器。從定義中可看出傳感器有兩個功能：既敏感和變換。3. 傳感器通常由敏感元件、轉換元件二部分組成，有時也將測量電路及輔助電源作為傳感器

2、的組成部分。4.傳感器的輸出輸入關系特性就是傳感器的基本特性。傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時（靜態(tài)的輸入信號）的輸出輸入關系。5衡量傳感器靜態(tài)特性的主要技術指標是：線性度、靈敏度、精確度、遲滯、重復性和分辨率等。6線性誤差(Linearity Error) 線性誤差是指在規(guī)定條件下（利用一定等級的校準設備，對傳感器進行反復循環(huán)測試）得出輸出-輸入特性曲線與擬合直線(fitting straight line)間最大偏差與滿量程F·Sfull span）輸出值的百分比稱為線性誤差7靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化量（增量）與輸入變化量（增量）的比值，即 K=輸出變化量

3、/輸入變化量=Y/X 靈敏度越高，系統(tǒng)反映輸入微小變化的能力就越強。在電子測量中，靈敏度越高往往容易引入噪聲并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測量范圍，在同等輸出范圍的情況下，靈敏度越大測量范圍越小，反之則越大。8. 分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力9，是指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器的輸出存在著與被測量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移。10.準確度指測量儀器給出的示值和真值的接近程度。11傳感器的動態(tài)特性是指傳感器在測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應特性12傳感器的發(fā)展趨勢1）開發(fā)新型傳感器2）開發(fā)新材料 3）新工藝的采用4）集成化、多功能化5）智能化第二章 光電式傳感器1.

4、將光量轉換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。光電式傳感器的工作原理是：首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后通過光電轉換元件變換成電信號。 光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此在檢測和控制領域內(nèi)得到廣泛應用。 光電傳感器的工作基礎是光電效應。2在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應稱為內(nèi)光電效應3. 光敏二極管的基本特性包括光譜特性、伏安特性、光照特性、溫度特性好響應特性。光敏管的光譜特性是指在一定照度時， 輸出的光電流（或用相對靈敏度表示

5、）與入射光波長的關系伏安特性 指在一定照度下的電流電壓特性。當光照時，反向電流隨著光照強度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒達到飽和值，它的輸出實際上不受偏壓大小的影響。 光照特性近于線性，即輸出電流隨光照線性增加。說明光敏二極管適合作檢測元件 4. 2. 光敏電阻的主要參數(shù) 光敏電阻的主要參數(shù)有： (1) 暗電阻 光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻， 此時流過的電流稱為暗電流。 (2) 亮電流 光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。 (3) 光電流 亮電流與暗電流之差稱為光電流。 5光敏電阻的基本特性(1) 伏安特性 在一定照度下，流

6、過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱為光敏電阻的伏安特性（2）光照特性 光敏電阻的光照特性是描述光電流I和光照強度（光通量）之間的關系，不同材料的光照特性是不同的，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性是非線性的。故光敏電阻不宜作定量檢測元件，而常在自動控制中作光電開關。(3) 光譜特性 頻率特性 實驗證明，光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數(shù)表示 6光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長、體積小等優(yōu)點，所以應用廣泛。此外許多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于紅外線光譜區(qū)工作。光敏電阻的缺點是型號相同的光敏電阻參數(shù)參差

7、不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜于測量要求線性的場合，常用作開關式光電信號的傳感元件。7光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池在有光線作用時實質就是電源光電池的工作原理是基于“光生伏特效應用光電池作為測量元件時， 應把它當作電流源的形式來使用， 不宜用作電壓源。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對光電池的工作有很大影響，因此把它作為測量元件使用時，最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。8光電池應用 （1）將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽能轉換成電能，即太陽能電池。（2）將光電池作光電轉換器件應用，需要光電池具有靈敏度高、

8、響應時間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉換效率9 利用物質在光照射下發(fā)射電子的外光電效應而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應時間、峰值探測率和溫度特性來描述10光電倍增管（PMT）是光子技術器件中的一個重要產(chǎn)品，它是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件?？蓮V泛應用于光子計數(shù)、極微弱光探測、化學發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測、分光光度計、旋光儀、色度計、照度計、塵埃計、濁度計、光密度計、熱釋光量儀、輻射量熱計、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設備中。11 電荷耦合器件 (CCD)它以電荷作

9、為信號, 基本功能是進行光電轉換電荷的存儲和電荷的轉移輸出。廣泛應用于自動控制和自動測量, 尤其適用于圖像識別技術。12.光纖的結構 基本采用石英玻璃， 主要由三部分組成 中心纖芯(5-75m)； 外層包層； 護套尼龍料，光導纖維的導光能力取決于纖芯和包層的性質光纖的傳光原理1)斯乃爾定理（Snell's Law）當光由光密物質(折射率大)入射至光疏物質時發(fā)生折射，如圖(a)，其折射角大于入射角，即n1n2時，ri n1sini=n2sinr13光纖的數(shù)值孔徑大小與幾何尺寸無關，與纖芯包層相對折射率有關NA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2i張角之內(nèi)的入射光才能被光

10、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越大集光能力越強，光纖與光源間耦合會更容易光纖按照傳輸模式分為：（1）單模光纖：纖芯直徑很小，接受角小，傳輸模式很少。這類光纖傳輸性能好，頻帶寬，具有很好的線性和靈敏度，但制造困難。（2）多模光纖：纖芯尺寸較大，傳輸模式多，容易制造，但性能較差，帶寬較窄。14（原理）光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構成，由光發(fā)送器發(fā)出的光源經(jīng)光纖引導至敏感元件。這時，光的某一性質受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，?/p>

11、后經(jīng)信號處理得到所期待的被測量。15 光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類16 光纖傳感器的應用（一）溫度的檢測 光纖溫度傳感器有功能型和傳光型兩種。 （二）壓力的檢測 種類：強度調(diào)制型、相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型三類（三）液位、流量、流速的檢測1、液位的檢測技術 （1）球面光纖液位傳感器 17 激光傳感器利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。 激光的特性：單色性好 方向性強 亮度強 相干性好按工作物質激光器分為固體激光器 氣體激光器 液體激光器 半導體激

12、光器應用舉例 1.激光測距 2激光測流速 、長度 3激光陀螺17核輻射傳感器是基于被測物質對射線的吸收、反射、散射或射線對被測物質的電離激發(fā)作用而進行工作的。 利用這些特性制成的傳感器可用來測量物質的密度、厚度，分析氣體成分，探測物體內(nèi)部結構等，它是現(xiàn)代檢測技術的重要部分第3章 數(shù)字式傳感器1 數(shù)字傳感器的特點（1） 具有高的測量精度和分辨力，讀數(shù)直觀精確。（2） 測量行程范圍大，直線位移可達數(shù)米至幾十米。（3） 采用高電平數(shù)字信號時，對外部干擾（噪音 的抑制能力強。（4） 穩(wěn)定性好，易于微機接口，便于信號處理和自動化測量。2 光柵的構成：光柵通常是由在表面上按一定間隔制成透光和不透光的條紋的

13、玻璃構成，稱之為透射光柵，或在金屬光潔的表面上按一定間隔制成全反射的條紋，稱為反射光柵。利用光柵的一些特點可進行線位移和角位移的測量。測量線位移的光柵為矩形并隨被測長度增加而加長，稱之為長光柵；而測量角位移的光柵為圓形，稱之為圓光柵。二.光柵位移數(shù)字轉換的基本原理1. 光柵傳感器輸出信號波形當光柵相對位移一個柵距時，莫爾條紋移動一個條紋寬度，相應照射在光電池上的光強度發(fā)生一個周期的變化，使輸出電信號周期變化3.2 磁柵傳感器是利用磁柵與磁頭的電磁作用進行測量的位移傳感器。它是一種新型的數(shù)字式傳感器。特點：1 成本較低且便于安裝和使用；2 制作簡單，復制方便 3 精度較高 4 測量范圍寬應用：磁

14、柵作為檢測元件可用在數(shù)控機床和其他測量機上3.3 編 碼 器 將機械轉動的模擬量（位移）轉換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。編碼器以其高精度、 高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移的測量。3.3.1 接觸式編碼器 1 工作原理編碼盤或編碼尺是一種按一定的編碼形式，如二進制編碼、二十進制編碼、格萊碼等，將一個圓盤或直尺分成若干等分，并利用電子、光電或電磁器件，把代表被測2 位移量大小的各等分上的編碼轉換成便于應用的其他二進制表達方式的測量裝置。接觸式編碼盤的優(yōu)點：簡單，體積小，輸出信號強，不需放大；缺點：是存在電刷的磨損問題，故壽命短，轉速不能太高(幾十轉分)，而且精度受到最

15、高位(最內(nèi)圈上)分段寬度的限制3光學碼盤式傳感器 - 用光電方法將被測角位移轉化成數(shù)字電信號特點：高精度、高分辨力、可靠性好 應用：小范圍絕對位置測量-角度、直線位置；小范圍位移、速度檢測3.4 頻率式數(shù)字傳感器 頻率式數(shù)字傳感器是能直接將被測非電量轉換成與之相對應的、便于處理的頻率信號振弦的激振方式：間歇激發(fā)；連續(xù)激發(fā)4.2 熱敏電阻熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。特點1）溫度系數(shù)大 靈敏度高2）結構簡單堅固，體積小 能承受較大的沖擊、振動；可以測 量點溫度3）電阻率高、熱慣性小 ，響應速度快 適于動態(tài)測溫（4）易于維護、使用壽命長 適于現(xiàn)場測溫5）很好地與各種電路匹配，而且遠距離測量時幾乎無需考慮連線電阻的影響；6）成本低，應用廣泛7）互換性差，非線性嚴重，精度低8）元件易老化，穩(wěn)定性較差；（9）除特殊高溫熱敏電阻外，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0150范圍，使用時必須注意。熱電阻測溫的優(yōu)點是信號靈敏度高、易于連續(xù)測量、可以遠傳、無需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準確度高，可以用作基準儀表。 熱電阻主要缺點是需要電源激勵、有（會影響測量精度）自熱現(xiàn)象以及測量溫度不能太高。熱電偶測溫 它的工作原理是基于熱電效應熱點偶的工作原理熱電效應及基本定律 兩種不同材料的金屬絲兩端牢