傳感器原理及其應(yīng)用考試重點

1、傳感器原理及其應(yīng)用第一章 傳感器的一般特性1）信息技術(shù)包括計算機技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。2）傳感器又稱變換器、探測器或檢測器，是獲取信息的工具廣義：傳感器是一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件和裝置。狹義：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件。國家標準（GB7665-87）：定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。3） 傳感器的組成：敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)或電量。基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基

2、本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。4） 傳感器的靜態(tài)性能指標 （1） 靈敏度定義: 傳感器輸出量的變化值與相應(yīng)的被測量（輸入量）的變化值之比, 傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。 純線性傳感器靈敏度為常數(shù)，與輸入量大小無關(guān)； 非線性傳感器靈敏度與x有關(guān)。 （2）線性度 定義:傳感器的輸入-輸出校準曲線與理論擬合直線之間的最大偏離與傳感器滿量程輸出之比，稱為傳感器的“非線性誤差”或“線性度”。 線性度又可分為： 絕對線性度：為傳感器的實際平均輸出特性曲線與理論直線的最大偏差。 端基線性度：傳感器實際平均輸出特性曲線對端基直線的最大偏差。 端基直線定義：實際平均輸出特性首、末兩端點的

3、連線。 零基線性度：傳感器實際平均輸出特性曲線對零基直線的最大偏差。 獨立線性度：以最佳直線作為參考直線的線性度。 最小二乘線性度：用最小二乘法求得校準數(shù)據(jù)的理論直線。 （3）遲滯 定義： 對某一輸入量，傳感器在正行程時的輸出量不同于其在反行程時的輸出量，這一現(xiàn)象稱為遲滯。 即：傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。 （4）重復(fù)性 定義：在相同工作條件下，在一段短的時間間隔內(nèi)，同一輸入量值多次測量所得的輸出之間相互偏離的程度。 （5）穩(wěn)定性 穩(wěn)定性有兩個指標： 測量傳感器輸出值在一段時間中的變化，以穩(wěn)定度表示； 傳感器外部環(huán)境和工作條件變化引起輸出值的不穩(wěn)定

4、，用影響量表示。 在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。第二章 電阻應(yīng)變式傳感器及應(yīng)用 1） 金屬電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。金屬絲的電阻隨著它所受的機械形變(拉伸或壓縮) 而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象成為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。2） 單根導(dǎo)電絲的靈敏系數(shù)材料的電阻率發(fā)生變化導(dǎo)電絲的幾何尺寸的改變物理意義：單位應(yīng)變引起的電阻相對變化。K0由兩部分組成：前一部分（1+2）：由材料的幾何尺寸變化引起，一般金屬0.3，因此（1+2）1.6；后一部分：電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）金屬材料以前者為主，半導(dǎo)體以后者為主。半導(dǎo)體靈敏度要比金屬大50100倍。

5、3）金屬電阻應(yīng)變計的的靈敏度系數(shù)式中：K為靈敏度系數(shù)4) 應(yīng)變計的靈敏度K恒小于金屬線材的靈敏度的原因： （1)粘合劑、基底傳遞衰減;(2)存在橫向效應(yīng)。5） 金屬電阻應(yīng)變計的其他特性參數(shù) （1） 應(yīng)變極限：粘貼在試件上的應(yīng)變計所能測量的最大應(yīng)變值。 （2）零漂和蠕變： 零漂：恒定溫度下，粘貼在試件上的應(yīng)變計，在不承受載荷的條件下，電阻隨時間變化的特性稱為應(yīng)變計的零漂。 蠕變：力不變，時間變化，輸出變化。6） 電橋補償法 常用且效果較好的溫度補償法 工作應(yīng)變片貼在試件上，補償片貼在相同材料的補償件上，補償件不受力，并接入電橋相鄰臂。補償件與被測件處于完全相同的溫度場內(nèi)。 工作片、補償片貼在同一

6、試件上，但補償片不受力作用。 工作片、補償片貼在同一試件上，但兩者感受的應(yīng)變符號相反。7) 電阻應(yīng)變式傳感器測量電路 （一）直流電橋的特性方程及平衡條件 平衡時有，稱為直流電橋平衡條件。 （二）直流電橋的電壓靈敏度 根據(jù)橋臂上應(yīng)變片布置情況，全等臂直流電橋又分為單臂、雙臂、全橋情況：單臂電橋：雙臂電橋：全臂電橋： 靈敏度比較：全橋靈敏度最高；雙臂工作的差動電橋靈敏度次之；單臂電橋靈敏度最低 。8） 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用1、柱（筒）式力傳感器 如何粘貼應(yīng)變計？一般將應(yīng)變計對稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面的中間部分 橫向粘貼的應(yīng)變計作用：溫度補償，提高靈敏度2、 懸臂梁式傳感器 應(yīng)變片橋路連接方法: 應(yīng)變

7、片橋路連接信號輸出:9） 例題：一臺采用等強度梁的電子稱，在梁的上下兩面各貼有兩片電阻應(yīng)變片，做成稱重傳感器。 已知：L=100mm，b0=11mm，h=3mm，E=2.1×104N/mm2，K=2，接入直流四臂差動電橋，供橋電壓6V。求（1）其電壓靈敏度(Ku=U0/F)。 （2）當稱重0.5kg時，電橋的輸出電壓U0為多大? 解：等強度梁受力F時的應(yīng)變?yōu)楫斏舷赂髻N兩片應(yīng)變片，并接入四臂差動電橋中時，其輸出電壓： 則其電壓靈敏度為 =3.463×10-3 (V/N)=3.463(mV/N) 當稱重 F=0.5kg=0.5×9.8N=4.9N時，輸出電壓為 U =

8、K F=3.463×4.9=16.97(mV) 10）例題：以阻值R=120，靈敏度系數(shù)K=2.0的電阻應(yīng)變片與阻值120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為3V，并假定負載電阻為無窮大，當應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?和2000時，分別求出單臂、雙臂和全臂差動電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。解：依題意 可見，差動工作時，傳感器及其測量的靈敏度加倍。第三章 電感式傳感器及其應(yīng)用1)電感式傳感器是以電和磁為媒介，利用電磁感應(yīng)原理，利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的電感（自感L或互感M）變化來檢測非電量的機電轉(zhuǎn)換裝置。分類： 電感式： L變化 差動變壓器式： M變化 電渦流式： L、M變化2） 自感

9、式傳感器改善非線性：，構(gòu)成差動式自感傳感器。3） 自感式傳感器提高靈敏度：減少初始極距（氣隙），構(gòu)成差動式自感傳感器。4） 自感式傳感器的測量電路交流電橋 Z3=RZ4=R而Z1Z2U0U/2U/2UI所以 可見電橋輸電壓出與有關(guān)。變壓器電橋初始 Z1=Z2=Z，電橋平衡，U0=0銜鐵上移，設(shè)Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，則同理銜鐵下移時5）電渦流式傳感器 由法拉第電磁感應(yīng)原理知：一個塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。 根據(jù)電渦流效應(yīng)制作的傳感器稱電渦流傳感器; 電渦流傳感器能夠?qū)Ρ粶y量進行非接觸

10、測量; 形成電渦流必須具備兩個條件： 存在交變磁場 導(dǎo)電體處于交變磁場中6） 電渦流式傳感器工作原理Z1Z2Z3Z4UscUsr當傳感器線圈通以正弦交變電流i1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1，金屬板在此交變磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電流i2（在金屬體內(nèi)是閉合，稱之為“渦電流”或“渦流” ）。i2又產(chǎn)生新的交變磁場H2。H2 的作用將反抗原磁場H1，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。線圈阻抗的取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。7） 有一差動電感位移傳感器，已知電源電壓Usr=4V，f=400HZ，傳感器線圈電阻與電感量分別為R=40，L=30mH，用兩只匹配電阻設(shè)計成四臂等阻抗電橋，試求： （1）

11、匹配電阻的值 （2）當Z=10時，分別結(jié)成單臂和差動電橋后的輸出電壓值。8） 本章要點： 自感式、互感式傳感器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、性能特點及其應(yīng)用電渦流式傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及其應(yīng)用第4章 電容式傳感器1）定義：利用電容器的原理，將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器件。2）工作原理：在d、S 和三個參數(shù)中，保持其中兩個不變，改變另一個參數(shù)就可以使電容量C發(fā)生改變。3） 三種基本類型：變極距(變間隙)(d)型；變面積型(S)型；變介電常數(shù)()型4） 試計算習(xí)題42圖所示各電容傳感元件的總電容表達式。 解：由圖可見（1） 三個電容串聯(lián) 則 故（2）兩個電容器并聯(lián)（3）柱形電容器4、在

12、壓力比指示系統(tǒng)中采用差動式變間隙電容傳感器和電橋測量電路，如習(xí)題圖4-3所示。已知：0=0.25mm；D=38.2mm；R=5.1k；Usr=60V(交流)，頻率f=400Hz。試求： (1)該電容傳感器的電壓靈敏度Ku (V/µm)； (2)當電容傳感器的動極板位移=10µm時，輸出電壓Usc值。第5章 壓電式和超聲波傳感器及其應(yīng)用 1） 簡述壓電效應(yīng)及電致伸縮效應(yīng) 答 （正）壓電效應(yīng)：a某些晶體，當沿著一定方向受到外力作用而變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷；b當去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)；c當作用力方向改變，電荷的極性也隨著改變；d晶體受力所產(chǎn)生的電荷

13、量與外力的大小成正比；e當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于漏電而很快泄漏、消失。 電致伸縮效應(yīng)：對晶體施加外電場時，晶體本身產(chǎn)生機械變形的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。又稱電致伸縮效應(yīng)。2）簡述石英晶體內(nèi)部存在的3種正壓電效應(yīng)(1) 縱向壓電效應(yīng) 當晶體材料受到X方向壓力時，在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，稱為縱向壓電效應(yīng)?？v向壓電效應(yīng)使晶面產(chǎn)生的電荷量和外力成正比而與晶片幾何尺寸無關(guān)。 (2)橫向壓電效應(yīng) 當晶體受到沿Y方向施加的壓力時，電荷仍在垂直于X軸的平面上出現(xiàn)，稱為橫向壓電效應(yīng)。電荷量不僅與的力大小有關(guān)，也與晶片的幾何尺寸有關(guān)(3)切向壓電效應(yīng) 當沿晶片相對兩平面施加外力時

14、，晶體表面便產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為切向壓電效應(yīng)。3)壓電式傳感器等效電路和測量電路 壓電傳感器可以看作是一個電荷發(fā)生器，也是一只平行極板介質(zhì)電容器。 為什么壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，只能用于動態(tài)測量？ 答：（1）=0（靜態(tài)量），Uim/Uam=0（輸入電壓為零），由于電荷泄漏，所以不能測量靜態(tài)量；（2）/ 0 >>3（高頻情況），Uim/Uam1，實際接近理想，0一定，越高，高頻響應(yīng)越好 分析對比電壓放大器和電荷放大器的電路特點，指出電荷放大器的最主要優(yōu)點？ 答：（1）電壓放大器：電路簡單、元件少、體積??；電路可靠、價格低；電纜長度有限（1.2m),不能更換；（2）電荷放大器電荷

15、放大器輸出與電纜電容無關(guān)(電纜長達1km,電纜可更換)第7章 熱電式傳感器及其應(yīng)用1） 兩種不同的導(dǎo)體A和B串接成圖示閉合回路，當兩個接觸端存在溫差TT0時，回路中就有電流產(chǎn)生，即回路中會產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。2） 結(jié)論(4點)：（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、粗細無關(guān)。（2）只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢。3）只有當熱電偶兩端溫度不同，熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。（4）導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。這就是利用熱電偶測溫的原理。3） 熱電偶基本定律 （1）均質(zhì)導(dǎo)

16、體定律：兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶的電勢大小只與熱電極材料和溫度有關(guān)。 （2） 中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入另一種導(dǎo)體稱中間導(dǎo)體C，只要中間導(dǎo)體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動勢不受中間導(dǎo)體接入的影響。 （3）連接導(dǎo)體定律 （4）中間溫度定律4） 熱電偶溫度補償5） 補正系數(shù)修正法: 6）題目第8章 光電式傳感器及其應(yīng)用 1）光電傳感器:將光信號（紅外、可見光及紫外光）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。2）外光電效應(yīng)：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。 基于外光電效應(yīng)的光電器件：光電管、光電倍增管、光電攝像管等3）內(nèi)光電效應(yīng)：當光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的

17、現(xiàn)象。 常見器件：光敏電阻4）光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。 常見器件：光敏二極管、三極管、光電池等。第10章 磁敏傳感器及其應(yīng)用1）霍爾電勢：2） 霍爾系數(shù)RH和霍爾靈敏度KH，那么：3）為什么霍爾組件用半導(dǎo)體薄片制成？根據(jù)，減少厚度可以提高靈敏度根據(jù) ，和都大的材料適合制造霍爾組件(獲得較大的霍爾電壓)。金屬導(dǎo)體的載流子遷移率很大，但電阻率低(或自由電子濃度n大)；絕緣體電阻率很高，但載流子遷移率低。因此，金屬導(dǎo)體和絕緣體均不能成作霍爾組件材料，只有半導(dǎo)體可以作為霍爾組件的材料 4） 不等位電勢和不等位電阻產(chǎn)生原因： 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上; 材料