傳感器期末復習資料

WORD版本.傳感器緒論概念：1.傳感器的定義：2.傳感器組成:傳感器一般由敏感元件、轉換元件、基本轉換電路三部分組成。第一章概念：1.傳感器的一般特性：描述此種變換的輸入與輸出關系。靜特性：輸入量為常量或變化極慢時(慢變或穩(wěn)定信號)。1)線性度：傳感器的輸出與輸入關系呈線性，實際上這往往是不可能的。假設傳感器沒有遲滯和蠕變效應,其靜態(tài)特性可用下列多項式來描述：012n0ii=1.非線性誤差(線性度)定義：輸出輸入的實際測量曲線與某一選定擬合直線之間的最大偏差，用相對誤差γL表示其大小。即傳感器的正、反行程平均測量曲線與擬合直線之間的最大偏差對滿量程(F.S.)輸出之比(%)：F.S.HF.S.H量下限標稱值yL之差的絕對值表示即,yF.S.=|yH-yL|。它通過零點。某些量程下限不為零的傳感器，也可以將量程下限作為零點處理。WORD版本.2)遲滯：遲滯表明傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程期間,輸出-輸入曲線不重合的程度(信號大小不相等)。.遲滯產(chǎn)生原因：傳感器的機械部分和結構材料方面不可避免的弱點,如軸承摩擦、灰塵積塞、間隙不適當,元件磨蝕、碎裂等。遲滯的大小一般由實驗確定.3)重復性：指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。重復性誤差取這兩個誤差之中較大者為ΔRmax，再以滿量程yFS輸出的百分數(shù)4)靈敏度與靈敏度誤差：傳感器輸出的變化量Δy與引起該變化量的輸入變化量量Δx之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達式為。斜率就是其靈敏度，靈敏度k是一常數(shù)，與輸入量大小無關。靈敏度誤差用相對誤差表示，即5)閾值、分辨力閾值：當一個傳感器的輸入從零開始極緩慢地增加時,只有在達到了某一最小值后才測得出輸出變化,這個最小值就稱為傳感器的閾值。絕對值表示，用與滿量程的百分數(shù)表示時稱為分辨率。.閾值說明了傳感器的最小可測出的輸入量。分辨力說明了傳感器的最小可測出的輸入變量。6)穩(wěn)定性：指傳感器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。漂移量的大小是表征傳感器穩(wěn)定性的重要性能指標。傳感器的漂移有時會致使整個測量或控制系統(tǒng)處于癱瘓。7)溫度穩(wěn)定性：溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，它是指傳感器在外界溫度變化時輸出量發(fā)生的變化。8)抗干擾穩(wěn)定性：這是指傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。9)靜態(tài)測量不確定度(傳統(tǒng)上也稱為靜態(tài)誤差)：指傳感器在其全量程任一點的輸出值與其理論值的可能偏離程度。靜態(tài)誤差的求取方法：靜態(tài)誤差的求取方法：求出標準偏差取2σ或3σ即為靜態(tài)誤差?；蛴孟鄬φ`差來表示即為靜態(tài)誤差?；蛴孟鄬φ`差來表示。靜態(tài)誤差是一項綜合性指標，它包括非線性誤差、遲滯誤差、重復性誤差、靈敏度誤差等，。。WORD版本.動特性：輸入量隨時間變化極快時(快變信號)。1)時域性能指標：通常在階躍函數(shù)作用下測定傳感器動態(tài)性能的時域指標。階躍輸入對一個傳感器來說是最嚴峻的工作狀態(tài)。2)頻域性能指標：通常在正弦函數(shù)作用下測定傳感器動態(tài)性能的頻域指標。答：輸入量為常量或變化很慢情況下，輸出與輸入兩者之間的關系稱的靜態(tài)特性。它的性能指標有：線性度、遲滯、重復性、靈敏度與靈敏度誤差、分辨率與閾值、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、抗干擾穩(wěn)定性和靜態(tài)誤差(靜態(tài)測量不確定性或精度)。的最大誤差δ(以mV計)。當傳感器使用在滿刻度的1/2和1/8時要性。WORD版本.第二章概念：1.金屬的電阻應變效應：金屬導體的電阻隨著機械變形(伸長或縮短)的大小發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。2.電阻應變片的工作原理是基于金屬電阻絲的電阻應變效應。位移、加速度、力矩、應力、壓力、拉力、溫度等等。3.轉換電路.IL電橋平衡：平衡條件2)不平衡直流電橋的工作原理：當電橋后面接放大器是，放大器的輸入阻大很多，可以吧電橋輸出端看出開路。應變片工作時，其電阻變化為△R。.各臂阻值得大小無關。n=1時的電橋，稱對稱電橋，目前常采用這種電橋形式。3)減小非線性誤差12.1212341234 (1)R1為應變片，其余為外接電阻，當R的1增量為ΔR1=1.2Ω時，電橋輸出電壓為多 (2)R1、R2均為應變片，批號相同，感受應變的極性和大小相同，其余為外接電阻，電橋輸出電壓為多少？ (3)R、R均為應變片，批號相同，感受應變的極性相反，且R=R=1.2，其余為外接電阻，電橋輸出電壓為多少？ (4)由題(1)~(3)能得出什么主要結論？1R11.2答：(1)U=1U=××4=0.01(V)=10(mv)04R41201R02R(4由)(1)~(3)可以看出，雙臂電橋比單臂電橋靈敏度提高一倍；.可利用雙臂電橋消除溫度變化對測量誤差的影響。已()6、在材料為鋼的實心圓柱形試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120Ω的金屬應變片R1和R2，把這兩應變片接入差動電橋(參看圖2-9a)。若鋼的泊松系數(shù)μ=0.285，應變片△R=0.48Ω,試求電橋的輸出電壓U0。.第三章：概念1.自感式傳感器：.1.已()☆下圖為一氣體壓力傳感器結構示意圖，試分析其工作原理。圖中，1解：壓力P個彈簧管自由端發(fā)生移動，帶動銜鐵上下移動，引起線圈電感值變化，分別把兩線圈接入交流電橋的兩臂，引起交流電橋輸出電壓變化，則.測量時，質量塊的位移與被測加速度成正比，把對加速度的測量轉變?yōu)閷ξ灰茰y量。既當質量塊2以△X振動時，引起線圈電感值變化，產(chǎn)生電流，導致變壓器輸出的也按相同規(guī)例變化，通過這個變化就可以測加速度。3.何謂電感式傳感器？它是基于什么原理進行檢測的？成線圈自感量或互感量的變應原理進行檢測的。第4章概念：1.根據(jù)其改變參數(shù)不同，可將電容式傳感器分為下三種：改變極板間距離(δ的)變極距型傳感器改變極板遮蓋面積(A)的變面積型傳感器改變電介質介電常數(shù)(ε)的變介電常數(shù)型傳感器2.運算放大器式測量電路特點可以使其作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。.由運算放大器工作原理可得是輸出信號電壓C為固定電容x如果傳感器是一只平板電容,則C=εS/δ,代入上式,有x式中“-”號表示輸出電壓U0的相位與電源電壓反相器電路解決了單個變極板間變極距式電容傳感器的非線性問題。但要求Zi及K足夠大。為保證儀器精度,還要求電源電壓的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。.3.已()4.已()減少和消除寄生電容的影響：(1)增加傳感器原始電容值(2)注意傳感器的接地和屏蔽(3)集成化(4)采用“驅動電纜”技術(6)整體屏蔽1.下圖為電容式差壓傳感器結構示意圖和轉換電路圖，試分析其工作原理。答：當兩邊壓力P，P相等時，金屬膜片處在中間位置與左、右固定電極間12WORD版本.21abdbabdb021abdbabdb022.(10分)如圖所示，簡述此電路為什么能夠改善變間隙式電容傳感器的非線Xd答:Z=1xjCxxd1jCjC在Ui,,ε,s,C不變的情況下，Uo∝d3.如何改善單組式變極距型電容傳感器的非線性？且靈敏度也提高1倍。C為標準電容；WORD版本.C=x6uCs可見，u與6成正比。所以，使用此測量電路能夠改善變間隙式電容傳感0器非線性。U與極板間距的關系，并分析其工作特點。5.已()單組式變面積型平板形線位移電容傳感器，兩極板相對覆蓋部分的寬度.算放大器結合)求：(1)k=?；(2)若△a=2mm時△C=?第五章概念：1.已()霍爾效應：產(chǎn)生電動勢UH(霍爾電勢或稱霍爾電壓)。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。霍爾式傳感器是由霍爾元件所組成。.流材料的物理性質決定?；魻栰`敏度表示單位磁感應強度和單位控制電流時的霍爾電勢的大小。一般要求它越大越好。 (1)對于金屬而言，n很大，所以RH很小，而半導體尤其是N型半導 (2)kH與元件材料的性質和幾何尺寸有關。元件的厚度d對靈敏度的影響也很大，元件越薄，靈敏度就越高。如采用薄膜技術的薄膜霍爾元件。 (3)UH標量規(guī)定正方向可正可負當磁感應強度B和元件平面法線成一角度θ時，作用在元件上的有效2.霍爾元件的電磁特性I之間呈線性關系。.呈線性關系，而有所偏離?；魻栐ぷ髟?.5T(弱磁場)以下時線性度較好。3.已()霍爾元件的誤差及補償：零位誤差(不等位電動勢：霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場時，霍爾輸出端之間的空載電動勢。寄生直流電動勢)，溫度誤差。方法：1.采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻2.合理選取負載電阻RL的阻值3.采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻4.采用溫度補償元件5.霍爾元件不等位電動勢U0的溫度補償。44.霍爾位移傳感器：霍爾電勢與位移量成線性關系。霍爾電勢的極性反映了元件位移的方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度越好。.解：如圖第六章概念：1.壓電效應：就會產(chǎn)生電荷，去掉外力后又回到不帶電狀態(tài)，這種沒有外電場只是形變產(chǎn)生的極化現(xiàn)象稱為正壓電效應。機械能轉變?yōu)殡娔?逆壓電效應：當某些物質施加電場時不僅產(chǎn)生極化同時還產(chǎn)生2.石英晶體：Z軸為光軸(中性軸)，它是晶體的對稱軸，光線沿Z軸通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因而它的貢獻是作為基準軸。X軸為電軸(垂直于光軸)，該軸壓電效應最顯著，它通過正Y軸為機械軸(力軸)，它垂直于兩個相對的表面，在此軸上加力產(chǎn)生的變形最大。.X向壓電效應”。2)當石英晶體受到沿Y軸方向的壓縮力作用時，在X軸的正方向的晶體表面上出現(xiàn)負電荷。(這種情況等同于沿X軸方向的拉力作用)，這種沿Y軸作用力，而在垂直于X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“橫向壓電效應?！?)當晶體受到沿Z軸方向的力(無論是壓縮力或拉伸力)作用時，因為石XY沿光軸方向施加作用力，石英晶體不會產(chǎn)生壓電效應。4)如果石英晶體的各個方向同時受到均等的作用力(如液體壓力)，石英晶體將保持電中性。所以石英晶體沒有體積變形的壓電效應。3.壓電式傳感器的等效電路：壓電式傳感器對被測量的感受程度是通過其感器既是電荷源又是電容器，其串聯(lián)的電路。.外加電場散去，這些變形和應力也隨之消失，此即稱為逆壓電效應。要串聯(lián)方式和電壓放大器測量電路。第七章概念：1.光具有波粒二象性，光的粒子性可用光子的概念描述。頻率為ν的單色光，率(s-1);2.激光器優(yōu)點：單色性好、方向性好、亮度高、相干性好3.光電效應：光照在物體上可看成是一連串具有能量為E的光子轟擊物體，如果光子能量足夠大，物質部電子在吸收光子后就會擺脫部力的束縛，成為自由電子，自由電子可能從物質表面逸出，也可能參與物質部的導電過程，這種現(xiàn)象稱為光電效應。1)外光電效應：在光照射下，某些材料中的電子逸出表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。率低于某一閾值時，光的強度再大也不能激發(fā)導電電子。.體表面。即時，才會產(chǎn)生電子發(fā)射現(xiàn)象。這就意味著每一種物體都具有一個對應的截止頻率或稱紅限頻率。即光強愈大，逸出電子越多。3.電子逸出表面具有一定動能，會有光電流產(chǎn)生2)光電效應：半導體的電子吸收光子后不能躍出半導體，則所產(chǎn)生的電學原理可分為光電導效應和光生伏特效應。3)a)光電發(fā)射型：金屬材料，外光電效應。b)光電導型：半導體材料在光線作用下，其電阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為光導效應，基于光導效應的光電器件稱為光敏電阻，也叫光導管、光電導探測器。耐沖擊和振動，壽命長。純電阻元件，適用于紅外探測。c)光電結型：光照射在半導體結上。材料：半導體不需要外部電源供電。.原原理：當光照到結區(qū)時，具有足夠能量的光子使電子從價帶跳到導帶，在結區(qū)附近載流子的電子—空穴對，在結電場作用下，電子被電，兩者之間形成電位差，這就是光生福特效應。4.光敏電阻的光照特性曲線-非線性5.光纖傳感器原理：射入的光線在光纖的界面上發(fā)生全反射，并在光纖部以同樣的角度反復逐次反射，直至到另一端。2n2布也大體均勻，纖芯到包層的折射率變化呈臺階狀。.2)梯度型光纖：纖芯的折射率不是常數(shù)，從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線規(guī)律變化，中心軸折射率最大。3)傳輸模式分類，可以把光纖分為多模光纖(階躍型光纖，梯度型光纖)和單模光纖兩類。4)折射角：n1sinφ1=n2sinφ2