传感器复习要点.docx

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传感器复习要点

一、根据传感器的示意图，指出传感器的类型

自感式传感器、差动变压器、涡电流式传感器、动铁式磁电传感器、动圈式磁电传感器、磁敏电阻、光电管、光电倍增管、光电池、光敏电阻、光敏二极管、光纤光栅、感应同步器、增量式编码器、绝对式编码器

变气隙式自感传感器变面积式自感传感器螺管式自感传感器

螺管式差动变压器结构变气隙式互感传感器

反射式电涡流式传感器透射式电涡流式电涡流式传感器产品

动铁式磁电传感器动圈式线速度磁电动圈式角速度磁电

磁敏电阻

光电管光电倍增管光电池

光敏二极管光敏电阻

移动光栅光纤传感器光纤光栅应变传感器光纤光栅温度传感器

直线式感应同步器旋转式感应同步器

绝对编码器增量编码器（一般只需三条码道）

二、传感器与所依据的物理定律及相关联的术语或名词、代号

变磁阻式传感器、磁电式传感器、磁敏电阻、光电式传感器、光纤传感器、光纤光栅、感应同步器、热电偶、热敏电阻、微电子机械系统、数字温度传感器、

LVDT、

Rt＝R0（1＋AT）、热电效应、NTC、PTC、红限频率斯乃尔定律数值孔径值NA连续绕组、断续绕组（正弦绕组、余弦绕组）、Pt100、DS18B20、MEMS

变磁阻式传感器——电感式传感器：

1、自感式2、互感式3、电涡流式

磁电式传感器：

基本原理—电磁感应定律。

结构型式：

恒磁通式

变磁通式

磁敏电阻：

理论基础为磁电阻效应（物理磁阻效应和几何磁阻效应）

光电式传感器：

以光电器件作为转换元件，光的特性－波长、频率、能量

光电传感器的工作原理：

光电效应（分为外光电效应和内光电效应）。

光纤传感器：

基本原理——几何光学的基本定义和定律（斯乃尔定律——折射定律：

n1sinθ1=n2sinθ2、光的全内反射：

当θ1>θc，θ2>90，在界面上发生全反射）

红限频率f0：

对应某一种物质的光频阀值,f0＝A0/h（A0为物体的表面逸出功A0）

红限波长：

对应红限频率的波长称为临界波长，λ0＝hC/A0

数值孔径值NA：

sinθc=NA

光纤光栅：

一段光纤，其纤芯具有周期性变化的折射率：

Λ——光纤光栅的周期（栅距），n——纤芯的平均折射率

感应同步器：

由连续绕组和断续绕组组成。

工作原理：

相当于变压器的初、次级绕组的平面形矩形线圈，次级线圈中的感应电压随检测位移量变化。

金属热电阻：

常用类型：

铂电阻Pt——WZP、铜电阻Cu——WZC

阻值－温度关系函数：

Rt＝R0（1＋At）

增量式：

∆Rt＝R0A∆t＝R0At

其中：

铂A＝3.92×10-3/℃、铜A＝4.25×10-3/℃

热电阻的分度号——0℃时的电阻值R0，

例：

Pt50、Pt100、Pt500、Pt1000、Cu50、Cu100，Cu500、Cu1000

比值W100——R100/R0（=1.3850）

温度系数TCR=（R100-R0）/（R0×100）

例：

Pt100

查分度表：

R0＝100Ω，R100＝138.5Ω，

则：

R100/R0=1.3850

TCR=（R100—R0）/（R0×100）＝0.003850

热敏电阻：

正温度系数热敏电阻器（PTC）——电阻值随温度升高而增大的电阻器、负温度系数热敏电阻器（NTC）——电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器

负NTC：

Rt=R0exp[B*（1/T-1/T0）]

Rt——绝对温度T（K）下的零功率电阻值

T（K）=t（℃）+273.15

R0——绝对温度T0（K）下的零功率电阻值

B——材料常数B值

MEMS传感器：

采用微电子技术和微机械加工技术制造出来的新型传感器

微电子机械系统是指运用微制造技术在一块普通的硅片基体上制造出集机械零件、传感器执行元件及电子元件于一体的系统。

DS18B20：

数字温度传感器

DS18B20内部结构1、64位光刻ROM；2、温度传感器；3、非挥发的温度报警触发器TH和TL；4、配置寄存器。

DSl8B20工作过程中的协议：

复位操作、ROM操作命令、存储器操作命令、数据处理

三、

1、根据差动变压器位移测量原理示意图、已知输入信号波形，以及对应图示的测量位置，画出输出信号波形。

2、分析磁敏电阻的物理磁阻效应和几何磁阻效应

磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。

同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。

在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。

这种偏转导致载流子的漂移路径增加。

或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。

这种现象称为磁阻效应。

若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。

一般情况下，载流子的有效质量的驰豫时时间与方向无关，则纵向磁感强度不引起载流子偏移，因而无纵向磁阻效应

3、热电效应（概念）

两种不同成分的导体（或半导体）A和B的两端分别焊接或绞接在一起，形成一个闭合回路，如果两个接点的温度不同，则回路中将产生一个电动势，称之为热电势，这种效应称为热电效应

4、金属热电阻和半导体热敏电阻的主要特点，作图说明利用热敏电阻RT实现电感线圈RL温度补偿的工作原理。

热电阻主要特点：

测量精度高，性能稳定

热敏电阻的主要特点是：

（1）灵敏度高，约为热电阻的10倍。

（2）体积小，能测量点温度。

（3）热惯性小，适宜动态测量。

（4）无需冷端补偿以及引线方式的考虑，易于维护和进行远距离控制。

（5）制造简单，使用寿命长。

●RT－热敏电阻

●r－电阻温度系数近于零的锰铜分路电阻

●RL－被补偿的电阻铜线圈

●RB－补偿器电阻

●TA到TB是最佳补偿范围

5、已知冷端温度为T0，在没有采取冷端温度补偿的情况下进行测量，显示仪表指示值为T，利用热电偶分度表计算实际温度t

例：

用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500℃，而这时冷端温度为60℃。

试问：

实际温度应T为多少？

E（500，0）＝20.64mv

E（60，0）＝2.436mv

E（T，0）＝E（T，60）＋E（60，0）

＝20.64＋2.436＝23.076mv

＝E（557，0）T为557℃

如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20℃，此时显示仪表的指示值应为多少？

E（557,20）=E（557,0）－E（20,0）

=23.076－0.798=22.278mV

＝E（538.4，0）

显示仪表指示值应为538.4℃。

显示误差为18.6℃

6、根据光纤纤芯和包层的折射率n1,n2，外部介质为空气n0=1。

计算该光纤的数值孔径值、最大入射角

说明NA的意义。

最大入射角：

光线刚好不发生折射，即：

ϕ2=90º则临界入射角：

sinθc=NA定义为“数值孔径”NA（Numerical　Aperture）。

数值孔径的意义是：

无论光源发射功率有多大，只有2θc张角之内的光功率被光纤接受传播。

7、光纤位移传感器的测量原理及输入输出特性如下图所示，当用于振动测量时应选择段，当用于转速测量时应选用的段。

位移-输出特性曲线

1）前坡区

输出信号的强度增加得非常快,这一区域可以用来进行微米级的位移测量。

2）后坡区,

信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比,可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。

3）光峰区,

信号达到最大值,其大小取决于被测表面的状态。

所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量。

8、光纤光栅概念、分布式测量原理

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。

分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的OTDR技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量。

9、识别编码器码盘，计算角度分辨率，识别绝对编码器不同码制的码盘

绝对编码器码制：

二进制码、十进制码、循环码（格雷码）等

二进制码道：

数量等于二进制码的位数n，码盘的分辨率：

α=360°/2n，

例如：

4位二进制码盘，其最小分辨的角度：

α=360°/24≈22.5°

n位格雷码码盘，与n位二进制码盘一样，有2n种不同编码，最小分辨率α=360°/2n。

10、分析增量式编码器的四倍频细分原理

四倍频细分原理

1

编码器正向移动时，输出的A相信号的相位超前B相90

则在一个周期内，两相开关信号共有4次相对变化：

00-10-11-01-00。

每发生1次变化，可逆计数器便实现1次加计数，

1个周期内共可实现4次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数。

②当编码器反向移动时，输出的A相信号的相位滞后于B相信号90°

一个周期内两相信号也有4次相对变化：

00-01-11-10-00。

同理，如果每发生1次变化，可逆计数器便实现1次减计数，

在1个周期内，共可实现4次减计数，就实现了反转状态的四倍频计数。

综合上述分析，可以做出处理模块状态转换图，如图所示。

其中“+”、“-”分别表示计数器加/减1，“0”表示计数器不动作。

11、DS18B20的基本特点和分布式温度测量原理

1.集温度测量，A/D转换于一体，数字量输出，可直接与微机接口。

2.测量温度范围为-55°C~+125°C，可以程序设定9~12位的分辨率，

3.用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

4.单总线结构，并支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的总线上，实现组网多点测温

DS18B20中的温度数据格式：

●经转换所得的温度值，以二字节16位符号扩展的补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。

读取时低位在前，高位在后，

●温度表示有：

9位，10位，11位，12位，四种形式，

●对应精度（分辨率）分别为：

0.5=2e-1，0.25=2e-2，0.125=2e-3，0.0625=2e-4，

●位数=1位符号位+7位整数位+小数位；最高位为符号位，并扩展至MSb的所有位形成16位温度数

●未编程时默认为12位精度。

●以12位转化为例：

●12=1位符号位+7位整数位+4小数位,

●分辨率0.0625=1/（2^4）

●用16位符号扩展的二进制补码读数形式，前面5位是符号位，以0.0625℃/LSB形式表达，

●温度大于0时，5符号位均为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；

●当温度小于0时，5符号位均为1，测到的数值需要取反加1，再乘以0.0625，即可得到温度（绝对）值。

高于°C时：

07D0h=2000,2000*0.0625=+125，0550h=1360,

1360*0.0625=+85，0191h=401,401*0.0625=+25.0625

低于0°时：

FFF8h—

补码0007h+1h=08h,-8*0.0625=-0.5

FF5Eh—

补码A1h+1h=A2h,-162*0.625=-10.125

FE6Fh—

补码190h+1h=191h,-401*0.0625=-25.0625

FC90h—

补码36Fh+1h=370h，-880*0.0625=-55