传感器技术及应用辅导资料.docx
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传感器技术及应用辅导资料
《传感器技术及应用》复习资料
思考题与习题
第3章应变传感器
3．1电阻应变式传感器
3．1．1应变片的结构和类型
3．1．2常用的应变片
3．2薄膜应变电阻及传感器
3．2．1薄膜分类
3．2．2薄膜的工作原理
3．2．3薄膜应变传感器的特点
3．3电阻应变传感器使用中应注意的一些问题
思考题与习题
第4章磁敏传感器
4．1磁敏传感器的物理基础--霍尔、磁阻、形状效应
4．1．1基础知识
4．1．2霍尔效应
4．1．3磁阻效应
4．1．4形状效应
4．2霍尔元件
4．2．1霍尔元件的工作原理
4．2．2霍尔元件的结构
4．2．3基本电路
4．2．4电磁特性
4．2．5误差分析及误差补偿
4．3磁阻元件
4．3．1长方形磁阻元件
4．3．2科尔宾元件
4．3．3平面电极元件
4．3．4InSb-NiSb共晶磁阻元件
4．3．5曲折形磁阻元件
4．3．6磁阻元件的温度补偿
4．4磁敏二极管
4．4．1磁敏二极管的结构
4．4．2磁敏二极管的工作原理
4．4．3磁敏二极管的特性
4．4．4磁敏二极管的补偿技术
4．5磁敏三极管
4．5．1磁敏三极管的结构
4．5．2磁敏三极管的工作原理
4．5．3磁敏三极管的特性
4．5．4温度补偿技术
4．6磁敏传感器的应用
4．6．1霍尔元件的应用
4．6．2磁阻元件的应用
思考题与习题
第5章压电传感器
5．1压电效应
5．1．1石英晶体的压电效应
5．1．2压电常数
5．1_3压电陶瓷的压电效应
5．2压电材料
5．2．1压电晶体
5．2．2压电陶瓷
5．2．3新型压电材料
5．3等效电路与测量电路
5．3．1等效电路
5．3．2测量电路
5．4压电传感器及其应用
5．4．1压电传感器中压电片的连接
5．4．2压电式力传感器
5．4．3压电式压力传感器
5．4．4压电式加速度传感器
5．4．5应用实例
思考题与习题
第6章光纤传感器
6．1基础知识
6．1．1光纤的结构
6．1．2光纤的种类
6．1．3光纤的传光原理
6．1．4光纤的特性
6．1．5光纤的耦合
6．2光纤传感器的分类及构成
6．2．1分类
6．2．2构成部件
6．3功能型光纤传感器举例
6．3．1相位调制型光纤传感器
6．3．2光强调制型光纤传感器
6．3．3偏振态调制型光纤传感器
6．4非功能型光纤传感器举例
6．4．1传输光强调制型光纤传感器
6．4．2反射光强调制型光纤传感器
6．4．3频率调制型光纤传感器
6．4．4光纤液位传感器
思考题与习题
第7章光栅传感器
7．1光栅基础
7．1．1光栅的分类及结构
7．1．2莫尔条纹的原理
7．1．3莫尔条纹的特点
7．2光栅传感器的工作原理
7．2．1光电转换原理
7．2．2莫尔条纹测量位移的原理
7．2．3辨向原理
7．3莫尔条纹细分技术
7．3．1细分方法
7．3．2光电元件直接细分
7．3．3CCD直接细分
7．3．4光栅传感器的误差
7．4常用光学系统
7．4．1透射直读式光路
7．4．2反射直读式光路
7．4．3反射积分式光路
思考题与习题
第8章光电传感器
8．1光电传感器的基本效应
8．1．1生导体的粒子特性
8．1．2光电效应
8．2外光电效应光电元件
8．2．1光电管
8．2．2光电倍增管
8．3光电导效应及光电元件
8．3．1光敏电阻的结构及原理
8．3．2光敏电阻的特性
8．4光电伏特效应及光电元件
8．4．1光电导结型光电元件
8．4．2光电伏特型光电元件
8．5CCD图像传感器
8．6应用光路
8．6．1反射式
8．6．2透射式
8．6．3线纹瞄准用光电传感器
8．6．4脉冲式光电传感器
思考题与习题
第9章气、湿敏传感器
9．1气敏传感器
9．1．1半导体气敏元件的分类及必备条件
9．1．2表面控制型电阻式半导体气敏元件
......
第10章智能传感器
第11章传感器应用技术
第12章传感器的选择与使用
第1章传感器的特性
传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
传感器广泛应用于社会发展及人类生活的各个领域，如工业自动化、农业现代化、航天技术、军事工程、机器人技术、资源开发、海洋探测、环境监测、安全保卫、医疗诊断、交通运输、家用电器等。
1.1传感器的组成与分类
传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。
其包含以下几个方面的含义：
1.传感器是测量装置，能完成检测任务2.它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等3.输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。
4.输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。
一、传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。
其在传感电路中的表现如图1.1所示。
图1.1传感电路
敏感元件（Sensitiveelement）：
直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件（Transductionelement）：
以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。
转换电路（Transductioncircuit）：
上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。
实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量。
如热电偶。
有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。
有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。
二、传感器的分类
目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：
按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器
按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。
按传感器输出信号的性质分类，可分为：
输出为开关量（"1"和"0"或"开"和"关"）的开关型传感器;输出为模拟型传感器;输出为脉冲或代码的数字型传感器。
关于传感器的分类：
1.按被测物理量分：
如：
力，压力，位移，温度，角度传感器等;
2.按照传感器的工作原理分：
如：
应变式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等;
3.按照传感器转换能量的方式分：
（1）能量转换型：
如：
压电式、热电偶、光电式传感器等;
（2）能量控制型：
如：
电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等;
4.按照传感器工作机理分：
（1）结构型：
如：
电感式、电容式传感器等;
（2）物性型：
如：
压电式、光电式、各种半导体式传感器等;
5.按照传感器输出信号的形式分：
（1）模拟式：
传感器输出为模拟电压量;
（2）数字式：
传感器输出为数字量，如：
编码器式传感器。
传感器的分类经整理如表1.1.
表1.1传感器分类表
传感器分类
转换原理
传感器名称
典型应用
转换形式
中间参量
电参数
电阻
移动电位器角点改变电阻
电位器传感器
位移
改变电阻丝或片的尺寸
电阻丝应变传感器、半导体应变传感器
微应变、力、负荷
利用电阻的温度效应（电阻的温度系数）
热丝传感器
气流速度、液体、流量
电阻温度传感器
温度、辐射热
热敏电阻传感器
温度
利用电阻的光敏效应
光敏电阻传感器
光强
利用电阻的湿度效应
湿敏电阻
湿度
电容
改变电容的几何尺寸
电容传感器
力、压力、负荷、位移
改变电容的介电常数
液位、厚度、含水量
电感
改变磁路几何尺寸、导磁体位置
电感传感器
位移
涡流去磁效应
涡流传感器
液位、厚度、含水量
利用压磁效应
压磁传感器
力、压力
改变互感
差动变压器
位移
自速角机
位移
旋转变压器
位移
频率
改变谐振回路中的固有参数
振弦式传感器
压力、力
振筒式传感器
气压
石英谐振传感器
力、温度等
计数
利用莫尔条纹
光栅
大角位移、大直线位移
改变互感
感应同步器
利用拾磁信号
磁栅
数字
利用数字编码
角度编码器
大角位移
电能量
电动势
温差电动势
热电偶
温度热流
霍尔效应
霍乐传感器
磁通、电流
电磁感应
磁电传感器
速度、加速度
光电效应
光电池
光强
电荷
辐射电离
电离室
离子计数、放射性强度
压电效应
压电传感器
1.2传感器的基本特性
传感器特性分为静态特性和动态特性。
（一）传感器的静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有：
线性度、灵敏度、分辨力、迟滞、漂移、测量范围、精度、稳定性和阈值。
（1）传感器线性度。
通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。
如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
（2）传感器的灵敏度。
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
它是输出一输入特性曲线的斜率。
如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。
否则，它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。
例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。
当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
提高灵敏度，可得到较高的测量精度。
但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。
（3）迟滞。
传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间，其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。
对于同一大小的输入信号，传感器的正反输出信号不相等，这个差值称为迟滞差值。
（4）传感器的重复性。
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得线性曲线不一致的程度。
（5）漂移。
传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。
产生漂移的原因有两个方面：
一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）
（6）传感器的分辨力。
分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。
也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。
当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。
只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。
通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。
上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。
（二）传感器的动态特性
所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
传感器的动态特性与其输入信号的变化形式密切相关，在研究传感器动态特性时，通常是根据不同输入信号的变化规律来考察传感器响应的。
实际传感器输入信号随时间变化的形式可能是多种多样的，最常见、最典型的输入信号是阶跃信号和正弦信号。
这两种信号在物理上较容易实现，而且也便于求解。
对于阶跃输入信号，传感器的响应称为阶跃响应或瞬态响应，它是指传感器在瞬变的非周期信号作用下的响应特性。
这对传感器来说是一种最严峻的状态，如传感器能复现这种信号，那么就能很容易地复现其他种类的输入信号，其动态性能指标也必定会令人满意。
而对于正弦输入信号，则称为频率响应或稳态响应。
它是指传感器在振幅稳定不变的正弦信号作用下的响应特性。
稳态响应的重要性，在于工程上所遇到的各种非电信号的变化曲线都可以展开成傅里叶（Fourier）级数或进行傅里叶变换，即可以用一系列正弦曲线的叠加来表示原曲线。
因此，当已知道传感器对正弦信号的响应特性后，也就可以判断它对各种复杂变化曲线的响应了。
为便于分析传感器的动态特性，必须建立动态数学模型。
建立动态数学模型的方法有多种，如微分方程、传递函数、频率响应函数、差分方程、状态方程、脉冲响应函数等。
建立微分方程是对传感器动态特性进行数学描述的基本方法。
在忽略了一些影响不大的非线性和随机变化的复杂因素后，可将传感器作为线性定常系统来考虑，因而其动态数学模型可用线性常系数微分方程来表示。
能用一、二阶线性微分方程来描述的传感器分别称为一、二阶传感器，虽然传感器的种类和形式很多，但它们一般可以简化为一阶或二阶环节的传感器（高阶可以分解成若干个低阶环节），因此一阶和二阶传感器是最基本的。
知识梳理
了解传感器的定义以及传感器的组成及分类，以及传感器的两种基本特性，静态特性和动态特性。
重点知识：
了解传感器的组成及分类
难点知识：
了解传感器的两种基本特性。
课后习题
1、传感器由什么组成？
2、传感器的线性指标有哪些？
第2章热电传感器
2．1热电势式测温传感器
2．1热电势式测温传感器
2．1．1工作原理
2．1．2热电偶中引入第三导体
2．1．3标准热电极
2．1．4热电偶冷端温度误差及其补偿
2．1．5常用热电偶的特性
2．1．6热电偶的测量电路
2．2热电阻式温度传感器
2．2．1金属测温电阻器
2．2．2半导体热敏电阻器
2．3PN结型测温传感器
2．3．1温敏二极管及其应用
2．3．2温敏晶体管及其应用
2．4集成电路温度传感器
2．4．1基本原理及PTAT核心电路
2．4．2电压输出型
2．4．3电流输出型
2．4．4可编程集成数字温度传感器
2．5热释电式传感器
2．5．1热释电效应及其机理
2．5．2热释电红外传感器
2．5．3热释电探测模块
2．5．4典型应用
2．6热电传感器应用实例
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