天津大学传感器复习重点适用于机械工业.docx

天津大学传感器复习重点适用于机械工业.docx

《天津大学传感器复习重点适用于机械工业.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天津大学传感器复习重点适用于机械工业.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

天津大学传感器复习重点适用于机械工业

传感器重点复习内容

绪论

传感器定义：

能够感受规定的测量量，并且按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装

置

一、静特性指标

当输入量为常量，或变化极慢时，输出与输入之间的关系称为静特性

二、传感器组成P1

敏感元件、转换元件、基本转换电路

1、敏感元件：

直接感受被测量，输出与被测量成确定关系的某一物理量输出元件。

2、转换元件：

敏感元件的输出就是它的输入，他把输入转换成电路参量。

3、基本转换电路电路参数变化量接入基本转换电路，便可以转化成电量输出。

传感器只需

要完成被测参数到电量的基本转换，然后输入测控电路即可。

三、稳定性指标及其含义P7

1、线性度：

在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，

称为线性度，通常用相对误差来表示。

2、迟滞：

传感器在正反行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。

3、重复性：

重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程

度。

4、灵敏度与灵敏度误差：

（1）灵敏度：

传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比称为其静态灵敏度。

（2）灵敏度误差：

由于某种原因，引起灵敏度发生变化，产生灵敏度误差。

用相对误差表

示。

5、分辨力与阈值：

（1）分辨力：

分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。

（2）阀值：

传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。

6、稳定性：

稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间

工作稳定性或零点漂移。

7、温度稳定性：

温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度变化下输出量发生的

变化。

温度稳定性误差用温度每变化若干度的绝对误差或相对误差表示。

每摄氏度引起的传

感器误差又称为温度误差系数。

8、抗干扰稳定性：

是指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿

的能力、抗电磁场干扰的能力等。

9、静态误差：

是指传感器在其全量程内任一点的输出值与理论值的偏离程度。

第一章电阻式传感器

Partone应变式传感器

一、工作原理

应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测物体变形转换成电阻变化的传感器。

1.什么是金属的电阻应变效应？

当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的

电阻应变效应。

2.应变片有哪些优点？

灵敏度和精度高，性能稳定、可靠电阻率变化公式P22

应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便

测量范围大

适应性强

便于多点测量、远距离测量和遥测

二、应变片的类型和材料

1.电阻应变片有哪几种形式？

金属丝式应变片、金属箔式应变片、金属薄膜式应变片

2.横向效应：

将直的电阻丝绕成敏感柵之后，虽然长度相同，但是应变状态不相同，其灵敏

系数降低了，该现象称为横向效应。

非线性P25

修正方法：

多采用箔式应变片，因为其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，电阻

变化量较小。

（就是使弯曲处电阻值变小即可）

三、转换电路

应变片将应变的变化转换成电阻的相对变化，△R/R，还要把电阻的变化再转换为电压或者

电流的变化，才能用电仪器表进行测量。

通常采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。

使用惠斯通电桥

（一）直流电桥

直流电桥有哪些优点？

高稳定度直流电源易于获得；电桥调节平衡电路简单；传感器及测量电路分布参数影

响小。

（二）电桥的非线性误差

如何减小非线性误差？

采用差动电桥

（差动电桥是如何改善非线性和进行温度补偿的？

答：

安装多个应变片、采取4臂差动电桥）

采用恒流源电桥

四、温度补偿

1、什么是温度误差？

用应变片测量时，由于环境温度变化而引起电阻变化，由此而产生的测量误差，称为

应变片的温度误差。

2、温度误差是由哪些因素引起的？

敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。

试件材料的线膨胀引起的误差

3、补偿温度误差的方法有哪些？

应变片自补偿法、线路补偿法（用电桥电路补偿温度）

五、传感器应用

电阻应变片有哪些典型应用？

测应力、应变、力、拉力、扭矩、位移、加速度等。

（一）应变式力传感器贴有应变片

有柱式力传感器、梁式、环式、框式等

（二）应变式压力传感器膜片式、筒式

主要用于液体、气体压力的测量

（3）应变式加速度传感器

Parttwo压阻式传感器

一、什么是压阻效应？

半导体材料

固体受到作用力后，电阻率发生变化，这种现象称为压阻效应。

在半导体材料的基片上，用集成电路工艺制称扩散电阻，称为扩散性压阻传感器。

压阻式传感器有哪些优缺点？

灵敏系数大

分辨率高

频率响应高

体积小

温度误差较大

二、压阻式传感器有哪些应用？

测应变、压力、加速度等。

第二章电感式传感器

一、互感式传感器（差动变压器式传感器）P45

1、工作原理：

（1）互感式传感器又称为差动变压器式传感器，它是把被测量的变化转换成互感系数的变

化。

（2）互感式传感器本身是互感系数可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次线圈

产生感应电压的输出，互感变化是，输出电压就会产生相应的变化。

互感变压器的二次线圈

有两个，接线方式是差动接线，又称为差动变压式传感器。

2、差动变压器式传感器的结构：

P45，略。

总之，检测的输出电压信号，随互感的变化而变化。

被测量的变化引起磁芯的位移，导致磁

链φ12的变化和互感系数M的变化，最后是输出差动电压变化。

3、分类：

气隙型、截面型（微同步器）、螺管型

4、什么是零点残余电压？

电桥在零点总有一个最小的输出电压，把这个最小的输出电压

称为零点残余电压。

5、零点残余电压有什么危害？

灵敏度下降、非线性误差增大、放大器末级饱和

6、造成零点残余误差的原因是什么？

是两电感线圈的等效参数不对称。

7、零点参与电压的解决方法常采用相敏整流电路

设计上：

使上下磁路对称，

制造上：

使上下磁性材料特性一致，磁筒磁盖磁芯要配套挑选，线圈排列要均匀，数量

一致，每层匝数相等。

调整法：

调整电容大小。

直到残余电压为零

补偿法：

电路上进行补偿：

加串联电阻；加并联电阻；加并联电容；加反馈电容等

拆圈法：

在单臂上并联电阻，使线圈分流，改变谐波分量

试探法：

并联电容，调整C的大小

二、电涡流传感器

1、什么是涡流效应？

金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在

导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。

这种现象称为涡流效应。

电涡流式传感器就是建立

在涡流效应的基础上。

2、形成涡流必须具备哪两个条件？

存在交变磁场、导电体处于交变磁场中

3、被测参数变化会引起线圈哪些参数变化？

阻抗、电感、品质因数

4、线圈阻抗与哪些参数有关？

金属导体的电阻率、金属导体的磁导率、线圈与金属导体的距离、线圈与激励电流的角频

率

5、工作原理P54

把一个扁平线圈置于金属导体附近，在线圈中通入电流正弦交变电流I1，则线圈的周维空间

产生正弦交变磁场H1，处于该磁场中的金属导体就会产生涡流I2，该涡流产生交变磁场H2.

由于H2的作用，涡流要消耗一部分能量，因此使线圈阻抗Z发生变化。

同时，引起了线圈

电感L和线圈品质因数Q的变化。

我们就可以选择ZLQ中的任意一个参数，将其转换成电量

的变化进行测量。

与之变化相关的有：

金属导体的电导率、磁导率、线圈和金属导体的距离、

激励电流的角频率等等。

6、涡流分布

涡流只存在于金属导体的表面薄层内，在径向只有一个有限的范围内存在涡流。

涡流分

布是不均匀的，在线圈外径处，涡流密度最大。

三、感应同步器

1、原理

利用两平面绕组的互感随位置不同而变化来工作。

（交变磁场、互感原理）可以用来测量直

线和转角的位移。

2、类型：

长感应同步器（测直线位移）、圆感应同步器测转角位移

3、结构：

（1）长感应同步器由定尺和转尺组成：

定尺连续绕组

（2）圆感应同步器由转子和定子组成：

转子连续绕组

4、工作原理P63：

（1）工作时，在其中一组绕组上通以交流激磁电压，由于磁电耦合，在另一组上面会产生

感应电动势，该电动势随二者相对位置不同呈正弦余弦变化，我们对此信号检测处理即可。

（2）磁通在任意空间分布近似矩形波，而且他的幅值则按照激磁电流的瞬时值以正弦的方

式变化，这种空间位置固定，大小随时间变化的磁场称为脉振磁场

四、三大传感器的应用例子掌握

1、电感传感器有哪些

典型应用？

可测位移、压力、加速度等。

自动测厚仪、在位球度测量、电感测微移、电

感式压力传感器、

2、涡流式传感器的应用：

可以进行非接触式策略，可以检测物质的属性。

四个方面的应用：

1.利用位移x作为变换量，做成位移、厚度、振幅、振摆、转速传感器及接近开关、计数

器等。

2.利用材料电阻率ρ作为变换量，做成温度、材质判别等传感器。

3.利用导磁率μ作为变换量，做成应力、硬度等传感器。

4.利用变换量x、ρ、μ的综合影响，做成探伤装置。

但是难以识别主要因素，等效阻

抗是综合影响的结果。

3、感应同步器的应用：

测直线位移或者角位移。

测量范围大，精度高，可以输出数字结果

第三章电容式传感器

一、工作原理

两平行极板构成的电容器，在忽略边缘效应时，其电容量为

C=εS/δ＝（εrε0S）/δ

式中某一项或几项参数变化，C就随之变化。

其中：

S为极板相对覆盖面积。

δ极板间的距离。

Εr相对介电常数ε0真空介电常数。

Ε电

容极板间介质的介电常数。

二、分类

电容式传感器可分为三种基本类型：

变极距型、变面积型、变介电常数型

极板形状有：

平板形、圆板形、圆柱形、球面形、锯齿形等。

1、变极距型：

存在原理非线性，实际常用差动式改善非线性。

2、变面积型电容传感器：

圆柱形结构受到极板径向变化影响很小，成为实际中常采用的结

构。

变面积型电容传感器具有良好的线性。

3、变介电常数型电容传感器：

多用于测量电介质的厚度，液位。

还可以根据极板之间的介

质的介电常数随着温度、湿度的改变，来测量介质的温度湿度。

电极板最好涂有绝缘层

4、差动结构单边结构

三、转换电路

1、二极管双T型电路P71

特点：

线路简单、要求电源周期和幅值高度稳定、输出阻抗与电容无关、适用于具有线性特

性的单阻式差动式电容式传感器。

2、运算放大器式电路

特点：

能够克服变极距式的非线性，输出电压和电容极板之间的距离呈线性关系，输出电压

和电源电压反相。

3、差动脉冲调宽电路

利用对传感器电容的充放电是电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。

我们改变电容大小即可。

输出的是直流电压输入为直流电源。

适用于任何差动是电容式传感器，并具有理论上的线性特性（差动变压器式电容电桥、二极

管环形检波电路也有线性）。

四、优化设计P77

1、减小环境温度湿度变化产生的影响

2、消除和减小边缘效应

危害：

降低灵敏度、产生非线性

消除和减小方法：

适当减小极间距，使极径或边长与间距比很大

电极做得很薄，使之与极间距相比很小

在结构上增设等位环

3、减小和消除寄生电容的影响屏蔽集成化。

影响传感器的灵敏度影响传感器的精度

采用方法：

⑴增加传感器原始电容值（减小δ，增加S）

⑵注意传感器的接地和屏蔽（用短电缆线）

⑶集成化（环境适应性降低）

⑷采用“驱动电缆”技术

⑸采用运算放大器法

⑹整体屏蔽

4、减小和防止外界干扰

⑴屏蔽和接地

⑵增加原始电容量，降低容抗

⑶导线间的分布电容有静电感应，因此导线和导线之间要离得远，线尽量短，成直角排列

⑷尽可能一点接地，避免多点接地，地线要粗

5、尽量采用差动式电容传感器

五、容栅式传感器

1、原理：

原理上属于变面积型电容传感器

由定栅和动栅组对成，根据位移变化，形成差动电容器C1和C2。

通过将电容板刻成栅状提

高测量精度，也可进行大位移测量。

仍然采用差动是变压器的电路，但是由于通过将电容版刻成栅状，提高了测量精度，实现大

位移测量。

解决了电容式位移传感器的高精度小量程的矛盾。

2、优点：

采用多极平均效应，高精度。

结构简单体积小，适用于工业现场使用。

长距离测

量。

六、应用

1、电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可

变参数的电容器。

2、优点：

结构简单、动态响应快、易实现非接触测量

缺点：

易受干扰、分布电容影响大

3、应用：

压力、位移、加速度、液位、厚度、成分含量等测量

应用场合：

直线位移、角位移

振动振幅、精密轴系回转精度、加速度

压力、压差、液位、料面、成分含量、厚度、湿度、密度等

接近开关，电平开关

4、应用实例：

电容式液位传感器、电容传声器、电容式振动传感器、电容式厚度传感器、

电容式加速度传感器

第四章磁电式传感器

一、霍尔式传感器

1、霍尔效应：

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动

势，这种物理现象称为霍尔效应。

2、霍尔式传感器是基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。

优点：

结构简单、体积小、坚固、频率相应宽、动态范围大、无触点、使用寿命长、可靠性

高、易于微型化和集成电路化。

缺点：

转换效率较低、温度影响大。

应用：

测量技术、自动化技术、信息处理

二、霍尔元件的零位误差及其补偿。

当B=0时，Uh=U0不等于0

零位误差（包括不等位电动势、寄生直流电动势）、温度误差

1、不等位电动势及其补偿

当霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势，称为不

等位电动势。

产生原因：

制造工艺不能使两电极点位于同一等位面上

等位面歪斜，使两霍尔电极不在同一等位面上

补偿措施：

工艺上采取措施

采用补偿电路，加调节电阻

2、寄生直流电动势

当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直

流电动势分量，称为寄生直流电动势。

产生原因：

两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应

两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差

补偿措施：

制作、安装时，使电极欧姆接触，散热均匀，有良好的散热条件

3、霍尔元件的温度误差及其补偿

半导体材料的电阻率、迁移率、载流子浓度等都随温度而变化。

霍尔元件由半导体材料制成，

因此其性能参数（输入和输出电阻、霍尔常数等）也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，

产生温度误差。

补偿措施：

选用温度系数较小的材料

01、采用恒流源供电和输入回路并联电阻

02、选取合适的串联、并联、负载电阻的阻值

03、桥路补偿

04、采用温度补偿元件（热敏电阻等）

三、应用

1、霍尔传感器：

霍尔式位移传感器、霍尔式压力传感器。

应用：

测量技术、自动化技术、

信息处理。

其为是一种磁传感器和磁电转换原件，检测磁场及其变化，与各种磁场相关的场

合都可以使用。

实例：

开关电路、测位移速度、齿轮检查、ABS汽车防抱死系统、霍尔电子

罗盘

2、磁栅式传感器：

精度较低易受影响。

用于各种机床、回转台、检测仪器

四、磁栅式传感器属于位移传感器

原理：

类似于录音带的原理，把周期性的电信号以录磁的方式记录在磁性介质上，通过磁头

读出该信号，当磁头与磁性介质发生相对位移时，完成位移信号到电信号的转变。

第五章光电式传感器

一、光源

P121

1、热辐射光源。

物体升温产生光辐射温度越高，波长越短，辐射能量越大。

白炽灯、卤钨

灯。

2、气体放电光源：

电流通过置于气体中的两个电极时，两电极之间会放电发光。

光谱不连

续

3、发光二极管LED：

固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，是将电能直

接转化为光能的过程。

4、激光光源：

高能粒子集中跃迁到低能能级上，发射出与一定频率的光子。

可以分成固体

激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器等等。

具有单色性好、方向性强、亮度高、

相干性好

5、如何选光源；光谱的分布、经验性、

二、光电器件

1、热探测器

基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器——光的热作用。

（1）测辐射热电偶

与常规热电偶相似，只是在一个电偶的接头上图上光吸收涂层，可造成温差电动势，进行测

量

（2）测辐射热敏电阻

用热敏电阻代替热电偶，当有光照时，引起温度变化，然后热敏电阻转化为阻值变化。

（3）热释电探测器

敏感部分是一种铁电材料，其分子正负电荷中心不重合，呈现电偶极距。

当有光照时，电偶

极距的有序排列会有所减弱，表现为表面电荷减少，相当于释放电荷，转变成输出电压。

应

用广泛。

2、光子探测器

（1）光电发射效应——光电发射探测器

光线作用下，电子逸出物体表面，称为外光电效应。

主要器件：

真空光电管、光电倍增管、

辐射计数管。

（2）光电导型——光敏电阻、光导管

半导体材料在光线作用下，其电阻值往往变小，称为光导效应，是基于某些半导体的内光电

效应。

（3）光电结型——光敏二极管、光敏晶体管

工作原理类似于光电导型，差别在于光照在半导体结上。

（4）光电伏特型——光电池

光电伏特型器件是自发电。

即这种半导体受到光照会产生一定方向的电动势，而不需要外部

电源。

因光照而产生电动势的现象称为光电伏特效应。

三、CCD工作过程结构应用要求P133

1、组成：

具有自扫描功能的图像传感器，是MOS光敏单元和读出移位寄存器的结合。

2、应用：

广播电视、工业监控、测量。

尺寸工件的检测、物体缺陷检查、

四、PSD的原理应用P137

1、定义：

对其感光面上入射光点位置敏感的器件，也叫坐标光电池。

有一维和二维的PSD

两种。

2、原理：

PSD一般为PIN结构，底层上表面有两片均匀的P层和N层电阻层，，在P和N之

间灌注离子产生I层，即为本征层，P曾两端有输出级I1和I2，在N层有输入级I0。

当具

有一定强度的光照射到I层时，光点附近产生电子空穴对，在PN结电厂的作用下，空穴进

入P区，电子进入N区。

由于P区杂质浓度相对较高，空穴迅速沿着P区表面项两侧扩散，

最终导致P层空穴横向方向浓度呈梯度变化，这是，同一层面上不同位置呈现一定的电位差，

该现象为横向光电效应。

PSD通常工作在反向偏压状态，3接正电压，输出级I1和I2分别接地，I0与入射光强度成

正比，流经I1、I2的电流与入射光的强度和入射光的位置有关，由于P为均匀的电阻层，

则I1、I2的大小与光电到电极的距离成反比。

I0=I1+I2

3、应用：

坐标位置的精确测量、兵器制导跟踪、工业自动控制、位置变化检测，也可作为

距离传感器

五、光电传感器

1、光纤传感器原理：

全反射。

光纤不仅作为光传播的波导，还有测量功能。

因为光纤是电光材料，又是磁光材料，所以可

以利用法拉第效应等制成测量强电流、高电压的传感器；或者可以利用光纤的传输特性，把

输入量变成调制的光信号。

因为表征光波特性的参量，如振幅相位偏振态会随着环境而改变。

2、分类：

仅解调成光强才可以测光的相位，应用干涉原理；调制参数有谁？

（1）光强度调制型

A、原理：

被测量通过影响光纤的内全反射，实现对于输出光束的调制。

B、调制：

改变光纤的几何形状--改变入射角φ；改变折射率

C、应用：

力、位移、压强。

温度等等

（2）光相位调制型

A、原理：

所有可以影响光纤长度、折射率、内应力的量都可以影响光的相位。

比如：

压力

应变温度磁场。

采用干涉仪检验相位的变化

B、相位调制光纤传感器的基本原理是：

通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位

发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。

C、目前的各类光探测器都不能敏感光的相位变化，必须采用干涉测量技术，才能实现对外

界物理量的检测。

D、常用的干涉仪有四种：

迈克尔逊（Michlson）、马赫-琴特（Mach-Zehnder）、萨古纳克

（Sagnac）、法布里-珀罗（Fabry-perot）。

（3）光偏振态调制型

A、定义：

外界因素使光纤中偏振态发生改变，并加以检测的光纤传感器属于偏振态调制型。

B、原理：

激光器中的偏振光进入光纤后，光纤绕着大电流导体N圈，在电流产生的磁场的

作用下，光会发生偏振面的偏转，其旋转角度与N圈光纤的线积分成正比。

即为：

当N确定

后，偏转角度只与导体中的电流大小成正比，与缠绕的大小形状位置无关。

C、应用：

根据磁旋效应做成的高压传输线用光纤电流传感器。

3、光栅传感器

（1）定义：

利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量的光栅称为计量光栅。

（2）莫尔条纹的形成：

莫尔条纹的形成可以近似看成由光栅重叠形成的光学图案，互相挡

光。

（3）莫尔条纹的特性：

运动对应关系、位移放大作用、误差平均效应

a、莫尔条纹的移动量和移动方向与光栅的相对移动量和移动方向有严格的对应关系。

b、调整光栅的夹角θ，皆可以调整放大倍数1/θ.

c、莫尔条纹是由大量的栅线组成，对光栅的刻画误差有平均作用，很大程度消除了局部误

差，提高精度。

（4）怎么样制造光栅传感器：

光源+光栅+传感器=光栅传感器

编者注：

章节顺序相对于《传感器第四版》有所不同，但内容完全相同。

重耳