2013下传感器与检测技术复习

传感器与检测技术复习提纲传感器与检测技术复习提纲一、一、传感器的基本概念传感器的基本概念1 1、传感器的定义、地位、作用和发展方向。传感器的定义：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有对应关系的、便于应用的某些物理量的测量装置。传感器的作用：传感器是获取自然领域中信息的主要手段，在检测和自动控制系统中，相当于人的五官。传感器的地位：传感器位于自控系统的最前端，是实现自动检测和自动控制的首要环节，是现代信息技术的三大基础之一（即信息采集技术）。自动化程度越高，对传感器的依赖越大；检测系统越先进，设备的生命力越强传感器技术是“顶天立地”的技术，是社会技术进步的标志。检测与转换技术：它是一门以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换、信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。2、了解传感器的分类：电量传感器、电参数传感器3 3、传感器的基本特性静特性：线性度（要求掌握端基线性度的拟和直线）、迟滞、重复性、灵敏度等动特性4 4、测量误差的概念和分类P4 掌握测量技术中的部分名词测量误差，按表示方法可被分为绝对误差、相对误差，重点要求掌握绝对误差、各种相对误差的基本概念和用法。应用见作业题。例：传感器 A 测温范围 01000C,精度为 1 级,问其测 200C,500C,800C 时的示值相对误差分别为多少?结论?另外,如有传感器 B 的测温范围 505500C,精度为 0.5 级,如要求测温 50900C,误差不超过 10C,应选择何种传感器?如果要量 02000C，要求测量示值相对误差不大于 1%,问选用量程为 3000C 测温表,其精度应为哪一级?要求掌握系统误差、随机误差的基本概念及与准确度、精密度、精确度的关系。四、电阻应变传感器四、电阻应变传感器1、概念：电阻应变计是将被测量的力（压力、荷重、扭力等）通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。它是由电阻应变片和测量线路两部分组成。2、特点：参量类外加物理量引起参数变化（R、L、C），属无源式。3、电阻丝的应变效应：R(1 2)l kRl R3 R2 R4U R1UU0()(k1 k2 k3 k4)4R1R2R3R44重点掌握四个电阻相等情况下：四个电阻相等情况下：单臂、差动 和全桥的测量方法、测量特点及相关计算（重点：实验内容实验内容，电桥平衡时对边电阻相乘相等）为了提高输出电压，也可在每个桥臂串联多个应变电阻，此时要注意输出随串联的电阻个数成比例增加。提高电桥输出灵敏度的方法。4、了解半导体应变片的特点并与电阻丝的应变片进行比较（灵敏系数、温度稳定性）5、结构：将电阻应变片贴在受力的弹性元件上，就可以分别做成测力、位移、加速度等参数的传感。附作业：1）一应变电阻 R=120，K=2，用作 800m/m 的传感器元件，求R，R/R。若用电桥测量电路，试画出相关测量电路,如电桥电源 U=4V，求相应的输出 U0。如应变片所受应力减少，使相应的输出 U0 降至 1mV，求此时的应变值。如四片均为应变电阻，应该怎样贴在受力结构上？五、温度传感器五、温度传感器1、热电阻传感器：特点：测温精度较高，范围广，稳定性、重复性好，特别适于测低温。但热惯性大，灵敏度低。1测温电路：用电桥作为传感器的测量电路，工业上用的铂电阻的引线为三根，目的是消除连接线电阻的影响。2、热敏电阻分类：NTC：具有负温度系数，阻值随温度升高而下降；PTC：具有正温度系数，阻值随温度升高而升高。NTC 与 PTC 均有突变型与缓变型，但 NTC 以缓变型多，PTC 以突变型多。一般选择 NTC 突变型为温度开关，性能较好。3、热电偶传感器掌握热电偶测温的基本原理，理解热电偶回路的几点结论和几个定律。重点掌握热电偶冷端的温度补偿的意义和方法：热电偶冷端温度恒温法、计算修正法、补偿导线法（将热电偶冷端延长到远离高温区的地方）和冷端补偿例如补偿电桥法等。复习热电偶实验的各个环节，学会温度补偿的计算。T2T1T2补偿导线TnTnmV冷端：Tn测温点：T1T2 为补偿导线连接点的温度E(t1,t0)E(t1,tn)E(tn,t0).六、电感传感器六、电感传感器1、自感和互感传感器概述：定义：电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或互感的变化来测量的装置。特点：结构简单、可靠，输出功率高，分辨力与灵敏高,，线性较好，稳定，抗干扰能力强。但频率响应低，不宜进行快速动态测量。1）自感传感器：了解其工作原理，重点了解和掌握差动自感传感器原理、组成及特点（抗干扰能力强，灵敏度提高一倍，线性好，精度及特性变好，电磁吸力对测量力的影响相互抵消）。按结构可分为变隙式、变面积式和螺线管式。2）差动变压器差动变压器是一种互感传感器，了解其工作原理与其测量电路的构成，按结构可分为变隙式、变面积式和螺线管式2、涡流传感器,x)）了解其测量原理（反射电阻与反射电感Z f(,掌握其特点：动态响应好，灵敏度高。主要测量位移、厚度、振动以及探伤等。可用于非接触测量。涡流传感器可制成应用广泛的接近开关。接近开关（电涡流式传感器）：它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的位移。电涡流式传感器还可测偏心和振动、厚度等。掌握以上传感器的各种测量电路（如相敏整流电路等）。七、电容传感器七、电容传感器1、了解电容传感器的工作原理2、分类：重点掌握极距变化型、面积变化型、介质变化型。面积变化型：可测位移、尺寸。特点：线性，灵敏度低，只可测cm 级。极距变化型：特点：非线性，C=f（x）是一个双曲线函数，但容抗Zc=f（x）呈线性关系。可测量微米级的位移。3 3、重点掌握、重点掌握测量电路：电桥、脉宽调制电路（原理和输出）4、电容的特点：加云母片提高电容传感器的灵敏度，电容传感器的静电力较小，结构简单，温度稳定性好，可非接触测量；寄生电容影响大，抗干扰问题。八、光电传感器八、光电传感器掌握光电效应的分类、原理和相应的典型器件。2光电效应分为两类：第一类是外光电效，即在光线作用下光电子逸出物体表面,这类元件有光电管、光电倍增管。光电倍增管由光电阴极、倍增极和阳极等三部分组成；第二类是内光电效应，内光电效应又分为使材料内部电阻率改变和使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光敏电阻和光电池。1、光电池：光生伏特效应（势垒效应（结光电效应）：入射光照射在 PN 结上时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度 Eg 时，则在 PN 结内产生电子空穴对，它们的移动使PN 结产生电势。特点：频率特性好，转换效率高，频谱宽，稳定性好。短路电流（测量用）：线性，负载电阻小好；开路电压：非线性。2、光敏电阻：光电导效应：光照在物体上，使其电阻率发生变化的效应。即电子吸收光能后，从键合状态过度到自由状态，从而引起电导率的变化。主要参数：暗电阻：不受光照射时的电阻（大好）；亮电阻：受光照射时的电阻（小好）暗电流：对应暗电阻的电流（小好）；亮电流：对应亮电阻的电流（大好）光电流：亮电流-暗电流（大好）特点：灵敏度高（光照后阻值急剧下降），光谱特性好，使用寿命长，稳定，体积小。但频率低，非线性，宜用作开关量。3、光敏二极管原理：入射光照射在PN 结上时在 PN 结内产生电子空穴对，在内电场作用下定向运动形成光电流。在测量电路中反向接入：照射光I光敏二极管处于导通状态，光照停止，光敏二极管处于截止状态；正向电阻：类似普通二极管；反向电阻：，随光照变化。4、光敏三极管原理：入射光照射在PN 结上时在 PN 结内产生电子空穴对，在内电场作用下定向运动形成光电流。光照发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流，其集电极电流是它的倍。光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。5、应用将被测量的变化转变为光信号的变化,具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反映快等优点，应用广泛。可用于非接触测量。采用光电元件作为检测元件的传感器，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换为电信号。1）模拟量光电传感器检测系统：辐射式、吸收式、反射式、遮光式；2）开关量光电传感器检测系统：如光电偶合器构成的测速电路（如实验所做的光电测速）九、位移九、位移-数字传感器数字传感器特点：大量程，高精度，高分辨率，抗干扰能力强，稳定性好，易于与计算机接口。分类：角度数字编码器、光栅传感器1、角度数字编码器码盘式编码器（绝对编码器）：了解四位二进制码盘接触式码盘的原理和提高精度的方法。分辨率：n 位二进制码盘1=360o/2n，其最外圈的角节距为21。脉冲盘式编码器（增量编码器）：即光电编码器。精度取决于码盘本身的精度，分辨率取决于每转的脉冲数。无论正、反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量。非接触式。2、栅式数字传感器1）计量光栅：利用莫尔（Moire）现象，主要用于测量长度、角度、v、a、震动等。栅尺：尺面刻有排列规则、形状规则、平行的刻线，透明（白）、不透明（黑）。标尺光栅：主光栅，长度由测量范围定，不移动；3指示光栅：移动，需有足够长以获得足够的莫尔条纹区。2）莫尔条纹：两块栅尺面对面相迭合，并使两块栅线形成很小的夹角，由此出现的明暗相间的条纹。莫尔条纹两个亮条纹之间的宽度既为其间距w。3）重点：莫尔条纹的转换特点：BH=w/当很小时 BH对 w 有几百倍的放大作用（w为光栅距）。栅距w=刻线/mm,分辨力的概念和计算分辨力=w/N（N为光敏元件数）栅尺移动一个 w，莫尔条纹移动一个BH；栅尺移动的方向与莫尔条纹移动的方向相对应。4）光栅传感器组成：光栅传感器由光源、透镜、光栅副和光电接收元件组成。（光栅副：标尺光栅与指示光栅）；光电元件输出信号的周期数与移过的栅距数相等。如果有电子细分，应结合电子细分数考虑元件输出信号的周期数与移过的栅距数的关系。5）电子细分电子细分就是通过倍频、插补等方法，在信号的一个周期内插入许多计数脉冲，以提高信号的重复频率；电子细分的目的是提高分辨率。6）光栅测量的特点高精度：0.2-0.4m/m，仅次于激光；高分辨率：0.1m；大量程：可大于1 米；抗干扰能力强，可实现动态测量。可测量能变为位移的物理量（如震动、应力、应变等）。十一、光钎传感器：十一、光钎传感器：（不考）（不考）掌握光导纤维的结构和导光原理、数值孔径等参数十二、霍尔传感器十二、霍尔传感器：霍尔传感器基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出的一种传感器。重点掌握霍尔传感器的工作原理UHRHIBd特点：虽然其转换效率低，温度影响大，但简单、体积小、频率响应宽（从直流到微波）、可靠性高、易于集成化。温度误差及补偿：KH KH（01T）采用恒流供电可减少温度漂移。可采用电气调零的方法减小霍尔元件的输出不等位电势。但实际过程中可能不能完全调零，是因为仅仅通过调节电桥补偿了不等位电势，还有其它附加电动势（如 PN 结电势），这些附加电动势不能补偿修正。重点掌握霍尔传感器的各类应用，如实验测位移，图见上。可用于非接触测量。根据霍尔效应，用半导体材料制成霍尔元件，可测量磁场（例如：高斯计）、转速（霍尔转速表）十三、压电传感器十三、压电传感器1、原理压电效应：沿某些电介质的一定方向施加力而使之变形时，内部产生极化现象，两个表面产生符号相反的电荷，去掉外力后复原。逆压电效应：在介质的极化方向施加（交变）电场，它会产生机械变形，取掉外加电场后变形消失。2、石英晶体的压电特性41）结构：单晶体，六角形晶柱Z 轴：3，纵向轴，光轴，无压电效应；X 轴：1，经过正六面体棱线，垂直于光轴，电轴（纵向压电效应）Y 轴：2，垂直于 X、Z 轴，机械轴（横向压电效应）2、计算dmnm产生电荷的面的轴向；n施加作用力的轴向1）压电晶体切片在 X 方向受压缩力x 作用，产生厚度变形：与尺寸无关。2）沿 y 方向施加力 Fy，产生长度变形：与尺寸相关由于：d11=-d12（各向异性）3）沿 Z 轴方向施加力，无变形，无极化。4）无体积变形，无极化。3、压电传感器的等效电路Ua=q/Ca1）电荷源：内部的电荷发生器对C 充电；2）电压源：产生的电荷形成电压源，对外供电时需通过对等效电容充