《传感器技术》概念知识复习汇总.docx

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《传感器技术》概念知识复习汇总

传感器技术复习纲要

第0章绪论

传感器作为整个检测系统的前哨，它提取信息的准确与否直接决定着整个检测系统的精度。

人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对某一事物的存在与否作定性了解，有时需要进行大量的实验测量以确定对象的量值的确切数据，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种仪器设备就是传感器。

传感器是人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。

表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。

电量——一般是指物理学中的电学量，例如电压、电流、电阻、电容及电感等；

非电量——则是指除电量之外的一些参数，例如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度及酸碱度等等。

非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。

传感器处于研究对象或检测控制系统的最前端，是感知、获取与检测各种信息的窗口，它的作用是延伸、扩展、补充或代替人的听觉、视觉和触觉等器官的功能。

它是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以生存和发展的物质与技术基础。

传感器定义：

能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

敏感元件：

它是直接感受被测量，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：

敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。

在图中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。

基本转换电路：

上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。

传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。

敏感元件的输出就是转换元件的输入，敏感元件把输入转换成电路参量。

传感器的分类

传感器的种类十分繁多，其分类方法也很多。

首先，按照传感器的工作机理，可分为物理型、化学型、生物型等。

其次，按构成原理，可分为结构型和物性型两大类。

结构型传感器是利用物理学中场的定律构成，如力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。

物性型传感器是利用物质定律构成，例如，虎克定律、欧姆定律等。

仪表的精度等级是用仪表的绝对误差来表示的。

第1章传感器的一般特性

静态输入量:

不随时间变化或变化很慢的输入信号。

动态输入量:

是指随时间变化的输入信号。

传感器的静态特性:

在被测量的各个值处于稳定状态时，输入量与输出量之间的关系。

通常要求传感器在静态情况下的输出-输入关系保持线性。

实际应用中，若非线性项的次数不高，则在输入量变化不大的范围内，用切线或割线代替实际的静态特性曲线的某一段，使传感器的静态特性近似于线性，这称为传感器静态特性的线性化。

传感器的动态特性：

传感器的动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性，传感器所检测的非电量信号大多数是时间的函数。

为了使传感器输出信号和输入信号随时间的变化曲线一致或相近，我们要求传感器不仅有良好的静态特性，而且还应具有良好的动态特性。

传感器的动态特性是传感器的输出值能够真实地再现变化着的输入量能力的反映。

线性度和非线性误差

传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。

传感器的差动测量方法的优点是减小了非线性误差、提高了测量灵敏度。

从传感器的性能看，希望具有线性关系，但实际遇到的传感器大多为非线性，这时传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示

线性度（非线性误差）

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，就称为非线性误差或线性度，通常用相对误差来表示，即

常用拟合方法

①理论拟合；②过零旋转拟合；③端点连线拟合；④端点连线平移拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合等。

灵敏度：

到达稳定工作状态时输出变化量与引起该变化的输入变化量之比。

其计算方法为K=输出变化量/输入变化量=

精度

传感器的精度表示传感器在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分比。

迟滞

迟滞是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程输出值间的最大偏差，迟滞误差的另一名称叫回程误差。

重复性

重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性，重复性所反映的是测量结果偶然误差的大小，而不表示与真值之间的差别。

零点漂移

零点漂移:

传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值），即为零点漂移（简称零漂）。

温漂

温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。

第2章电阻应变式传感器

应变

物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。

弹性应变

当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变。

弹性元件

具有弹性应变特性的物体。

电阻应变式传感器：

就是由于某些物理量的变化引起应变，应变引起电阻变化的一种传感器。

主要是由弹性敏感元件和电阻应变片组成。

电阻应变式传感器工作原理：

当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。

输出的电量大小反映被测量的大小。

全桥差动电路的电压灵敏度比单一工作应变片的电压灵敏度提高了3倍，全桥差动电路也得到广泛的应用。

电阻应变片的横向效应：

应变片的敏感栅除了有纵向丝栅外，还有圆弧形和直线型的横栅。

当电阻应变片粘贴在一维状态下的试件上时，应变片的纵向丝栅因发生纵向应变，使其电阻值增加，而应变片的横栅同时感受纵向拉应变和横向压应变使其电阻值减小，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度。

这就是应变片的横向效应。

金属箔应变片的灵敏度系数与金属丝应变片灵敏度系数不同点是金属应变片的灵敏度系数与金属丝应变片灵敏度系数不同，金属丝应变片由于由金属丝弯折而成，具有横向效应，使其灵敏度小于金属箔应变片的灵敏度。

电阻应变式传感器结构：

应变式传感器由弹性元件（敏感元件）上粘贴电阻应变片（转换元件）构成。

半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。

半导体材料的压阻效应是半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。

电阻应变式传感器应用：

广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。

金属材料的应变效应是指金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。

采用应变片进行测量时要进行温度补偿的原因是

（1）金属的电阻本身具有热效应，从而使其产生附加的热应变；

（2）基底材料、应变片、粘接剂、盖板等都存在随温度增加而长度应变的线膨胀效应，若它们各自的线膨胀系数不同，就会引起附加的由线膨胀引起的应变。

第3章电容式传感器

电容式传感器可以分为三种类型：

改变极板距离d的变间隙型、改变极板面积A的变面积型和改变介质相对介电常数的变介电常数型。

其中极距变化型和面积变化型应用较广。

圆柱型电容传感器是采用当动极板有一线位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化。

移动电容式传感器动极板，导致两极板有效覆盖面积A发生变化的同时，将导致电容量变化，传感器电容改变量ΔC与动极板水平位移成线性关系。

第4章电感式传感器

电感式传感器：

利用电磁感应原理，将被测非电量转换成线圈自感系数或互感系数的变化，将被测的机械性的非电量变化转换成线圈电感（或互感）的变化。

电感式传感器可分为自感式传感器、差动变压式传感器和电涡流传感器三种类型。

电感式传感器一般将机械线位移或角位移转换为感应电动势。

差动电感式传感器在结构上类似两个简单的变气隙型电感式传感器的组合，而只共用一个可动铁心。

差动形式工作时其电桥电路常采用双臂工作方式。

两个差动线圈Z1和Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。

与差动变压器传感器配用的测量电路中，常用的有两种:

差动整流电路和相敏检波电路。

变隙式差动变压器传感器的主要问题是灵敏度与测量范围的矛盾。

这点限制了它的使用，仅适用于微小位移的测量。

螺管型电感式传感器的电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。

电涡流式传感器的工作原理：

根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，称之为电涡流或涡流，这种现象称为涡流效应。

电涡流传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗的变化或电感的变化从而进行非电量电测的。

电涡流传感器的测量电路主要有调频式和调幅式两种。

交流电桥相敏检波原理及作用（电路）

第5章压电式传感器

正压电效应：

某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。

这种现象称压电效应。

当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。

（什么是逆压电效应？

）

压电式传感器的前置放大器有两个作用：

一是将压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；二是放大压电式传感器输出的弱信号。

压电式传感器的前置放大器两大作用是进行阻抗变换和放大信号。

压电式传感器的等效电路：

电压等效电路和电荷等效电路。

第6章热电式传感器

热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置，将温度变化转换为电动势变化的热电式传感器称为热电偶，将温度变化转换为电阻值变化的热电式传感器称为热电阻。

热电偶测温原理：

将两种不同材料的导体，组成一个闭合回路。

如果两端点的温度不同，则在两者间产生一电动势，这个电势的大小和方向与两种导体的性质和两个结点温度差有关，这一温度现象称为热电效应，有时也称温差电效应。

由两种导体组成的回路叫热电偶。

热电偶所产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。

特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。

热电偶的基本定律：

中间导体定律，标准电极定律和中间温度定律。

热电偶的冷端温度误差及其补偿：

0℃恒温法，冷端补偿器法。

常用热电偶的举例：

测控应用。

补偿导线法常用作热电偶的冷端温度补偿，它的理论依据是中间温度定律。

常用的热电式传感元件有热电偶和热敏电阻。

在各种热电式传感器中，最为普遍是以将温度转换为电势或电阻变化。

热电偶是将温度变化转换为电势的测温元件，热电阻和热敏电阻是将温度转换为电阻变化的测温元件。

第7章磁传感器

霍尔效应：

置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场的方向上的两个面之间产生电动势。

霍尔元件的主要特征：

不等位电动势U0

霍尔元件的补偿电路：

温度补偿电路。

霍尔开关集成传感器主要有稳定电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。

霍尔线性集成传感器双端输出的作用：

可提供差动射极跟随输出，以及输出失调调零。

第8章光电式传感器

光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器，其理论基础是光电效应。

外光电效应：

在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。

通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为几大类。

第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的外光电效应，这类元件有光电管、光电倍增；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应，这类元件有光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。

内光电效应：

在光照下，物体的电导率发生变化或产生一定方向光生电动势的现象，称为内光电效应。

光电导效应：

当光照射在物体上，使物体的电导率（1/R）或电阻率发生变化的现象。

二、选择题

1、随着人们对各项产品技术含量要求的不断提高，传感器也朝向智能化方面发展。

其中，典型的传感器智能化结构模式是（　）。

A、传感器+通信技术　　　B、传感器+微处理器

C、传感器+多媒体技术　　D、传感器+计算机

2、传感器主要完成两方面的功能检测和（　）。

A、测量　　B、感知　　C、信号调节　　D、转换

3、传感器的下列指标全部属于静态特性的是（　）。

A、线性度、灵敏度、阻尼系数

B、幅频特性、相频特性、稳态误差

C、迟滞、重复性、漂移

D、精度、时间常数、重复性

4、传感器的下列指标全部属于动态特性的是（　）。

A、迟滞、灵敏度、阻尼系数

B、幅频特性、相频特性

C、重复性、漂移

D、精度、时间常数、重复性

5、由（　）、应变片以及一些附件（补偿元件、保护罩等）组成的装置称为应变式传感器。

A、弹性元件　B、调理电路　　C、信号采集电路　D、敏感元件

6、100Ω的应变片在外力作用（ε＝0.005）下，电阻变化了1Ω，则该应变片的灵敏系数K为（　　）。

A、2　　B、1.5　　C、2.5　　D、4

7、电阻应变片的线路温度补偿方法有（　　　）。

A、差动电桥补偿法　　B、补偿块粘贴补偿应变片电桥补偿法

C、补偿线圈补偿法　　D、恒流源温度补偿电路法

8、交流电桥的平衡条件为（　　）。

A、相邻桥臂阻抗值乘积相等　　　B、相对桥臂阻抗值乘积相等

C、相对桥臂阻抗值比值相等　　　D、相邻桥臂阻抗值之和相等

9、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（　）。

A、灵敏度增加　B、灵敏度减小　C、非线性误差增加　D、非线性误差不变

10、下列说法正确的是（　）。

A、差动整流电路可以消除零点残余电压，但不能判断衔铁的位置。

B、差动整流电路可以判断衔铁的位置和运动方向。

C、相敏检波电路可以判断位移的大小，但不能判断位移的方向。

D、相敏检波电路可以判断位移的大小和位移的方向

11、对变压器式电感传感器而言，要使非线性误差减小，应该使两个副线圈（　　）。

A、正向串联；B、反向串联；C、正向并联；D、反向并联。

12、电涡流式传感器有如下何种工作形式（　　）。

A、高频反射式；B、低频透射式；C、直流反射式；D、直接接触式。

13、对石英晶体，下列说法正确的是（　）。

A、沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生

B、沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生

C、沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有电荷产生

D、沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生

14、图中x0切型的压电片上电荷的极性相同的是（　　　）。

A、（a）和（b）　B、（a）和（c）C、（a）和（d）D、（c）和（d）

15、在运算放大器放大倍数很大时，压电传感器输入电路中的电荷放大器的输出电压与（　　）成正比。

A、输入电荷　　B、反馈电容　　C、电缆电容　　D、放大倍数

16、压电式传感器不能用于静态力的测量，是因为（　　）。

A、静态的力不能产生压电效应；　　　B、压电晶体的压电效应丧失了；

C、因为后继放大电路的输入阻抗太大了；

D、因为产生的电荷通过后继放大电路放电了。

17、热电偶的最基本组成部分是（）。

A、热电极B、保护管　C、绝缘管D、接线盒

18、为了减小热电偶测温时的测量误差，需要进行的温度补偿方法不包括（　）。

A、补偿导线法　B、电桥补偿法　C、冷端恒温法　D、差动放大法

19、在实际的热电偶测温应用中，引用测量仪表而不影响测量结果是利用了热电偶的哪个基本定律（　）。

A、中间导体定律　B、中间温度定律　　C、标准电极定律　D、均质导体定律

20、要形成测温热电偶的下列哪个条件可以不要（　　）。

A、必须使用两种不同的金属材料；B、热电偶的两端温度必须不同；

C、热电偶的冷端温度一定要是零；D、热电偶的冷端温度没有固定要求

21、在使用霍尔片时，减小霍尔片不等位电势通常最行之有效采用的方法是（　　）。

A、机械修磨；B、化学腐蚀；C、补偿网络进行补偿；D、无法解决。

22、下列光电器件中，基于光电导效应工作的是（　　）。

A、光电管　　B、光敏电阻　C、光电倍增管　　D、光电池

23、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（　）。

A、伏安特性　B、光照特性　C、光谱特性　D、频率特性