上海海事大学检测技术与传感器复习整理.docx
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第一章
1.1传感器与检测技术的定义与作用P3
传感器是能以一定精确度把某种被测量（主要为各种非电的物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换为另一参量的器件或测量装置.
传感器通常由敏感器件和转换器件组合而成。
检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。
检测与计量的不同
“计量”：
指用精度等级更高的标准量具、器具或标准仪器，对被测样品、样机进行考核性质的测量。
特点：
非实时、离线、标定。
“检测”：
指在生产、实验等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。
1.2检测系统的组成P5
对传感器性能要求：
准确性、稳定性、灵敏度
其他如耐腐蚀性、功耗、输出信号形式、体积、售价等。
信号调理：
对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大，以便后续处理与显示。
要求:
①能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；
②信噪比高，抗干扰性能要好。
信号处理：
自动检测仪表进行数据处理和各种控制的中枢环节。
1.3传感器与检测系统的分类P8
1.3.1传感器的分类
1.3.2检测系统分类
1.按被测参量分类
电工量电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁场强度、磁通密度等；
热工量温度、热量、比热、热流、热分布、压力、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等；
机械量位移、形状，力、应力、力矩、重量、质量、转速、线速度、振动、加速度、噪声等；
2.按被测参量的检测转换方法分类
电磁转换电阻式、应变式、压阻式、热阻式、电感式、互感式、电容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式、霍尔式、振频式、感应同步器、磁栅等；
3.按使用性质分类
标准表、实验室表、工业用表
1.4传感器与检测系统的发展方向P10
1.4.1传感器的发展方向
1探索新现象，研发新型传感器
2采用新技术、新工艺、新材料，提高现有传感器的性能
3.研究和开发集成化、微型化与智能化传感器
1.4.2检测技术的发展趋势
1不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性
2重视非接触式检测技术研究
3检测系统智能化
第二章
2.1检测系统误差分析基础P14
2.1.1误差基本概念
1.测量误差。
因内外因素使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差。
2理论真值.
一个量严格定义的理论值通常叫理论真值.
3.约定真值。
根据国际计量委员会通过并发布的各种物理参量单位的定义，利用当今最高科学技术复现的这些实物单位基准，其值被公认为国际或国家基准，称为约定真值。
4.相对真值
如果高一级检测仪器（计量器具）的误差仅为低一级检测仪器的误差的1/3～1/10，则可认为前者是后者的相对真值。
5.标称值
计量或测量器具上标注的量值，称为标称值。
6.示值
检测仪器指示或显示的数值叫示值，也叫测量值或读数。
7.绝对误差
检测系统的测量值X与被测量的真值X0之间的代数差值Δx称为检测系统测量值的绝对误差
8.相对误差
检测系统测量值的绝对误差Δx与被测参量真值X0的比值，称为检测系统测量的相对误差δ，常用百分数表示
9.引用误差
检测系统测量值的绝对误差Δx与系统量程L之比值，称为检测系统测量值的引用误差γ。
引用误差γ通常仍以百分数表示
10.最大引用误差（或满度最大引用误差）
所有测量值中最大绝对误差（绝对值）与量程的比值的百分数，称为该系统的最大引用误差，由符号γmax，可表示
11.精度等级
0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0
仪表的最大引用误差去掉%后的数字经过圆整（数据修正）后的值。
选大不选小
2.1.4测量误差的分类P18
1.根据测量误差的性质
系统误差：
在相同条件下，多次重复测量同一被测参量时，其测量误差的大小和符号保持不变，
或在条件改变时，误差按某一确定的规律变化，这种测量误差称为系统误差。
随机误差：
在相同条件下多次重复测量同一被测参量时，测量误差的大小与符号均无规律变化，这类误差称为随机误差
粗大误差：
粗大误差是指明显超出规定条件下预期的误差
2.按被测参量与时间的关系分类
静态误差：
被测参量不随时间变化时所测得的误差称为静态误差；
动态误差：
被参测量随时间变化过程中进行测量时所产生的附加误差称为动态误差。
系统误差的确定粗大误差处理
1残差观察法P211拉伊达准则P29
2马利科夫准则（线性系统误差）P212格拉布斯准则P29
3阿贝-赫梅特准则（周期性系统误差）P22
第三章
传感器与检测系统的静态特性主要参数P40
线性度P42是指输出与输入之间数量关系的线性程度
理论线性度、端基线性度、独立线性度、最小二乘线性度
迟滞P43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或程度。
产生原因：
弹性元件，磁性元件以及摩擦、间隙等原因
重复性P43传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致（或称输出量值相互偏离）的程度。
也称重复性误差。
灵敏度P41静态工作条件下，单位输入量的变化引起传感器输出量的变化。
第四章
4.1电阻应变式传感器
应力：
是和应变直接相关的一个物理量，定义为物体单位面积的受力。
应变：
是应力形变的简称，所指的是弹性材料在应力作用下的相对形变；用符号表示。
电阻应变式传感器:
利用电阻应变片将应变转换为电阻的变化，从而实现电测非电量的传感器
电阻应变效应:
在金属或半导体材料产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。
①金属材料的应变电阻效应P64
Km=（1+2μ）+C（1-2μ）为金属电阻丝的应变灵敏度系数。
②半导体材料的应变电阻效应P64
s为作用于材料上的轴向应力；
p为半导体在受力方向的压阻系数；
E为半导体材料的弹性模量。
Ks=（1+2μ）+pE为半导体丝材的应变灵敏度系数。
应变片
通常把应变丝制成栅状的应变敏感元件，简称应变片。
应变片类型P67
（1）按加工方法
丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片、薄膜应变片
（2）按敏感栅的材料
金属应变计、半导体应变计
制作应变片敏感栅常用的金属材料有：
P67
康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、贵金属（铂、铂钨合金等）
其中康铜是目前应用最广泛的应变丝材料。
静态特性P69
指应变计感受不随时间变化或变化缓慢的应变时的输出特性。
表征静态特性的指标主要有：
灵敏度系数、横向效应、机械滞后、蠕变、应变极限等。
灵敏度系数:
应变计阻值的相对变化与试件表面轴向应变之比即为灵敏度系数
横向效应:
将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，其灵敏系数降低了，这种现象称为应变片的横向效应。
机械滞后：
产生机械滞后的原因主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的
零漂：
粘贴在试件上的应变计，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变计的零漂。
蠕变：
如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，应变计电阻值随时间而变化的特性，称为应变计的蠕变。
应变极限：
在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限
温度效应P72
由温度变化引起应变计输出变化的现象，称为应变片的温度效应
温度效应产生的原因:
1.温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变;
2.试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变
电阻应变片的温度补偿
应变片自补偿法P73
这种方法是通过精心选配敏感栅材料与结构参数，使得当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消。
①选择式自补偿应变片，也称单丝自补偿应变片
②双丝自补偿应变片
桥路补偿P73
也称补偿片法，是最常用而且效果较好的线路补偿方法
热敏电阻补偿法P74
电桥测量电路P74
应变电桥：
四个桥臂Z1、Z2、Z3、Z4按顺时针为序，ac为电源端，bd为输出端。
当桥臂接入应变计时，即称为应变电桥
直流电桥：
当U0=0时，电桥处于平衡状态，则有：
R1R3=R2R4，此即电桥平衡条件。
根据此条件可分为以下三种情况：
（1）对输出端对称，即R1=R2，R3=R4，这种结构形式也称为第一种对称形式；
（2）对电源端对称，即R1=R4，R2=R3，这种结构形式也称为第二种对称形式；
（3）全等臂电桥结构，即R1=R2=R3=R4
单臂工作电桥P75
双臂工作电桥P77
全臂工作电桥P77
电容式传感器P82
根据上述原理，在应用中电容式传感器可以有三种基本类型，
即变极距（或称变间隙）型、变面积型、变介电常数型。
变极距（或称变间隙）型P83
ΔC≈C0.Δd/d0
灵敏度K=ΔC/Δd=C0/d0=εs/（d0）2
变面积型P84
变介电常数型P85
电容式传感器的优点：
P90
（1）分辨力很高，能测量低达10-7F的电容值或0.01μm的绝对变化量，或高达100%～200%的相对变化量（DC/C），因此适合微信息的检测；
（2）动极板质量很轻，自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度，并具有很好的动态特性；
（3）结构简单，不含有机材料或磁性材料，对环境（除高湿外）的适应性强；
（4）过载能力强，可实现无接触测量。
典型应用
（1）电容式压力传感器
（2）电容式加速度传感器
电感式传感器P95
差动电感传感器的优点：
1、差动电桥能使变间隙式电感传感器的非线性大大减小；
2、在同样的工作范围内差动电桥的非线性度减小了，灵敏度提高了一倍；
3、组成差动电桥测量电路，补偿了温度对两个线圈参数的影响。
自己看去吧，我也不知道怎么整理
第五章
压阻式传感器P116
是利用固体的压阻效应制成的，主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。
压阻式传感器有两种类型:
（a）是利用半导体材料的压阻效应（电阻率随应力作用而变化）做成粘贴式的应变片，即电阻应变式传感器。
（b）是在半导体的基片上用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻，用它作为传感元件制成的传感器，称固态压阻式传感器，也叫扩散型压阻式传感器。
晶向的表示方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法。
压阻式传感器的结构原理：
P120
硅压阻式传感器由外壳、硅膜片和引线组成
当膜片两边存在压力差而发生形变时,膜片各点产生应力,从而使扩散电阻的阻值发生变化,电桥失去平衡,输出电压的大小反映了膜片所受压力的差值
压阻式传感器的基本类型：
压阻式加速度传感器、压阻式压力传感器
压电式传感器P122
正压电效应:
某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
逆压电效应:
如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失。
也称电致伸缩效应。
压电材料：
压电晶体如石英等单晶体材料；
压电陶瓷如钛酸钡、锆钛酸铅等；
新型压电材料如压电半导体（如硫化锌）,有机高分子材料等。
压电材料特性参数:
压电常数:
衡量压电性能强弱的参数;
弹性常数:
决定固有频率和动态特性;
介电常数:
希望具有较大的介电常数.
电阻:
绝缘电阻减少电荷泄漏;电阻率改善低频特性;
居里点温度:
开始丧失压电特性的温度;
稳定性:
环境温度性;
石英晶体的压电效应
①纵向轴Z称为光轴,也称中性轴；光线沿此轴通过晶体无折射;
②经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X轴称为电轴；垂直此轴的面上压电效应最明显;
③与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。
沿该轴机械变形最明显.
通常把沿电轴X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”
把沿机械轴Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z方向受力则不产生压电效应。
沿电轴方向施加作用力时切片上产生的电荷多少与切片几何尺寸无关；
沿机械轴方向施加作用力时切片上产生的电荷与切片几何尺寸有关；
产生的电荷极性由施加的作用力是压力还是拉力决定；
压电陶瓷的压电效应：
P126
正压电效应：
压电陶瓷的正压电效应：
极化处理后的陶瓷材料，当受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。
这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。
逆压电效应：
如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。
这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。
影响压电传感器工作性能的因素：
横向灵敏度、安装差异及基座应变、环境温度及湿度的影响、噪声带来的影响等等。
光电式传感器P133
光电效应：
这种因为吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应就称为光电效应，
可分为外光电效应、内光电效应和阻挡层光电效应三种类型。
①外光电效应：
在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象。
条件：
光子能量大于该物体的表面逸出功。
基于外光电效应原理工作的光电器件：
光电管、光电倍增管。
禁带宽度（Bandgap）
是指一个能带宽度，（单位是电子伏特（ev））；
自由电子存在的能带称为导带（能导电），被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。
②内光电效应：
在光线作用下，物体的导电性能发生变化，引起电阻率或电导改变的现象称为内光电效应，也称光电导效应。
基于内光电效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管和光敏三极管。
在光线作用下，物体产生一定方向的电动势的现象，称为阻挡层光电效应
③阻挡层光电效应：
在光线作用下，物体产生一定方向的电动势的现象，称为阻挡层光电效应
光电传感器的类型P140
光电传感器按其接收状态可分为模拟和开关式光电传感器两类。
（1）模拟式光电传感器
是基于光电元件的光电特性，其光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。
有吸收式、反射式、遮光式、辐射式
（2）开关式光电传感器
利用光电元件受光照或无光照时“有/无”电信号输出的特性，将被测量转换成断续变化的开关信号
（3）其他光电检测器
电荷耦合器件（CCD，charge-coupleddevice）是典型的固体图象传感器
CCD图像传感器应用：
（1）尺寸自动检测
（2）缺陷检测
第六章
6.1磁敏传感器P145
磁敏传感器是把磁物理量转换成电信号的传感器，大多是基于载流子在磁场中受洛伦兹力的作用而发生偏转的机理实现对相关物理量的信号检测。
它的应用可以分为直接应用和间接应用两类；
直接应用包括测量磁场强度的各种磁场计，如地磁的测量、磁带和磁盘信号的读出、漏磁探伤、磁控设备等；
间接应用是指利用磁场作为媒介来探测非磁信号，如无接触开关、无触点电位器等等。
洛伦兹力是运动于电磁场的带电粒子所受的力。
洛伦兹力可以用方程表达为
F=q（E+v×B）
其中，F是洛伦兹力，q是带电粒子的电荷量，E是电场强度，v是带电粒子的速度，B是磁感应强度；
应用左手定则，磁感线穿过手心，当四指指电流（正电荷）或（负电荷运动反）方向时，大拇指方向为电荷所受洛伦兹力方向）
霍尔传感器P145
霍尔效应：
一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。
这种现象称为霍尔效应。
kH为霍尔元件的灵敏度
RH为霍尔传感器的霍尔常数，其大小由载流材料的物理性质决定。
霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关，一般要求霍尔元件灵敏度越大越好。
若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度θ，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为Bcosθ，因此：
控制电流极
a、b两根引线称为控制电流端引线，其焊接处称为控制电流极（或称激励电极）。
霍尔电极
c、d两根霍尔输出引线，其焊接处称为霍尔电极（要求欧姆接触）。
霍尔元件基本特性P147
①额定激励电流和最大允许激励电流
使霍尔元件温升10℃所施加的控制电流值称为额定激励电流。
以霍尔片允许最大温升为限制所对应的电流称为最大允许激励电流。
②输入电阻和输出电阻
输入电阻指控制电流极间的电阻值。
输出电阻指霍尔电极间的电阻值。
③不等位电势
当霍尔元件通以额定激励电流IH而不加外磁场时它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势。
④温度特性及其补偿
霍尔元件与一般半导体器件一样，对温度变化十分敏感。
霍尔元件灵敏度系数与温度的关系可写成：
KH0表示温度T0时的KH值；△T=T-T0表示温度变化值；α为霍尔元件灵敏度的温度系数
补偿
1恒流源供电
保持KH·I乘积不变，抵消灵敏度系数KH因温度增加的影响。
温度t升高
霍尔元件内阻rH增加
霍尔元件电流IH减小
补偿电阻电流Ir增加
2采用热敏电阻
霍尔传感器应用P150
结构简单，形小体轻，使用方便
间接的实现对电流、磁场、位移、角度、转速、压力、功率的测量
磁敏电阻P151
磁电阻效应:
运动的载流子受到洛伦兹力的作用而发生偏转，载流子散射几率增大，迁移率下降，于是电阻增加。
这种现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应
磁敏二极管
磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I。
本征区I的一面磨成光滑表面（I区），另一面打毛，设置成r区，因为电子—空穴对易于在粗糙表面复合而消失。
第八章
8.1.1压力的基本概念与计量单位P187
1.压力名词与定义
1）压力——垂直而均匀地作用在单位面积上的力称为压力。
压力可表示为
式中，p—压力；F—垂直作用力；S—受力面积。
2）绝对压力——以完全真空（绝对压力零位）作参考点的压力称为绝对压力，用符号pi表示。
3）大气压力——由地球表面大气层空气柱重力所产生的压力，称为大气压力，用符号p0表示。
4）表压力——以大气压力为参考点，大于或小于大气压力的压力称为表压力。
工业上所用的压力仪表指示值多数为表压力。
5）差压（力）任意两个相关压力之差称为差压（Δp）。
2.压力的计量单位
在国际单位制中，压力的单位为牛顿/米2，用符号N/m2表示；压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为Pa。
1Pa＝1N/m2。
因帕单位太小，工程上常用千帕（kPa）或兆帕（MPa）表示。
8.1.2压力检测方法P188
1.重力平衡法
这种方法是按照压力的定义，通过直接测量单位面积上所受力的大小来检测压力。
如液柱式压力计和活塞式压力计。
2.弹性力平衡法
弹性力平衡法利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理来检测压力。
弹性元件在压力作用下会因发生弹性变形而形成弹性力，当弹性力与被测压力相平衡时，其弹性变形的大小反映了被测压力的大小，因此可以通过测量弹性元件位移变形的大小测出被测压力。
3.物性测量法
这种方法根据压力作用于物体后所产生的各种物理效应来实现压力测量。
8.2常用压力检测仪表P190
8.2.1弹性压力计
1弹性元件
弹性压力计根据所用弹性元件的不同构成了多种型式的弹性压力计
弹性压力计的测压性能主要取决于弹性元件的弹性特性，它与弹性元件的材料、加工和热处理质量有关，同时还与环境温度有关。
弹簧管特点：
测量范围大，可用于高、中、低压或真空度的测量。
波纹管特点：
位移相对较大，灵敏度高，用于低压或差压测量。
弹性膜片特点：
平膜片位移很小，波纹膜片压有正弦、锯齿或梯形等环状同心波纹，挠性膜片仅用作隔离膜片，需与测力弹簧配用。
2.弹簧管压力计
特点：
结构简单，使用方便，价格低廉，测压范围宽，精度高
3.波纹管压力计
采用双波纹管测量压差的双波纹管差压计
4.膜式压力计
膜式压力计有膜片压力计和膜盒压力计两种。
原理：
膜片四周固定，当通入压力后，两侧面存在压差时，膜片将向压力低的一侧弯曲，膜片中心产生一定的位移，通过传动机构带动指针转动，指示出被测压力。
5.弹性压力计信号远传方式
图8-6（a）为电位器式。
特点：
比较简单，有很好的线性输出，可靠性较差。
图8-6（b）为霍尔式。
特点：
结构简单，灵敏度高，寿命长，对外部磁场敏感，耐振性差。
图8-6（c）差动变压器式。
特点：
线性好、附加力小、位移范围较大，处于中央位置时输出不为零。
8.2.2电测试压力计
能够测量压力并提供远传电信号的装置称为压力传感器，如果装置内部还设有适当处理电路，能将将压力信号转换成工业标准信号（如4~20mA直流电流）输出，则称为压力变送器。
第九章
9.2.3热电偶测温技术P217
1.测温原理
热电效应：
两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在的现象。
回路中所产生的电动势叫热电势。
用EAB（T,T0）表示。
由接触电势和温差电势两部分组成
1）接触电势
接触电动势的大小与温度高低及导体中电子密度有关。
2）温差电势
σA——导体A汤姆逊系数
3）回路总热电势
温差电势EA（T,T0）和EB
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