传感器

一传感器的定义：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

传感器由1敏感元件、2转换元件、3信号调节转换电路构成。

1敏感元件：传感器中能直接感受被测量的部分2转换元件能将敏感元件输出转换为适于输出和测量的电信号部分机电模拟：能用同一类型的微分方程描述的不同系统称为相似系统，机电模拟即用电学量来模拟其相似系统中的位移、速度、加速度、力等机械量。

力——电压模拟：力f——电压u；速度v——电流i；位移x——电荷Q；质量M——电感L；阻尼系数c——电阻R；弹性系数1/k——电容C。

力——电流模拟：力f——电流i；速度v——电压u；位移x——磁链；质量M——电容C；阻尼系数c——电导G；弹性系数1/k——电感L。

二静态特性：1线性度：传感器的输出与输入之间的线性程度；拟合方法a切线法b端点直线法c最小二乘法2灵敏度：传感器在稳态下输出变化与输入变化的比值Sn=dy/dx 3迟滞（迟环）：在输入量增大或减小行程间输出—输入特性曲线不重合的程度el=△max/(Yf,s) 4重复性：在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致程度动态特性：时域——瞬态响应法和频域——频率响应法两个方面来分析阶跃输入时域动态特性参数：上升时间t（rs）：输出指示值从最终稳定值的5%或10%变到最终稳定值的95%或90%所需要的时间；响应时间t（st）：从输入量开始起作用到输出指示值进入稳定值所规定的范围内所需要的时间；过调量c：输出第一次到达稳定后又超出稳定值而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比来表示。

正弦输入频域动态特性：常用幅频特性和相频特性来描述，其重要指标是带宽。

带宽是指增益变化不超过某一规定分贝值的频率范围。

一阶传感器的频率响应：H（s）=K/(τs+1) ; H(jw)=K/(τ(jw)+1) ; A(w)=1/sqr(1+(ωτ)^2); φ(w)=-arctan(wτ)。

【τ=a1/a0;K=b0/a0;φ为相角】标定:静态标准条件:没有加速度.振动.冲击，环境温度一般为室温.相对湿度不大于85%,大气压为101+_8kpa动态标定：一阶：时间常数tao；二阶：两个参数固有频率ωn和阻力比ξ测振传感器的标定①绝对标定法②比较标定法压力传感器的标定A动态标定压力源①稳态标定法②非稳态标定法B激波管标定法差动式传感器：1消除了偶次项，改善了线性度；2使灵敏度提高了一倍。

一阶二阶系统对各种典型输入信号的响应：P.32会看图描述二阶传感器的频率响应：P.29弹性变形：物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复原来的尺寸和形状弹性元件分类：弹性敏感元件、弹性支撑弹性敏感元件的特性：①刚度：在外力作用下抵抗变形的能力k=dF/dX②灵敏度：单位力产生变形的大小Sn=1/k弹性滞后：在弹性变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象弹性后效：所加载荷改变后，不立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象固有频率：固有频率是系统本身所具有的一种振动性质。

当系统作固有振动时，它的振动频率就是“固有频率”。

f=（1/2π）(k/me)^0.5 me为弹性敏感元件的等效振动质量材料要求①弹性滞后和弹性后效小②弹性模数的温度系数小③线膨胀系数要小切稳定④弹性极限和强度极限要高⑤良好的稳定性和耐腐蚀性⑥良好的机械加工和热处理性能弹性圆柱（实心和空心）：P.49 悬臂梁：等截面梁：横截面积不变；等强度梁：在自由端加作用力时，在梁上各处产生的应变大小相等。

五电容式传感器特点A小功率，高阻抗B小的静电引力和良好的动态特性C本身发热影响小D可进行非接触测量工作原理一个种类型的电容器作为传感元件，通过电容传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化结构形式A变间隙的电容式传感器：非线性a空间介质的变间隙的电容式传感器b具有固体介质的变间隙电容式传感器：P.93B变面积的电容式传感器：C变介电常数的电容式传感器电容式传感器的信号调节电路E二极管T型网络）F脉冲宽度调制电路影响传感器的因素A温度对结构尺寸的影响B温度对介质介电常数的影响C漏电阻的影响D边缘效应与寄生参量的影响解决措施1缩短传感器至测量线路前置级的距离2驱动电缆法3整体屏蔽法4增加原始电容值四电阻式应变式传感器：弹性敏感元件和电阻应变片工作原理：弹性敏感元件在感受被测量是将产生变形，其表面产生应变。

粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，从而导致应变片的电阻变化，从而得到测量值电阻应变片基于金属应变效应：金属丝的电阻随着他所受的机械变形的大小而产生的大小而发生变化的现象电阻—应变特性：金属丝的轴向应变εx=dL/L 径向应变εy=dr/r εy=-μεx μ为金属丝泊松系数灵敏系数k=△R/R/εr 电阻应变片的横向效应：将至的金属丝绕城敏感珊之后，虽然长度相同，但是应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直金属丝小，k就有所降低横向灵敏度c=kx/ky半导体应变片工作原理：基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓压阻效应应变片主要参数①应变片电阻值（120Ω常用）②绝缘电阻③灵敏系数④允许电流：指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流⑤应变极限⑥机械滞后、零漂和蠕变温度误差及其产生原因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试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变温度补偿方法A桥路补偿法B应变片自补偿法①选择式自补偿应变片②双金属敏感栅自补偿应变片：利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同（一个为正，一个为负）的特性，将二者串绕制成敏感栅③热敏电阻补偿法测量电桥的工作原理A平衡电桥B不平衡电桥;利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作C电桥电路的非线性误差：实际的非线性特性曲线与理想的现行特性曲线的偏差补偿①采用差动电桥②采用高内阻的恒流源电桥六电感式传感器：特点A工作可靠，寿命长B灵敏度高，分辨力高C精度高，线性好D性能稳定，重复性好变磁阻式传感器工作原理由线圈、铁芯、衔铁组成，当传感器测量物理量时，衔铁运动部分产生位移，导致气隙厚度变化，从而使线圈的电感值变化L=υsW^2/2δ1变气隙厚度的电感式传感器：非线性，灵敏度高2变气隙面积的电感式传感器：线性，灵敏度低3变铁芯磁导率的电感式传感器等效电路1电感L=uW^2s/l 2电阻Rc=4ρcWl/(πd^2) 3涡流损耗电阻Re=12ρ1SW^2/lt^2 4耗散因素D=Dh+2（C*e）^0.5 fm=(C/e)^0.5 品质因数Q=0.5（C*e）^-O.5 传感器的信号调节电路电感传感器的测量电路有效流分压器式、交流电桥式和把传感器作为振荡桥路一个组成元件影响传感器精度的因素1电源电压和频率的波动2温度变化3分线性特性的影响4输出电压与电源电压之间的相位差5电桥的参与不平和电压—零位误差零位误差产生原因1差动式两个电感线圈的电气参数及导磁体的集合尺寸不可能完全对称2传感器具有铁损3电源电压中含有高次谐波4线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁芯间有分布电容减小零位误差措施：1、减少电流源中的谐波成分2、减小电感传感器的激磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段基本特性1灵敏度：指差动变压器在单位电压激磁下，铁芯移动以单位距离时的输出电压2频率特性实际应用中一般在400Hz到5kHz之间选择3相位差动变压器的次级电压对初级电压通常导前几度和几十度的相角4线性范围理想的差动便器次级输出电压应与铁芯成线性关系5温度特性灵敏度的提高1提高线圈的Q值，可增大差动变压器的尺寸2选择较高的激磁频率3增大铁芯直径，使其接近于线圈架内经，但不触及4在不使一次线圈过热的条件下尽量提高几次电压差动变压的信号调节电路A不平衡测量电路1交流电压测量2相敏整流电路：P.123（图6-18）3差动整流电路（图6-20）B平衡测量电路1自动平衡电路2力平衡电路零位电压的补偿1在输出端接一可调电位器2并联一只电容器涡流：成块的金属置于变化着的磁场中，或者在固定的磁场中运动时，金属体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属体内是闭合的，称为涡流。

涡流式传感器A高频反射式涡流传感器基本原理：高频信号施加于临近金属一侧的电感线圈上L，L产生高频磁场作用于金属板表面，由于趋肤效应，高频电磁场不能透过具有一定厚度的金属板，而今作用于表面的薄层内，而金属板表面感应的涡流i产生的电磁场有反作用于线圈上，改变了电感的大小，变化程度取决于线圈的外形尺寸，L至金属般的距离，电阻率ρ和导磁率μ以及i的频率结构电感线圈绕一个扁平圆形线圈，粘贴于框架上测量电路定频测距电路和调频测距电路B低频透射式涡流传感器：发射线圈L1和接收线圈L2分别位于被测材料M的上下方。

由振荡器产生的音频电压u加到L1的两端后，线圈中即流过一个同频的交变电流，并在其周围产生一交变磁场。

如果两线圈间不存在被测材料M，L1的磁场就能直接贯穿L2，于是L2的两端就会生成出一交变电势E。

在L1.L2之间放置一金属板M后，L1产生的磁力线不然切割M，并在M中产生涡流i。

这个涡流损耗了部分磁场能量，使达到L2的磁力线减少，从而引起E的下降。

M的厚度t越大，涡流损耗也越大，E就越小。

七压电传感器压电效应：压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，表面上会产生电荷，若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态电致伸缩效应（逆压电效应）在片状压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，雅典片在电极方向上有伸缩现象压电常数和表面电荷的计算：q=dij*σ①厚度变形（TE）i=j=1 ②长度变形（LE）i=1，j=2 ③面剪切变形（FS）④厚度剪切变形（TS）⑤弯曲变形(BS) 材料选择①具有较大的压电常数②强度高刚度大③具有高的电阻率和大的介电常数④温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点⑤压电特性不随时间锐变压电陶瓷工作原理：P.137压电式传感器的等效电路：电容量Ca=εrε0S/h；板间电压U=Q/Ca压电式传感器的信号调节电路（分为电压放大器和电荷传感器）在传感器输出端后接一个高输入阻抗的前置放大器前置放大器：不能测量静态物理量；作用①把压电式传感器的微弱信号放大②把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出电荷放大器：作用：将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷突出优点：灵敏度与线缆长度无关。

八磁电式传感器（基于电磁感应原理的传感器）E=-Nd φ/dt 磁电式传感器的类型:线圈与磁铁相对运动；磁路中磁阻发生变化；恒定磁场中线圈面积的变化等。

动圈式磁电传感器结构1磁路系统，由它产生恒定的直流磁场（一般用永久磁场）2线圈，由它运动切割磁力线产生感应电动势 霍尔效应：一块长为L ，宽为b ，厚为d 的半导体，E 在X 方向，B 在Z 方向，电流为I ，则在半导体中的载流子所受的力为 前一项为电场力，第二项为洛伦磁力，因此在Y 方向面出现“-”电荷，产生一电场EH ，称为霍尔电场，电压UH 称为霍尔电压，这就是霍尔效应。