传感器复习

第一章绪论1、传感器的组成及各部分的作用：传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路3部分组成。

敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量转换电路：上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出2、测量误差分为系统误差、随机误差和粗大误差三大类。

3、精度分为准确度、精密度和精确度。

其中准确度反映测量结果中系统误差．．．．的影响程度；精密度反映测量结果中随机误差．．．．综．．．．的影响程度；精确度反映测量结果中系统误差．．．．和随机误差合的影响程度。

4、工业仪表常见的精度等级有0.1级，0.2级，0.5级，1.0级，1.5级，2.0级，2.5级，5.0级。

准确度等级为1.0级的仪表，在使用时它的最大满度误差不超过±1.0％，也就是说，在整个量程内它的绝对误差最大值不会超过其量程的±1％。

第二章电阻式传感器原理与应用1、应变片式传感器组成：由弹性元件和电阻应变片构成。

工作原理：当弹性元件感受到被测物理量时，其表面产生应力，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变而相应变化，测量电阻应变片的电阻值变化，来测量非电量。

分类：金属电阻应变片和半导体应变片。

应变片的灵敏系数K恒小于电阻丝的灵敏系数，因为在应变片中存在横向效应。

敏感栅的纵向越窄、月长，而横栅越宽、越短，则横向效应的影响越小。

U之间的关系：电阻应变片电桥电路输出电压o全桥输出电压是单臂桥输出电压的4倍，半桥输出电压是单臂桥输出电压的2倍，半桥输出电压是单臂桥输出电压的2倍。

第三章变阻抗式传感器原理与应用1、自感传感器分为分类：变气隙式、变面积式和螺线管式自感传感器。

其工作原理：自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。

2、图示为变隙式自感传感器，识别图的线圈、铁芯、衔铁。

简述其工作原理。

在铁芯和衔铁之间有空气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。

当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。

简记：衔铁移动→气隙改变→磁阻变化→电阻值变化。

3、变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性．．关系，因此，可以得到较大的线性范围。

4、变隙式差动传感器螺线管式差动变压器工作原理：当初级绕组加以激励电压U 时, 根据变压器的工作原理,在两个次级绕组W2a 和W2b 中便会产生感应电势E2a 和E2b 。

当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2a 中磁通将大于W2b ，使两互感M1>M2，因而E2a 增加，而E2b 减小。

反之，E2b 增加，E2a 减小。

因为Uo=E2a-E2b ，所以当E2a 、E2b 随着衔铁位移x 变化时， Uo 也必将随x 而变化。

零点残余电压：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。

产生原因：主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。

5、电容式传感器电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。

识图：变极距型: (a)、(e)变面积型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h ） 变介电常数型: （i ）～(l)静态灵敏度：静态灵敏度与极板宽度、极板间距有关。

螺线管式差动变压器结构初级线圈次级线圈衔铁壳体骨架增加极板宽度、减小极板间距可提高静态灵敏度；注意：极板起始遮盖长度a的大小与灵敏度无关。

6、电涡流式传感器趋肤效应：当交变电流通过导体时，电流将趋于导体表面流过，这种现象叫趋肤效应。

磁场变化频率愈高，涡流的趋肤效应愈显著，即涡流穿透深度愈小。

低频．．透射式电涡流传感器能够测量材料的厚度。

第四章光电式传感器原理与应用1、光电效应：指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。

光电效应分为外光电效应、内光电效应和阻挡层光电效应。

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。

常见的外光电效应器件有关电管、光电倍增管等。

内光电效应：在光线的作用下能使物体电阻率发生变化改变的现象。

常见的内光电效应器件有光敏电阻。

阻挡层光电效应（光生伏特效应）：在光线的作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。

常见的阻挡层光电效应器件有光电池、光敏二极管。

第五章电动势式传感器原理与应用霍尔传感器霍尔元件的温度误差及其补偿温度误差产生的原因：霍尔元件的基片是半导体材料，对温度的变化很敏感，载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。

温度变化时，霍尔元件的参数（霍尔电势、输入电阻、输出电阻等）发生变化，霍尔传感器产生温度误差。

减小温度误差的方法：（1）选用温度系数小的元件（2）采用恒温措施（3）采用恒流源供电第六章温度检测1、热电效应：将两种不同的导体A、B组合成闭合回路。

若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。

此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外，还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应。

2、常见的金属热电阻：铂热电阻、铜热电阻。

3、半导体热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性而制成的热敏元件。

半导体热敏电阻基本可分为正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度系数（CTR）三种类型。

PTC热敏电阻用途：各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。

CTR热敏电阻用途：温度开关。

NTC热敏电阻应用：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路。

① ΔRi<< R 时，电桥的输出电压与应变成线性关系。

② 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。

③ 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。

如果在陶瓷片上加一个与极化反向平行的外力F ，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，电畴发生偏转，极化强度也变小。

原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。

当外力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。

由机械能转变为电能的现象 就是正压电效应。

霍尔效应：半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势。

不等位电势和不等位电阻当霍尔元件B=0，I ≠0，UH=U0≠0。

这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。

产生这一现象的原因有:① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； 计算题：1、 最小二乘法求灵敏度、非线性误差 〔例〕1) 作图2) 求灵敏度和非线性误差（使用最小二乘法）解：设最佳拟合方程'u A Bx =+，令2'22111()()n n nii ii i i i i v u u u A Bx ϕ=====-=--∑∑∑根据最小二乘法原理，要使21nii vϕ==∑最小，应满足()()112020ni i i ni i i i u A Bx A x u A Bx B ϕϕ==∂⎫=---=⎡⎤⎣⎦⎪∂⎪⎬∂⎪=---=⎡⎤⎣⎦⎪∂⎭∑∑ 即11()0()0ni i i ni i i i u A Bx x u A Bx ==⎫--=⎪⎪⎬⎪--=⎪⎭∑∑ 即(153)(296)(429)03*(153)6*(296)9*(429)0A B A B A B A B A B A B --+--+--=⎧⎨--+--+--=⎩解得5392A B ⎧=⎪⎨=⎪⎩ 故求出的最佳拟合方程为'59*32u x =+ 故灵敏度'4.5u k x∆==∆mV/mm 非线性误差max 59142(*9)326u ∆=-+=- 线性度max 1100%/420.4%6L FS u u γ∆=±⨯==2、 电阻式应变片的测量电路如图所示，输出电压0U 为131234SC R R U E R R R R ⎛⎫=- ⎪++⎝⎭将SC U 写成如下形式：()1423SC U A R R R R =-其中A 为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。

由上式可知，当R3、R4为常数时（固定电阻，不受温度影响），Rl 和R2对输出电压的作用方向相反。

利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。

测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面；另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿应变片。

在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。

当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即()14230SC U A R R R R =-=上式中可以选择R1=R2=R 及R3=R4=R ′。

当温度升高或降低时，若12R R t t ∆=∆，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即()()()()11422312SC t t t t U A R R R R R R A R R R R R R ''=+∆-+∆=+∆-+∆⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦()120t t A RR R R RR R R ''''=+∆--∆=所以：()120t t AR R R '∆-∆=若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。

故由前式可得输出电压为()()1114223SC t t U A R R R K R R R R AR RK εε'=+∆+-+∆=⎡⎤⎣⎦由上式可知，电桥输出电压只与应变ε有关，与温度无关。

结论：为达到完全补偿，需满足下列三个条件： ①R1和R2属于同一批号；②用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同； ③两应变片处于同一温度环境中；3、 霍尔传感器的误差及补偿右图电路中用一个分流电阻R 与霍尔元件的控制电极并联。

当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流。

在右图所示的温度补偿电路中，设初始温度为0T 、霍尔元件输入电阻为0i R ，灵敏系数为0H K 、控制电流为20I 、分流电阻为0R ，则温度为0T 时，控制电流2000si R I I R R =+温度升到T 时，电路中各参数变为0(1)i i R R T δ=+∆0(1)R R T β=+∆δ霍尔元件输入电阻温度系数；β分流电阻温度系数。