传感器基础知识

基础知识传感器：将能感受到的及规定的被测量按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

传感器特性：①静态特性：输入为0 时，输出也为0,或输出相对于输入应保持一定的对应关系；②动态特性：传感器对于随时间变化的输入信号的响应特性，通常要求传感器不仅能精确地显示被测量的大小，而且还能复现被测量随时间变化的规律。

静态特性分类：①灵敏度：传感器在稳态工作情况下输出量变化△ y 对输入量变化△ x 的比值。

它是输出一输入特性曲线的斜率。

如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。

否则，它将随输入量的变化而变化。

灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。

②线性：输入与输出量之间为线性比例关系，称为线性关系。

③时滞（滞后）：输入与输出不是一一对应的关系。

④环境特性：周围环境对传感器影响的最大温度。

⑤稳定性：理性特性的传感器是加相同大小输入量时，输出量总是相同的。

⑥精度：评价系统的优良程度。

A 准确度：测量值与真实值偏离程度；B 精密度：即使测量相同对象，每次测量也会得到不同测量值，即为离散偏差。

⑦重复性：在相同的工作条件下，对同一个输入值在短时间内多次连续测量输出所获得的极限值之间的代数差。

⑧温漂：；连续工作的传感器，在输入恒定的情况下，输出量也会朝着一个方向偏移。

⑨零点漂移：由于温度或其他原因会导致传感器在检测的基准零点发生变化，偏离零点位置。

⑩分辨率：分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。

光电传感器光电效应：物体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。

外光电效应：在光照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。

光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A 。

由于不同材料具有不同的逸出功，因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率” 。

在入射光的频谱成分不变时，产生的光电流正比于光强。

即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。

基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光电倍增管等。

光电子的初动能决定于光的频率，与频率成线性关系，与入射光强度无关。

光电子逸出物体表面具有初始动能，故即使没有阳极电压也会产生光电流，为了使零点稳定，应加反向截止电压，切电压大小与入射光频率成正比。

内光电效应：在光的照射下材料的电阻率发生变化或产生光生电动势的现象称为内光电效应。

可分为：光照引起半导体电阻值变化的光电导效应；光照产生电动势的光生伏特效应。

光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，没有极性，使用时可加直流电压，也可以加交流电压。

其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。

光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。

在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。

亮电流与暗电流之差称为光电流。

一般暗电阻越大，亮电阻越小，光敏电阻的灵敏度越高。

光电导效应，又称为光电效应、光敏效应，是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。

即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。

当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。

在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。

光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。

电阻传感器压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。

金属的电阻应变效应：金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生变化的现象。

横向效应：应变片的核心部分是敏感栅。

将电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但其直线段和圆弧段的应变状态不同，其灵敏系数K 较整长电阻丝的灵敏系数K0 小的现象。

蠕变：不稳定性，由胶层间的“滑动”引起。

热电阻的测温原理：基于导体或半导体的电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。

（Rt=Ro（1+α）△t）热电偶测温的基本原理：两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。

热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。

因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。

热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。

若测量时，冷端的（环境）温度变化，将严重影响测量的准确性。

在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿正常。

与测量仪表连接用专用补偿导线。

均质导体定律：由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何以及温度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。

可见，热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。

若热电极材料不均匀，由于温度梯存在，将会产生附加热电势。

中间导体定律：在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。

应用:常采用热端焊接、冷端开路的形式，冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统。

中间温度定律：热电偶回路两接点（温度为T、T0）间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn 时的热电势与在温度为Tn、T0 时的热电势的代数和。

Tn 称中间温度。

应用:由于热电偶E-T 之间通常呈非线性关系,当冷端温度不为0 摄氏度时，不能利用已知回路实际热电势E （t,t0）直接查表求取热端温度值；也不能利用已知回路实际热电势 E （t,t0）直接查表求取的温度值，再加上冷端温度确定热端被测温度值，需按中间温度定律进行修正。

初学者经常不按中间温度定律来修正!参考电极定律：这个定律是专业人士才研究、关注的，一般生产、使用环节的人士不太了解，简单说明就是：用高纯度铂丝做标准电极，假设镍铬- 镍铬热电偶的正负极分别和标准电极配对，他们的值相加是等于这支镍铬-镍铬的值。

单丝补偿主要是通过选用合适温度系数的电阻材料，作为应变片的敏感栅，使其在某种相匹配的受力构件上使用时，由温度变化产生的电阻变化量，由于它们的线膨胀系数不同而产生的电阻变化量相抵消，以达到消除温度变化所引起的电阻变化。

此种自补偿形式无需改变应变片的结构，简便易行，但它必须在特定材料的受力构件上才能使用，也就是存在匹配问题，故使其应用受到了很大的限制。

双丝组合式自补偿应变片主要是利用两种不同电阻温度系数（一种是正温度系数、另一种为负的材料串联组成应变片的敏感栅，以达到在某一温度范围内自动实现温度的补偿。

这种补偿法的优点是在制造应变片时可以通过调节两段敏感栅的长度之比来适应不同的受力元件，以获得在一定温度范围内具有良好的温度自适应性。

这种方法虽有较好的补偿效果，但应变片的结构较复杂。

电路补偿是指在测量电路中采取一定的措施来消除温度变化的影响。

具体方法有差动电路法和热敏电阻法两种。

差动电路法是将相同温度系数的两片或四片电阻应变片接成双臂或四臂工作的差动电路。

这种方法最简单实用，但对应变片的自身性能和贴片工艺要求较高；热敏电阻法是利用热敏电阻随温度而改变的值来抵消应变片随温度变化而改变的电阻值，从而达到补偿的方法。

其原理电路图如图3.2 所示。

只要合理选择分流电阻R5 和热敏电阻RT 的阻值，就能补偿由于温度的改变而引起的输出误差，达到保证测量精度的要求。

电容式传感器把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。

它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。

其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。

若忽略边缘效应，平板电容器的电容为ε S/d，式中ε为极间介质的介电常数，S 为两极板互相覆盖的有效面积，d 为两电极之间的距离。

d、s、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。

因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。

极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化（见电容式压力传感器）。

面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。

介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

温度对电容式传感器的结构和ε有影响（寄生电容）。

C=ε*S/d=Q/U=I*t/U.压电传感器压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

石英晶体：Z 光轴：不产生压电效应；X 电轴：纵向压电效应；Y机械轴：横向压电效应。

磁敏传感器形状效应：由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象。

霍尔效应：在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中的电子受到洛伦兹力而聚集，从而在电子聚集的方向上产生一个电场，此一电场将会使后来的电子受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。

而产生的内建电压称为霍尔电压。

一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流IC 的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。

如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。

一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。

为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T 左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。

U H=K H**B*I超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是指频率高于20kHz 的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。