武汉理工传感器整理

传感器定义：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件组成”。

传感器有时也叫换能器、变换器、变送器或探测器。

传感器的组成:传感器通常由敏感元件、转换元件二部分组成，有时也将测量电路及辅助电源作为传感器的组成部分。

敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。

转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。

转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。

辅助电源：信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源, 因此, 信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。

传感器标定的方法:将已知的被测量作为待标定传感器的输入，同时用输出量测量环节将待标定传感器的输出信号测量并显示出来（待标定传感器本身包括后续测量电路和显示部分时标定系统也可不要输出量测量环节）；对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。

静态标定：确定传感器的静态特性指标，主要有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。

动态标定：确定传感器的动态特性指标，主要有时间常数、固有频率和阻尼比等。

外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象光电管、光电倍增管。

内光电效应：在光线作用下，物体的电阻率1\R改变的现象光敏电阻。

光生伏特效应：在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象光电池、光敏二极管、光敏三极管
光敏二极管在电路中常处于反向偏执状态，没有光照射时，其反向电阻很大，反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。

当有光照时，ＰＮ结及其附近产生电子－空穴对，它们在反向电压下参与导电，形成比无光照时大得多的反向电流，该反向电流称为光电流，此时光敏二极管的反向电阻下降。

光电流与光照强度成正比。

光敏电阻的主要参数：暗电阻，亮电流，光电流亮电流与暗电流之差称为光电流
光敏电阻的基本特性：伏安特性，光照特性；光谱特性；频率特性；温度特性
光电池：光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。

它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。

光电倍增管：由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成．
原理：光→阴极→光电倍增极→阳极→电流
在工作时,这些电极的电位是逐级增高的。

光线→光电阴极(D1正电位作用)→加速并打在第一倍增极D1上,使其放出的电子增多，称为二次电子，从而产生二次发射；D1的二次发射电子(D2正电位作用) →加速入射到电极D2上；…这样逐级前进,一直到达阳极A为止。

由上述的工作过程可见,光电流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。

热释电效应定义：某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度变化将引起居里温度以下的自发极化强度的变化从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。

CCD的工作可分为四个基本动作：
（1）光电转换。

（2）电荷的存储。

（3）电荷的转移。

（4）电荷的检测。

能是电荷的存储和电荷的转移。

它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。

CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生，存储，传输，和检测。

光纤的结构：基本采用石英玻璃，主要由三部分组成中心——纤芯(5-75μm)；外层——包层；护套——尼龙料。

光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（n1＞n2）。

凡入射角θi＞arcsinNA的那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角θi＜arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播NA意义讨论：光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关，与纤芯—包层相对折射率有关。

NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θi张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。

若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。

一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。

有利于光纤的对接。

但NA越大光信号畸变越大，会影响光纤的带宽。

要选择适当。

通常作为传感器的光纤0.2≤NA<0.4 产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA。

激光器工作原理：泵浦源将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态；并使高能态的粒子数大于低能态的粒子数，构成粒子数的反转分布，这是产生激光的必要条件。

处于粒子数反转的原子或分子称为受激原子或分子。

当高能态粒子跃迁到低能态产生辐射——经过受激原子感应产生同频同相的辐射——辐射波沿两平面构成的谐振腔来回传播激发出更多的辐射——使辐射能量放大——放大的辐射通过部分透射的平面镜输出——产生激光
超声波探伤:穿透法探伤：穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。

反射法探伤：反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。

它又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。

当透人试件的超声波能量较大，而试件厚度较小时，超声波可在探测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波B1、B2、B3……。

如果试件存在缺陷，则由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底面回波次数减少，同时也打乱了各次底面回波高度依次衰减的规律，并显示出缺陷回波。

这种依据底面回波次数来判断试件有无缺陷的方法，即为多次底波法。

多次底波法主要用于厚度不大、形状简单、探测面与底面平行的试件探伤，缺陷检出的灵敏度低于缺陷回波法。

超声波物位传感器超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。

如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。

根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。

单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。

气敏元件工作时必须加热，其目的是：
加速被测气体的吸附、脱出过程；烧去气敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用；控制不同的加热温度能对不同的被测气体有选择作用；加热温度与元件输出的灵敏度有关。

一般加热温度为200~400 ℃。