传感器知识整理重点

传感器技术

把被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量的方法就是非电量电测法。实现这种转换的器件叫传感器。

一个完整的自动测控系统一般由传感器、测量电路、显示记录装置和电源四部分组成。

自动测控系统通常可分为开环和闭环两种。

传感器技术是以研究传感器的原理、传感器的材料、传感器的制作、传感器的应用为主要内容；以传感器的敏感材料的电、磁、光、声、热、力等物理效应、现象，化学中的各种反应以及生物学中的各种机理为理论基础。

传感器与通信技术、计算机技术一起分别构成了信息技术系统的感官、神经、和大脑，

接口电路的作用是把转换元件输出的电信号转换为便于处理、显示、记录和控制的电信号。经常采用的接口电路有电桥电路和其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲电路、震荡电路等。

应该指出的是：并不是所有的传感器必须包括敏感元件和转换元件。

有的传感器需要外加电源才能工作，如差动变压器、应变片组成的电桥等；有的不需要外加电源便能工作；如压电晶体。

传感器的分类；常见的有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。这种分类方法将被测量分为基本被测量和派生被测量。

电学式传感器有：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡式传感器。

电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器。主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。

具体请参见教材第4面

传感器的静态特性：

传感器的线性度是指传感器实际静态特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比值。公式为：线性度又称非线性误差，从特性上看线性度越小越好。

灵敏度：是指传感器在稳态下的输出变量dy与dx之比，对于线性传感器灵敏度就是它的静态特性的斜率。公式为：K=dy/dx

迟滞：传感器的迟滞是指传感器的正向星城（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度。公式为：产生的原因是传感器的机械部分不可避免的存在着间隙、摩擦及松动等。

重复性：传感器的重复性是指传感器的输入量按同一方向做全量程内连续重复测量时所得输出-输入特性曲线不一致的程度。产生的原因同迟滞的产生原因相同。公式为：

分辨率：是指在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。一般模拟式仪器分辨率为最小刻度分度值的一半。数字式为最后一位的一个字。

稳定性：分为长期稳定性和短期稳定性之分。

漂移：传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移和灵敏度漂移又可分为：时间漂移和温度漂移。时间漂移指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移是指因为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。

传感器的动态特性是指在测量动态信号时传感器的输出反应被测量的大小和随时间变化的能力。

研究传感器的动态特性通常从时域和频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。

研究传感器动态特性请参见教材第7面

传感器特性的应用：见教材第7面

传感器的性能指标：基本参数指标——量程指标、灵敏度指标、精度方面的指标、动态性能指标。环境参数指标——温度指标、抗冲振指标以及其他如抗潮湿、抗介质腐蚀及抗电磁干扰能力。可靠性指标——工作寿命、平均无故障时间保险期、疲劳性能等。其他指标——使用方面、结构方面、安装结构方面等。

提高性能指标的方法：

1、采用线性化技术：只有传感器的输出与输入具有线性关系时才能保证无失真的复现。

2、差动技术（参见教材第9面）

3、平均技术（参见教材第9面）

4、零位法、微差法和闭环技术（参见教材第9面）

5、补偿与技术校正（参见教材第9面）

6、集成化和智能化

7、屏蔽、隔离和抑制干扰

8、稳定性处理

传感器的材料：

一、半导体材料

1、单晶硅

2、多晶硅

3、非晶体硅

4、硅蓝宝石

5、化合物半导体（详见第11面）

二、陶瓷材料

三、石英材料

四、金属氧化物及合晶材料

1、氧化锌薄膜

2、非晶体磁性合金材料

3、形状记忆合金材料

五、无机材料

六、有机材料（有机半导体、有机驻极体、有机光电、有机光致变色、有机磁性有机导电等

以及高分子固态离子导体材料。）

七、、生化材料

八、高分子敏感材料

九、合成材料

传感器的物理基础以及其物理效应请详见教材13面。

传感器的选用（灵敏度、准确度和精密度、动态范围和直线性、响应速度和滞后性、稳定性）详见教材14面。

传感器的测量方法：

测量过程：直接测量、间接测量

测量方式：偏差（指针相对于刻度初始点的偏差）、零位（已知标准量平衡被测量）、微差式测量（△=X-V其中△是零位式，X为被测量，V是偏差式。操作简便、精度高）

是否与被测对象接触：接触式、非接触式。

被测对象的特点：静态、动态。

测量的核心是：比较

测量误差：绝对误差：△X=X-XO(没有百分号) 相对误差：r=(△X/XO)*100% 引用误差：y=(△X/L)*100%

系统误差用正确度来表示，而随机误差用精确度来表示。

传感器的标定与校准详见教材16面

第二章、温度传感器

温度：温度是表征物体冷热程度的物理量。温度的测量方法有接触式测温和非接触式测温接触式测温的优点：结构简单、工作简单可靠及及测量精度高等优点。

缺点：可能破坏被测对象的温度场分布。

非接触式测温优点：测量温度高、不干扰被测物温度等优点。

缺点：测量精度不高。

工业精度可分为7个等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。其中的含义为：0.5表示偏差为±0.5%，再如1.0表示偏差为±1.0%

温标：温度标尺简称温标，它是温度的数值表示方法。（具体的可见教材第19面）

热电偶传感器:是一种利用金属的热电效应将温度的变化直接转变为电信号变化的温度传感器。其优点是：测温范围广，可以在1K-2800摄氏度的范围内使用，精度高，性能稳定，结构简单，动态性能好信号便于处理和远距离传输。

热电偶的工作原理：参见教材第20面，热电偶的基本定律：参见教材第20面（重点）

热电偶热电动势的大小与导体的材料以及冷热端的温度有关，而与导体的粗细、长短及两导体接触面积无关。

判断热电偶正负极的方法是：将热端稍加热，在冷端用直流电流表辨别正负极。

注：教材第22面的习题做重点理解对象。

热电偶的种类：

1、普通型热电偶：主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度，由热电极，绝缘套管、

外保护套管和接线盒组成。其安装连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。

2、铠装热电偶：特别使用于复杂结构（如狭小弯曲管道内）的温度测量。

3、薄膜热电偶：其测量端既小又薄，响应速度快。适用于测量微小面积上的顺便温度。

4、表面热电偶：主要用于现场流动的测量。读数很方便。其测量范围有0-250以及0-600

摄氏度两种。

5、防爆热电偶：

注：要会读分度表。

热电偶安装注意事项：参见教材第26面。

热电偶的冷端补偿：

热电偶的分度表及配套的显示器都要求冷端温度恒定为0°C，否则将产生误差。

1、补偿导线（温度在0-150°C范围内实用）见教材27面。可分为延伸型(X)补偿导线和

补偿型（C）补偿导线。前者所用材料与热电极相同，后者所使用的材料与热电极材料不同。注意：（1）两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有相同的温度：2各种补偿导线只能与相应型号的电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用，极性切勿接反。

冷端温度补偿：见教材27面

热电偶测温基本电路见教材28面。***

热电阻式传感器：

定义：利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化的特性制成的传感器叫做热阻式传感器。测温范围：-200-960°C

热电阻：金属材料。热敏电阻：由半导体材料制成。

对测温用的热电阻材料要求：1、电阻值与温度变化具有良好的线性关系。2、电阻温度系数