传感器原理设计与应用重点总结.doc

本文档根据老师最后一次课上课时所说的相关容并根据我自己的个人情况简要整理，相对简洁，和大家分享一下考虑到老师说的容和考试容相比，可能不够完整；而且个人水平有限，不可能把握的很准确，所以只是参考而已建议大家根据自己的理解补充完善~第一章：传感器概论1、传感器的定义：传感器（或敏感元件）基于一定的变换原理/规律将被测量（主要是非电量的测量，可采用非电量电测技术）转换成电量信号变换原理/规律涉及到物理、化学、生物学、材料学等学科2、传感器的组成：传感器一般由敏感元件（将非电量变成*一中间量）、转换元件（将中间量转换成电量）、测量电路（将转换元件输出的电量变换成可直接利用的电信号）三部分组成，有的传感器还需加上辅助电源3、 传感器的分类按变换原理分类——>利用不同的效应构成物理型、化学型、生物型等传感器按构成原理分类：结构型：依靠机械结构参数变化来实现变换物性型：利用材料本身的物理性质来实现变换按输入量的不同分类——>温度、压力、位移、流量、速度等传感器按变换工作原理分类:电路参数型:电阻型、电容型、电感型传感器按参电量如：Q（电量）、I、U、E 等分类:磁电型、热电型、压电型、霍尔型、光电式传感器4、 传感器技术的发展动向：教材表述：发现新现象、开发新材料、采用微细加工技术、研制多功能集成传感器、智能化传感器、新一代航天传感器、仿生传感器老师表述：微型化、集成化、廉价。

第二章 ：传感器的一般特性1、 静态特性检测系统的四种典型静态特性线性度：传感器的输出与输入之间的线性程度传感器的理想输出-输入特性是线性的灵敏度：系统在静态工作的条件下，其单位输入所产生的输出，实为拟合曲线上*点的斜率即SN=输入量的变化/输出量的变化=dy/d* 迟滞性：特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度产生的原因：传感器机械部分存在的不可避免的缺陷重复性：重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测量时所得特性曲线不一致程度曲线的重复性好，误差也小 产生的原因与迟滞性类似精确度.测量围和量程.零漂和温漂.2、 动态特性：（传感器对激励（输入）的响应（输出）特性）动态误差：输出信号不与输入信号具有完全相同的时间函数，它们之间的差异包括：稳态动态误差、暂态动态误差 动态测试中的两个重要特征：时间响应、频率响应第三章：传感器中的弹性敏感元件1、什么叫敏感材料"对电、光、声、力、热、磁、气体分布等待测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料半导体材料最主要的特点是对温度、光、电、磁、各种气体及压力等外界因素具有敏感特性，是制造磁敏、热敏、光敏、力敏、离子敏等传感器件的主要材料。

2、引言：（1）变形：物体在外力作用下，改变原来的尺寸和形状的现象2）刚度：弹性敏感元件在外力的作用下抵抗变形的能力（3）弹性元件：具有弹性变形特性的物体弹性敏感元件作用：把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移;然后由各种转换元件，将被测力、力矩或压力转换成电量3、 弹性敏感元件的基本特性：（1）弹性特性：作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系可由刚度或灵敏度来表示2）刚度：弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力3）灵敏度是刚度的倒数 （4）弹性滞后：弹性元件在弹性变形围，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象5）弹性后效：弹性敏感元件所加载荷改变后，不时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6）应力：反映物体一点处受力程度的力学量（7）应变：用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变（8）弹性模量=线性应力/线性应变第四章：电阻应变式传感器1、电阻应变片的种类（P63~P65）丝式应变片：（1）回线式应变片 （2）短接式应变片箔式应变片薄膜应变片半导体应变片2、应变效益：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变（拉伸或压缩），其电阻也将随之发生变化。

通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器第五章：电容式传感器1、电容式传感器工作原理：由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数、极板间介质的相对介电常数、极板的有效面积Ａ以及两极板间的距离d有关：若被测量的变化使式中d、Ａ、　三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，因此可分为三种：变间隙式、变面积式、变介电常数式第六章 ：电感式传感器（目测老师上课时没讲，之后视情况补充）第七章 ：压电式传感器1、 概念：压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器，已被广泛应用于超声，通信，宇航，雷达和引爆等领域2、 （1）正压电效应（压电效应）：在电介质的一定方向上施加机械力而产生电的极化，导致两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷Q，且其电位移D与外应力量T成正比： D=dT（d—压电常数矩阵 即压电系数.）当外力消失，又恢复不带电原状；当外力消失，电荷极性随之而变2）逆压电效应（电致伸缩）：施加电场时，应变S与外电场强度E成正比：S= dE（d—逆压电常数矩阵 即压电系数.）即能量类型转换：教材表述：*轴平行于正六面体的棱线，称为电轴；y轴垂直于正六面体的棱面，称为机械轴；z轴表示其纵向轴，称为光轴。

压电效应：这些物质（压电材料）在沿一定的方向受到压力或拉力作用而发生形变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时他们又回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应在每一切片中，当沿电轴方向加作用力F时，则在于电轴垂直的平面上产生电荷Q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，则压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫“逆压电效应”3、相关传感器：压电式加速度传感器、压电式力传感器、压电式压力传感器、测力传感器第八章 ：磁电式传感器1、 概念：磁电式传感器是利用电磁感应原理,将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器有时也称作电动式或感应式传感器根据电磁感应定律,当N匝线圈在均恒磁场运动时,设穿过线圈的磁通为Φ,则线圈的感应电势e与磁通变化率dΦ/dt有如下关系：2、 霍尔传感器（ppt上没有相关容，大家自己补充）第九章：热电式传感器1、热电偶温度计（热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表 ）（1）组成：热电偶（敏感元件）: 必须用两种不同的材料作热电极—>1连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜导线）—>2测量仪表（动圈仪表或电位差计）—>3（2） 结构：热电偶是由两种不同材料的导体焊接而成；导体被称为热电极。

工作端或热端：焊接的一端用来感受被测介质的温度自由端或冷端：与导线相连端3） 热电偶的基本原理：①热电效应：在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为Seebeck电势这一物理现象称为热电效应回路的总热电势为：αAB—为热电势率或Seebeck系数，其值随电极材料和两接点的温度而定热电效应产生的电势由珀尔帖效益和汤姆逊效应引起②接触电势（珀尔帖电势）——>珀尔帖效应将同温度的两种不同的金属互相接触由于不同金属自由电子的密度不同，在金属A和B的接触处会发生自由电子的扩散现象，从密度大的A扩散到B；使A带正电， B带负电；直到在接点处建立了强度充分的电场，能够阻止电子扩散达到平衡为止两种不同金属的接点处产生的电动势称为接触电势③温差电势——>Thomson效应假设在一匀质棒状导体的一端加热，则沿此棒状导体有一温度梯度导体的自由电子将从高温端向低温端扩散，并在温度较低一端积聚起来，使棒建立起一电场当该电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，扩散作用停止，电场产生的电势称为Thomson电势（温差电势）温差电势远小于接触电势，常把它忽略掉回路的总热电势为：(4) 插入第三种导线的问题:在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。

不过必须保证引入线两端的温度相同5) 补偿导线的选用 :(工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，受周围环境温度的影响，冷端温度难以恒定)可以采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”不同的热电偶所用的补偿导线也不同6)热电偶的温度补偿方法（教材上表述方法有些许不同，大家自己补充吧~）①0℃恒温法：在标准大气压下，将清洁的水和冰鞋混合后放在保温容器，可使T0保持0℃②补正系数修正法：设冷端温度为tn，此时测得温度为t1，其实际温度应为t= t1+ktn（k：补正系数）③延伸电极法：原理为连接导体定律④补偿电桥法：利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化（7）热电偶的使用误差①分度误差：热电偶的分度是指将热电偶置于给定温度下测定其热电势，以确定热电势与温度的对应关系方法有标准分度表分度和单独分度两种②仪表误差 δ=（Tma*-Tmin）K （式中Tma*、Tmin：仪表量程上，下限 ；K：仪表的精度等级③延伸导线误差：一种是由延伸导线的热特性与配用的热电偶不一致引起的；另一种是由延伸导线与热电偶参考端的两点温度不一致引起的。

这种误差应尽量避免 ④动态误差 产生原因：由于测温元件的质量和热惯性，用接触法测量快速变化的温度时，会产生一定的滞后，即指示的温度值始终跟不上被测介质温度的变化值，两者之间会产生一定的差值 修正方法：在热电偶测量系统中引入与热电偶传递函数倒数近似的RC或RL网络⑤漏电误差产生原因：随温度升高（特别是在高温时）时，绝缘效果明显变坏，是热电势输出分流8） 热电偶的基本定律（P158）：①均质导体定律：两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电极的直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关②中间导体定律：在热电偶回路中插入第三、四…种导体，只要插入导体的两端温度相同，切插入导体是均质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小③中间温度定律：热电偶在接点温度为T,T0时的热电势等于该热电势在接点温度为T,Tn和Tn，T0时相应的热电势的代数和，即：EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)(9) 热电偶对热电极的材料的基本要求任意两种导体或半导体都能配成热电偶，当两个接点温度不同时就能产生热电势，但作为实用的测温元件，不是所有的材料都适于制作热电偶。

基本要：①热电特性稳定，即热电势与温度的对应关系不会变动②热电势要足够大，易于测量热电势，且课得到较高的准确度③热电势与温度为单值关系，最好成线性关系，或者是简单的函数关系④电阻温度系数和电阻率要小，否则热电偶的电阻讲随热端温度而有较大的变化，影响测量结果的准确性⑤物理成分稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀⑥材料的复制性好⑦材料的机械强度要高2、 两种热电式传感器的转换关系：热电阻传感器（将温度变化转化为电阻变化）热电偶传感器（将温度变化转化为热电势变化）3、 热电阻传感器电阻式测温系统是利用热电阻和热敏电阻的电阻率温度系数而制成温度传感器的大多数金属导体和半导体的电阻率都随温。