传感器检测与转换技术QY-CG810B

检测与转换技术复习提纲
一、传感器的基本概念
传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有对应关系的、便于应用的某些物理量的测量装置。是获取自然领域中信息的主要手段，在检测和自动控制系统中，相当于人的五官。
传感器位于自控系统的最前端，是实现自动检测和自动控制的首要环节，是现代信息技术的三大基础之一（即信息采集技术）。自动化程度越高，对传感器的依赖越大；
传感器检测与转换技术：它是一门以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换、信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。
传感器的基本特性
静特性：线性度（要求掌握端基线性度的拟和直线）、迟滞 、重复性、 灵敏度
动特性：固有频率

二、电阻应变传感器
1、概念：电阻应变计是将被测量的力（压力、荷重、扭力等）通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。它是由电阻应变片和测量线路两部分组成。
2、特点：参量类——外加物理量引起参数变化（R、L、C），属无源式。
3、电阻丝的应变效应：

4、重点掌握单臂、差动和全桥的测量方法、测量特点及相关计算，尤其是差动电桥。（重点：实验内容）。
5、掌握电阻应变片温度误差产生的原因及其补偿方法
*重点掌握应变式传感器测力、测加速度的方法。

三、电感传感器
1、自感和互感传感器概述：
定义：电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或互感的变化来测量的装置。
特点：结构简单、可靠，输出功率高，分辨力与灵敏高，线性较好，稳定，抗干扰能力强。但频率响应低，不宜进行快速动态测量。
1）自感传感器：
了解其工作原理，重点了解和掌握差动自感传感器原理、组成及特点（抗干扰能力强，灵敏度提高一倍，线性好，精度及特性变好，电磁吸力对测量力的影响相互抵消）。
了解相敏整流电路的原理与作用，试指出P168图6-19中主要元件的作用。
2）差动变压器
差动变压器是一种互感传感器，了解其工作原理与其测量电路的构成，重点掌握电路的原理（指出a图的错误并纠正之），了解电流输出型和电压输出型所用于的不同场合。
2、涡流传感器
了解其测量原理（反射电阻与反射电感），了解其测量方法（调频和调幅法），掌握其特点：可进行非接触测量，动态响应好，灵敏度高。主要测量位移、厚度、振动以及探伤等。涡流传感器可制成应用广泛的接近开关。

四、电容传感器
1、了解电容传感器的工作原理
2、分类：重点掌握极距变化型和面积变化型（重点掌握，能进行公式推导），介质变化型（一般了解）。
面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型。可测位移、尺寸。特点：线性，灵敏度低，只可测cm级。
极距变化型：特点：非线性，C =f（x）是一个双曲线函数，但容抗xc =f（x）呈线性关系。可测量微米级的位移，一般d<10mm，最大位移限制在< d/10。如采用差动电容，则容差和容和之比与中心极板的位移成线性关系，且灵敏度提高，抗干扰增强，输出与电容的极板面积与介质无关。
3、电容传感器测量电路的了解以桥式测量电路为主。
4、重点掌握电容传感器测压力、加速度的方法。

五、光电传感器
掌握光电效应的分类、原理和相应的典型器件。
外光电效应：光电管
内光电效应：
1、光电池：
光生伏特效应（ 势垒效应（结光电效应）：入射光照射在PN结上时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度Eg时，则在PN结内产生电子空穴对，它们的移动使PN结产生电势。
特点：频率特性好，转换效率高，频谱宽，稳定性好。
掌握光电池的光谱特性：注意光源与光电池的匹配（如硒光电池用于可见光，硅光电池用于红外光）
掌握光电池的光照特性：短路电流（测量用）：线性，负载电阻小好；开路电压：非线性。
2、光敏电阻：
光电导效应：光照在物体上，使其电阻率ρ发生变化的效应。即电子吸收光能后，从键合状态过度到自由状态，从而引起电导率的变化。
主要参数：
暗电阻：不受光照射时的电阻（大好）；亮电阻：受光照射时的电阻（小好）
暗电流：对应暗电阻的电流（小好）；亮电流：对应亮电阻的电流（大好）
光电流：亮电流 - 暗电流（大好）
特点：灵敏度高（光照后阻值急剧下降），光谱特性好，使用寿命长，稳定，体积小。但频率低，非线性，宜用作开关量。
3、光敏二极管
原理：入射光照射在PN结上时在PN结内产生电子空穴对，在内电场作用下定向运动形成光电流。
在测量电路中反向接入：
照射光↑→I↑光敏二极管处于导通状态，光照停止，光敏二极管处于截止状态；
正向电阻：类似普通二极管；反向电阻：∞，随光照变化。
4、光敏三极管
原理：入射光照射在PN结上时在PN结内产生电子空穴对，在内电场作用下定向运动形成光电流。光照发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流，其集电极电流是它的β倍。
光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。
5、应用
将被测量的变化转变为光信号的变化,具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反映快等优点，应用广泛。
模拟量光电传感器检测系统：辐射式、吸收式、反射式、遮光式；

六、霍尔传感器：
霍尔传感器基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出的一种传感器。
霍尔效应： 在金属或半导体薄片的两端通过控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的磁场，那么,在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势UH（霍尔电压）。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果： UH=KHIB
灵敏度KH = RH / d， d小（1μm）则灵敏度高。霍尔片长边/短边=2, 长边短边通以电流，短边输出UH，建立霍尔效应的时间很短：10-2～ 10-14ｓ。
特点：虽然其转换效率低，温度影响大，但简单、体积小、频率响应宽（从直流到微波）、可靠性高、易于集成化。
电磁特性：
1）ＵH—I特性：UH = KH I B 在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势UH与控制电流I之间呈线性关系，直线的斜率称为控制电流灵敏度用KI表示（KI= KH B）。
2）ＵH—B特性：当控制电流一定时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈线性关系，只有当元件工作在０.５Wb/m2时线性度才比较好。KB = KH I → UH = KB B
应用：实际使用时，以I或B或同时作为输入信号，而输出信号则正比于I或B或两者的乘积。测量电路多以恒流源供电，将被测量转换为磁场的变化。重点掌握霍尔式位移传感器的测量原理。
重点掌握霍尔传感器的各类应用。

七、压电传感器
1、原理
压电效应：沿某些电介质的一定方向施加力而使之变形时，内部产生极化现象，两个表面产生符号相反的电荷，去掉外力后复原。
逆压电效应：在介质的极化方向施加（交变）电场，它会产生机械变形，取掉外加电场后变形消失。
2、石英晶体的压电特性
1）结构：单晶体，六角形晶柱
Z轴：3，纵向轴，光轴，无压电效应；
X轴：1，经过正六面体棱线，垂直于光轴，电轴（纵向压电效应）
Y轴：2，垂直于X、Z轴，机械轴（横向压电效应）
2、计算
dmn m—产生电荷的面的轴向；n—施加作用力的轴向
1）压电晶体切片在X方向受压缩力σx作用，产生厚度变形：
极化强度Px = d11 σx = d11 Fx/lb = qx / lb 则： qx = d11 Fx 与尺寸无关。
2）沿y方向施加力Fy ，产生长度变形：
极化强度Py = d12 σy = d11 Fy/hb = qx / lb
则： qx = d12 Fy lb/ hb = d12 Fy l/ h 与尺寸相关
由于：d11 = - d12 （各向异性）则： qx = -d11 Fy l/ h
3）沿Z轴方向施加力，无变形，无极化。
4）无体积变形，无极化。
#3、压电元件的联接：
串联：q= q, u = 2u, c= c/2 宜电压输出，C小，测快速信号； 并联：q = 2q, u= u, c = 2c 宜电荷输出，C大，测慢速信号。
4、压电传感器的等效电路Ua = q/Ca（P144、145）
1）电荷源：内部的电荷发生器对C充电；采用电压源的测量电路，其输出电压与输入电荷（压电元件的输出电荷）成正比，线路较复杂，但受电缆电容的影响较小，低频特性较好；
2）电压源：产生的电荷形成电压源，对外供电时需通过对等效电容充放电进行。采用电压源的
测量电路，其输出电压与输入电压（压电元件的输出电压）成正比，线路简单，但容易受电缆电容的影响,低频特性差。
5、压电传感器测量特点：
1）对象：力及力的派生物理量（压力、位移、加速度等）。
2）动态测量：压电材料上产生的电荷只有在无泄露的情况下才能长期保存。故它不宜做静态测量，只能施加交变力，电荷才能得到不断的补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做动态测量。
3）高阻前置放大器：减少晶片的漏电流以减少测量误差。作用：放大和阻抗变换。
6、应用：作为测量元件，可测最终能变为力的物理量如压力、加速度、冲击（汽车的冲击检测）、振动等。
7、特点：体积小，简单，可靠，灵敏，固有频率高，应用广泛，但不能测频率太低的被测量，特别是静态力。

八、温度传感器
1、热电阻传感器：
特点：测温精度较高，范围广，稳定性、重复性好，特别适于测低温。但热惯性大，灵敏度低。
测温电路（参见P161图6-8a）：用电桥作为传感器的测量电路，工业上用的铂电阻的引线为三根，目的是消除连接线电阻的影响。
2、热敏电阻
分类： NTC：具有负温度系数，阻值随温度升高而下降；
PTC：具有正温度系数，阻值随温度升高而升高。
NTC与PTC均有突变型与缓变型，但NTC以缓变型多， PTC以突变型多。
特点：灵敏度高、热惯性小，结构简单，使用广泛。但非线性：R与T呈指数关系，V与I的变化不服从欧姆定律、稳定性差，一致性差。
3、热电偶传感器
掌握热电偶测温的基本原理
重点掌握和理解热电偶回路的几点结论
了解工业热电偶的分类和两个重要的概念(分度号、分度表)，了解塞贝克系数的含义。
重点了解热电偶冷端的温度补偿的意义和方法。
复习热电偶实验的各个环节

八、位移-数字传感器
特点：大量程，高精度，高分辨率，抗干扰能力强，稳定性好，易于与计算机接口。
分类：角度数字编码器、光栅传感器、感应同步器（不要求）
1、角度数字编码器
码盘式编码器（绝对编码器）：了解四位二进制码盘接触式码盘的原理和提高精度的方法。了解循环码盘（相邻的两个数码间只有一个是变化的）的优点。
脉冲盘式编码器（增量编码器）：即光电编码器。精度取决于码盘本身的精度，分辨率取决于每转的脉冲数。无论正、反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量。非接触式。
2、栅式数字传感器
1）计量光栅：利用莫尔（Moire）现象，主要用于测量长度、角度、v、a、震动等。
栅尺：尺面刻有排列规则、形状规则、平行的刻线，透明（白）、不透明（黑）。
标尺光栅：主光栅，长度由测量范围定，不移动；
指示光栅：移动，需有足够长以获得足够的莫尔条纹区。
2）莫尔条纹：两块栅尺面对面相迭合，并使两块栅线形成很小的夹角θ，由此出现的明暗相间的条纹。莫尔条纹两个亮条纹之间的宽度既为其间距w。
#3）莫尔条纹的转换特点：w = d/θ 当θ很小时w对d有几百倍的放大作用（d为光栅距）。栅尺移动一个d ，莫尔条纹移动一个w ；栅尺移动的方向与莫尔条纹移动的方向相对应。误差平均效应：栅线标准均方差σ莫尔条纹均方差：σ=√n
4）光栅测量系统
组成：
光栅光学系统（照明系统；光栅副：标尺光栅与指示光栅，在平行光照射下形成莫尔条纹；光电接收系统：光电元件输出信号的周期数与移过的栅距数相等）；
电子系统（细分、辩向、显示）；
机械部分
5）电子细分
目的：提高分辨率；措施：倍频、插补，在信号的一个周期内插入许多计数脉冲，以提高信号的重复频率和分辨率。
分类：直接细分、矢量细分、电桥细分等。主要掌握四倍频直接细分电路（P200）。
6）光栅测量的特点
高精度：0.2- 0.4μm/m，仅次于激光；高分辨率：0.1μm；大量程：可大于1米；抗干扰能力强，可实现动态测量。可测量能变为位移的物理量（如震动、应力、应变等）。

实验台可完成“传感器原理与应用”、“自动检测技术”、“工业自动化仪表与控制”、“非电量电测技术”、“传感器与测控技术”等课程的教学实验。
传感器实验内容如下：
带为实验为思考实验
实验一 电阻式传感器的单臂电桥性能实验
实验二 电阻式传感器的半桥性能实验
实验三 电阻式传感器的全桥性能实验
实验四 电阻式传感器的单臂、半桥和全桥的比较实验
实验五 电阻式传感器的振动实验
实验六 电阻式传感器的电子秤实验*
实验七 变面积式电容传感器特性实验
实验八 差动式电容传感器特性实验
实验九 电容传感器的振动实验*
实验十 电容传感器的电子秤实验*
实验十一 差动变压器的特性实验
实验十二 自感式差动变压器的特性实验
实验十三 差动变压器的性能实验
实验十四 激励频率对差动变压器特性的影响
实验十五 差动变压器的振动实验*
实验十六 差动变压器的电子秤实验*
实验十七 光电式传感器的转速测量实验
实验十八 光电式传感器的旋转方向测量实验
实验十九 接近式霍尔传感器实验
实验二十 霍尔传感器的转速测量实验
实验二十一 霍尔传感器的振动测量实验
实验二十二 涡流传感器的位移特性实验
实验二十三 被测体材质对涡流传感器特性的影响实验
实验二十四 涡流式传感器的振动实验
实验二十五 涡流式传感器的转速测量实验
实验二十六 温度传感器及温度控制实验（AD590）
实验二十七 磁电式传感器的特性实验
实验二十八 磁电式传感器的转速测量实验
实验二十九 磁电式传感器的应用实验*
实验三十 压电加速度式传感器的特性实验
实验三十一 光纤传感器的位移特性实验
实验三十二 光纤传感器的振动实验
实验三十三 光纤传感器的转速测量实验
实验三十四 压阻式压力传感器的特性实验
实验三十五 压阻式压力传感器的差压测量实验*
实验三十六 超声波传感器的位移特性实验
实验三十七 超声波传感器的应用实验*
实验三十八 气敏传感器的原理实验
实验三十九 湿度式传感器原理实验