传感器与检测技术基础 复习提纲 考试不挂科专用版

传感器与检测技术基础 复习提纲 考试不挂科专用版

题型：

• 选择题

• 判断题

• 问答题

• 计算题

复习要点

1. 了解传感器定义、组成及分类。

定义：传感器是一中以一定精度把测量（主要是非电量）转换与之有确定关系，便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置。

组成：敏感元件、转换元件、转换电路

分类：

1）按照传感器的工作机理，可分为物理型、化学型、生物型等。

2）按构成原理，可分为结构型和物性型。

3）按传感器的能量转换情况，可分为能量控制型和能量转换型传感器。

4）按照物理原理分类，可分为电参量式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、波式传感器、射线式传感器、半导体式传感器、其他原理的传感器。

5）按照传感器的使用分类，可分为位移传感器，压力传感器、振动传感器、温度传感器等。

2. 掌握传感器的静态特性参数（指标）

1）线性度：指传感器的输出与输入之间的线性程度。

非线性误差的指标，即
$${\gamma }_L=\pm \frac{\Delta L_{max}}{Y_{fs}}\times 100$$
γ_L 为线性度；△L_max 为最大非线性绝对误差；Y_FS=y_max - y_min，为满量程输出。

2）灵敏度：指传感器在稳态下的输出变化量△y与引起此变化的输入变化量△x之比，用k表示，即
$$k=\frac{\Delta y}{\Delta x}$$
3）迟滞：传感器在（输入量增大）反（输入量减小）行程间，其输出-输入特性曲线不重合现象称为迟滞。
$${\gamma }_H=\pm \frac{\Delta H_{max}}{Y_{FS}}\times 100\%$$
或
$${\gamma }_H=\pm \frac{\Delta H_{max}}{2Y_{FS}}\times 100$$

4）重复性：指在同一工作条件下，输入量按同一方向做全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

即
$${\gamma }_R=\pm \frac{(2\sim 3)\sigma }{2Y_{FS}}\times 100\%$$
或
$${\gamma }_R=\pm \frac{\Delta R_{max}}{2Y_{FS}}\times 100\%$$
5) 精度：反应系统误差和随机误差的综合误差指标。

用线性度、重复性和迟滞三项的方和或简单代数和表示，即
$$\gamma =\sqrt{{\gamma }_L^2+{\gamma }_R^2+{\gamma }_H^2}$$
或
$$\gamma ={\gamma }_L+{\gamma }_R+{\gamma }_H$$

6）零点漂移：传感器无输入时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值，其值为
$$\frac{\Delta Y_0}{Y_{FS}}\times 100\%$$
△Y₀为最大零点偏差；Y_FS 为满量程输出。

7）温度漂移：温度漂移表示温度变化，传感器输出值的偏离程度。

一般以温度变化1℃，输出最大偏差与满量程的百分比表示，即
$$\frac{{\Delta }_{max}}{Y_{FS}\cdot \Delta T}\times \%$$
△_max 为最大偏差；△T为温度变化值；Y_FS为满量程输出。

3. 掌握应变、应变效应的基本概念（金属应变片&半导体应变片区别）及应变式传感器工作原理。

3.1 电阻应变式传感器的优点

结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高、动态响应快、适合静态及动态测量、测量精度高等优点。

3.2 金属的应变效应

电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械形变的大小而发生响应变化的现象称为金属的电阻应变效应。

$$\frac{\Delta R}{R}=\frac{\Delta \rho }{\rho }+\frac{\Delta l}{l}-\frac{\Delta S}{S}=(1+2\mu +\lambda E)ϵ=K_0ϵ$$
μ：电阻丝材料的泊松比

ε：导体纵向应变

λ：压阻系数

K₀：灵敏系数

3.2.2 应变片的结构种类

金属应变片分为丝式应变片、箔式应变片和薄膜应变片

3.2.3 电阻应变片的特性

1）灵敏系数

2）横向效应

3）温度误差及其补偿

误差来源：温度系数的影响，材料膨胀系数的影响。

补偿方式：电桥补偿法，应变片的自补偿法（选择式自补偿应变片、双金属敏感栅自补偿应变片和热敏电阻补偿法）

3.2.4 电阻应变片的测量电路

1. 工作原理
   $$U_0=U\frac{R_1{R}_4-R_2{R}_3}{(R_1+R_2)(R_3+R_4)}=\frac{UK}{4}(\frac{\Delta R_1}{R}-\frac{\Delta R_2}{R}-\frac{\Delta R_3}{R}+\frac{\Delta R_4}{R})=\frac{UK}{4}({ϵ}_1-{ϵ}_2-{ϵ}_3+{ϵ}_4)$$

   ①$$\Delta R_i\le R$$时，电桥的输出电压与应变成线性关系。

   ②若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差;若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。

   ③若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和，反之则为两者之差。

   ④电桥供电电压U越高，输出电压U。越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。

   ⑤增大电阻应变片的灵敏系数K,可提高电桥的输出电压。

2. 非线性误差及其补偿

   相对非线性误差为
   $${\gamma }_L=\frac{U_0}{U_0^{{}^{\prime }}}-1\approx -\frac{1}{2}Kϵ$$
   1）半桥差动电路

   $$|\Delta R_1|=|-\Delta R_2|=|\Delta R|$$

   半桥差动电路的输出电压为$$U_0=\frac{1}{2}U\frac{\Delta R}{R}$$

   半桥差动电路不仅能消除非线性误差，而且还能使电桥的输出灵敏度比单臂工作时提高了一倍，同时还能起温度补偿作用。

   2）全桥差动电路

   $$|\Delta R_1|=|-\Delta R_2|=|-\Delta R_3|=|\Delta R_4|=|\Delta R|$$

   全桥差动电路输出电压为$$U_0=U\frac{\Delta R}{R}$$

   全桥的电压灵敏度是单臂工作时的灵敏度的4倍，非线性误差也得以消除，同时还具有温度补偿的作用。

3.3 压阻式传感器

3.3.1半导体的压阻效应

半导体的压阻效应是指单晶半导体材料沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化的现象。
$$\frac{\Delta R}{R}=(1+2\mu )ϵ+\frac{\Delta \rho }{\rho }=(1+2\mu +{\pi }_{l}E)ϵ\approx {\pi }_l\sigma$$
半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小。

3.3.2 体型半导体电阻应变片

测量电路

1）恒压源
$$U_o=\frac{U\Delta R}{R+\Delta R_T}$$
U_o：电桥输出电压

U：电桥供电电压

R：应变片阻值

ΔR：由环境温度变化引起的阻值变化

优点：灵敏系数高

缺点：温度稳定性和线性度差。

2）恒流源
$$U_o=I\cdot \Delta R$$
优点：电桥输出电压与ΔR成正比，且环境温度的变化对其没有影响。

缺点：存在零点漂移和蠕变，长期稳定性差。

3.3.3 测量桥路及温度补偿

1. 测量电桥
   $$U_o=I\Delta R$$

2. 零点补偿

   零点漂移是由于4个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻的方法进行补偿。

3. 灵敏度温度补偿

   灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的。温度升高时，压阻系数变小；反之变大。

   补偿：利用在电源回路中串联二极管的方法。

4. 会分析并计算半桥差动、全桥差动对非线性误差和电压灵敏度的改善。

5. 掌握变磁阻、差动变压器电感式传感器的工作原理。

5.1变电抗式传感器原理与应用

5.1.1 自感式传感器

1. 工作原理

   自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。

5.2.2 差动变压器

差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化。

1. 变隙式差动变压器

   $$k=\frac{U_2}{\Delta \delta }=\frac{W_2}{W_1}\frac{U_1}{{\delta }_0}$$

2. 螺线管式差动变压器

6. 会比较单线圈和差动两种变磁阻（变气隙厚度）电感式传感器的特性；了解电感式传感器的不同测量电路。

7. 了解差动变压器电感式传感器的工作原理，掌握零点电压产生的原因。

​ 零点电压产生的原因

​ 1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁心位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。

​ 2）由于铁心的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。

8. 掌握电容式传感器的三种类别；掌握变面积型电容传感器的分类及其测量原理；掌握变介质型、变极距型、差动变极距型电容式传感器的测量原理。

1）差动变极距型电容传感器：
$$C=C_0+\Delta C=\frac{{ϵ}_0{ϵ}_{r}S}{d-\Delta d}=\frac{C_0}{1-\frac{\Delta d}{d}}\approx C_0+C_0\frac{\Delta d}{d}$$
2）变面积型电容传感器
$$\begin{gathered} \Delta C=C_0-C=\frac{{ϵ}_0{ϵ}_{r}ab}{d}-\frac{{ϵ}_0{ϵ}_r(a-\Delta x)b}{d}=\frac{{ϵ}_0{ϵ}_{r}b\Delta x}{d} \\ C=\frac{{ϵ}_0{ϵ}_r{S}_0(1-\frac{\theta }{\pi })}{d_0}=C_0-C_0\frac{\theta }{\pi } \end{gathered}$$
3）变介电常数型电容传感器

9. 了解电容式传感器的特点和设计要点。

特点：

①温度稳定性好。电容传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料,又因其本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有电阻，电感传感器有铜损等，易产生发热、零漂等情况。

②结构简单,适应性强，能够承受很大的温度变化，能承受高压力、高冲击、过载等情况。

③动态响应好。电容传感器由于带电极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小。又由于它的可动部分质量可以做得很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，特别适用于动态测量。

④可实现非接触测量，且具有平均效应，可以减小由于传感器极板加工过程中局部误差较大而对整体测量精度的影响。

要点：

1）减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能。

2）消除和减小边缘效应

3）消除和减小寄生电容的影响，防止和减小外界干扰。

4）尽可能采用差动式电容传感器

10. 掌握光电效应、内光电效应、外光电效应、亮电阻、暗电阻、暗电流、全反射、数值孔径等基本概念；

外光电效应：在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象称为外光电效应。

内光电效应：在光电的作用下能使物体电阻率改变的现象称为内光电效应。

亮电阻和亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为光照下的亮电阻，此时流过电流称为亮电流。

暗电阻和暗电流：光敏电阻在温室条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值称为暗电流。，此时流过的电流称为暗电流。

数字孔径(NA)：NA=$$sin{\theta }_i=\sqrt{n_1^2-n_2^2}$$

11. 掌握CCD图像传感器的工作原理。

电荷耦合器件简称CCD，是一中大规模金属氧化物半导体集成电路器件。

功能：具有光电信号转换、存储、转移及输出信号电荷的功能。

12. 了解光纤传感器的优点，会计算光纤入射角。

13. 掌握霍尔效应的基本概念及霍尔式传感器的工作原理。

霍尔效应：将半导体薄片置于磁场中，当通过它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应。
$$U_H=R_H\frac{IB}{d}=K_{H}BI，K_H=\frac{R_H}{d}=\frac{1}{ned}$$
U_H：霍尔电动势

R_H：霍尔常数

14. 掌握压电效应、正压电效应、逆压电效应的含义；

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。

正压电效应：某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态。

逆压电效应：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，也叫做逆压电效应。

15. 了解压电式传感器的典型应用。

16. 掌握温标及换算关系、热电效应、热电偶、热电阻、热敏电阻、接触电动势、温差电动势、工作端、自由端、分度表等基本概念。

温标：经验温标、热力学温标、国际温标和1990年国际温标。

热电阻材料要求：电阻温度系数大、电阻率尽可能大，电容量小。

17. 掌握热电阻（铂热电阻、铜热电阻）的温度特性，了解测量电路（二线制、三线制、四线制）原理。

18. 掌握热电偶分度表的使用方法；会结合热电偶基本定律进行计算。

19. 熟悉流量测量的基本概念，掌握差压式流量计的工作原理、结构。