传感器原理与应用技术

大学教材人民邮电出版社传感器原理与应用技术思维导图。传感器的原理为将汽车运行中的各种工况信息转化为电信号输入计算机内，一遍发动机处于最佳状态，应用于：车速、各种介质温度、发动机运转等工况的检查。

传感器原理及技术

• 应变式电阻传感器
  • 分为两大类
    • 金属应变式
      • 丝式
      • 箔式
      • 薄膜式
    • 半导体应变式
  • 核心元件：电阻应变片
    • 应变效应：金属导线拉长时，电阻增加；压缩时，电阻降低。
    • 工作原理：
      • Ks:电阻灵敏系数，金属丝单位轴向应变引起的电阻变化
      • 是泊松系数
    • 金属电阻应变片
      • 金属丝式应变片
        • 敏感栅
        • 基片和覆盖片
        • 黏结剂
      • 金属箔式应变片
        • 与丝式相比的优点
          • 金属箔栅很薄，感受的应力状态与试件表面的应力状态更接近
          • 表面积更大，允许通过较大的电流。提高灵敏度
          • 箔栅尺寸准确，均匀，能制成任意形状
          • 便于批量生产
      • 金属薄膜应变片
        • 有较高的灵敏度系数，允许电流密度大。工作温度范围较广
    • 半导体应变片
      • 压阻效应：对半导体材料某一轴向施加载荷产生应力时，它的电阻率会发生变化。
      • 类型
        • 体型半导体应变片
        • 薄膜型——
        • 扩散型——
      • 优点
        • 灵敏度高
        • 体积小、省电
        • 具有正、负两种符号的应力效应值
        • 机械滞后小，可测量静态应变、低频应变
      • 缺点
        • 温度系数大，应变时非线性严重，需要消除非线性误差和温度误差
  • 电阻应变片主要特性
    • 灵敏系数
      • K为灵敏系数
    • 横向效应
      • 敏感栅两端的半圆弧型的横栅，在受轴向力时产生横向应变εr 使半圆弧部分电阻发生变化
    • 机械滞后、零漂及蠕变
      • 通常在实验前将试件预先加、卸载若干次，以减小因机械滞后所产生的实验误差
      • 零漂：粘贴好的应变片，温度恒定，不承受应变——电阻随时间发生变化
      • 蠕变：粘贴好的应变片，温度恒定，承受恒定应变——电阻随时间发生变化
      • 衡量应变片对时间稳定性的指标
    • 应变极限
      • 应变超过一定限度变为非线性
    • 动态特性
  • 温度特性及其补偿
    • 温度误差
      • 原因：1.电阻丝有一定温度系数
      • 2.电阻式材料与测试材料的线膨胀系数不同
    • 温度补偿
      • 单丝自补偿应变片
        • g-敏感栅；e-试件
      • 双丝组合式自补偿应变片
        • 两端敏感栅随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反
      • 电路补偿法
        • 三个条件：1.R1和R2是同一批号
        • 2.粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件线膨胀系数相等
        • 3.处于同一温度中
      • 热敏电阻补偿法
  • 电阻应变片的测量电路
    • 直流电桥
      • 平衡条件：R1R4=R2R3
      • 电压灵敏度Sv：
      • 非线性误差及其补偿方法
        • 非线性误差
        • 减小或消除非线性误差的方法
          • 提高桥臂比：
          • 采用差动电桥
            • 半桥差动：
            • 全桥差动
    • 交流电桥
      • 平衡条件：
      • 
      • 交流电桥的调平
    • 恒流源电桥
  • 固态压阻式传感器
• 电容式传感器
  • 优点：结构简单，体积小，适应性强，温度稳定性好，动态响应好，可以实现非接触测量，具有平均效应等。缺点:①输出阻抗高，负载能力差;②寄生电容影响大;③输出特性非线性。
  • 工作原理及特性
    • 
    • 类型
      • 变极距型
      • 变面积型
      • 变介质型
  • 等效电路
    • 电源频率低/高温高湿
    • 电源频率高
  • 测量电路
    • 交流电桥电路
    • 运算放大器电路
      • 输出电压与板间距离成正比，解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题
    • 二极管双T型电路
    • 差动脉宽调制电路
    • 调频电路
  • 减小或消除边缘效应的方法
    • 减小极间距
    • 电极做得极薄
    • 增设等位环
  • 减小或消除寄生电容的方法
    • 增加传感器原始电容值
    • 集成化技术
    • ”驱动电缆“技术
    • 运算放大器法
    • 整体屏蔽法
• 电感式传感器
  • 自感式传感器
    • 工作原理：
    • 差动式自感传感器
      • 灵敏度比单线圈传感器提高了一倍
      • 线性好
      • 温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小。
      • 电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。
    • 测量电路
      • 电阻平衡臂交流电桥
      • 变压器式交流电桥
      • 紧耦合电感臂交流电桥
  • 互感式传感器
    • 工作原理
    • 差动变压器输出特性曲线；Uz是零点残存电压
      • 零点残存电压产生的原因
        • 差动的两个线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不可能完全对称。
        • 线圈的分布电容不对称。
        • 电源电压中含有高次谐波。
        • 传感器工作在磁化曲线的非线性段。
      • 减小零点残存电压的方法
        • 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称。
        • 选用合适的测量电路
        • 采用补偿电路减小零点残余电压
    • 差动变压器测量电路
      • 差动整流电路
        • 
          • 
      • 二极管相敏检波电路
  • 电涡流式传感器
    • 有接触连续测量的优点
    • 高频反射式电涡流传感器
      • 测薄金属板；ρ 较大的材料
    • 低频透射式电涡流传感器
      • 测厚金属板；ρ 较小的材料
    • 转换电路
      • 交流电桥
      • 调幅式电路
      • 调频式电路
• 热电式传感器
  • 将温度转化为电量的传感器
  • 热电偶
    • 工作原理
      • 热电效应
        • 热电动势
          • 接触电动势
            • 与材料、接点的温度有关
            • 与形状无关
          • 温差电动势
            • 与材料、两端的温度有关
    • 结构
    • 材料
    • 种类
    • 冷端补偿方法
      • 冷端恒温法
      • 补偿导线法
      • 计算修正法
      • 电桥补偿法
      • 显示仪表零位调整法
      • 软件处理法
    • 测温电路
      • 测量某一点温度
      • 测量两点之间的温度差
      • 并联电路
        • 测量多点的平均温度
      • 串联电路
        • 测量总电动势
  • 热电阻
    • 类型
      • 装配式热电阻
      • 铠装热电阻
      • 端面热电阻
      • 隔爆型热电阻
    • 常用的热电阻
      • 铂热电阻
      • 铜热电阻
      • 铟、锰、碳热电阻
    • 测量电路
      • 三线式电桥连接法
      • 四线式电阻测量电路
  • 热敏电阻
    • 基本参数
      • 标称电阻RH
      • 材料常数BN
      • 电阻温度系数α
      • 耗散系数H
      • 时间常数τ
      • 最高工作温度Tmax
    • 主要特性
      • NTC热敏电阻的电阻-温度特性
      • PTC热敏电阻的电阻-温度特性
  • PN节温度传感器
• 压电式传感器
  • 压电效应
    • 1.压电效应:某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极 化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷;当外力去掉后，它又重新恢复到 不带电的状态。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象 称为“正压电效应”或“顺压电效应”。
    • 石英晶体的压电效应
      • 沿Y轴施加力——横向压电效应
      • 沿X轴施加力——纵向压电效应
      • 微观原理
        • 当晶体受到沿某方向(x轴或y轴)的力的作用时，晶体沿x轴方向将产生伸缩，使正负电荷中心不再重合，电偶极矩在该方向上的分量不再等于零，导致在该方向出现电荷。
      • 特点
        • ①当晶体受到沿x (电轴)方向的力作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方 向则不产生压电效应;
        • ②晶体在y轴方向受到力作用时，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生 压电效应;
        • ③晶体在z轴方向受到力作用时，不产生压电效应。
      • 石英晶体受力与产生电荷的关系
        • ①沿电轴x方向施加压力F,时，qx =dnFx,qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几 何尺寸无关; .
        • ②沿机械轴y方向施加压力F,时，912 =d12OF, =d12口F,,q12与作用力F,成正比， 且与晶片的几何尺寸有关;
        • ③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的;
        • ④晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应;
        • ⑤无论是正或逆压电效应，其作用力(或应变)与电荷(或电场强度)之间皆呈线性 关系。
    • 压电陶瓷的压电效应
      • 极化强度以电偶极矩形式表现，电压表不能测出片内极化强度
      • 正压电效应
        • 施加压力，极化强度变小，放电
        • 压力撤销，极化强度变大，充电
        • 机械能——>电能
  • 压电材料
    • 压电晶体
    • 压电陶瓷
    • 新型压电材料
      • 压电半导体
      • 高分子压电材料
  • 压电式传感器的测量电路
    • 电压放大器
    • 电荷放大器
      • 反馈电容越小，放大器的灵敏度越高