传感器原理及技术

传感器原理及技术知识大纲，包括传感器的一般特性、电阻应变式传感器、压阻式传感器、变间隙式电容传感器等内容。

传感器原理及技术

• 传感器概述
  • I. 定义
    • 把非电量转化为电量输出的测量装置
  • II. 组成
    • 敏感元件，转换元件，测量电路组成
• 传感器的一般特性
  • I. 静态特性指标
    • 1. 线性度
      • γ=±（Lmax/Y）x100%
    • 2. 灵敏度
      • K=Δx/Δy
    • 3. 迟滞
    • 4. 重复性
    • 5. 分辨率
    • 6. 漂移
  • II. 动态特性指标
    • 瞬态响应指标
      • 1. 上升时间
      • 2. 响应时间
      • 3. 峰值时间
      • 4. 超调量
    • 频率响应指标
      • 1. 频带
      • 2. 时间常数
      • 3. 固有频率
• 电阻应变式传感器
  • I. 导体或半导体材料在外力的作用下产生机械形变导致电阻值发生改变叫做电阻应变效应
  • II. 灵敏系数K影响因素
    • 1. 应变片受力后材料几何尺寸的，金属材料为主
    • 2. 应变片受力后电阻率的变化，以半导体材料为主
  • III. 测量电路
    • 1. 不对称电桥
    • 2. 对称电桥
    • 3. 全等臂电桥
  • IV. 温度补偿
    • 1. 线路补偿法
    • 2. 应变片自补偿法
    • 3. 单丝自补偿应变片
    • 4. 双丝组合式自补偿应变片
• 压阻式传感器
  • 由于应力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为压阻效应
• 变间隙式电容传感器
  • I. 测量电路
    • 1. 双T型电桥电路，采用两个传感器测量
    • 2. 运算放大器测量电路，采用两个传感器测量
      • 解决了单个变极板间距式传感器的非线性问题
    • 3. 调频电路，采用一个传感器测量
    • 4. 差动脉冲宽度调制电路，采用两个传感器测量
      • 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量的变化而变化
  • II. 特性
    • 自感式传感器的特性和压阻式传感器的特性完全相同
    • 1. 一般只用来测量微小位移量
    • 2. 减小极板间距，会提高灵敏度，但是会增大非线性度误差
    • 3. 采用差动式，灵敏度提高一倍，非线性度误差减小
    • 4. 变压器电桥电路，采用一个传感器（单臂），两个传感器（差动）
• 差动变压器式传感器
  • 转化出来的是交流电，只能测得衔铁移动距离大小，无法判断衔铁移动方向
    • 差动相敏检波电路或者差动整流电路，既测得大小，也可测得方向，同时可以消除零点电压
• 电涡流式传感器
  • 利用电涡流感应定律，自发电型传感器，用于非接触测量
  • 工作原理：线圈置放于金属旁边，通入高频交流电，产生交变磁场，金属内产生涡流，涡流会再产生感应磁场，反作用于线圈，改变了电感。
    • 电感的变化取决于线圈的外形尺寸，线圈与金属板之间的距离，金属板材料的电阻率和磁导率以及电流频率等。
• 压电式传感器
  • I. 压电效应
    • 顺压电效应（正压电效应）
      • 电介质物质，在一个方向上是力的作用而变形，然后将机械能转化为电能的现象
    • 逆压电效应（电致伸缩效应）
      • 电介质物质。在极化方向上受到电场作用会产生机械形变，电能转化为机械能的现象
  • II. 石英晶体压电效应
    • 沿X轴方向加力，产生纵向压电效应沿Y轴方向加力，产生横向压电效应沿Z轴方向加力，不产生压电效应。
  • III. 压电陶瓷压电效应
    • 必须进行极化才能产生压电效应；压电常数高，灵敏度高，是石英晶体的几百倍；还具有具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构
  • IV. 压电式传感器的测量电路
    • 电压放大器
      • 具有较好的高频响应特性；测量中的电缆长度要固定；放大器内阻足够大；
    • 电荷放大器
      • 实现电荷量到电压量的线性转换；放大器的开环放大倍数要足够大；导线的长度可以不固定；
  • V. 不能够测静态参数，只能用于测动态参数
• 霍尔传感器
  • 霍尔元件的灵敏度Kh与薄片的厚度成反比
  • 不等位电势的产生原因
    • 霍尔电极安装位置不对称或不在同等电位面上；半导体材料电的阻率不均匀或几何尺寸不均匀；控制电极接触不良；
      • 采用外接线路补偿法进行补偿
  • 只能测得能够将被测变化量转化为磁场、电流、位移、压力、转速变化等，在转化为电动势变化输出
  • 霍尔元件的温度误差补偿
    • 恒流源供电法；采用热敏元件；
• 光电式传感器
  • 外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象
    • 光电倍增管；光电摄像管；光电管
  • 内光电效应：光线照射在半导体材料上，使其导电能力发生变化，产生光生电动势
    • 光电导效应：受到光线照射后产生电子-空穴对，电阻率发生变化的现象
      • 光敏二极管；光敏三极管；光敏晶闸管；
      • 光敏电阻
        • 暗电阻越大越好，亮电阻越小越好；暗电流小，亮电流大，光电流大，灵敏度高
        • 受温度影响大，温升，暗电阻小，暗电流大，灵敏度下降
    • 光伏特效应：光线作用下，在物体两端产生一定方向的电动势的现象
      • 光电池
        • 用作线性检测，负载要尽可能小，尽量工作在短路状态
• 温度传感器
  • 金属热电阻传感