南邮微纳传感器
时间：2022-08-17 06:00:01
第一章 传感器概述
1.1 传感器的定义(重点)
传感器：信号检测器件和信号处理部分
传感器：可以力、温度、光、声、化学成分转换为电压、电流、电路通断
国家标准：能够感受到规定的测量并按照规定进行测量一定规律转换成可输出信号通常由器件和装置组成敏感元件和转换元件组成
按使用场合又称：变换器、换能器、探测器
1.3 传感器的组成和分类(重点)
组成：敏感元件、转换元件（核心）、测量电路
传感器的分类：看PPT11（可以按照这几种分类：范畴、信号、结构、功能、转换原理、能源）
国标分类体系：物理量、化学量、生物类
指标特性：线性度、灵敏度、精确度、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性、稳定性、飘移
1.5 精确度（重点）
- 精密度 δ
随机误差大小的标志，多次测量，测量结果分散程度
- 正确度 ε
系统误差大小的标志，与真值偏离的大小
- 精确度 τ
精密度和准确度两者总和
计算方法
A = Δ A Y F S × 100 % A = \cfrac{ΔA}{Y_{FS}} \times 100\% A=YFSΔA×100%
A: 传感器精确度等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0
ΔA: 测量范围内允许的最大绝对误差
YFS： 满量程输出
例题
检定一台1.5级T刻度0-100Pa压力传感器，现在发现50Pa处误差最大，误差为1.4Pa，这台传感器是否合格？
答：根据50Pa处计算精度等级：
A = 1.4 100 − 0 × 100 % A=\cfrac{1.4}{100-0}\times100\% A=100−01.4×100%
1.4 < 1.5，所以该传感器合格
1.6 一般数学模型（重点）
（一）零阶传感器的数学模型
Y ( t ) = b 0 a 0 X ( t ) = K X ( t ) Y(t)=\cfrac{b_0}{a_0}X(t)=KX(t) Y(t)=a0b0X(t)=KX(t)
（二）一阶传感器的数学模型
微 分 方 程 ： a 1 d Y ( t ) d t + a 0 Y ( t ) = b 0 X ( t ) ( τ D + 1 ) Y ( t ) = K X ( t ) 其 中 : τ = a 1 a 0 , 为 时 间 常 数 K = b 0 a 0 , 为 静 态 灵 敏 度 微分方程：a_1\cfrac{\mathrm{d}{Y(t)}}{\mathrm{d}{t}}+a_0Y(t)=b_0X(t)\\ (τD+1)Y(t)=KX(t)\\ 其中:τ=\cfrac{a_1}{a_0},为时间常数\\K=\cfrac{b_0}{a_0},为静态灵敏度 微分方程：a1dtdY(t)+a0Y(t)=b0X(t)(τD+1)Y(t)=KX(t)其中:τ=a0a1,为时间常数K=a0b0,为静态灵敏度
第二章 光温传感器
温 度 传 感 器 { 接 触 式 测 温 : 传感器与被测物体直接接触，被测物体热容量大 非 接 触 式 测 温 : 优点，不从被测物体吸收热量，不干扰，反应快 温度传感器 \begin{cases} 接触式测温:& \text{传感器与被测物体直接接触，被测物体热容量大}\\ 非接触式测温:& \text{优点，不从被测物体吸收热量，不干扰，反应快} \end{cases} 温度传感器{ 接触式测温:非接触式测温:传感器与被测物体直接接触，被测物体热容量大优点，不从被测物体吸收热量，不干扰，反应快
2.1 温度传感器（重点）
| 接触式 | 非接触式 | |
|---|---|---|
| 精度 | 通常为1.0、0.5、0.2、0.1 | 1.0、1.5、2.5 |
| 响应速度 | 慢，通常为几十秒到几分钟 | 快，通常为2~3秒钟 |
| 其它特点 | 结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉 | 结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵 |
- 温差热电偶(热电偶)：能把温度信号转换成热电动势信号
优点：
自发电型：不需要外接电源，直接驱动动圈式仪表
- 测量范围广：-270℃~1800℃
各温区热电势符合国际计量委员会的标准
- 热电效应
两种不同成分的导体或者半导体A和B组合成一个闭合回路，闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中，将会产生一个电动势
第三章 气体传感器
3.1 概念及其应用
3.2 气体传感器的分类（重点）
目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体（H2、C4H10、CH4）扩展到毒性气体（CO、NO2、H2S、NO、NH3、PH3）
按所用气敏材料及气敏特性不同，分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式、高分子式
按照被测气体，分为一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮化物、氢气、氧气、酒精、硫化氢
半导体金属氧化物气体传感器具有灵敏度高、响应快等优点，现在已经成为最广泛使用的传感器
根据半导体与气体分为表面控制型和体控制型
根据半导体物理性分为电阻型和非电阻型
半导体气体传感器
原理：理用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体
表面控制型：内部化学成分不变
体控制型：内部组成发生变化，从而电导率变化
3.3 半导体气体传感器（重点）
按照半导体变化的物理特性：可分为电阻型和非电阻型
3.4 半导体气敏元件的特性参数
（1）气敏元件的电阻值
常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件。
（2）气敏元件的灵敏度
（3）气敏元件的分辨率
（4）气敏元件的响应时间
（5）气敏元件的加热电阻和加热功率
第四章 光纤传感器
4.4 光纤传感器的分类（重点）
- 根据光纤的传感器的作用
功能型
非功能型
拾光型
- 根据光受被测对象的调制形式
（a）强度调制型光纤传感器
（b）偏振调制光纤传感器
（c）频率调制光纤传感器
（d）相位调制传感器
4.5 光纤传感器的特点（重点）
（1）电绝缘
（2）抗电磁干扰
（3）非侵入性
（4）高灵敏度
（5）容易实现对被测信号的远程监控
4.6 光纤传感器的应用
第五章 声波微传感器
5.1 超声波的波形分类
纵波、横波、表面波
纵波比横波快
超声波传播速度，取决于介值的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关
在气体和液体中，仅有纵波的传播
- 声速公式：
声 速 = 弹 性 率 密 度 声速=\sqrt{\cfrac{弹性率}{密度}}\\ 声速=密度弹性率
气体和液体中（仅有纵波的传播）：
c = 1 ρ B n ρ — — 介 质 的 密 度 B n — — 绝 对 压 缩 系 数 c=\sqrt{\cfrac{1}{\rho B_n}}\\ \rho \, ——\,介质的密度\\ B_n\,——\,绝对压缩系数 c=ρBn1ρ——介质的密度Bn——绝对压缩系数
固体中：
c 横 波 = E ρ 1 2 ( 1 + μ ) = G ρ c 表 面 波 = 0.9 G ρ c 纵 波 = E ρ 1 − μ ( 1 + μ ) ( 1 − 2 μ ) c_{横波}=\sqrt{\cfrac{E}{\rho}\cfrac{1}{2(1+\mu)}}=\sqrt{\cfrac{G}{\rho}}\\ c_{表面波}=0.9\sqrt{\cfrac{G}{\rho}}\\ c_{纵波}=\sqrt{\cfrac{E}{\rho} \cfrac{1-\mu}{(1+\mu)(1-2\mu)}} c横波=ρE
