传感器检测与转换技术QY-CG810B

检测与转换技术复习提纲
1、传感器的基本概念
传感器是一种物理测量装置，将测量转换为具有一定精度的相应关系，便于应用。它是获取自然领域信息的主要手段，相当于检测和自动控制系统中的面部特征。
传感器位于自动控制系统的前端，是实现自动检测和自动控制的主要环节，是现代信息技术（即信息收集技术）的三大基础之一。自动化程度越高，对传感器的依赖程度就越大；
传感器检测与转换技术：它是一门应用技术学科，主要研究自动检测系统中的信息提取、信息转换和信息处理理论和技术。
传感器的基本特性
静态特性: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
动态特性：固有频率

二、电阻应变传感器
1、概念：电阻应变计是通过其产生的金属弹性变形，将被测力（压力、荷载、扭矩等）转化为电阻变化的敏感元件。它由电阻应变片和测量线组成。
2.特点:参数类-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、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
*重点掌握应变传感器测力和加速度的方法。

三、电感传感器
自感和互感传感器概述：
定义：电感传感器是一种将测量转换为线圈的自感或互感变化的装置。
特点:结构简单可靠，输出功率高，分辨率和灵敏度高，线性好，稳定性强，抗干扰能力强。但频率响应低，不宜快速动态测量。
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的原理、组成和特点（抗干扰性强，灵敏度翻倍，线性好，精度和特性好，电磁吸力对测量力的影响相互抵消）。
试着指出相敏整流电路的原理和作用P主要元件在168图6-19中的作用。
2)差动变压器
差动变压器是一种互感传感器，了解其工作原理及其测量电路的组成，重点掌握电路原理（指出a图错误并纠正），了解电流输出和电压输出的不同场合。
二、涡流传感器
了解其测量原理（反射电阻和反射电感），了解其测量方法（频率调整和振幅调整方法），掌握其特点：可进行非接触测量，动态响应良好，灵敏度高。主要测量位移、厚度、振动和探伤。涡流传感器可成广泛使用的接近开关。

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，公式推导)、介质变化型(一般理解)。
面积变化型:角位移型、平面线位移型、柱面线位移型。可测位移和尺寸。特点:线性，灵敏度低，只能测量cm级。
特点：非线性，C =f（x）是双曲线函数，但容抗xc =f（x）呈线性关系。微米级的位移一般可以测量d<10mm，最大位移限制在< d/10。如果使用差动电容器，容差和容和比与中心极板的位移成线性关系，灵敏度提高，抗干扰增强，输出与电容器的极板面积和介质无关。
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加速的方法。

五、光电传感器
掌握光电效应的分类、原理和相应的典型设备。
外部光电效应：光电管
内光电效应：
1、光电池：
光伏特效（ 势垒效应(结光效应):入射光照射PN如果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，它们的运动使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（如可见光硒光电池、红外光硅光电池）
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。
二、光敏电阻：
光电导电效应：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：光电流 - 暗电流(大好)
特点:灵敏度高(光照后电阻急剧下降)，光谱特性好，使用寿命长，稳定，体积小。但频率低，非线性，应用作开关量。
三、光敏二极管
原理:入射光照射PN结上时在PN在内电场的作用下，结内产生电子空穴对，形成光电流。
反向接入测量电路：
照射光↑→I↑光敏二极管处于导通状态，光停止，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:∞，随光线变化。
四、光敏三极管
原理:入射光照射PN结上时在PN在内电场的作用下形成光电流。光发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流，其集电极电流是其β倍。
光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。
5、应用
将测量的变化转化为光信号，具有结构简单、非接触、可靠性高、精度高、反射快等优点。
模拟量光电传感器检测系统：辐射、吸收、反射、遮光；

六、霍尔传感器：
霍尔传感器是一种基于霍尔效应将测量转换为电动势输出的传感器。
霍尔效应： 通过控制金属或半导体薄片两端的电流I,磁感应强度为B的磁场应用于薄片的垂直方向，因此在垂直于电流和磁场的方向上会产生电势UH(霍尔电压)。霍尔效应的产生是由于磁场中洛伦兹力对运动电荷的影响: UH=KHIB
灵敏度KH = RH / d， d小（1μm）高灵敏度。霍尔片长边/短边=2, 长边和短边通过电流输出UH，霍尔效应的建立时间很短:10-2~ 10-14ｓ。
特点: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。
电磁特性：
1）ＵH—I特性：UH = KH I B 当磁场和环境温度一定时，霍尔输出电势UH与控制电流I呈线性关系，直线斜率称为控制电流灵敏度KI表示（KI= KH B）。
2）ＵH—B特点：当控制电流时，随着磁场的增加，元件的开路霍尔输出不完全呈线性，只有当元件在0工作时.５Wb/m2时线性比较好。KB = KH I → UH = KB B
应用:实际使用时，使用I或IB或者同时作为输入信号，输出信号与I或B或两者的乘积。测量电路主要由恒流源供电，将测量转换为磁场变化。重点掌握霍尔位移传感器的测量原理。
重点关注霍尔传感器的各种应用。

七、压电传感器
1、原理
压电效应：当力沿某些电介质的某些方向变形时，内部极化，两个表面产生相反的电荷，去除外力后恢复。
逆压电效应：在介质极化方向施加（交变）电场，会产生机械变形，拆除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，通过正六面棱线垂直于光轴，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—产生电荷表面的轴向；n—轴向施加力
1)X向压缩压缩压缩晶体切片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 ，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): qx = -d11 Fy l/ h
3)沿Z轴施加力，无变形，无极化。
4)无体积变形，无极化。
#3、压电元件的连接：
串联：q= q, u = 2u, c= c/2 电压输出，C小，测量快速信号； 并联：q = 2q, u= u, c = 2c 电荷输出，C大，测量慢速信号。
4.压电传感器等效电路Ua = q/Ca（P144、145）
1)电荷源：内部电荷发生器向C充电；输出电压与输入电荷（压电元件输出电荷）成正比，线路复杂，但受电缆电容器影响小，低频特性好；
2)电压源:产生的电荷形成电压源，外部供电需要通过等效电容充放电。使用电压源
测量电路的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，但易受电缆电容器的影响，低频特性差。
5.压电传感器测量特点：
1)对象：力及力的衍生物理量(压力、位移、加速度等)。
2）动态测量：压电材料上产生的电荷只能在无泄漏的情况下长期保存。因此，不应进行静态测量。只有施加交变力，才能不断补充电荷，为电路提供一定的电流。因此，只能进行动态测量。
3)高阻前置放大器减少晶片泄漏电流，减少测量误差。功能:放大和阻抗变换。
6.应用:作为测量元件，可以测量压力、加速度、冲击(汽车冲击检测)、振动等最终能变成力的物理量。
7、特点：体积小、简单、可靠、灵敏、固有频率高、应用广泛，但不能测量太低的频率，特别是静态力。

八、温度传感器
1、热电阻传感器：
特点：温度测量精度高，范围广，稳定性好，重复性好，特别适合低温测量。但热惯性大，灵敏度低。
温度测量电路(见P161图6-8a）：以电桥为传感器测量电路，工业上使用的铂电阻有三条引线，以消除连接线电阻的影响。
2、热敏电阻
分类： NTC：负温度系数随温度升高而下降；
PTC：具有正温度系数，电阻随温度升高而升高。
NTC与PTC都有突变和缓变，但是NTC以缓变形多， PTC突变多。
特点：灵敏度高，热惯性小，结构简单，应用广泛。但非线性：R与T呈指数关系，V不服从欧姆定律，稳定性差，一致性差。
三、热电偶传感器
掌握热电偶测温的基本原理
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