傳感器筆記第一章傳感器的基礎理論傳感器：能夠感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件、轉換元件和轉換電路組成。敏感元件：傳感器中能直接感受或響應被測量的部分。轉換元件：傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成電信號的部分。調節轉換電路：將非適合電量進一步轉換成適合電量的部分。傳感器的功能：1）信息收集2）信號數據的轉換傳感器的特性：指傳感器的輸入量和輸出量之間的對應關系。包括靜態特性和動態特性。靜態特性：輸入不隨時間的變化而變化的特性。衡量傳感器靜態特性的重要指標有：線性度、靈敏度、遲滯、重復性、零點漂移和溫度漂移。線性度：傳感器的輸出與輸入之間的線性程度。（線性誤差：用最小二乘法求線性誤差）靈敏度：傳感器在穩態下的輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比，用S表示：遲滯：傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程期間，其輸出-輸入特性曲線不重合的現象。重復性：指在同一工作條件下，輸入量按同一方向做全量程連續多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。零點漂移：當傳感器無輸入時，每隔一段時間對傳感器的輸出進行讀數，其輸出偏離零值的情況。為最大零點偏差。溫度漂移：溫度變化時傳感器輸出值偏離程度。動態特性：輸入隨時間變化時傳感器的響應特性。0t<=0階躍響應：當給靜止的傳感器輸入一個單位階躍函數信號時，即：u(t)=其輸出特性稱為階躍響應特性。1t>0其指標包括：最大超調量、延遲時間、上升時間、峰值時間、響應時間。頻率響應：就是在初始條件為零時，輸出的傅里葉變換與輸入的傅里葉變換之比，是在“頻域”對系統傳遞信息特性的表述。第二章應變式傳感器應變式傳感器：由彈性元件、電阻應變片及外殼等主要部件組成的用來進行測量的裝置，其中電阻應變片是應變式傳感器的核心部件。金屬的電阻應變效應：金屬絲的電阻隨其所受機械變形（拉伸或壓縮）的大小而變化。當金屬電阻絲受外力作用時，其金屬絲電阻的相對變化與金屬的應變成正比關系。電阻應變片組成：電阻絲（敏感元件）、基片、覆蓋層（定位和保護電阻絲的作用）和引出線（連接測量導線）。應變式傳感器的分類：1）、按應變片敏感柵所用的材料不同：金屬應變片和半導體應變片。、按應變片的工作溫度不同：低溫應變片（低于-30℃）、常溫應變片（-30℃~60℃）、高溫應變片（300℃以上）。、按應變片的用途不同：一般用途應變片和特殊用特應變片。幾種常用的應變片：電阻絲式應變片箔式應變片優點：可根據需要制成任意形狀的敏感柵；表面積大，散熱性能好，可以允許通過比較大的電流；蠕變小，壽命高；便于成批生產且生產效率比較高。薄膜應變片半導體應變片半導體應變片的工作原理是基于半導體的壓阻效應，壓阻效應是指對半導體施加應力時，半導體的電阻率發生改變的現象。應變片的主要參數：應變片電阻值R2）靈敏度系數K3）橫向效應4）線性度5）應變極限零漂和蠕變7）最大工作電流8）絕緣電阻9）電阻應變片的動態特性應變片的溫度補償零漂：恒定溫度下，黏貼在試件上的應變片，在不承受載荷的條件下，電阻隨時間變化的特性；蠕變：已黏貼的應變片，在溫度保持恒定時，承受某一恒定的機械應變并在長時間的作用下，應變片的指示應變會隨時間而變化。應變片的溫度誤差：由于測量現場環境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差。產生應變片溫度誤差的主要因素：敏感柵金屬絲店主本身隨溫度發生變化試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數的影響電阻應變片的溫度補償方法：線路補償電橋補償法是最常用的且效果較好的線路補償法應變片自補償1、選擇式自補償應變片2、雙金屬敏感柵自補償應變片單臂電橋；雙臂電橋：全橋：應變式傳感器的主要部件是：電阻應變片；電阻應變片主要由四個部分組成：電阻絲、基片、覆蓋層和引出線。應變式傳感器的工作原理是基于電阻應變片的應變效應。金屬應變片主要是：由于導體的長度和半徑發生改變而引起電阻變化；而半導體應變片是：由于其電阻率發生變化而引起電阻變化（即壓阻效應），完全與金屬應變效應不同。全橋形式具有溫度自補償功能第三章電感式傳感器電感式傳感器：基于電磁感應原理，利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈（或繞組）的電感（自感或互感）變化來檢測非電量的一種機電轉換裝置。自感式電感傳感器的轉換電路：1、交流電橋式轉換電路2、變壓器式電橋電路3、諧振式轉換電路互感式電感傳感器本身是一個變壓器，一次繞組輸入交流電壓，二次繞組感應輸出電信號，當互感受外界影響變化時，其感應電壓也隨之起相應的變化，由于它的二次繞組接成差動形式，故又稱差動變壓器式電感傳感器。互感式電感傳感器組成：一、二次繞組，鐵心，銜鐵三部分組成。電渦流式傳感器：利用金屬導體中的渦流與激勵磁場之間進行電磁能量傳遞而實現的，因此也必須有一個交變磁場的激勵源。電渦流式傳感器的工作原理基于電渦流效應。電感線圈產生的磁力線經過金屬導體時，金屬導體就會產生感應電流，該電流的流線呈閉合回線，類似水渦形狀，故稱之為電渦流，這種現象稱為電渦流效應。影響電渦流式傳感器靈敏度的因素：1）被測體材料對測量的影響2）被測體大小和形狀對測量的影響3）傳感器形狀和大小對傳感器靈敏度的影響用于電渦流式傳感器的轉換電路：1）調頻式電路2）調幅式電路電渦流傳感器的應用：位移測量振幅測量轉速測量電渦流探傷電感式傳感器主要有自感式、互感式、渦流式三種形式。自感式電感傳感器：是將非電量轉換成自感系數變化的傳感器，主要有變間隙式、變面積式和螺旋管式三種。其主要用于位移測量，優點：簡單可靠、輸出功率大。互感式傳感器是把測量變化轉換成繞組的互感變化來進行檢測的，它也有變間隙式、變面積式和螺旋管式三種形式。主要用于加速度測量和液位測量。電渦流式傳感器：基于電渦流效應，除了有變間隙式、變面積式和螺旋式三種形式外，還有低頻透射式和高頻反射式。主要用于位移、厚度、轉速、振動、溫度等多參數的測量。電容式傳感器電容式傳感器是某些非電量的變化通過一個可變電容器轉換成電容變化的裝置。電容式傳感器：一個具有可變參數的電容器，組成：由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成。電容（不考慮邊緣效應）電容式傳感器類型（根據工作原理）：變極距型、變面積型和變介質型。變極距型電容式傳感器初始電容靈敏度要提高靈敏度，應減小起始間隙，但非線性誤差卻隨著的減小而增大。同時過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間距可采用高介電常數的材料（云母。塑料膜等）作為介質。差動電容式傳感器的靈敏度變面積型電容式傳感器：1、線位移式變面積型2、角位移式變面積型變介質型電容式傳感：兩電容極板之間的介質變化引起電容變化。常見的有兩種情況：一、兩電容極板之間只有一種介質，介質的介電常數隨被測非電量（溫度、濕度）的變化而變化（如：電容式溫度傳感器和電容式濕度傳感器）。二、兩電容極板之間有兩種介質，兩介質的位置或厚度變化而引起電容的變化（如：電容式位移傳感器、電容式厚度傳感器、電容式物（液）位傳感器）。電容轉換電路有：調頻轉換電路、運算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調制電路等。調頻電容式傳感器轉換電路：具有較高靈敏度，可以測至0.01um級位移變化量。電容式傳感器的應用：1）電容式壓力傳感器2）差動式電容測厚傳感器3）電容式料位傳感器4）電容式位移傳感器測距電路第五章電壓式傳感器壓電式傳感器是有源傳感器。壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應。壓電效應：指當沿著一定方向對某些電介質施力而使它變形時，在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷現象。壓電材料：壓電陶瓷、壓電晶體、還有新型材料壓電半導體材料壓電式傳感器：內阻抗高，輸出能量小，因此其轉換電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：一、把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二、放大傳感器輸出的微弱信號。（前置放大器的形式有兩種：電壓放大器和電荷放大器）橫向壓電效應：這種沿Y軸施加力，而在垂直于X軸的晶體表面上產生電荷的現象。縱向壓電效應：這種沿X軸施加力，而在垂直于X軸的晶體表面上產生電荷的現象。沿Z軸方向施加力，石英晶體不會產生壓電效應。壓電材料：1）壓電晶體（石英、電氣石、磷酸銨、硫酸鋰等）石英晶體的突出優點是：性能非常穩定；缺點是壓電常數小2）壓電陶瓷壓電陶瓷的特點是：壓電常數打，靈敏度高；制造工藝成熟，可通過合理配方和摻雜等人工控制方法來達到所要求的性能；成形工藝性好，成本低廉，利于廣泛應用。3）新型壓電材料1、壓電半導體材料2、有機高分子壓電材料。第六章磁電式傳感器磁電式傳感器又稱感應式傳感器或電動式傳感器，它是利用磁電感應原理將運動速度轉換成感應電動勢輸出的傳感器。它是直接從被測物體吸取機械能量轉換成電信號輸出，是一種有源傳感器。磁電式傳感器：如磁電感應式、霍爾式傳感器、磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏晶體管等。磁電感應式傳感器：是利用導體和磁場發生相對運動產生感應電動勢的原理而制作的。該傳感器可用于轉速測量和轉矩測量等。磁電感應式傳感器的結構：磁路系統、線圈、運動機構通常使用的磁電式傳感器有：恒磁通式和變磁通式磁電感應式傳感器的基本特性：1）非線性誤差2）溫度誤差磁電感應式傳感器產生非線性誤差的主要原因：由于傳感器線圈內有電流I流過時，將產生一定的交變磁通，此交變磁通疊加在永久磁鐵所產生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。當傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時，將產生較大的感生電動勢E和較大的電流I，由此而產生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。霍爾傳感器的工作原理：基于霍爾元件的霍爾效應。霍爾效應：就是把一塊金屬半導體薄片垂直放在磁感應強度為B的磁場中，沿著垂直于磁場方向通一電流，那么就會在薄片的另一對側面間產生電動勢的現象。霍爾元件在實際應用時，存在多種因素影響其測量精度，造成測量誤差的主要原因有兩類：半導體固有特性及半導體制造工藝的缺陷。其主要表現在溫度誤差和零位誤差。溫度誤差及其補償：a、采用恒流源供電和輸入回路并聯電阻b、選取合適的負載電阻c、采用恒壓源和輸入回路串聯電阻d、采用溫度補償元件零位誤差主要由于不等位電動勢引起的。產生的原因：一、是由于制造工藝不可能保證兩個霍爾電極絕對對稱地焊在霍爾片的兩側，致使兩電極電不能完全位于同一等位面上；此外霍爾片電阻率不均勻或片厚薄不均勻或控制電流極接觸不良將使等位面歪斜，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產生不等為電動勢。磁敏電阻的工作原理：基于磁阻效應。磁敏二極管利用磁阻效應進行磁電轉換。這些傳感器輸出功率較大，性能穩定。磁敏電阻的工作原理：基于磁阻效應。將一載流體置于外磁場中，除了產生霍爾效應外，其電阻也會隨磁場而變化，這種現象稱為磁阻效應。磁敏電阻有：單晶型、薄膜型和共晶型。磁敏電阻的主要特性：磁電特性，溫度特性（受溫度影響極大），頻率特性（工作頻率一般在1~10MHz）。磁敏電阻的應用：位移測量、無觸點開關、轉速測量、計數器等電路中。磁敏二極管:利用磁阻效應進行磁電轉換的。磁敏二極管的基本特性：1）磁電特性在給定條件下，磁敏二極管輸出的電壓變化與外加磁場的關系稱為磁敏二極管的磁電特性。（單只使用和互補使用兩種方式）2）伏安特性3）溫度特性常用的溫度補償電路有互補式、熱名電阻溫度補償電路等。磁敏晶體管的基本特性：1）磁電特性2）福安特性3）溫度特性第七章光電式傳感器光電式傳感器：利用光電器件把光信號轉換成電信號的裝置。光電式傳感器的工作原理：先將被測量的變化轉換為光量的變化，然后通過光電器件再把光量的變化轉換為相應的電量變化，從而實現非電量的測量。光電器件：光電式傳感器中能夠將光信號轉換成電信號輸出的器件。外光電效應（光電發射效應）：在光照射下，電子逸出物體表面向外發射的現象。功函數：一個電子從金屬或半導體表面逸出時客服表面勢壘所需作的功。紅限頻率：能使光電元件產生光電子發射的光的最低頻率。內光電效應：通過入射光子引起物質內部產生光生載流子，這些光生載流子引起物質電學性質發生變化的現象。（分類：光電導效應和光生伏特效應）光電導效應：絕大多數的高阻率半導體，受光照射吸收光子能量后，產生電阻率降低而易于導電的現象。光生伏特效應：光照射引起PN結兩端產生電動勢的現象。基于外光電效應原理工作的光電式傳感器有：光電管和光電倍增管光電管基本特性：1）伏安特性2）光照特性3）光譜特性光電倍增管的基本特性：1）伏安特性2）光照特性3）光譜特性基于內光電效應的光電式傳感器：光敏電阻光敏二極管光敏晶體管光電池光敏電阻的基本特性：1）伏安特性2）光照特性3）光譜特性4）響應時間5）溫度特性實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級，亮點阻在幾千歐以下。光敏二極管和光敏晶體管的基本特性：1）伏安特性2）光照特性3）光譜特性4）溫度特性光電池的基本特性：1）伏安特性2）光照特性3）光譜特性4）頻率特性5）溫度特性溫度對光電池的工作有很大影響，所以最好采取溫度補償措施。光電池的頻率特性就是反應光的交變頻率和光電池輸出電流的關系。光電流的短路電流：反應負載電阻相對于光電池內阻很小時的光電流。其他光電器件：光電耦合器、光電開關、電荷耦合器件、光電式傳感器的應用：火焰探測報警器光電轉速計光電式緯線探測器煙塵濁度連續檢測儀燃氣熱水器中的脈沖點火控制器條形碼掃描筆紅外線：位于可見光中紅色光以外的光線。紅外線分成四個區：近紅外區、中紅外區、遠紅外區和極遠紅外區。紅外線的熱效應：指物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強。波長為2~2.6um、3~5um、8~14um的三個波段紅外線，被大氣很少吸收，所以稱這三個波段為“大氣窗口”，使用與遙感技術。熱釋電效應：是指出于熱變化而引起在某些晶體及高分子薄膜兩側產生電極化的現象。濾光片的作用：是對太陽光、熒光燈光等波長較短（<5um）的光具有高反射性，而對波長較長的紅外線光（>6um）具有良好的透射性。紅外線傳感器的主要特性：靈敏度為紅外線傳感器的輸出電壓；P為照射到紅外線傳感器單位面積上的紅外輻射功率；為紅外線傳感器的紅外光敏器件受光面積。噪聲等效功率NEP為紅外線傳感器輸出的噪聲電平；NEP值越小，紅外線傳感器的光敏器件越靈敏。檢測度D檢測度是靈敏度與噪聲輸出電平之比紅外線傳感器的應用：紅外雷達2）紅外溫度計3）紅外檢測器4）紅外線警戒報警器5）紅外自動干手器光纖傳感器優點：靈敏度高，不收電磁波干擾，傳輸頻帶寬，絕緣性能好，耐水抗腐蝕性好，體積小，柔軟等，可用于位移、速度、加速度、液位、壓力、流量、振動、水聲、溫度、電壓、電流、磁場、核輻射等方面的測量。光纖傳感器：利用光纖將待測量在光纖內傳輸的光波參量進行調制，并對被調制過的光信號進行解調檢測，從而獲得待測量值的一種裝置。光纖傳感器的基礎是：光纖的傳光原理和光的調制解調技術。光纖傳感器的調制形式主要由：強度調制、偏振調制、頻率調制、波長調制和相位調制。強度調制利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收和反射等參數的變化導致光強度發生變化來實現敏感測量的。偏振調制利用光偏振態的變化來傳遞被測對象的信息。a)普克爾效應當壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高壓，晶體將呈現折射現象。b)法拉第磁光效應平面偏振光通過帶磁性的物體時，其偏振光面將發生偏轉的現象。c)光彈效應在垂直于光波傳播方向施加壓力，材料將會產生雙折射現象，其強弱正比于應力。頻率調制利用單色光射到被測物體上散射的光的頻率發生變化來進行檢測的。相位調制利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數發生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產生的干涉條紋發生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。波長調制利用被測量改變光纖中光的波長，再通過檢測光波長的變化來測量各種被測量。光纖傳感器組成：光發送器、敏感元件、光接收器、信號處理系統以及光纖。光纖傳感器的類型：一、功能型傳感器二、非功能型傳感器功能型傳感器：利用光纖本身特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器。非功能型光纖傳感器：利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質，所以傳輸來自遠處或難以接近場所的光信號。光纖傳感器的應用：1）測量壓力或溫度的相位調制型光纖傳感器2）調制強度的光線微彎傳感器3）光纖溫度傳感器光柵傳感器：利用莫爾條紋原理制成的，它主要用于線位移和角位移的測量。莫爾條紋：是把光柵常數相等的主光柵和指示光柵相對疊合在一起，并使兩者柵線之間保持很小的夾角，由于擋光效應或光的衍射，這時在與光柵線紋大致垂直的方向上出現明暗相間的條紋，這種明暗相間的條紋就是莫爾條紋。橫向莫爾條紋（亮帶與暗帶）之間的距離為：氣敏與濕敏傳感器氣敏傳感器：用來測量氣體的類別、體積分數和成分的傳感器。氣敏傳感器通常用來檢測一氧化碳、二氧化碳、氧氣、甲烷等氣態物質。它由“識別”與“放大”兩部分組成，其中對被測氣體的識別是氣敏傳感器的關鍵。任何一個完美的氣敏傳感器都應該滿足下列條件：能選擇性地檢測某種單一氣體，而對共存的其他氣體不響應對被測氣體應具有高的靈敏度，能檢測規定范圍以內的氣體的體積分數信號響應速度快，再現性高長期工作穩定性好制造成本和使用價格低廉維護方便電阻型半導體氣敏傳感器：是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。非電阻型氣敏器件也是半導體氣敏傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容——電壓特性的變化以及MOS場效應管的閥值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。電阻型半導體氣敏傳感器N材料主要有：SnO2，ZnO，TiO等；P型材料有MnO2,CrO3等。其典型結構通常由氣體敏感元件、加熱器、封裝3部分組成。氣敏元件是氣敏傳感器的核心，有三種結構類型：燒結體型、薄膜型和厚膜型。加熱方式：直熱式和旁熱式兩種。直熱式氣敏傳感器：優點：制造工藝簡單、成本低、功耗小，可以在高電壓回路中使用。缺點：熱容量小、易受環境氣流影響，測量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。旁熱式氣敏傳感器：優點：客服了直熱式結構的缺點，使測量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測量回路和加熱回路的相互影響；器件熱容量打，降低了環境溫度對器件加熱溫度的影響，所以這類結構器件的熱穩定性、可靠性比直熱式好。二極管整流作用：在金屬半導體二極管中附加正偏壓時，從半導體劉翔金屬的電子流將增加；如果附加負偏壓，從金屬流向半導體的電子流幾乎沒有變化的現象。氣敏傳感器的應用：家用煤氣、液化石油氣泄露報警器酒精及煙霧報警器廚房自動排油煙機氣體分析儀：熱導式氣體分析儀光學吸收式氣體分析儀：紅外線氣體分析儀光電比色計濕敏傳感器的主要參數：溫度量程2）感濕特性曲線3）響應時間4）濕度溫度系數5）濕滯回線和濕滯回差熱電式傳感器熱電偶：將溫度量轉換為電動勢大小的熱電式傳感器。熱電偶的測溫原理是基于熱點效應。熱電效應：在兩種不同的導體A和B組成的閉合回路中，如果兩個節點的溫度不同，則回路中產生一個電動勢，通常稱這種電動勢為熱電動勢，這種現象就是熱點效應。熱電偶產生的熱電動勢由接觸電動勢和溫差電動勢兩部分組成。熱電式傳感器：是將溫度變化轉化為電量變化的裝置，常用的電熱式傳感器主要有：熱電偶、熱電阻、熱敏原件。接觸電動勢：由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。溫差電動勢：在同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種熱電動勢。【熱電動勢的幾個注意問題】：熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極，否則無論熱電偶兩端溫度如何，熱電偶回路總熱電動勢為零。盡管采用兩種不同的金屬，若熱電偶兩節點溫度相等，回路總電動勢為零。熱電偶AB的熱電動勢只與結點溫度有關，與材料A、B的中間各處溫度無關。熱電偶傳感器：將溫度變化轉化為熱電動勢變化。熱電偶的基本定律：中間溫度定律熱電偶AB的熱電動勢僅取決于熱電偶的材料和兩個節點的溫度，而與溫度沿熱電極的分布以及熱電極的尺寸和形狀無關。中間導體定律在熱電偶回路中接入中間導體，只要中間導體兩端的溫度相同，就不會影響回路的總熱電動勢。若在回路中接入多種導體，只要每種導體兩端溫度相同，也可以得到同樣的結論。標準電極定律當熱電偶回路的兩個節點溫度為T、T0時，用導體AB組成熱電偶的電動勢等于熱電偶AC和熱電偶CB的熱電動勢的代數和。熱電偶的結構形式有：普通型熱電偶、鎧裝熱電偶和薄膜熱電偶。熱電偶冷端溫度補償：熱電偶電動勢的大小不僅與測量端的溫度有關，而且與冷端的溫度有關。導線補償法2）計算法3）電橋補償法4）冰浴法5）軟件處理法熱電阻：利用物質的電阻率隨溫度變化的特性制成的電阻式測溫系統，主要用于對溫度和與溫度有關的參量進行檢測。熱電阻傳感器：將溫度變化轉換為電阻變化。熱電阻分類：金屬熱電阻（熱電阻）和半導體熱電阻（熱敏電阻）。熱電阻效應：物質的電阻率隨溫度變化而變化的物理現象。常用的熱電阻：鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻。鉑熱電阻為100℃的電阻值；為0℃的電阻值。銅熱電阻銅熱電阻的溫度系數比鉑大價格低。缺點是電阻率小。傳感器的測量電路：電橋，自動電橋（三相四線制）熱敏電阻：用以一種半導體材料制成的敏感元件，其特點是電阻隨溫度變化而顯著變化，能直接將溫度的變化轉換為能量的