傳感器基礎知識(20210216161848)

1、基礎知識 傳感器：將能感受到的及規(guī)定的被測量按一定規(guī)律轉換成可用輸 出信號的器件或裝置。 傳感器特性：靜態(tài)特性：輸入為0時，輸出也為0,或輸出相 對于輸入應保持一定的對應關系；動態(tài)特性：傳感器對于隨時間 變化的輸入信號的響應特性，通常要求傳感器不僅能精確地顯示被 測量的大小，而且還能復現(xiàn)被測量隨時間變化的規(guī)律。 靜態(tài)特性分類：靈敏度：傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化 y對輸入量變化 X的比值。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。 如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系，則靈敏度S是一個常 數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸 入量的量綱之比。 線性：輸入與輸出量之間為線性比例關系

2、，稱為線性關系。時滯 （滯后）：輸入與輸出不是一一對應的關系。環(huán)境特性：周圍環(huán)境 對傳感器影響的最大溫度。 穩(wěn)定性：理性特性的傳感器是加相同大小輸入量時，輸出量總是 相同的。 精度：評價系統(tǒng)的優(yōu)良程度。A準確度：測量值與真實值偏離程 度；B精密度：即使測量相同對象，每次測量也會得到不同測量 值，即為離散偏差。 重復性：在相同的工作條件下，對同一個輸入值在短時間內多次 連 續(xù)測量輸出所獲得的極限值之間的代數(shù)差。 溫漂：；連續(xù)工作的傳感器，在輸入恒定的情況下，輸出量也會 朝著一個方向偏移。零點漂移：由于溫度或其他原因會導致傳感 器在檢測的基準零點發(fā)生變化，偏離零點位置。分辨率：分辨率是 指傳感器可

3、感受到的被測量的最小變化的能力。 光電傳感器 光電效應：物體吸收了光能后轉換為該物體中某些電子的 能量而產生的電效應。 外光電效應：在光照射下，電子逸出物體表面而產生光電子發(fā)射 的現(xiàn)象稱為外光電效應。 光電子能否產生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電 子逸出功A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對某種材料而 言便有一個頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多 大，也不能激發(fā)出電子；反之，當入射光的頻率高于此極限頻率 時，即使光線微弱也會有光電子發(fā)射出來，這個頻率限稱為“紅限頻 率”。 在入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流正比于光強。即光強 愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出

4、的電子數(shù)也就越多。 基于外光電效應的光電器件屬于光電發(fā)射型器件，有光電管、光 電倍增管等。 光電子的初動能決定于光的頻率，與頻率成線性關系，與入射光 強度無關。 光電子逸出物體表面具有初始動能，故即使沒有陽極電壓也會產 生光電流，為了使零點穩(wěn)定，應加反向截止電壓，切電壓大小與入射 光頻率成正比。 內光電效應：在光的照射下材料的電阻率發(fā)生變化或產生光生電 動勢的現(xiàn)象稱為內光電效應?？煞譃椋汗庹找鸢雽w電阻值變化 的光電導效應；光照產生電動勢的光生伏特效應。 光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，沒有極性，使用時可加直 流電壓，也可以加交流電壓。其工作原理是基于光電導效應，其阻值 隨光照增強而減小。

5、光敏電阻在未受到光照時的阻值稱為暗電阻， 此 時流過的電流稱為暗電流。在受到光照時的電阻稱為亮電阻，此 時的 電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。一般暗電 阻越大，亮電阻越小，光敏電阻的靈敏度越高。 光電導效應，又稱為光電效應、光敏效應，是光照變化引起半導 體材料電導變化的現(xiàn)象。即光電導效應是光照射到某些物體上后， 引起其電性能變化的一類光致電改變現(xiàn)象的總稱。當光照射到半導 體材料時，材料吸收光子的能量，使非傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子， 引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大。在光線作用下，對 于半導體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導體 材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子

6、-空穴對，使載流子濃度增加，半 導體的導電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。光敏電阻 就是基于這種效應的光電器件。 電阻傳感器 壓阻效應，是指當半導體受到應力作用時，由于載流子遷移率的 變化，使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 金屬的電阻應變效應：金屬導體的電阻值隨著它受力所產生機械 變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 橫向效應：應變片的核心部分是敏感柵。將電阻絲繞成敏感柵 后，雖然長度不變，但其直線段和圓弧段的應變狀態(tài)不同，其靈敏 系數(shù)K較整長電阻絲的靈敏系數(shù)K0小的現(xiàn)象。 蠕變：不穩(wěn)定性，由膠層間的“滑動”引起。熱電阻的測溫原 理：基于導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化這一特性來

7、測量溫 度及與溫度有關的參數(shù)。（Rt二Ro （1+a ） At） 熱電偶測溫的基本原理：兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材 或熱電極）兩端接合成回路，當兩個接合點的溫度不同時，在回路中 就會產生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電 勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測 量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端 （也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指 出熱電偶 所產生的熱電勢。 在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的 溫度相同，熱電偶所產生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬 接入回路中的影響。因此，在

8、熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得 熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度。熱電偶測量溫度時要求其 冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的 溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關系。若測 量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補 償正常。與測量儀表連接用專用補償導線。 均質導體定律：由同一種均質材料（導體或半導體）兩端焊接組 成閉合回路，無論導體截面如何以及溫度如何分布，將不產生接觸 電勢，溫差電勢相抵消，回路中總電勢為零?？梢?，熱電偶必須由兩 種不同的均質導體或半導體構成。若熱電極材

9、料不均勻，由于溫度 梯存在，將會產生附加熱電勢。 中間導體定律：在熱電偶回路中接入中間導體（第三導體），只 要 中間導體兩端溫度相同，中間導體的引入對熱電偶回路總電勢沒 有影 響，這就是中間導體定律。應用：常采用熱端焊接、冷端開路的 形式，冷端經連接導線與顯示儀表連接構成測溫系統(tǒng)。 中間溫度定律：熱電偶回路兩接點（溫度為T、TO）間的熱電勢， 等于熱電偶在溫度為T、Tn時的熱電勢與在溫度為Tn、TO時的熱 電勢的代數(shù)和。Tn稱中間溫度。應用：由于熱電偶E-T之間通常 呈非線性關系，當冷端溫度不為0攝氏度時，不能利用已知回路實 際熱電勢E （ t,tO）直接查表求取熱端溫度值；也不能利用已知回

10、路實際熱電勢 （t, tO）直接查表求取的溫度值, 再加上冷端溫度確定熱端被測溫 度值，需按中間溫度定律進行修正。初學者經常不按中間溫度定律來 修正！ 參考電極定律：這個定律是專業(yè)人士才研究、關注的，一般生產、 使用環(huán)節(jié)的人士不太了解，簡單說明就是：用高純度鉗絲做標準電 極，假設鎳珞-鎳珞熱電偶的正負極分別和標準電極配對，他們的 值相加是等于這支鐮鉛-鐮珞的值。 單絲補償主要是通過選用合適溫度系數(shù)的電阻材料，作為應變片 的敏感柵，使其在某種相匹配的受力構件上使用時，由溫度變化產 生的電阻變化量，由于它們的線膨脹系數(shù)不同而產生的電阻變化量 相抵消，以達到消除溫度變化所引起的電阻變化。此種自補償形

11、式 無需改變應變片的結構，簡便易行，但它必須在特定材料的受力構 件上才能使用，也就是存在匹配問題，故使其應用受到了很大的限 制。 雙絲組合式自補償應變片主要是利用兩種不同電阻溫度系數(shù)（一 種是正溫度系數(shù)、另一種為負的材料串聯(lián)組成應變片的敏感柵，以 達到在某一溫度范圍內自動實現(xiàn)溫度的補償。這種補償法的優(yōu)點是 在制造應變片時可以通過調節(jié)兩段敏感柵的長度之比來適應不同的受 力元件，以獲得在一定溫度范圍內具有良好的溫度自適應性。這種 方法雖有較好的補償效果，但應變片的結構較復雜。 電路補償是指在測量電路中采取一定的措施來消除溫度變化的影 響。具體方法有差動電路法和熱敏電阻法兩種。差動電路法是將相同 溫

12、度系數(shù)的兩片或四片電阻應變片接成雙臂或四臂工作的差動電路。 這種方法最簡單實用，但對應變片的自身性能和貼片工藝要求較高； 熱敏電阻法是利用熱敏電阻隨溫度而改變的值來抵消應變片隨溫度變 化而改變的電阻值，從而達到補償?shù)姆椒āＦ湓黼娐穲D如圖3.2所 示。只要合理選擇分流電阻R5和熱敏電阻RT的阻值，就能補償 由于溫度的改變而引起的輸出誤差，達到保證測量精度的要求。 電容式傳感器 把被測的機械量，如位移、壓力等轉換為電容量變化的傳感器。 它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個 平行電極組成、極間以空氣為介質的電容器（見圖）。若忽略邊緣效 應，平板電容器的電容為 S/d,式中e

13、為極間介質的介電常數(shù)， S為兩極板互相覆蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。d、s、 三 個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。 因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質變化型三 類。極距 變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動 等引起的極距變化（見電容式壓力傳感器）。面積變化型一般用于 測量角位移或較大的線位移。介質變化型常用于物位測量和各種介質 的溫度、密度、濕度的測定。 溫度對電容式傳感器的結構和有影響（寄生電容）。 C= e *S/d二Q/U二I*t/U. 壓電傳感器 壓電效應：某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時， 其內部會產生極化現(xiàn)象

14、，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的 電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正 壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反， 當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發(fā)生變形，電 場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應，或稱 為電致伸縮現(xiàn)象。 石英晶體：Z光軸：不產生壓電效應；X電軸：縱向壓電效應；Y 機械軸：橫向壓電效應。 磁敏傳感器形狀效應：由于磁敏元件的幾何尺寸變化而引起的磁阻大 小變化的現(xiàn)象。 霍爾效應：在導體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得導線中 的電子受到洛倫茲力而聚集，從而在電子聚集的方向上產生一個電 場，此一電場將

15、會使后來的電子受到電力作用而平衡掉磁場造成的洛 倫茲力，使得后來的電子能順利通過不會偏移，此稱為霍爾效應。而 產生的內建電壓稱為霍爾電壓。 一個霍爾元件一般有四個引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置 電流IC的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構成 外回路，就會產生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設定通常由外部 的基準電壓源給出；若精度要求高，則基準電壓源均用恒流源取代。 為了達到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導磁系數(shù)的坡 莫合金；這類傳感器的霍爾電勢較大，但在0. 05T左右出現(xiàn)飽和， 僅適用在低量限、小量程下使用。 Uh 二 Kh*B*I 超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用

16、超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是 指頻率高于20kHz的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動 產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能 夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很 大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲 波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物 體能產生多普勒效應。 串聯(lián)阻抗小，作為發(fā)射；并聯(lián)阻抗大，作為接收。 光纖傳感器 基本工作原理：將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參 數(shù)與進入調制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、 波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調制的信號光，再 過利用被測量對光的傳輸特性施加的影響，完成測量。 偏振調制方式。 頻率調制方式。相位調制方式（不能直接測量光波的相位變 化）O光強度調制