【正文】 傳感器與檢測技術課程　　復習分析頻響常用正弦分析瞬時常用階躍動態(tài)測量輸入信號規(guī)律性的隨機性的 周期性的 非周期性的非平穩(wěn)隨機過程平穩(wěn)的隨機過程 正弦周期輸入 復雜周期輸入 階躍輸入 線性變化輸入 其它變化輸入各態(tài)歷經過程非各態(tài)歷經過程傳感器在檢測系統(tǒng)中有什么作用和地位？什么是敏感元件？什么是傳感器？1． 特性？有哪些主要指標？線性度、遲滯、重復性、靈敏度、靜態(tài)誤差、分辨力與閥值等的概念和計算。？動特性：傳遞函數和動態(tài)響應的物理概念。？ 傳感器的基本概念 一、傳感器的定義及構成 傳感器(Transducer/Sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。 通常傳感器由敏感元件、轉換元件、基本轉換電路組成。其中敏感元件(Sensing element)是指傳感器中能直接感受被測量的部分；轉換元件(Transition element)是指傳感器中能將敏感元件輸出量轉換為適于傳輸和測量的電信號部分?；巨D換電路:將轉換元件輸出的電量轉換成便于顯示、記錄和處理的電量輸出。 二、傳感器的分類 （被測量量）的類型分類 ⑴ 模擬式傳感器； ⑵ 數字式傳感器 （有源、無源） ⑴ 有源傳感器（能量轉換型傳感器） ⑵ 無源傳感器（能量控制型傳感器） 三、傳感器的數學模型 在靜態(tài)信號(輸入信號不隨時間變化)的作用下，輸出量Y與輸入量X間的關系。(忽略蠕動、遲滯)一般可用多項式表示。 y = a0+a1x + a2x2 + a3x3 + ┅ a0 ━ 零位輸出 a1 ━ 線性靈敏度 a2 ～ an ━ 非線性系數 2. 動態(tài)模型 在動態(tài)信號(輸入信號隨時間變化)的作用下，輸出量Y與輸入量X間的關系?？梢杂?微分方程 或 系統(tǒng)函數 (傳遞函數 )來描述。 一階傳感器 傳遞函數 可用拉普拉斯變換表示系統(tǒng)的系統(tǒng)函數Ｈ(S )。 四、傳感器的基本特性 1. 靜態(tài)特性 ⑴ 線性度 實際的輸出 —— 輸入曲線與擬合曲線(工作曲線)間最大偏差的相對值 即為線性度。 ⑵ 靈敏度 Sn Sn 的定義是傳感器輸出的變化量 與引起該變化量的輸入變化量 之比即為其靜態(tài)靈敏度。 ⑶ 重復性 重復性 指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。 ⑷ 遲滯現象（回差） 回差反映了傳感器的輸入量在正向行程和反向行程全量程多次測試時，所得到的特性曲線的不重合程度。 ⑸ 分辨率（△xmin ） 在規(guī)定的測量范圍內，傳感器所能檢測出輸入量的最小變化值。 ⑹ 穩(wěn)定性 傳感器在相當長的時間內仍保持其原性能的能力。 ⑺ 漂移 傳感器在外界的干擾下，輸出量發(fā)生了與輸入量無關的變化，主要有“零點漂移”和“靈敏度漂移”，這兩種漂移又可分為“時間漂移 —— 零點或靈敏度隨時間而發(fā)生緩慢的變化”和“溫度漂移 —— 零點或靈敏度隨環(huán)境溫度的變化而改變”。 2. 動態(tài)特性 ⑴ 頻率響應 傳感器的頻率響應是指各種頻率不同而幅值相同的正弦信號輸入時，其輸出的正弦信號的幅值、相位(與輸入量間的相差）與頻率之間的關系。即幅頻特性和相頻特性。 分析切入點：系統(tǒng)的傳遞函數。 ⑵ 階躍響應 給原來處于靜態(tài)狀態(tài)傳感器輸入階躍信號，在不太長的一段時間內，傳感器的輸出特性即為其階躍響應特性。 ① 一階傳感器的階躍響應特性 ② 二階傳感器的階躍響應特性 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝工作原理、轉換電路、主要特性參數計算。說明電阻應變片的組成和種類。電阻應變片有哪些主要特性參數？直流電橋、電橋的非線性。應變片產生誤差的原因是什么？如何減少或補償溫度誤差？ 應變式電阻式傳感器 電阻應變效應是指電阻絲在外力作用下，發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化的現象基于這種原理制成的傳感器有金屬應變片式和半導體應變片式兩種。 電阻應變片的主要參數有幾何尺寸，初始值電阻R0 和允許工作電流，且應變片的初始電阻值R0有120Ω、200Ω、350Ω、600Ω、1000Ω等類型，其中最常的有120Ω和350Ω。當現場環(huán)境溫度改變時，會引起應變片電阻的附加變化量，該變形給測量帶來附加誤差（即應變片的溫度誤差）。產品該誤差的原因是電阻絲溫度系數的存在和電阻絲線膨脹系數不同。 電阻應變片的溫度補償方法通常有線路補償和自動補償兩大類。其中最常的是電橋補償法，它是將工作應變片和補償應變片接到電橋的兩個橋臂，利用它們對電橋輸出電壓，平衡原理，而起到溫度補償作用。通常采用的半橋差動電路或全橋差動電路，橋路不存在非線性誤差，而且電壓靈敏度也比單臂橋時高，同時還能起到溫度補償作用，但應清楚完全補償的條件。一、應變效應的理論基礎 1．金屬導體的電阻定律 2．材料的泊松比μ — dL/L、dA/A 在力的作用下的相互關系 3．金屬材料應變電阻效應 4．半導體材料的壓阻效應 二、電阻應變片的結構及工作方式 1． 基本結構 2． 分類 (按敏感柵的結構特點和構成材料進行分類) 3． 工作方式 (工作原理)： 應變片是用來測量試件表面的應變的。粘貼時需使柵絲的軸線沿應變方向。 三、電阻應變片應變電阻的測量 1．直流電橋法： 電壓靈敏度SV 非線性誤差γ 2．非線性誤差的補償方法 ①差動電橋法 a．半橋差動電路 純線性，靈敏度提高了一倍。 b．全橋差動電路 ②恒流源供電法 a． 恒流源供電電橋 b． 雙恒流源電路 應變式電阻傳感器的應用 一、力（荷重）傳感器 1. 柱式力傳感器（柱的截面積為A） 2 .梁式荷重傳感器（特點：可以使用差動電橋測量應變） ⑴ 等截面梁式荷重傳感器 ⑵ 等應力（等脅強）梁式荷重傳感器 二、應變式加速度傳感器（二階傳感器的典型例子） ⒈ 基本原理：F = m a 。 ⒉動態(tài)特性 三、應變式壓力（壓強）傳感器 ⒈ 薄板式(膜片式)壓力傳感器 根據薄板形變(應變)與壓強的關系來測量壓強，(應變片測薄板應變) ⒉ 筒式應變壓力傳感器 性能特點：可用于高壓測量。結構特點：圓柱盲孔，環(huán)向應變。 四、固態(tài)壓力傳感器(壓阻效應)，特點：集成電路工藝生產 受壓圓膜的應力分布/應變分析特點。 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝3．　電感式傳感器自感式位移傳感器是一種基于電磁感應原理，將被測量（位移）變化轉換為自感L或互感M參數變化的部件。即稱電感式傳感器或變磁阻式傳感器。該傳感器可分為自感式和互感式兩大類。電感式傳感器常用來測量位移、尺寸、振動、力、壓力、轉矩、應變、流量及比重等非電量。其基本構成是由鐵芯、線圈和銜鐵三部分組成。？它們的工作原理是什么？磁路歐姆定律：，式中稱磁感阻，nI為磁通勢。 則 變磁阻（自感）式傳感器 一、結構及工作原理 二、輸出特性 —— 具有非線性的輸出特性。 三、差動自感傳感器(非線性補償) 互感式傳感器 在自感式傳感器中δ不能太大，否則漏磁的影響將使輸出性能嚴重劣化。所以大位移測量時常采用互感式傳感器。 一、結構、工作原理及等效電路 二、測量電路： ； 電渦流式傳感器＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝4　電容式傳感器 電容式壓力傳感器是種將被測量尺寸，壓力的變化轉換成電容量變化的部件（即可變電容器），其定義為C=εs/d。按其工作原理，電容式傳感器可分為變間隙式，變截面式和變介電常數式三種類型，其中第一種常用于測量微小線位移；第二種常用于測量角位移或較大的線位移；第三種常用于測量固體或液體的物位。 電容式傳感器的初始電容很小，因此在使用中的最關鍵問題是分布電容的影響極為嚴重，這不僅會造成傳輸效率降低，靈敏度變差而且會產生很大的測量誤差。由于電容式傳感器動極板移動過程中無摩擦，機械損耗小以及兩極板間靜電引力小等原因，故該傳感器幾手沒有零漂。 電容式傳感器配用的測量電路很多，常用的有交流電橋、緊耦合電橋電路、脈沖電路運算放大電路等。 一、 電容式傳感器的結構和工作原理 二、變極距型電容式傳感器（平行板電容器式） 三、變極板面積形電容傳感器 四、動介質型電容式位移傳感器 五、電容式傳感器的輸出特性 變極距型電容式傳感器僅在Δd/d 較小時呈近似線性關系，存在一定的非線性誤差。 六、 電容式傳感器的信號變換電路 差動脈寬調制電路、運算放大電路 七、 電容式傳感器的應用 1. 電容式壓力傳感器； 2. 電容式物位傳感器（物位計）工作原理、轉換電路、計算。推導差動式電容傳感器的靈敏度，并與單極式相比較。根據電容式傳感器的工作原理說明它的分類，電容傳感器能夠測量哪些物理參量？電容傳感器的轉換電路及信號調制電路?？偨Y電容式傳感器的優(yōu)缺點，主要應用場合及使用中應注意的問題。簡述電容式傳感器用差動脈沖調寬電路的工作原理。＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝五、磁電式傳感器磁電感應式速度傳感器是一種利用導體和磁場發(fā)生相對運動產生感應電動勢的原理，實現振動、速度、扭矩等動態(tài)參數測量。變磁通式、恒定磁通式按運動性質分為直線運動磁電傳感器和旋轉運動磁電傳感器。前者定義為e=NBlv；其靈敏度K=e/v=NBL；后者定義為e=NBSW，其靈敏度則為K=e/w=NBS。 提高磁電感應式傳感器靈敏K值應考慮幾個因素。一是線圈直流電阻R與負載電阻RL的匹配問題，一般要求R=RL；二是線圈發(fā)熱問題，要求滿足S0≥I2RSn；及溫度影響問題，要求采用熱磁分路對磁通量進行補償和線圈采用溫度系數小的金屬導體。 磁電式速度傳感器可用相對速度和絕對速度來表示。目前工程界最常用，性能價格比高的速度測量傳感器有磁敏電阻測速傳感器和霍爾齒輪測速傳感器。它們的共同特點是：一、被測對象為運動著的鐵磁材料。（齒輪、齒條、凸輪等）；二、輸出信號為脈沖信號。具有安裝方便，配用檢測電路簡單，測量精度高等優(yōu)點而被廣泛應用。磁電式傳感器與電感式傳感器有哪些不同？磁電式傳感器主要用于測量哪些物理參數？霍爾元件能夠測量哪些物理參數？霍爾元件的不等位電勢的概念是什么？什么溫度補償的方法有哪幾種？簡述霍爾效應及構成以及霍爾傳感器可能用的場合。 霍爾傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾效應實現磁電轉換的一種傳感器，有普通型、高靈敏度型、低溫度系數型、測溫測磁型和開關式的霍爾元件。 一、霍爾效應 ——霍爾效應是導體中自由電荷受洛侖茲力作用而產生的。 霍爾元件的靈敏度不僅與元件材料的霍爾系數有關，還與霍爾元件的幾何尺寸有關?；魻栐`敏度KH與霍爾元件的厚度 d 成反比。 霍爾元件的霍爾效應是置于磁場中的靜止截流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上垂直于電流和磁場方向上的兩個面之間產生電動勢的現象，其數學定義式為UH=RHIB/d =KHIB/d。 霍爾元件外部有兩對電極，一對用來施加激勵電壓或電流，叫控制電極；另一對用來引出霍爾電勢，叫霍爾電極。霍爾元件是采用半導體材料制成的，因而其有關的量和參數都隨溫度的變化而變化，使用時，霍爾式傳感器有溫度誤差。減少溫度誤差的措施用恒流源供電；減少由于輸入電阻引起的誤差起的誤差。 不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數量級，實際應用中需要對它進行補償。若將霍爾元件視為一個四臂電阻電橋，則不等位電勢相當于電橋的初始不平衡輸出電壓，因而所有能使電橋達到平衡的方法均可用于不等位電勢的補償。 霍爾式傳感器基本上由兩部分組成，一是彈性元件，另一是霍爾元件和磁路系統(tǒng)。要求霍爾元件所使用的氣隙磁場具有均勻梯度。二、霍爾元件的主要技術參數 1．額定功耗P0 霍爾元件在環(huán)境溫度T＝25℃時，允許通過霍爾元件的控制電流I和工作電壓V的乘積即為額定功耗。一般可分為最小、典型、最大三檔，單位為mw。當供給霍爾元件的電壓確定后，根據額定功耗可以知道額定控制電流I。有些產品提供額定控制電流和電壓，不給出額定功耗。 2．輸入電阻Ri和輸出電阻R0 Ri是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）間的電阻值，R0是指霍爾元件的霍爾電勢輸出電極（簡稱霍爾電極）間的電阻，單位為Ω?？梢栽跓o磁場即B＝0時，用歐姆表等測量。 3．不平衡電勢U0 在額定控制電流I之下，不加磁場時，霍爾電極間的空載霍爾電勢稱為不平衡(不等)電勢，單位為mV。不平衡電勢和額定控制電流I之比為不平衡電阻r0。 4．霍爾電勢溫度系數α 在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數α，單位為1／℃。 三、霍爾元件連接方式和輸出電路 1．基本測量電路 由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用下，才會產生霍爾電勢UH，所以在測量中，可以把I與B的乘積、或者I