1、传感器技术及应用教案及习题精品 教学要求1掌握传感器的基本概念。2掌握传感器的组成框图（p2，图1.1）。3掌握传感器的静态性能和动态性能。4了解传感器的课程性质和课程任务。5了解传感器的分类和发展趋势。教学内容1.1传感器的发展和作用了解。1.2什么是传感器传感器定义：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：敏感元件、转换元件、转换电路。1.3 传感器的分类1根据被测物理量分类速度传感器、位移传感器、加速度传感 器、温度传感器
2、、压力传感器等。2按工作原理分类应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等。3按能量的传递方式分类有源的和无源的传感器。1.4 传感器的性能和评价1.4.1传感器的静态特性传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响应特性，称静态响应特性。通常用来描述静态特性的指标有：测量范围、精度、灵敏度、稳定性、非线性度、重复性、灵敏阈和分辨力、迟滞。 稳定性传感器的稳定性，一是指传感器测量输出值在一段时间内的变化，即用所谓的稳定度表示；二是指在传感器外部环境和工作条件变化时而引起输出值的变化，即用影响量来表示。 灵敏度传感器灵敏度是表示传感器的输入增量与由它引
3、起的输出增量之间的函数关系。更确切地说，灵敏度k等于传感器输出增量与被测量增量之比，是传感器在稳态输出输入特性曲线上各点的斜率。用公式表示为： 灵敏阈与分辨力灵敏阈是指传感器能够区分出的最小读数变化量。对模拟式仪表，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个阶梯所代表的输入量的大小。对于数字式仪表，灵敏度阈就是分辨力，即仪表指示数字值的最后一位数字所代表的值。从物理含义看，灵敏度是广义的增益，而灵敏度阈则是死区或不灵敏度。 迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中 输入特性曲线不重合的程度称为迟滞。 线性度传感器的输出输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传
4、感器满量程输出之比，称为该传感器的“非线性误差”或称“线性度”，也称“非线性度”。1.4.2传感器的动态特性动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。只要输入量是时间的函数，则其输出量必将是时间的函数。研究动态特性的标准输入形式有三种，即正弦、阶跃和线性，而经常使用的是前两种。 零阶传感器动态特性指标零阶传感器，其输入量无论随时间如何变化，其输出量的幅值总是与输入量成确定的比例关系，在时间上也不滞后，幅角等于零。所以零阶传感器的动态特性指标就是静态特性指标。 一阶传感器动态特性指标一阶传感器动态特性指标有：静态灵敏度和时间常数。如果时间常数越小，系统的频率特性就越好。在弹簧阻尼系统中
5、，就要求系统的阻尼系数小，而弹簧刚度要大。 二阶传感器动态特性指标二阶传感器的传递函数：频率函数为：幅频特性为：相频特性为：上面各式中：系统无阻尼时的固有振动角频率； 弹簧常数； 质量； 相对阻尼系数；阻尼器阻尼系数；静态灵敏度。由于大多数传感器均为二阶系统，所以我们要专门讨论二阶系统的阶跃响应。根据二阶系统相对阻尼系数的大小，将其二阶响应分成三种情况：既时过阻尼；时临界阻尼；时欠阻尼。在一定的值下，欠阻尼系统比临界阻尼系统更快地达到稳态值；过阻尼系统反应迟钝，动作缓慢，所以一般传感器都设计成欠阻尼。一般取值为0.60.8。第二章 应变式传感器教学要求1掌握电阻应变效应的基本概念。2掌握电桥原
6、理与电阻应变计桥路。3掌握应变计的静态性能和动态性能。4. 掌握温度误差产生的原因及其补偿方法。4了解应变计的分类和命名规则。5了解应变计的应用和发展现状。教学内容2.1 电阻应变效应2.1.1电阻应变效应定义：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。 设有一段长为l，截面积为A，电阻率为的导体(如金属丝)，它具有的电阻为：式中：电阻丝的电阻率；l电阻丝的长度；A电阻丝的截面积。2.1.2 应变计的分类了解。2.1.3 应变计型号命名了解。2.2应变计的主要特性2.2.1应变计的灵敏度系数当具有初始电阻值的应变计粘贴于试件表面时，试件受力
7、引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：式中，为电阻应变计的灵敏度系数。必须指出，应变计的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏度系数，一般情况下，。这是因为，在单向应力产生双向应变的情况下，除受到敏感栅结构形状成型工艺粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。应变计的灵敏度系数直接关系到应变测量的精度。因此，值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定，该值称为“标称灵敏度系数”。2.2.2 横向效应定义：在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消纵向应变的作用。应变计这种既敏感纵向应变，
8、又同时受横向应变影响而使灵敏系数及相对电阻比都减小的现象，称为横向效应。其大小用横向效应系数H(百分数)来表示，即： 对轴向应变的灵敏度系数；为对横向应变的灵敏度系数。减小横向效应的方法：采用直角线栅式应变计或箔式应变计。2.2.3应变计的动态特性实验表明，机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、胶层(两者都很薄，可忽略不计)和栅长而为应变计所响应时，就会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量，就会产生误差。应变计的动态特性就是指其感受随时间变化的应变时之响应特性。2.2.4其它特性参数机械滞后实用中，由于敏感栅基底和粘结剂材料性能，或
9、使用中的过载，过热，都会使应变计产生残余变形，导致应变计输出的不重合。这种不重合性用机械滞后(Zj)来衡量。它是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值，见图2.1所示。通常在室温条件下，要求机械滞后Zj310。实测中，可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。 图2.1 应变计的机械滞后特性 图2.2 应变计的蠕变和零漂特性蠕变和零漂粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。如图2.2中所示。当试件初始空载时，应变计示值仍会随时间变化的现象称为零漂。如图2.2
10、中的P0所示。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求315s。引起蠕变的主要原因是，制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。应变极限应当知道，应变计的线性(灵敏系数为常数)特性， 只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。如图2.3所示。应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，通常要求。影响的主要因
11、素及改善措施，与蠕变基本相同。 图2.3 应变计的应变极限特性2.3应变计的粘贴了解粘贴剂的选用要求，和常用粘合剂的选用原则：有机粘合剂通常用于低温常温合中温，无机粘合剂用于高温。2.4电桥原理及电阻应变计桥路2.4.1直流电桥的特性方程及平衡条件电桥的供桥电源电压为，R1、R2、R3和R4为桥臂，RL为负载内阻，负载电流IL为:2.4 直流电桥该方程为直流电桥的特性方程。IL0时电桥平衡，则平衡条件为：这说明要使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等或相对两臂电阻的乘积相等。2.4.2直流电桥的电压灵敏度应变片工作时，其电阻变化很小，电桥相应输出电压也很小。要推动记录仪工作，须将输出电压放大，
12、为此必须了解R/R与电桥输出电压的关系。电桥灵敏度定义为：单臂工作应变片的电桥电压灵敏度为：式中， 2.4.3交流电桥的平衡条件和电压输出Z1、Z2、Z3、Z4为复阻抗，U为交流电压源，开路输出电压为U 0，根据交流电路分析（和直流电路类似）可得平衡条件为：设 (i=1,2,3,4) 式中 、 各桥臂电阻和电抗；， 各桥臂复阻抗的模和幅角。因此，交流电桥的平衡条件必须同时满足： 或 2.5 交流电桥 2.6交流电桥分布电容的影响电桥的调平就是确保试件在未受载、无应变的初始条件下，应变电桥满足平衡条件(初始输出为零)。在实际的应变测量中，由于各桥臂应变计的性能参数不可能完全对称，加之应变计引出导
13、线的分布电容（其容抗与供桥电源频率有关），严重影响着交流电桥的初始平衡和输出特性。因此，交流电桥平衡时，必须同时满足电阻和电容平衡两个条件。和 对全等臂电桥，上式即为 和 2.5温度误差及其补偿2.5.1 温度误差产生的原因用应变片测量时，希望其电阻只随应变而变，而不受其它因素的影响。但实际上环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，从而产生温度误差。应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时，这种热输出干扰必须加以补偿。（1）敏感栅金属丝电阻本身随温度变化产生的温度误差（2）试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一，使
14、应变丝产生附加形变而造成的电阻变化。式中敏感栅材料的电阻温度系数； 应变计的灵敏系数； 分别为试件和敏感栅材料的线膨胀系数。2.5.2温度补偿方法常采用温度自补偿法和桥路补偿法。温度自补偿法 这种方法是通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿的。(1)单丝自补偿应变计 由式可知，欲使热输出为0，只要满足条件 (a)丝绕式 (b)短接式双丝自补偿应变计 (2)双丝自补偿应变计 这种应变计的敏感栅是由电阻温度系数为一正一负的两种合金丝串接而成，如图所示。应变计电阻R由两部分电阻Ra和Rb组成，即R=Ra+Rb。当工作温度变化时，若Ra栅产生正的热输出at与Rb栅产生负的热输出bt，能大小相
15、等或相近，就可达到自补偿的目的。桥路补偿法桥路补偿法是利用电桥的和、差原理来达到补偿的目的。 (1)双丝半桥式 这种应变计的结构与双丝自补偿应变计雷同。不同的是，敏感栅是由同符号电阻温度系数的两种合金丝串接而成，而且栅的两部分电阻R1和R2分别接入电桥的相邻两臂上：工作栅R1接入电桥工作臂，补偿栅R2外接串接电阻RB(不敏感温度影响)后接入电桥补偿臂；另两臂照例接入平衡电阻R3和R4，如图所示。当温度变化时，只要电桥工作臂和补偿臂的热输出相等或相近，就能达到热补偿目的，即:双丝半桥式热补偿应变计 (2)补偿块法这种方法是用两个参数相同的应变 计R1、R2。R1贴在试件上，接入电桥工作臂， R2
16、贴在与试件同材料、同环境温度，但不参与机械应变的补偿块上，接入电桥相邻臂作补偿臂(R3、R4同样为平衡电阻)，如图2.19所示。这样，补偿臂产生与工作臂相同的热输出，通过差接桥，起了补偿作用。这种方法简便，但补偿块的设置受到现场环境条件的限制。 （3）热敏电阻补偿 热敏电阻Rt与应变片 处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。2.6电阻应变仪电学应变仪应用最广泛，它采用的电路可以是直流电桥式、交流电桥式或电位计式，应用最多的
17、是交流电桥式电路并带有载波放大器的形式。采用交流电桥电路的应变仪由电桥、放大器、相敏检波器、滤波器、振荡器和电源部分组成。电桥：将应变计的电阻变化转换成电压或电流信号,以便放大器放大。通常电桥由正弦振荡器供电,其频率为500赫50千赫,较低频率的被测应变信号对较高 的频率的电桥电压进行调幅，输出一个窄频带的调幅波信号。放大器：对电桥输出的微弱信号进行不失真的放大，并以足够的功率去推动指示器和记录器。为提高放大器的稳定性，一般采用交流载波放大器，直流放大器仅用于超动态应变仪。相敏检波器：将放大后的调幅波还原为被测应变信号波形，同时反映被测应变信号 的方向，通常采用环形相敏检波器。滤波器：滤除相敏
18、检波器输出信号中的高次谐波分量，以获得理想的输出波形。振荡器：产生一个稳定的振荡电压，作为电 桥供电电压和相敏检波器的参考电压。2.7 应变式传感器基本概念1、应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。2、弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变。3、弹性元件：具有弹性应变特性的物体。构成弹性敏感元件，应变计（丝）。工作原理当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。2.7.2应变式测力与称重传感器组成：弹性体
19、，应变计和外壳。分类：根据结构形式不同可分为：柱式桥式轮辐式梁式环式等。柱式：特点是结构简单、紧凑，易于加工，成本费用低，密封性能良好，对于潮湿环境很适用，可设计成压式或拉式的，可以承受很大的载荷；其缺点是位移量小、灵敏度低。桥式：传感器弹性体为桥式，其两端用两只螺栓紧固到下面的支撑体上，其弹性体与支撑体之间有一间隙，为弹性体的受力变形空间。该类传感器的特点如下：由于传感器与秤体之间的连接为要求很低的间隙配合，所以安装方便，维护简单，重复性好。轮辐式：高度低、精度高、抗偏心载荷和侧向力强。剪切梁式：该类传感器有以下特点：输出信号不受称重点位置变化的影响；线性好、精度高；传感器受拉伸与压缩时，切
20、应力的幅度与分布基本相同，即传感器的拉 伸、压缩灵敏度基本相同，所以特别适用于同时受拉和压的测量；外形低、体积小、重量轻，易于安装和维修；结构简单易于密封；抗侧向力强。板环式：特点是输出灵敏度高、受力状态稳定、温度均匀性好、结构简单、易于加工，可制成拉压2种型号，对于0.530吨的拉压方式称重传感器，这种方式是很好的。应变式压力传感器组成：弹性元件，电阻应变计和外壳及补偿电阻。分类：应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种型式，常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。应变式加速度传感器加速度传感器的构成如图：包括了应变片弹簧片质量块外壳和基座。2.8 几种新型的微应变式传感
21、器概念压阻效应：半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象就称为压阻效应。化学气相沉积（CVD）：是半导体技术中一种常用的薄膜生长技术，这种技术使用化学的方法来沉积薄膜。第三章 光电式传感器教学要求1掌握光电效应的基本概念，内光电效应和外光电效应。2掌握光传感器的特性及其表示法。3掌握光电管，光电倍增管，光敏电阻，光电耦合器件的原理，结构。4了解热释电效应的原理。5了解其它光电传感器的组成，原理和发展趋势。教学内容光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件
22、三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。3.1 光电效应光电效应：它是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象，可分为外光电效应和内光电效应两类。外光电效应是指，在光线作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应两类。光电导效应是指，半导体材料在光照下禁带中的电子受到能量不低于禁带宽度的光子的激发而跃迁到导带，从而增加电导率的现象。能量对应于禁带宽度的光子的波长称光电导效应的临界波长。光生伏特效应是指光线作用能使半导体材
23、料产生一定方向电动势的现象。光生伏特效应又可分为势垒效应（结光电效应）和侧向光电效应。势垒效应的机理是在金属和半导体的接触区(或在PN结)中，电子受光子的激发脱离势垒（或禁带）的束缚而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下电子移向 N区外侧，空穴移向 P区外侧，形成光生电动势。侧向光电效应是当光电器件敏感面受光照不均匀时，受光激发而产生的电子空穴对的浓度也不均匀，电子向未被照射部分扩散，引起光照部分带正电、未被光照部分带负电的一种现象。基于外光电效应的光电敏感器件有光电管和光电倍增管。基于光电导效应的有光敏电阻。基于势垒效应的有光电二极管和光电三极管。基于侧向光电效应的有反转光敏二极管。3.2
24、 热释电效应所谓热释电效应是指该种材料中自发极化的强度随温度的变化而变化的效应。电介质在外加电场的作用下会产生电极化的现象即会使电介质的一个表面带有正电荷而另一个表面带有负电荷。3.3光的吸收系数了解。3.4 光传感器的特性表示法光电探测器的性能参数主要的有：积分灵敏度R，光谱灵敏度R，频率灵敏度Rf，量子效率，通量阈Pth和噪声等效功率NEP，归一化探测度D* 等。光谱灵敏度R：, 如果是常数，则相应的探测器为无选择性探测器，如：光热探测器；反之，则为选择性探测器，如光子探测器。频率灵敏度Rf: 如果入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流将随调制频率f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率
25、灵敏度Rf 。量子效率表示探测器吸收的光子数和激发的电子书之比。通量阈指探测器所能探测的最小光信号功率。通常认为当信号光电流等于噪声电流时，刚刚能测量到光电流存在。噪声等效功率NEP，单位信噪比时的信号光功率。噪声等效功率越小，探测器探测微弱信号的能力越强。光谱特性在入射光照度一定时，光电元件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种材料只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光谱特性。频率特性表征光电器件的动态性能，反映了交变光照下器件的输出特性，用响应时间来表示。伏安特性在一定的光照下，对光电器件所加端电压与光电流之间的关系称为伏安特性。它是传感器设计时选择电参数的依据。使用时应注意不要超过器件
26、最大允许的功耗。温度特性光电器件随所处环境温度的变化，其光电效应的外在表现会发生变化。3.5 光电传感器3.5.1光电管光电管原理是光电效应。一种是半导体材料类型的光电管，它的工作原理光电二极管又叫光敏二极管，是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件。当光照强度增加时，PN结两侧的P区和N区因本征激发产生的少数载流子浓度增多，如果二极管反偏，则反向电流增大，因此，光电二极管的反向电流随光照的增加而上升。光电二极管是一种特殊的二极管，它工作在反向偏置状态下。常见的半导体材料有硅、锗等。如我们楼道用的光控开关。还有一种是电子管类型的光电管，它的工作原理用碱金属（如钾、钠、铯等）做成一个曲面作为阴极，
27、另一个极为阳极，两极间加上正向电压，这样当有光照射时，碱金属产生电子，就会形成一束光电子电流，从而使两极间导通，光照消失，光电子流也消失，使两极间断开。3.5.2光电倍增管光电倍增管是一种能将微弱的光信号转换成可测电信号的光电转换器件。它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。光电倍增管是一种真空器件。它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。图1所示为端窗型光电倍增管的剖面结构图。其主要工作过程如下： 当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通
28、过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。 3.5.3光敏电阻结构：通常由光敏层、玻璃基片（或树枝防潮膜）和电极等组成的。特性：光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。作用与应用：广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）
29、、家用电器（如电视机中的亮度自动调节,照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。光敏电阻器种类： 1）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为硫化镉（CdS）、硒化镉(CdSe) 、硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb) 光敏电阻器等。 2）按光谱特性分类： 可见光光敏电阻器：主要用于各种光电自动控制系统、电子照相机、光报警等地。 紫外光光敏电阻器：主要用于紫外线探测仪器。 红外光光敏电阻器：主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统。光敏电阻器的主要参数1）亮电阻（k）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。2）暗电阻(M)：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。
30、3）最高工作电压(V)：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压。4）亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。5）暗电流(mA)：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。6）时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63时所需的时间。7）电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变1时，其电阻值的相对变化。8）灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。3.5.4光电二极管和光电三极管光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。光电三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。 光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。光电二极管与
