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传感器原理与应用,期末复习,试题构成：,单选题 10题 20分填空题10题 30分简答题 2题 20分计算题 4题 30分,答疑时间：考试前的两天，上午 8:3011:30地点：S1楼323室,期末复习,1 传感器技术基础,期末复习,国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。,利用场的定律构成的传感器称为：结构型传感器。,基于物质定律构成的传感器称为：物性型传感器。,传感器具有能量信息转换的功能在于它的工作机理是基于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法则所支配。,传感器的静态模型,零位输出,传感器的理论灵敏度,非线性项系数,输入量,输出量,期末复习,传感器的动态模型通常可以用零阶、一阶或二阶的常微分方程来描述：,零阶环节,一阶环节,期末复习,时间常数 静态灵敏度,时间常数越小，阶跃响应越迅速，频率响应的上限截止频率越高。,的大小表示惯性的大小，一阶环节有称为惯性环节。,二阶环节,固有频率 静态灵敏度,阻尼比,期末复习,凡是能用一个零阶线性微分方程来描述的传感器就称为零阶传感器，能用一个一、二阶线性微分方程来描述的传感器就称为一、二阶传感器。,期末复习,传感器动态特性分析方法,传感器主要动态特性,时域：单位阶跃响应特性,频域：频率响应特性,通频带：,2 电阻应变式传感器,在应力作用下材料的电阻率发生变化应变电阻效应,电阻应变式传感器一：电阻应变片,期末复习,金属材料 应变电阻效应半导体材料 压阻效应,它们的电阻相对变化与线应变成正比,电阻应变片测量的是应变栅范围内的平均应变，单个应变片不能测量应力场中的应力梯度。,测量电路电桥,或,期末复习,作用：将传感器的参数变化转换为电压输出,若 可忽略分母中的,期末复习,实际的测量电路多采用全等臂差动电桥：,期末复习,差动技术可以改善传感器的非线性。要保证三个环节：构成差动的传感器特性要完全相同；接收的输入量要大小相等、方向相反；输出量相减。,全等臂4臂工作差动电桥：,期末复习,补偿了非线性,电阻应变计的温度效应及热输出,期末复习,产生的原因：敏感栅的热阻效应敏感栅与试件的热膨胀不一致,补偿：双丝半桥补偿块差动电桥热敏电阻补偿,电阻应变式传感器二：压阻式传感器,期末复习,半导体的压阻效应：半导体沿某一轴向受到应力而产生应变时，其电阻率发生变化。,压阻式传感器组成原理：,应用：硅差压传感器、压阻式加速度传感器,3 变磁阻式传感器,期末复习,磁路磁阻变化,自感式,互感式(差动变压器),电涡流式,测量电路,期末复习,应用：检测位移、振动、力、应变、流量、比重等。,4 电容式传感器,1.变极距型电容传感器,期末复习,如果满足条件 那么上式可按级数展开：,电容的相对变化量：,一般可用 作为其特性表达式,期末复习,非线性误差大，仅适合测量微小位移量可用减小 来提高灵敏度高分辨率，可测量 的线位移,理论曲线,2.变面积型电容传感器,灵敏度：,线性输出，量程不受线性范围的限制，适合测量较大的直线位移和角位移。灵敏度低。,由于灵敏度较低，在具体应用中多采用差动方式。,期末复习,3.变介质型电容传感器,可测量介质的材质及厚度，或测量介质的移动距离。,期末复习,电容式传感器的测量电路,期末复习,霍尔传感器基于霍尔效应,当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应。,5 磁电式传感器,期末复习,霍尔系数,霍尔元件厚度,霍尔元件的灵敏度,霍尔器件的测量电路,霍尔电势输出端,激励电流输入端,激励电流调节,补偿不等位电势,控制电极,霍尔电极,期末复习,霍尔器件的应用,期末复习,1.微位移及机械振动测量,当霍尔元件的控制电流不变，并置于均匀梯度的磁场中移动时，霍尔电势 只取决于它在磁场中的位移。,2.测量交、直流磁感应强度，磁场强度,控制电流一定时，霍尔电势与磁感应强度成正比。,6 压电式传感器,期末复习,晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；无论是正或逆压电效应，其作用力与电荷之间呈线性关系。,期末复习,必须使用前置放大器,测量电路,电压放大器（阻抗变换器）、电荷放大器：,作用是将压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压（电荷）成正比。,7 热电式传感器,1.热电阻铂、铜、镍、铁,2.热敏电阻钴、锰、镍等的氧化物,期末复习,期末复习,负温度系数热敏电阻NTC的V-A特性曲线,电流小，不发热，相当于一个固定电阻，电压与电流之间符合欧姆定律。,电流增加，热敏电阻发热，其阻值降低，因此出现非线性正阻区，电流增加的速度阻值减小的速度。,电流持续增加，发热加剧，阻值迅速减小，阻值减小的速度电流增加的速度，到达负阻区。,3.热电偶,总热电势,产生热电势的条件：热电偶不同电极材料；两端温度不同,期末复习,8 光电式传感器,光电效应,金属材料：铯、钠、锌等,1.外光电效应,2.光电导效应,期末复习,9 光纤传感器,临界角,全反射,期末复习,光纤的数值孔径：,光纤传感器的分类,非功能型：调制环节在光纤外部，光纤只起 传光作用。（传光型）,期末复习,功能型：调制环节在光纤内部，外界作用下 光纤光学特性变化。（传感型）,光纤传感器的应用,期末复习,反射式光纤位移传感器光纤温度传感器 光纤吸收的光谱对温度敏感光纤电流传感器 法拉第旋光效应光纤角速度传感器(光纤陀螺)Sagnac效应,10 数字式传感器,数字输出：感应同步器、绝对编码器；脉冲输出：增量编码器、感应同步器、光栅等；频率输出：RC频率式、振体、振梁式。,期末复习,光栅,莫尔条纹,位移放大作用,莫尔条纹的移动方向可判别光栅的移动方向。,编码器,数字式角位移测量传感器,增量编码器至少1条增量码道+基准信号,绝对编码器格雷码,一个 位的码盘，它的分辨角度为：,位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有 条码道。,增量码道基准信号,扇形区的多少决定了编码器的分辨率,产生零位基准信号，每转1个,期末复习,11 化学传感器,气敏效应：气体传感器，湿敏效应：湿度传感器,湿度传感器原理：,1.某些材料吸湿伸长毛发、双材料片2.微波在湿度不同的空气中衰减不同3.湿度不同的空气对红外线的吸收不同4.某些材料吸收空气中的水分导致电阻变化,如：氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。,感湿膜的电阻随空气相对湿度变化而变化。,期末复习,期末复习,本学期传感器课程结束，感谢同学们！祝同学们都能取得优异成绩！,
