传感器
2023-12-01 16:19:51 3 举报AI智能生成
传感器与检测总结
作者其他创作
大纲/内容
电阻式传感器
电阻应变式传感器
工作原理；导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变，其电阻值发生变化的现象为应变效应
公式：
β为电阻丝电阻率，l为电阻丝长度，A为电阻丝横截面积
电阻应变片的类型结构
金属电阻应变片
金属丝式应变片
金属薄膜式应变片
电阻式应变片测量转换电路
半桥整流电路
单臂桥式整流电路
全桥整流电路
桥式电路工作方式
单臂电桥工作方式及计算公式
定义：单臂电桥工作方式是指电桥一个桥臂接入应变片，其他桥臂采用固定电阻
R1为受力应变片，其他为固定电阻
公式；
半桥工作方式及计算公式
定义；电桥两个桥臂接入应变片
R1，R2为受力应变片，R3，R4为固定电阻
公式；
典型应用；
电子秤传感器
液位计测量装置
力矩测量电路
热电阻式传感器
热电阻效应：物体的电阻率随温度的变化而变化
列子：金属：温度升高，电阻率将增大，反之则减小（如超导）
金属热电阻分类
铂热电阻
测量范围；
电阻率
化学性质稳定，作为目前最好的制造金属热电阻的材料
近视于线性，性能稳定，精度高
铜热电阻
测量范围：-50°C
电阻率：
线性较好，价格低，体积大
半导体热敏电阻传感器
适用环境：由于半导体热敏元件对电阻变化迅速，根据其特性，可用作测量较小的温度差异
原理；半导体通过载流子（电子，空穴）导电，由于半导体中的载流子远多于金属中的载流子数目，所以电阻大，随温度增高，载流子变化，电阻率从而变化
半导体热敏电阻分类与结构
PTC电阻（线性型）；具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定温度，电阻将随温度的升高阶跃式升高
NTC电阻（线性型）；通过金属氧化物混合烧结而成，具有很高的负温度系数，温度范围在
CRT电阻（突变型）；对温度的变化剧烈，具有开关特性。电阻值在 气敏电阻式传感器
原理；利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件电阻变化制作而成
应用；可燃气体检测，气体浓度测量
气敏电阻式传感器的结构与分类
按结构分
烧结型气敏电阻式传感器
特点；制作方式简单，寿命长，机械强度低，电极材料昂贵，误差较大
主要材料为
薄膜型气敏电阻式传感器
灵敏度高，响应速度快，低功耗，小型化，具有很高的发展前途
厚膜型气敏电阻式传感器
按加热方式
直热式气敏电阻式传感器
旁热式气敏电阻传感器
湿敏电阻式传感器
工作原理，通过湿敏元件感应环境中的湿度变化转换为电信号的传感器
绝对湿度； 其中AH为绝对湿度，单位或质量（g），V为空气总体积（）
相对湿度：
湿敏电阻分类
金属氧化物陶瓷湿敏电阻传感器
金属氧化物膜型湿敏电阻传感器
电阻传感器应用
应变片荷重传感器
应变片加速度传感器
压阻式压力传感器
电感式传感器
自感式传感器
工作原理；将输入的物理量转换为线圈的电感和互感变化
组成；线圈，铁芯，衔铁，测杆
按常用分类
变隙式自感传感器
表达式；
其电感与气隙厚度成反比
变截面式自感传感器
原理：保持气隙厚度不变，改变铁芯和衔铁之间覆盖的面积，从而导致电感变化
螺线管自感传感器
原理：通过移动螺线管中的铁芯改变电感值
按组成分类
单一式自感传感器
差动式自感传感器
设计结构要求
两个传感器导磁体机构几何尺寸完全相同
两个传感器材料和性能完全相同
两个传感器线圈电气参数和几何尺寸完全相同
性能；线性度较好，输出曲线较陡
自感式传感器测量转换电路
调幅电路
变压器电桥电路
元件少，输出阻抗少，开路时电路呈线性，应用较广
交流电桥电路
零点残余电压：由于交流电的结构不完全对称，初始时电桥不完全平衡，将产生静态零漂移
调频电路
调相电路
差动式变压器传感器
测量转换电路：
差动整流电路
相敏检测电路
电涡流传感器
电感式传感器应用
电容式传感器
工作原理；测量两个金属平行板之间的电容值，求其差值
分类
工作原理；测量两个金属平行板之间的电容值，求其差值
公式；
分类
变面积式电容传感器
原理；改变电容覆盖面积
变极距式电容传感器
变介电常数电容传感器
电容式传感器测量转化电路
桥式电路；
单臂桥式电路
差动桥式电路
调频电路；
调频振荡器振荡频率表达式；
L为振荡电路的电感（H）,C为震荡电路的总电容（F） 特点
抗外来干扰强
特性稳定
可以直接获得高电平的DC信号
频率输出，易于与计算机通信
应用
电容测厚仪
电容式压力传感器
电容式加速度传感器
油箱检测
电容接近开关
压电传感器
原理
压电效应
正压电效应
正压电效应是指由于形变而产生电极化的现象。当对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程
负压电效应
“某些电介质,当受力变形时内部产生极化现象,同时在两个表面产生相异电荷,外力去掉后,又恢复到不带电状态。这叫压电效应。当作用力方向改变时,电荷极性随之改变,这种现象称为“正压电效应”。相反,当在电介质极化方向施加电场,这些电解质也会产生几何变形,这种现象称为“逆压电效应”。”
材料
石英晶体
压电陶瓷
锆钛酸铅压电陶瓷
非铅系列压电陶瓷
高分子压电材料
测量转换电路
应用
加速度传感器
压缩式压电加速度传感器
纵向效应式压电加速度传感器
剪切式压电加速度传感器
弯曲式压电加速度传感器
压电侧力传感器
压电式血压传感器
压电式流量计
7压电报警器
霍尔传感器
原理
霍耳效应：当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应使用左手定则判断。
霍尔电动势公式：
霍尔元件灵敏度表达式： 霍尔常数表达式：
霍尔电动势：
主要参数
额定激励电流和最大允许激励电流
输入电阻和输出电阻
不等位电动势和不等位电阻
寄生直流电动势
霍尔电动势的温度系数
测量转换电路
应用
移位传感器
压力传感器
加速度传感器
计数器
热电偶传感器
原理
基本定律
热电效应：接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。两种导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，在接触处失去电子的一侧带正电，得到电子的一侧带负电，扩散达到动平衡时，在接触面的两侧就形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度
基本定律
均质导体定律：由一种均质导体（或半导体）组成的闭合回路，不论导体（或半导体)的截面积和长度如何，以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零
中间导体定律：“中间导体定律是指在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响的定律。”
中间温度：“中间温度定律是一则物理学定律,其内容为:热电偶回路两接点(温度为T、T0)间的热电势,等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和,其中Tn称为中间温度。”
标准电级：如果A，B对标准电极C材料的热电动势已知，则A，B构成热电偶时的热电动势为它们分别对C构成的热电偶时产生的热电动势的代数和。
材料结构
材料
（铂铑镍铬硅铜铁）
结构
装配式热电偶
组成；热电极、绝缘套管、保护套管、接线盒
测量范围：0
特点：
优点
结构简单
安装空间小
接线方便
缺点
响应时间滞后、慢
安装困难
铠装式热电偶
组成；热电极、绝缘材料、金属套管
测量范围：
特点
优点
小型化
寿命长
热惯性小
快速反应式热电偶
制作工艺：通过高温蒸镀将电极材料蒸镀到绝缘基板上
反应时间：几毫秒
补偿方式
补偿导线法
原理：延长热电偶冷端,远离高温区（补偿材料见P111）
冷端恒温补偿法
方法
第一种：将冷端放在冰水混合物的冰瓶中，保持冷端温度的0C°不变（冰浴法）
第二种：将热端至于电热恒温器中，恒温器温度要高于环境温度上限
第三种：将冷端置于恒温的空调房，使冷端温度保持恒定
计算修正法
公式：
电桥补偿法
原理：利用不平衡电桥产生不平衡电压来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电偶回路总电势的变化
光电传感器
原理
光电效应
内光电效应
所以要使一个电子逸出，光子的能量E必须大于逸出功,超出逸出功的能量表现为电子的动能，即
原理；在光线的作用下使电子溢出物体表面的光电效应
应用；光电管，光电倍增管，光电摄像管
公式： ，H为普朗克常数，
所以要使一个电子逸出，光子的能量E必须大于逸出功,超出逸出功的能量表现为电子的动能，即
外光电效应
原理：在光线的作用下物体的电阻率发生变化
应用；光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管
光生伏特效应
原理：在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起PN节产生电动势
应用：光电池（一种特殊的半导体二极管，可将可见光，红外线、紫外光转换为直流电）
基本电路
应用
被测物体反光
红外辐射温度计
热释电红外传感器
光电高温比色仪
被测物体透光
反射式烟雾报警器
光电式转速表
被测物体遮光
光电式带材跑偏检测器
检测装置的干扰抑制技术
干扰产生和因素
干扰源
外部干扰
机械干扰
湿度干扰
化学干扰
温度干扰
射线辐射干扰
电磁干扰
光干扰
内部干扰
元件干扰
电源电路干扰
信号通道干扰
负载回路干扰
数字电路干扰
电磁干扰概述
传播途径
辐射干扰
传导干扰
来源分类
自然干扰
人为干扰
信号的功能
功能性电磁干扰
非功能性电磁干扰
场的性质
电场干扰
磁场干扰
干扰的特性
频率干扰
波形干扰
带宽干扰
周期干扰
抗干扰方法
屏蔽
电磁屏蔽
三要素
干扰源
接受载体
信号耦合通道
磁场屏蔽
低频
高频
电磁场屏蔽
隔离
光电隔离
变压器隔离
继电器隔离
滤波
接地
接地技术
工作接地
保护接地
保护接零
重复接地
保护零线
信号接地
分类
模拟信号接地
信号源接地
负载接地
数字信号接地
接地原则
一点接地
多点接地
长线传输干扰抑制
其他措施
稳压
抑制差模干扰
抑制共模干扰
软件补偿
抗干扰措施的设计
供电系统的抗干扰设计
硬件抑制电网干扰
噪声滤波器
隔离变压器
滤波电源
信号传输通道的抗干扰设计
光耦隔离
双绞线屏蔽层隔离
局部误差的消除
接地问题的处理
软件滤波
平均值滤波
中值滤波
展辐滤波
惯性滤波
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