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编程问答

电科 | 传感器及其应用技术

發布時間：2024/8/1 编程问答 37 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了电科 | 传感器及其应用技术小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

傳感器及其應用技術

前言
簡答題
- 0. 緒論
- 1. 頻率、時間和相位的測量
- - 1.1 頻率/周期的數字測量
  - 1.2 時間間隔及相位的數字測量
- 2. 阻抗的測量
- - 2.1 交流電橋
  - 2.2 直流不平衡電橋
  - 2.3 有源電橋
  - 2.4 差動脈沖調寬法（差動電容、差動電感）
- 3. 阻抗型傳感器
- - *3.0 三種阻抗型傳感器原理
  - 3.1 電阻式應變傳感器
  - 3.2 電感式傳感器
- 4. 電壓型傳感器
- - *4.0 四種電壓型傳感器原理
  - 4.1 壓電傳感器的等效電路
  - 4.2 電荷放大器
  - 4.3 熱電偶傳感器
  - 4.4 霍爾傳感器工作原理
- 5. 光電式傳感器
- - *5.0 四種光電型傳感器原理
  - 5.1 外光電效應
  - 5.2 光電倍增管
  - 5.3 光導纖維的結構和導光原理
  - 5.4 CCD 圖像傳感器工作原理
  - 5.5 斯忒藩 — 玻爾茲曼定律、維恩位移定律
- 6. 數字式傳感器
- - 6.1 二進制與格雷碼的相互轉換
  - 6.2 編碼器
  - 6.3 長光柵傳感器工作原理、辨向原理及電阻電橋細分法
  - 6.4 感應同步器的結構及其工作原理
  - 6.5 文氏電橋的結構及其工作原理
- 7. 熱工量電測法
- - *7.0 三種電測法
  - 7.1 皮托管的工作原理
  - 7.2 流量-差壓轉換法
  - 7.3 渦街流量計
綜合題
- 1. 頻率、時間和相位的測量
- - 1.1 頻率/周期的數字測量
  - 1.2 時間間隔及相位的數字測量
- 2. 阻抗的測量
- - 2.1 無源電橋
- 3. 阻抗型傳感器
- - 3.1 電容式傳感器
- 4. 電壓型傳感器
- - 4.1 霍爾傳感器
- 5. 阻抗型傳感器
- - 5.1 自感傳感器
  - 5.2 變間隙和變介電常數式電容式傳感器
- 6. 數字式傳感器
- - 6.1 長光柵傳感器和電阻電橋細分法
最后

前言

僅供參考僅供參考僅供參考僅供參考僅供參考僅供參考僅供參考僅供參考僅供參考僅供參考

簡答題

0. 緒論

傳感器的靜態特性：輸入-輸出靜態函數關系式(線性、奇函數、偶函數)、線性度(校準曲線與擬合直線的偏差)、分辨力(最小的輸入增量)與閾值(零點附近的分辨力)、靈敏度(輸出變化量與引起該變化的輸入變化量的比值-常數)、遲滯和重復性、時漂(溫度和輸入恒定下，輸出在較長時間的變化)及溫漂(輸入恒定下，輸出隨溫度變化)；

1. 頻率、時間和相位的測量

頻率的測量分為：模擬法和計數法；
其中頻率的模擬測量有：電橋法、諧振法、頻率-電壓轉換法；
以下為計數法；

1.1 頻率/周期的數字測量

基本方法：在一定的時間間隔 T 內，對周期性脈沖的重復次數進行計數。若周期性脈沖的周期為 TA，則計數結果為 N=T/TA；
原理框架圖：
最大相對誤差-測頻率：（fc-標準頻率；左邊-最大相對誤差；絕對值-準確度；m-分頻）

最大相對誤差-測周期：（fc-標準頻率；左邊-最大相對誤差；絕對值-準確度；m-分頻）

1.2 時間間隔及相位的數字測量

時間間隔的數字測量：
相位差的數字測量：
- 相位-電壓轉換法：(頻率相同，相位差為 φx)
- 相位-時間轉換法：(時標脈沖周期-Tc，N-計數值)

2. 阻抗的測量

電阻：理想下僅有實部。高頻下虛部不能忽視。
電容：理想下僅有虛部。隨頻率增大損耗增大。Zc = RC(ω) + 1/jωC。電流超前電壓 90；
電感：理想下僅有虛部。頻率接近磁性材料截止頻率時損耗大。Zl = RL(ω)+ jωL。電流落后電壓 90；

2.1 交流電橋

電橋平衡時：U0 = 0；Z1Z3 = Z2Z4；
損耗：
- 電容：損耗因子 tanδ：施電壓時有功功率與無功功率之比。無損耗時為 90；有損耗時為 90-δ；
- 電感：品質因數 Q：施電壓時無功功率與有功功率之比。

2.2 直流不平衡電橋

2.3 有源電橋

注意虛短虛斷；

2.4 差動脈沖調寬法（差動電容、差動電感）

3. 阻抗型傳感器

分為：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器（自感、互感、壓磁、電渦流）；

*3.0 三種阻抗型傳感器原理

電阻式傳感器：導體或半導體材料在受到外界力作用時，產生機械形變，機械形變導致阻值變化（有電位器式、應變式和壓阻式）【溫度濕度傳感器、壓拉力傳感器】；
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（改變間隙、面積和介質）；【觸摸感應開關、壓拉力傳感器】
電感式傳感器：被測量的變化引起線圈自感或互感系數的變化（分自感和互感兩類，有變間隙型、變面積型和螺管型三種類型）【震動檢測、位移測量、微位移測量】；
- 自感式傳感器：有三種。變間隙型、變面積型和螺管型；
- 互感式傳感器：主要差動變壓器。銜鐵、一次繞組和二次繞組；
- 壓磁式傳感器：正磁致伸縮材料在受到拉應力作用時，在拉應力方向上磁導率會增大，在垂直拉應力方向上磁導率會減小；
- 電渦流式傳感器：通過金屬體的磁通變化，在導體中產生感生電流(自行閉合)，使產生磁場的線圈阻抗發生變化【金屬探測】；

3.1 電阻式應變傳感器

分類：電位器式傳感器、應變式傳感器、壓阻式傳感器(單晶硅受力電阻率變化)；
應變電阻效應：導體或半導體材料在受到外界力作用時，產生機械形變，機械形變導致阻值變化；

電阻式應變式傳感器：蓋片、黏合層、引出線、敏感柵、基底、黏合層；
- 按敏感柵材料分：電阻應變片、半導體應變片；
- 按敏感柵的形狀、制造工藝分：絲式、箔式、薄膜式；

3.2 電感式傳感器

原理：被測量的變化引起線圈自感或互感系數的變化（分自感和互感兩類）；
自感：有三種。變間隙型、變面積型和螺管型；
互感：主要一種。差動變壓器；
變間隙型電感傳感器：
- 電感 [N線圈匝數，Rm磁路總磁阻]： $\frac{N^2}{R_m}$
- 磁路總磁阻 [l₁鐵心磁路長，l₂銜鐵磁路長，A截面積，μ₁鐵心磁導率，μ₂銜鐵磁導率，μ₀空氣磁導率，δ空氣隙厚度]： $Rm=l1μ1A+l2μ2A+2δμ0AR_m=\frac{l_1}{μ_1A} + \frac{l_2}{μ_2A} + \frac{2δ}{μ_0A}$
- 一般情況下，有： $L=N2μ0A2δL=\frac{N^2μ_0A}{2δ}$
變面積型電感傳感器：
- 氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對而言重迭面積隨被測量的變化而改變；

$L=N2μ0A2δL=\frac{N^2μ_0A}{2δ}$

螺管型電感式傳感器：
- 線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關；
- [線圈長度l、線圈的平均半徑r、線圈的匝數N、銜鐵進入線圈的長度l_a、銜鐵的半徑為r_a、鐵心的有效磁導率為μ_m]

$L=4π2N2l2[lr2+(μm?1)lara2]L=\frac{4π^2N^2}{l^2}[lr^2+(μ_m-1)l_ar^2_a]$

電感式傳感器的幾個結論：
- 變間隙型：靈敏度較高，但非線性誤差較大，且制作裝配比較困難；
- 變面積型：靈敏度較前者小，但線性較好，量程較大，使用比較廣泛；
- 螺管型：靈敏度較低，但量程大，且結構簡單易于制作和批量生產，最廣泛使用；

互感式傳感器（差動變壓器）：
- 組成：銜鐵、一次繞組和二次繞組（隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化）；
- 原理：
  - 銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組產生感應電動勢相同，串聯下差動輸出電動勢為零；
  - 銜鐵移向 M1 側二次繞組移動時，M1 側互感大于 M2 ，有感應電動勢差，串聯下差動輸出電動勢不為零；
- 零點殘余電動勢問題：點殘余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏。解決方法如下：
  - 保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數及磁路的對稱（磁性材料要消除內部殘余應力）；
  - 選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路（可以判別銜鐵移動方向和改善輸出特性）；
  - 采用補償線路減小零點殘余電動勢（在差動變壓器二次側串、并聯適當數值的電阻電容元件，調整元件減小零點殘余電動勢）；
電渦流式傳感器：
- 原理：一扁平線圈置于金屬導體附近，線圈通交變電流 I1，線圈周圍產生交變磁場 H1。使被測導體內部產生電渦流 I2，電渦流產生新磁場 H2(與 H1 反相)，時線圈有效阻抗變化；
- 特點：
  - 被測物的電導率越高，傳感器的靈敏度也越高；
  - 被測體的半徑應大于線圈半徑的 1.8 倍(提高靈敏度)；
  - 被測物體為圓柱體時，被測導體直徑必須為線圈直徑的 3.5 倍以上；
  - 測薄金屬板時，頻率應略高些；
  - 測量ρ較大的材料，則應選用較高的頻率；
  - 可用于金屬探測等；
- 等效電路與計算：

4. 電壓型傳感器

主要有：磁電式傳感器、壓電式傳感器、熱電偶傳感器、霍爾傳感器；

*4.0 四種電壓型傳感器原理

*磁電式傳感器：利用導體和磁場發生相對運動而在導體兩端輸出感應電勢（不需要供電，機-電能量變換，電磁感應定律）【測速度】；
壓電式傳感器：壓電陶瓷在受到作用力時，在垂直于 Z 軸的上下平面上分別出現正、負電荷【加速度傳感器、測距傳感器、熱電型紅外線傳感器(熱電效應)】；
熱電偶傳感器：兩種不同的導體或半導體組成一個回路，兩結點溫度不同，將產生一個電動勢；
霍爾傳感器：

4.1 壓電傳感器的等效電路

原理：壓電陶瓷在受到作用力時，在垂直于Z軸的上下平面上分別出現正、負電荷。Q=dF [d為壓電系數；F為施加的力] ；
考慮因素：
- 較大的壓電常數；
- 機械強度高、剛度大并具有較高的固有振動頻率；
- 高的電阻率和較大的介電常數；
- 較高的居里點；
- 有較好的時間穩定性；
等效電路：
- 等效成一個與電容相并聯的電荷源或電壓源；
- 與測量儀表聯接時，還必須考慮電纜電容C_C，放大器的輸入電阻 R_i 和輸入電容 C_i 以及傳感器的泄漏電阻 R_a；

$Ca=ε0εAδC_a = \frac{ε_0εA}{δ}$

4.2 電荷放大器

4.3 熱電偶傳感器

幾個公式：
- 熱電動勢 = $EAB(T,T0)=eAB(T)?eAB(T0)+eA(T,T0)?eB(T,T0)≈eAB(T)?eAB(T0)E_{AB}(T,T_0)=e_{AB}(T) - e_{AB}(T_0)+e_A(T,T_0)-e_B(T,T0) \approx e_{AB}(T)-e_{AB}(T_0)$ ；【只與熱電偶的導體材料和兩接點的溫度有關】；
- 接觸電勢 = $eAB(T)=KTelnnAnBe_{AB}(T)=\frac{KT}{e}ln\frac{n_A}{n_B}$ ；【與兩導體材料性質和接觸點的溫度有關】
- 溫差電勢 = $eA(T,T0)=∫T0TσAdTe_A(T,T_0)=\int ^T_{T_0} σ_A {\rm d}T$ ；【與導體材料和導體兩端溫度差有關】
熱電效應：兩種不同的導體或半導體組成一個回路，兩結點溫度不同，將產生一個電動勢（由兩部分電動勢組成：兩種導體的接觸電動勢-主要、單一導體的溫差電動勢）；
- 接觸電動勢(主要)：兩導體的自由電子密度不同導致擴散速率不同，由此在接觸面形成電場。電場阻礙高濃度一側電子擴散，當擴散速率 == 阻礙速率時，形成接觸電動勢；
- 溫差電動勢：一導體置于冷暖兩端，熱端的自由電子具有較大的動能，向冷端移動，導體內部形成電場。電場阻礙電子從熱端移動到冷端，平衡時產生溫差電動勢；
熱電偶四大基本定律：
- 均質導體定律：熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，熱電動勢為零【測成分是否均勻】；
- 中間導體定律：在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變；
- 標準電極定律：兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產生的熱電動勢也就已知【測X與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，得各X之間熱電動勢】；
- 中間溫度定律：熱電偶在兩接點溫度 T、T0 時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為 T、Tn 和 Tn、T0 時的相應熱電動勢的代數和【補償導線的使用】；
熱電偶組成：熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒；

4.4 霍爾傳感器工作原理

原理：利用半導體材料的霍爾效應【測磁場及微位移量，間接測量液位、壓力】；
- 在洛侖茲力的作用下，電子向一側偏轉，使該側形成負電荷的積累，另一側則形成正電荷的積累，形成霍爾電場。該電場與洛侖茲力的方向相反，阻止電荷積累。當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態平衡；
- 霍爾電場強度： $E_H=vB$ ；
- 霍爾電壓： $U_H=E_Hb=vBb$ 【取決于載流體中電子的運動速度 - 載流子遷移率】

5. 光電式傳感器

*5.0 四種光電型傳感器原理

普通光電式傳感器：采用光電元件作為檢測元件（外光電效應、內光電效應、光生伏特效應）；【測量發光強度、光通量變化】
光纖傳感器：外界因素(溫度、壓力、電場等)對光纖的作用，會引起光波特征參量(振幅、相位、頻率)變化；
CCD 圖像傳感器：以電荷為信號量，將光信號轉換為信號電荷，經過電荷存儲、轉移，最后將信號電荷轉換為電信號進行檢測；【掃描儀、數碼相機】
激光與紅外傳感器：

5.1 外光電效應

概念：光線作用下能使電子逸出物體表面的現象。光電管、光電倍增管等。
公式： $12mv2=hv?A\frac{1}{2}mv^2=hv-A$ ；
紅限： $λk=hcAλ_k=\frac{hc}{A}$

5.2 光電倍增管

原因：由于真空光電管靈敏度低；
功能：放大光電流；
組成：光陰極K、倍增極D 和陽極A；（端窗式和側窗式）；
光陰極的量子效率：波長為λ的光輻射入射到光陰極時，一個入射光子產生的光電子數；
與測量有關的兩個參數：
- 暗電流：在沒有光照的情況下陽極仍會有一個很小的電流輸出；
- 光譜響應特征：對不同波長的光入射的響應能力不同；

5.3 光導纖維的結構和導光原理

光導纖維的結構：纖芯(折射率大) + 包層 + 涂覆層；

導光原理：基于斯奈爾定理：光密到光疏，發生折射；

5.4 CCD 圖像傳感器工作原理

本質：電荷耦合器件；
特點：以電荷作為信號；
基本功能：電荷的存儲和電荷的轉移；
結構：p型半導體、氧化層、金屬電極；
工作過程：光電轉換、電荷存儲、電荷轉移、電荷檢測；
- 1.\電荷存儲：在柵極上施加電壓，超過一定閾值后會在 p 型半導體區域形成反型層，具有存在電荷的能力；
- 2.\電荷注入：光照射到 CCD 硅片上時，柵極附近產生電子-空穴對，少數載流子被收集在勢阱形成信號電荷；
- 3.\電荷轉移：由勢阱不對稱和勢阱耦合引起的，柵極電壓的變化使得電荷從一個勢阱轉移到另一個勢阱；
- 4.\電荷輸出：在輸出端接個二極管反向偏置電路，在電荷轉移階段最后，信號電荷通過輸出柵下的勢阱進入反向偏置的二極管中，產生電流。測量電路的電流、電位即可得到電荷量；

5.5 斯忒藩 — 玻爾茲曼定律、維恩位移定律

*希爾霍夫定律：一個物體向周圍輻射熱能的同時也吸收周圍物體的輻射能；
斯忒藩 — 玻爾茲曼定律：物體溫度越高，它輻射出來的能量越大。 $E=σεT^4$ [E-紅外輻射能量，σ斯忒藩—玻爾茲曼常數，ε—比輻射率，T絕對溫度]；
維恩位移定律：物體峰值輻射波長 λ_m與物體的自身的絕對溫度 T 成反比。 $λm=2897Tλ_m=\frac{2897}{T}$

6. 數字式傳感器

*被測參量轉換成數字量輸出的傳感器；

6.1 二進制與格雷碼的相互轉換

二進制轉格雷碼：第一位不變，后面依次異或（用二進制）；
格雷碼轉二進制：第一位不變，后面依次異或（格雷+二進制）；

6.2 編碼器

為什么使用：使用較低位數就可以表示多種情況；
分類：
- 絕對編碼器(角位移或線位移)、增量式編碼器、混合式編碼器；

6.3 長光柵傳感器工作原理、辨向原理及電阻電橋細分法

光柵傳感器組成：光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件；
辨向原理：單個光電元件接收一固定點的莫爾條紋信號，只能辨別明暗變化不能辨別莫爾條紋移動方向；（解決：在物體正向移動時，將得到的脈沖數累加；物體反向移動時從已累加的脈沖數中減去反向移動的脈沖數）；
電阻電橋細分法：

6.4 感應同步器的結構及其工作原理

功能：測量位移量；
原理：矩形載流線圈中通過交流電流 i，線圈內外的磁場方向相反。用一個與該線圈平行的閉合的探測線圈貼近這個載流線圈，從左至右移動。產生的感應電動勢變化；
- 利用勵磁繞組與感應繞組間發生相對位移時，由于電磁耦合的變化，感應繞組中的感應電壓隨位移的變化而變化，借以進行位移量的檢測；

結構：兩個平面形繞組：勵磁繞組 + 感應繞組。（直線感應同步器：定尺+滑尺繞組；圓感應同步器：定子+轉子繞組）；
工作方式：分鑒相型和鑒幅型；
- 鑒相型：根據感應輸出電壓的相位來檢測位移量；（細分高，精度高，速度受勵磁電壓頻率限制）
- 鑒幅型：通過輸出電壓幅值變化來測量位移；（速度受電子開關及變壓器抽頭切換速度限制）
優點：
- 高精度與分辨力；
- 抗干擾能力強；
- 使用壽命長，維護簡單；
- 可以作長距離位移測量；
- 工藝性好，成本較低，便于復制和成批生產；

6.5 文氏電橋的結構及其工作原理

頻率式數字傳感器有兩種類型：利用振蕩器的原理、利用機械振動系統；
其中振蕩器式頻率傳感器用到了文氏電橋。其功能是：將模擬傳感器輸出量（電阻、電容、電感）作為振蕩器電路中的一個參數，利用這個參數的變化改變振蕩器的振蕩頻率，從而得到相應的頻率信號；
- 實現被測量的變化變為振蕩器的振蕩頻率；

對于 Z1 和 Z2：
幅頻特性：

7. 熱工量電測法

*7.0 三種電測法

壓力和差壓的電測法：重力平衡法、彈性力平衡法、機械力平衡法、物性測量法。（液柱式壓力計、壓力敏感器、壓電式壓力傳感器、應變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電容式差壓變送器）；
溫度電測法：接觸式測溫法(膨脹式、壓力式、熱電阻與熱電偶溫度計)、非接觸式測溫法(光學高溫計、比色高溫計、輻射高溫計)；
流量的電測法：

7.1 皮托管的工作原理

是液柱式壓力計的一種，利用液柱對液柱底面產生的靜壓力與被測壓力相平衡的原理，通過液柱高度來反映被測壓力的大小；
是一種液柱式壓力計，又叫：U形管壓力計；
壓強變化 = $P_1-P_2=ρg(h_1+h_2)$
提高工作液密度將增加壓力的測量范圍，但靈敏度要降低；

7.2 流量-差壓轉換法

使用：節流流量計：由節流元件、三閥組、引壓管路、差壓計組成；

7.3 渦街流量計

是流量－頻率轉換法里用的；
在均勻流動的流體中,垂直地插入一個具有非流線型截面的柱體；
原理：在三角柱體的迎流面對稱地嵌入兩個熱敏電阻組成橋路的兩臂，以恒定電流加熱使其溫度稍高于流體，在交替產生的漩渦的作用下，兩個電阻被周期地冷卻，使其阻值改變，阻值的變化由橋路測出，即可測得漩渦產生頻率，從而測出流量；

綜合題

1. 頻率、時間和相位的測量

1.1 頻率/周期的數字測量

1.2 時間間隔及相位的數字測量

2. 阻抗的測量

2.1 無源電橋

3. 阻抗型傳感器

3.1 電容式傳感器

原理：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；
等效電路：
材料選擇：
- 金屬電極：溫度系數低的鐵鎳合金。在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝(極薄->減小邊緣效應)；
- 內電極：表面鍍極薄的惰性金屬層(保護、密封)；
- 支架：溫度系數低和幾何尺寸長期穩定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料(石英、云母、人造寶石)；
- 電介質：空氣或云母等介電常數的溫度系數近似為零的電介質；
- 內部結構：差動對稱結構 - > 可以通過測量電路(如電橋)來減小溫度等誤差；
邊緣效應：在邊緣的電場不是直線的。
- 公式 - 變間隙式電容傳感器的邊緣效應電容：
- 解決：
  - 減小極間距，增大電極直徑或邊長與間距比；
  - 電極應做得極薄，減少極間距相；
  - 在結構上增設等位環來消除邊緣效應（外面加層等位環，使內部電場均勻，屏蔽邊緣電場）；
溫度對結構尺寸的影響：讓間距與溫度無關；
- 解決：引入補償材料；使 (a₀?g₀)𝛼=b₀𝛽 [主體材料和補償材料的溫度線膨脹系數分別為 𝛼 和 𝛽 ]
- 應用：電容式感應開關：機械式(缺：機械磨損、不防水防污)、觸摸式(優：完全絕緣隔離、平面化、無磨損、防水防污)；

4. 電壓型傳感器

4.1 霍爾傳感器

5. 阻抗型傳感器

5.1 自感傳感器

5.2 變間隙和變介電常數式電容式傳感器

6. 數字式傳感器

6.1 長光柵傳感器和電阻電橋細分法

最后

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總結

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