当前位置：首页 > 编程资源 > 编程问答 >内容正文

编程问答

电科 | 传感器及其应用技术

发布时间：2024/8/1 编程问答 21 豆豆

生活随笔收集整理的这篇文章主要介绍了电科 | 传感器及其应用技术小编觉得挺不错的,现在分享给大家,帮大家做个参考.

传感器及其应用技术

前言
简答题
- 0. 绪论
- 1. 频率、时间和相位的测量
- - 1.1 频率/周期的数字测量
  - 1.2 时间间隔及相位的数字测量
- 2. 阻抗的测量
- - 2.1 交流电桥
  - 2.2 直流不平衡电桥
  - 2.3 有源电桥
  - 2.4 差动脉冲调宽法（差动电容、差动电感）
- 3. 阻抗型传感器
- - *3.0 三种阻抗型传感器原理
  - 3.1 电阻式应变传感器
  - 3.2 电感式传感器
- 4. 电压型传感器
- - *4.0 四种电压型传感器原理
  - 4.1 压电传感器的等效电路
  - 4.2 电荷放大器
  - 4.3 热电偶传感器
  - 4.4 霍尔传感器工作原理
- 5. 光电式传感器
- - *5.0 四种光电型传感器原理
  - 5.1 外光电效应
  - 5.2 光电倍增管
  - 5.3 光导纤维的结构和导光原理
  - 5.4 CCD 图像传感器工作原理
  - 5.5 斯忒藩 — 玻尔兹曼定律、维恩位移定律
- 6. 数字式传感器
- - 6.1 二进制与格雷码的相互转换
  - 6.2 编码器
  - 6.3 长光栅传感器工作原理、辨向原理及电阻电桥细分法
  - 6.4 感应同步器的结构及其工作原理
  - 6.5 文氏电桥的结构及其工作原理
- 7. 热工量电测法
- - *7.0 三种电测法
  - 7.1 皮托管的工作原理
  - 7.2 流量-差压转换法
  - 7.3 涡街流量计
综合题
- 1. 频率、时间和相位的测量
- - 1.1 频率/周期的数字测量
  - 1.2 时间间隔及相位的数字测量
- 2. 阻抗的测量
- - 2.1 无源电桥
- 3. 阻抗型传感器
- - 3.1 电容式传感器
- 4. 电压型传感器
- - 4.1 霍尔传感器
- 5. 阻抗型传感器
- - 5.1 自感传感器
  - 5.2 变间隙和变介电常数式电容式传感器
- 6. 数字式传感器
- - 6.1 长光栅传感器和电阻电桥细分法
最后

前言

仅供参考仅供参考仅供参考仅供参考仅供参考仅供参考仅供参考仅供参考仅供参考仅供参考

简答题

0. 绪论

传感器的静态特性：输入-输出静态函数关系式(线性、奇函数、偶函数)、线性度(校准曲线与拟合直线的偏差)、分辨力(最小的输入增量)与阈值(零点附近的分辨力)、灵敏度(输出变化量与引起该变化的输入变化量的比值-常数)、迟滞和重复性、时漂(温度和输入恒定下，输出在较长时间的变化)及温漂(输入恒定下，输出随温度变化)；

1. 频率、时间和相位的测量

频率的测量分为：模拟法和计数法；
其中频率的模拟测量有：电桥法、谐振法、频率-电压转换法；
以下为计数法；

1.1 频率/周期的数字测量

基本方法：在一定的时间间隔 T 内，对周期性脉冲的重复次数进行计数。若周期性脉冲的周期为 TA，则计数结果为 N=T/TA；
原理框架图：
最大相对误差-测频率：（fc-标准频率；左边-最大相对误差；绝对值-准确度；m-分频）

最大相对误差-测周期：（fc-标准频率；左边-最大相对误差；绝对值-准确度；m-分频）

1.2 时间间隔及相位的数字测量

时间间隔的数字测量：
相位差的数字测量：
- 相位-电压转换法：(频率相同，相位差为 φx)
- 相位-时间转换法：(时标脉冲周期-Tc，N-计数值)

2. 阻抗的测量

电阻：理想下仅有实部。高频下虚部不能忽视。
电容：理想下仅有虚部。随频率增大损耗增大。Zc = RC(ω) + 1/jωC。电流超前电压 90；
电感：理想下仅有虚部。频率接近磁性材料截止频率时损耗大。Zl = RL(ω)+ jωL。电流落后电压 90；

2.1 交流电桥

电桥平衡时：U0 = 0；Z1Z3 = Z2Z4；
损耗：
- 电容：损耗因子 tanδ：施电压时有功功率与无功功率之比。无损耗时为 90；有损耗时为 90-δ；
- 电感：品质因数 Q：施电压时无功功率与有功功率之比。

2.2 直流不平衡电桥

2.3 有源电桥

注意虚短虚断；

2.4 差动脉冲调宽法（差动电容、差动电感）

3. 阻抗型传感器

分为：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器（自感、互感、压磁、电涡流）；

*3.0 三种阻抗型传感器原理

电阻式传感器：导体或半导体材料在受到外界力作用时，产生机械形变，机械形变导致阻值变化（有电位器式、应变式和压阻式）【温度湿度传感器、压拉力传感器】；
电容式传感器：把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器（改变间隙、面积和介质）；【触摸感应开关、压拉力传感器】
电感式传感器：被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化（分自感和互感两类，有变间隙型、变面积型和螺管型三种类型）【震动检测、位移测量、微位移测量】；
- 自感式传感器：有三种。变间隙型、变面积型和螺管型；
- 互感式传感器：主要差动变压器。衔铁、一次绕组和二次绕组；
- 压磁式传感器：正磁致伸缩材料在受到拉应力作用时，在拉应力方向上磁导率会增大，在垂直拉应力方向上磁导率会减小；
- 电涡流式传感器：通过金属体的磁通变化，在导体中产生感生电流(自行闭合)，使产生磁场的线圈阻抗发生变化【金属探测】；

3.1 电阻式应变传感器

分类：电位器式传感器、应变式传感器、压阻式传感器(单晶硅受力电阻率变化)；
应变电阻效应：导体或半导体材料在受到外界力作用时，产生机械形变，机械形变导致阻值变化；

电阻式应变式传感器：盖片、黏合层、引出线、敏感栅、基底、黏合层；
- 按敏感栅材料分：电阻应变片、半导体应变片；
- 按敏感栅的形状、制造工艺分：丝式、箔式、薄膜式；

3.2 电感式传感器

原理：被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化（分自感和互感两类）；
自感：有三种。变间隙型、变面积型和螺管型；
互感：主要一种。差动变压器；
变间隙型电感传感器：
- 电感 [N线圈匝数，Rm磁路总磁阻]： $\frac{N^2}{R_m}$
- 磁路总磁阻 [l₁铁心磁路长，l₂衔铁磁路长，A截面积，µ₁铁心磁导率，µ₂衔铁磁导率，µ₀空气磁导率，δ空气隙厚度]： $Rm=l1μ1A+l2μ2A+2δμ0AR_m=\frac{l_1}{μ_1A} + \frac{l_2}{μ_2A} + \frac{2δ}{μ_0A}$
- 一般情况下，有： $L=N2μ0A2δL=\frac{N^2μ_0A}{2δ}$
变面积型电感传感器：
- 气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言重迭面积随被测量的变化而改变；

$L=N2μ0A2δL=\frac{N^2μ_0A}{2δ}$

螺管型电感式传感器：
- 线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关；
- [线圈长度l、线圈的平均半径r、线圈的匝数N、衔铁进入线圈的长度l_a、衔铁的半径为r_a、铁心的有效磁导率为µ_m]

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

电感式传感器的几个结论：
- 变间隙型：灵敏度较高，但非线性误差较大，且制作装配比较困难；
- 变面积型：灵敏度较前者小，但线性较好，量程较大，使用比较广泛；
- 螺管型：灵敏度较低，但量程大，且结构简单易于制作和批量生产，最广泛使用；

互感式传感器（差动变压器）：
- 组成：衔铁、一次绕组和二次绕组（随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化）；
- 原理：
  - 衔铁处于中间位置时，两个二次绕组产生感应电动势相同，串联下差动输出电动势为零；
  - 衔铁移向 M1 侧二次绕组移动时，M1 侧互感大于 M2 ，有感应电动势差，串联下差动输出电动势不为零；
- 零点残余电动势问题：点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏。解决方法如下：
  - 保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称（磁性材料要消除内部残余应力）；
  - 选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路（可以判别衔铁移动方向和改善输出特性）；
  - 采用补偿线路减小零点残余电动势（在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，调整元件减小零点残余电动势）；
电涡流式传感器：
- 原理：一扁平线圈置于金属导体附近，线圈通交变电流 I1，线圈周围产生交变磁场 H1。使被测导体内部产生电涡流 I2，电涡流产生新磁场 H2(与 H1 反相)，时线圈有效阻抗变化；
- 特点：
  - 被测物的电导率越高，传感器的灵敏度也越高；
  - 被测体的半径应大于线圈半径的 1.8 倍(提高灵敏度)；
  - 被测物体为圆柱体时，被测导体直径必须为线圈直径的 3.5 倍以上；
  - 测薄金属板时，频率应略高些；
  - 测量ρ较大的材料，则应选用较高的频率；
  - 可用于金属探测等；
- 等效电路与计算：

4. 电压型传感器

主要有：磁电式传感器、压电式传感器、热电偶传感器、霍尔传感器；

*4.0 四种电压型传感器原理

*磁电式传感器：利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势（不需要供电，机-电能量变换，电磁感应定律）【测速度】；
压电式传感器：压电陶瓷在受到作用力时，在垂直于 Z 轴的上下平面上分别出现正、负电荷【加速度传感器、测距传感器、热电型红外线传感器(热电效应)】；
热电偶传感器：两种不同的导体或半导体组成一个回路，两结点温度不同，将产生一个电动势；
霍尔传感器：

4.1 压电传感器的等效电路

原理：压电陶瓷在受到作用力时，在垂直于Z轴的上下平面上分别出现正、负电荷。Q=dF [d为压电系数；F为施加的力] ；
考虑因素：
- 较大的压电常数；
- 机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率；
- 高的电阻率和较大的介电常数；
- 较高的居里点；
- 有较好的时间稳定性；
等效电路：
- 等效成一个与电容相并联的电荷源或电压源；
- 与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容C_C，放大器的输入电阻 R_i 和输入电容 C_i 以及传感器的泄漏电阻 R_a；

$Ca=ε0εAδC_a = \frac{ε_0εA}{δ}$

4.2 电荷放大器

4.3 热电偶传感器

几个公式：
- 热电动势 = $EAB(T,T0)=eAB(T)−eAB(T0)+eA(T,T0)−eB(T,T0)≈eAB(T)−eAB(T0)E_{AB}(T,T_0)=e_{AB}(T) - e_{AB}(T_0)+e_A(T,T_0)-e_B(T,T0) \approx e_{AB}(T)-e_{AB}(T_0)$ ；【只与热电偶的导体材料和两接点的温度有关】；
- 接触电势 = $eAB(T)=KTelnnAnBe_{AB}(T)=\frac{KT}{e}ln\frac{n_A}{n_B}$ ；【与两导体材料性质和接触点的温度有关】
- 温差电势 = $eA(T,T0)=∫T0TσAdTe_A(T,T_0)=\int ^T_{T_0} σ_A {\rm d}T$ ；【与导体材料和导体两端温度差有关】
热电效应：两种不同的导体或半导体组成一个回路，两结点温度不同，将产生一个电动势（由两部分电动势组成：两种导体的接触电动势-主要、单一导体的温差电动势）；
- 接触电动势(主要)：两导体的自由电子密度不同导致扩散速率不同，由此在接触面形成电场。电场阻碍高浓度一侧电子扩散，当扩散速率 == 阻碍速率时，形成接触电动势；
- 温差电动势：一导体置于冷暖两端，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，导体内部形成电场。电场阻碍电子从热端移动到冷端，平衡时产生温差电动势；
热电偶四大基本定律：
- 均质导体定律：热电偶回路中的两个热电极材料相同，热电动势为零【测成分是否均匀】；
- 中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变；
- 标准电极定律：两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知【测X与纯铂组成的热电偶的热电动势，得各X之间热电动势】；
- 中间温度定律：热电偶在两接点温度 T、T0 时的热电动势等于该热电偶在接点温度为 T、Tn 和 Tn、T0 时的相应热电动势的代数和【补偿导线的使用】；
热电偶组成：热电极、绝缘管、保护套管和接线盒；

4.4 霍尔传感器工作原理

原理：利用半导体材料的霍尔效应【测磁场及微位移量，间接测量液位、压力】；
- 在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累，形成霍尔电场。该电场与洛仑兹力的方向相反，阻止电荷积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡；
- 霍尔电场强度： $E_H=vB$ ；
- 霍尔电压： $U_H=E_Hb=vBb$ 【取决于载流体中电子的运动速度 - 载流子迁移率】

5. 光电式传感器

*5.0 四种光电型传感器原理

普通光电式传感器：采用光电元件作为检测元件（外光电效应、内光电效应、光生伏特效应）；【测量发光强度、光通量变化】
光纤传感器：外界因素(温度、压力、电场等)对光纤的作用，会引起光波特征参量(振幅、相位、频率)变化；
CCD 图像传感器：以电荷为信号量，将光信号转换为信号电荷，经过电荷存储、转移，最后将信号电荷转换为电信号进行检测；【扫描仪、数码相机】
激光与红外传感器：

5.1 外光电效应

概念：光线作用下能使电子逸出物体表面的现象。光电管、光电倍增管等。
公式： $12mv2=hv−A\frac{1}{2}mv^2=hv-A$ ；
红限： $λk=hcAλ_k=\frac{hc}{A}$

5.2 光电倍增管

原因：由于真空光电管灵敏度低；
功能：放大光电流；
组成：光阴极K、倍增极D 和阳极A；（端窗式和侧窗式）；
光阴极的量子效率：波长为λ的光辐射入射到光阴极时，一个入射光子产生的光电子数；
与测量有关的两个参数：
- 暗电流：在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出；
- 光谱响应特征：对不同波长的光入射的响应能力不同；

5.3 光导纤维的结构和导光原理

光导纤维的结构：纤芯(折射率大) + 包层 + 涂覆层；

导光原理：基于斯奈尔定理：光密到光疏，发生折射；

5.4 CCD 图像传感器工作原理

本质：电荷耦合器件；
特点：以电荷作为信号；
基本功能：电荷的存储和电荷的转移；
结构：p型半导体、氧化层、金属电极；
工作过程：光电转换、电荷存储、电荷转移、电荷检测；
- 1.\电荷存储：在栅极上施加电压，超过一定阈值后会在 p 型半导体区域形成反型层，具有存在电荷的能力；
- 2.\电荷注入：光照射到 CCD 硅片上时，栅极附近产生电子-空穴对，少数载流子被收集在势阱形成信号电荷；
- 3.\电荷转移：由势阱不对称和势阱耦合引起的，栅极电压的变化使得电荷从一个势阱转移到另一个势阱；
- 4.\电荷输出：在输出端接个二极管反向偏置电路，在电荷转移阶段最后，信号电荷通过输出栅下的势阱进入反向偏置的二极管中，产生电流。测量电路的电流、电位即可得到电荷量；

5.5 斯忒藩 — 玻尔兹曼定律、维恩位移定律

*希尔霍夫定律：一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能；
斯忒藩 — 玻尔兹曼定律：物体温度越高，它辐射出来的能量越大。 $E=σεT^4$ [E-红外辐射能量，σ斯忒藩—玻尔兹曼常数，ε—比辐射率，T绝对温度]；
维恩位移定律：物体峰值辐射波长 λ_m与物体的自身的绝对温度 T 成反比。 $λm=2897Tλ_m=\frac{2897}{T}$

6. 数字式传感器

*被测参量转换成数字量输出的传感器；

6.1 二进制与格雷码的相互转换

二进制转格雷码：第一位不变，后面依次异或（用二进制）；
格雷码转二进制：第一位不变，后面依次异或（格雷+二进制）；

6.2 编码器

为什么使用：使用较低位数就可以表示多种情况；
分类：
- 绝对编码器(角位移或线位移)、增量式编码器、混合式编码器；

6.3 长光栅传感器工作原理、辨向原理及电阻电桥细分法

光栅传感器组成：光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件；
辨向原理：单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能辨别明暗变化不能辨别莫尔条纹移动方向；（解决：在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加；物体反向移动时从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数）；
电阻电桥细分法：

6.4 感应同步器的结构及其工作原理

功能：测量位移量；
原理：矩形载流线圈中通过交流电流 i，线圈内外的磁场方向相反。用一个与该线圈平行的闭合的探测线圈贴近这个载流线圈，从左至右移动。产生的感应电动势变化；
- 利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测；

结构：两个平面形绕组：励磁绕组 + 感应绕组。（直线感应同步器：定尺+滑尺绕组；圆感应同步器：定子+转子绕组）；
工作方式：分鉴相型和鉴幅型；
- 鉴相型：根据感应输出电压的相位来检测位移量；（细分高，精度高，速度受励磁电压频率限制）
- 鉴幅型：通过输出电压幅值变化来测量位移；（速度受电子开关及变压器抽头切换速度限制）
优点：
- 高精度与分辨力；
- 抗干扰能力强；
- 使用寿命长，维护简单；
- 可以作长距离位移测量；
- 工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产；

6.5 文氏电桥的结构及其工作原理

频率式数字传感器有两种类型：利用振荡器的原理、利用机械振动系统；
其中振荡器式频率传感器用到了文氏电桥。其功能是：将模拟传感器输出量（电阻、电容、电感）作为振荡器电路中的一个参数，利用这个参数的变化改变振荡器的振荡频率，从而得到相应的频率信号；
- 实现被测量的变化变为振荡器的振荡频率；

对于 Z1 和 Z2：
幅频特性：

7. 热工量电测法

*7.0 三种电测法

压力和差压的电测法：重力平衡法、弹性力平衡法、机械力平衡法、物性测量法。（液柱式压力计、压力敏感器、压电式压力传感器、应变式压力传感器、压阻式压力传感器、电容式差压变送器）；
温度电测法：接触式测温法(膨胀式、压力式、热电阻与热电偶温度计)、非接触式测温法(光学高温计、比色高温计、辐射高温计)；
流量的电测法：

7.1 皮托管的工作原理

是液柱式压力计的一种，利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力的大小；
是一种液柱式压力计，又叫：U形管压力计；
压强变化 = $P_1-P_2=ρg(h_1+h_2)$
提高工作液密度将增加压力的测量范围，但灵敏度要降低；

7.2 流量-差压转换法

使用：节流流量计：由节流元件、三阀组、引压管路、差压计组成；

7.3 涡街流量计

是流量－频率转换法里用的；
在均匀流动的流体中,垂直地插入一个具有非流线型截面的柱体；
原理：在三角柱体的迎流面对称地嵌入两个热敏电阻组成桥路的两臂，以恒定电流加热使其温度稍高于流体，在交替产生的漩涡的作用下，两个电阻被周期地冷却，使其阻值改变，阻值的变化由桥路测出，即可测得漩涡产生频率，从而测出流量；

综合题

1. 频率、时间和相位的测量

1.1 频率/周期的数字测量

1.2 时间间隔及相位的数字测量

2. 阻抗的测量

2.1 无源电桥

3. 阻抗型传感器

3.1 电容式传感器

原理：把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器；
等效电路：
材料选择：
- 金属电极：温度系数低的铁镍合金。在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺(极薄->减小边缘效应)；
- 内电极：表面镀极薄的惰性金属层(保护、密封)；
- 支架：温度系数低和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料(石英、云母、人造宝石)；
- 电介质：空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质；
- 内部结构：差动对称结构 - > 可以通过测量电路(如电桥)来减小温度等误差；
边缘效应：在边缘的电场不是直线的。
- 公式 - 变间隙式电容传感器的边缘效应电容：
- 解决：
  - 减小极间距，增大电极直径或边长与间距比；
  - 电极应做得极薄，减少极间距相；
  - 在结构上增设等位环来消除边缘效应（外面加层等位环，使内部电场均匀，屏蔽边缘电场）；
温度对结构尺寸的影响：让间距与温度无关；
- 解决：引入补偿材料；使 (a₀−g₀)𝛼=b₀𝛽 [主体材料和补偿材料的温度线膨胀系数分别为 𝛼 和 𝛽 ]
- 应用：电容式感应开关：机械式(缺：机械磨损、不防水防污)、触摸式(优：完全绝缘隔离、平面化、无磨损、防水防污)；

4. 电压型传感器

4.1 霍尔传感器

5. 阻抗型传感器

5.1 自感传感器

5.2 变间隙和变介电常数式电容式传感器

6. 数字式传感器

6.1 长光栅传感器和电阻电桥细分法

最后

新人制作，如有错误，欢迎指出，感激不尽！欢迎关注公众号，会分享一些更日常的东西！如需转载，请标注出处！

总结

以上是生活随笔为你收集整理的电科 | 传感器及其应用技术的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

如果觉得生活随笔网站内容还不错，欢迎将生活随笔推荐给好友。

上一篇：基于Tesseract的OCR识别--身
下一篇： windows系统——更改系统音效为钢