传感器复习资料

中科大传感器复习重点（2013级总结）传感器的定义，在自动控制中的作用？1、传感器是以一定精度和规律把测量量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

2、构成反馈回路的前提；整个回路控制性能的关键；整个控制系统硬件成本的主要部分。

传感器的静态特性？1、线性度任何实际传感器都是非线性的描述线性度:描述校准曲线与选定拟合直线的偏差程度2、滞后（迟滞）传感器正反行程中输入输出曲线的不重合程度如：磁滞现象3、重复性多次测量的一致性程度4、灵敏度传感器输出增量与被测输入量增量之比5、分辨力能检测的被测输入量的最小变化量6、阈值能是传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值7、稳定性长时间保持其性能的能力8、飘移时间飘移：零点或灵敏度与时间的缓慢变化温度漂移：温度变化引起的零点或灵敏度变化9、静态误差（精度）在满量程内任一点输出值相对其理论值的可能偏移理论值从何而来？传感器的动态特性：1、阶跃响应特性：时间常数上升时间响应时间超调量衰减率稳态误差2、频率响应特性：幅频特性相频特性带宽衰减速度热电偶：（★★★）延长导线的问题？热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测量点到仪表距离很远，因此通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。

必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。

一般选用直径粗，导电系数大的材料制作延伸导线。

热电偶温度测量的流程图：敏感元件：将被测物理量转换为电信号，或电可测量物理量， 如电阻、电容、电感、形变、位移等，往往为弱信号。

变送器：Transmitter ，将敏感元件输出转换成电信号、电信 号放大，V/I 转换，输出4-20mA DC安全栅：限制中控室供给现场的电能，不产生引爆危险气体的 火花和仪表表面温度，从而消除引爆源。

AD 采样：数模转换，将模拟量转换成数字量进入工控机。

工控机：数据存储、显示、监控、闭环控制器设计等。

温度变送器的作用：将热电偶输出的弱信号进行放大、调理V/I 转换：将电压信号转变成4-20mA DC 电流 IEC 在工业过程系统方面的标准 传输导线电阻影响小 抗噪能力强0-4mA 区间可用来进行故障诊断20mA 电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯为啥输入信号的两个引脚都要接放大器呢---共模抑制热电偶的冷端补偿：热电偶输出电势是两节点温度差的函数，为了使输出电势成为被测温度T 的单一函数，需要将T0端作为固定冷端（参考电极），通常要求T0保持敏感元件变送器AD 采样工控机物理量敏感元件输出4~20mA DC 电流通讯总线传感器安全栅隔离后信号为0 ℃，这就导致冷端补偿问题：❑0 ℃恒定法：将冷端放在温度恒为0的制冷器件中❑补正系数法：用预先测定的参数对冷端温度进行补偿❑延伸热电极法（又称补偿导线法）：将热电偶的冷端引伸到温度比较稳定的控制室内，然后进行冷端补偿❑补偿电桥法：用电桥电压随温度的变化来补偿热电偶冷端温度变化导致的电压变化热电偶有关公式定理的推导：热电偶温度计⏹塞贝克效应，Seebeck Effect❑1821年，塞贝克将两种不同的金属导线连接在一起，构成一个电流回路。

他将两条导线首尾相连形成一个结点，他突然发现，如果把其中的一个结加热到很高的温度而另一个结保持低温的话，电路周围存在磁场。

⏹他实在不敢相信，热量施加于两种金属构成的一个结时会有电流产生，这只能用热磁电流或热磁现象来解释他的发现。

热电势产生的物理本质产生的热电势EAB(T,T0) 是由两种导体的接触电势eAB和单一导体的温差电势eA和eB所形成⏹珀尔帖效应，Peltier effect❑两种不同的金属A和B构成闭合回路，在连接点处，会发生电子扩散，电子扩散的速率与自由电子的密度以及导体的温度成正比。

⏹设导体A、B中的自由电子密度分别为nA和nB ，且nA > nB ，则在单位时间内，导体A扩散到导体B的电子数要大于从导体B向导体A扩散的电子数，因此，导体A因失去电子而带正电，导体B因得到电子而带负电，于是，在接触处便形成了电位差，即接触电势。

⏹珀尔帖效应的数学推导导体A、B在接触点1、2的接触电势eAB(T)和eAB(T0)式中：K—波尔兹曼常数，K=1.38×10-16；T,T0—接触点1、2的绝对温度；nA,nB—导体A、B的自由电子密度；e—电子电荷量。

可以得出回路中总的接触电势为:由此不难看出，热电偶回路中的接触电势只与导体A、B的性质和两接触点的温差有关。

当T=T0时，尽管两接触点处都存在接触电势，但回路中总接触电势等于零。

⏹汤姆逊效应，Thomson effect❑1856年，汤姆逊推断当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。

❑金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。

像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便引成一个电势差。

这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止。

⏹汤姆逊效应的数学推导当导体A、B两端的温度分别为T和T0，且T>T0时，导体A、B各自的温差电势分别为：式中：σA, σ B ——汤姆逊系数，其含义是单一导体两端温度差为1℃时所产生的温差电势。

由导体A、B所组成的回路总的温差电势为：⏹塞贝克效应=珀尔帖效应+汤姆逊效应❑ 冷热端的热电势分别为：❑ 两端之间的热电势差为热电偶三大定律：⏹ 热电偶基本定律－中间导体定律❑ 在热电偶测温回路中，通常要接入导线和测量仪表。

中间导体定律指出，在热电偶回路中，只要接入的第三导体两端温度相同，则对回路总的热电势没有影响。

❑ E ABC (T,T 0) = E AB (T,T 0)⏹ 热电偶基本定律－连接导体定律/中间温度定律❑ 连接导体定律⏹ 热电偶回路中，若导体A,B 分别与导线A’,B’相接，接点温度分别为T,T n ,T o ，则有如下结论： ❑ 中间温度定律⏹ A 与A’材料相同，B 与B‘材料相同),(),(),,(00T T E T T E T T T E n AB n AB n AB +=例如，用镍铬—镍硅热电偶测量炉温时，当冷端温度T0=30℃时，测得热电势E(T,T0)=39.17mv，求实际炉温。

由T0 =30查分度表得E（30，0）=1.2mv，根据中间温度定律得:E（T，0）=E（T，30）+E（30，0）= 39.17+1.2 = 40.37(mv)则查表得炉温T=946℃⏹热电偶基本定律－标准电极定律❑如果已知热电偶的两个电极A、B分别与另一电极C组成的热电偶的热电势为EAC(T,T0)和EBC(T,T0) ，则在相同接点温度(T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势EAB(T,T0)为:这一规律称为标准电极定律，电极C称为标准电极。

❑在工程测量中，由于纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，易提纯，所以目前常将纯铂丝作为标准电极。

标准电极定律使得热电偶电极的选配提供了方便。

热电阻：一、金属热电阻温度计：1、铂热电阻测量范围：-200 - 650 oC高温不易氧化、不易被侵蚀温度系数较大2、铜热电阻测量范围：-50 - 150 oC高温易被氧化，适用温度较低和没有侵蚀性介质中工作温度系数较小二、半导体电阻温度计分类：负温度系数热敏电阻NTC正温度系数热敏电阻PTC临界温度系数热敏电阻CTR温度传感器常用NTC测量范围-100 --- +300 oC温度系数大，灵敏度高，热电阻的10倍电阻率高，热惯性小，适合动态测量,___ .-;'`"-.`\_...._/`.`, \ /.-' ', / () ()\`'._ \ /() . (|> .' ;, -'- // < |;, __.;'-.'-.| , \ , \`>.|;, \_) \_)`-; , /\ / <'. <`'-,_)'._)PN结温度传感器：压力传感器：波纹管 弹性膜片 波登管或弹簧管 悬梁弹性体 柱筒弹性体 轮辐弹性体金属和半导体的压阻效应： 1、金属导体：εμρρ)21(-==C V CdVdC---由材料及加工方式决定的常数2、半导体：π ---半导体材料在受力方向上的压阻系数 E ---半导体材料的弹性模量 σ ---作用于材料的轴向应力电阻应变片的主要特性：机械滞后；蠕变与零偏；应变极限机械滞后：使用中，由于敏感栅基底和粘结剂材料性能，或使用中的过载，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输出之差值。

通常在室温条件下，要求机械滞后zj<3~10us 。

实测中，可在测试前通知多次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。

εππσρρE d ==蠕变与零漂：黏贴在试件上的应变计，在恒温条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。

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。

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<3~15us,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制时，应变计的输出特性将出现非线性。

在恒温条件下，使非线性达到10%时真实应变，称为应变极限。

如图2.6所示。

应变极限是衡量应变计的测量范围和过载能力的指标，通常要求E （lim）>=8000uE。

影响其的主要因素及改善措施，与蠕变基本相同。

电感式传感器分类：自感型：一、可变磁阻式二、差动式自感传感器（★★）差动式变气隙自感传感器用于压力测量：差动式螺管自感传感器用于位移测量：交流测量电路：变压器电桥：电容式传感器的工作原理及特性：电容式转速传感器:压电效应及压电材料：机电能量转换图压电材料：⏹压电材料的特性参数❑压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数❑弹性常数：即刚度，决定压电器件的固有频率和动态特性❑介电常数：影响器件的固有电容，进而影响传感器的频率下限❑机电耦合系数：压电效应中，输出能量与收入能量之❑比的平方根，衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数❑电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，改善传感器的低频特性❑居里点：压电材料开始丧失压电性的温度石英晶体---单晶硅(a)天然石英晶体；(b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形m—柱面；R—大棱面；r—小棱面；s—棱界面；x—棱角面•光轴上光不会双折射•电轴上压电效应最强•机轴上，电场作用下，该轴方向上机械应变最强晶体受力效应：纵向压电效应：仅受x轴方向力，电荷出现在yz平面上⏹横向压电效应：仅受y轴方向力，电荷也出现在yz平面上⏹切向压电效应：沿相对两棱受力，如x轴或y轴剪切力❑沿x轴剪切力，电荷出现在xz平面上❑沿y轴剪切力，电荷出现在yz平面上纵向压电效应---X方向受力：（3）差压计差压计的种类很多，凡可测量差压的仪表均可作为节流式流量计中的差压计使用。