传感器原理与应用

概述

1、现代信息技术的三大支柱是传感器技术（信息采集），通信技术（信息传输），计算机技术（信息处理）

2、传感器：是一种能把特定的信息转换成某种可用信号输出的器件和装置

国标：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置

3、传感器的组成：敏感元件、转换元件、信号调理和转换电路（辅助电源）

4、传感器分类：

①按工作原理分类：物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器

②按被测量分类：力热流体声光电磁

5、传感器的发展趋势：新原理、新材料、新工艺、微型化、多功能、集成化、智能化、多源融合、网络化

6、物联网：物联网就是物物相连的互联网，将各设备按照协议与互联网结合，形成网络交换信息通讯；

7、传感器是物联网的感官，可感知探测采集获取对象信息，是物联网全面感知的主要部件 

传感器的基本特性 

1、传感器的静态特性：指当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，包括线性度、迟滞、最大重复偏差、灵敏度。由漂移和稳定性，分辨率和阈值、精确度等性能指标描述

2、确定传感器线性度拟合直线的方法：理论拟合、过零旋转拟合、端点连线拟合、端点平移拟合

3、传感器的线性度表示由于实际传感器有非线性存在，近似后的拟合直线与实际曲线存在偏差，所以称为线性度，传感器的非线性误差是以一条理想直线作为基准，故即使是同一传感器，基准不同时得出的线性度也不同

4、传感器动态特性：当输入量随时间变化时讨论传感器的动态特性，是指传感器输出对随时间变化的输入量的响应特性（时间常数t，固有频率W，阻尼系数ξ）

5、传感器动态特性主要指标：①阶跃响应特性（最大偏移量、迟滞时间、上升时间、巅峰时间、响应时间）

②频率响应特性（幅频特性、相频特性、通频带、工作频率、固有频率、相位误差、跟随角）

电阻式传感器

1、电阻应变效应：金属导体的电阻值随它受力所产生随机械形变的大小而发生变化的现象称为电阻应变效应

2、电阻的灵敏系数：金属应变丝的电阻相对变化与它所受的应变之间的线性关系（Ks）

应变片灵敏系数小于电阻丝灵敏系数，实际中应变片灵敏系数误差较大，金属丝做成应变片后电阻应变特性会改变

3、直线电阻丝绕成敏感栅后，圆弧部分使Ks灵敏系数下蒋，此为横向效应，横截面积越大，圆弧部分越小，横向效应越小，所以通过增加应变片两端电阻条的横截面积减小横向效应

4、应变片测量采取温度补偿措施：温度变化会引起应变片阻值的变化，被测材料与应变片的线膨胀系数不同，使得粘在材料上的应变片与材料的应变不一致而引起测量误差；

补偿方法：桥路补偿

5、金属应变片是通过改变丝栅的几何尺寸，电阻率可忽略不计，半导体应变片是基于压阻效应工作的，沿半导体晶轴的应变，使电阻率有很大变化

金属电阻丝：灵敏系数1.5~2

半导体：灵敏系数50~100

半导体应变片电阻率变化不可忽略，但是可以忽略集合变化，金属丝反之

6、半导体应变片优缺点：工作频率高、体积小、耗电少、灵敏度高、测力范围广、但是温度特性差、工艺复杂

电容式传感器

1、电容传感器类型：①、变面积型：测量范围大，用于测线位移、角位移

②、变极距型：灵敏度高，用于小位移测量

③、变介质型：用于液面高度、介质厚度测量

2、 改善单极式变极距型电容传感器非线性方法：差动结构

3、高频激励时，要考虑电容和引线电感L，会使传感器有效电容变化，引起灵敏度下降

4、电容式传感器测量电路：

①、交流电桥：电桥两臂为电容，另外两臂是变压器次级绕阻，被测量变化使电容变化，电桥失衡，Uo下降

②、二极管双T型：负载电阻上输出电压与电容差为正比，与电源电压幅值和频率有关

③、差动脉冲调宽电路：电容充放电使电路输出脉冲宽度随电容容量变化，低通后能得到对应直流信号

④、运放式：传感器电容接入运放，作为反馈，在输入恒定交流信号，输出信号电压收反馈电容所控制

5、差动脉冲调宽电路用于电容式传感器测量电路的特点：适用于任意差动电容传感器，不用解调，检波，对矩形波纯度要求不高