檢測與轉換技術複習提綱
一、傳感器的基本概念
傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換爲與之有對應關係的、便於應用的某些物理量的測量裝置。是獲取自然領域中信息的主要手段，在檢測和自動控制系統中，相當於人的五官。
傳感器位於自控系統的最前端，是實現自動檢測和自動控制的首要環節，是現代信息技術的三大基礎之一（即信息採集技術）。自動化程度越高，對傳感器的依賴越大；
傳感器檢測與轉換技術：它是一門以研究自動檢測系統中的信息提取、信息轉換、信息處理的理論和技術爲主要內容的一門應用技術學科。
傳感器的基本特性
靜特性：線性度（要求掌握端基線性度的擬和直線）、遲滯 、重複性、 靈敏度
動特性：固有頻率
二、電阻應變傳感器
1、概念：電阻應變計是將被測量的力（壓力、荷重、扭力等）通過它所產生的金屬彈性變形轉換成電阻變化的敏感元件。它是由電阻應變片和測量線路兩部分組成。
2、特點：參量類——外加物理量引起參數變化（R、L、C），屬無源式。
3、電阻絲的應變效應：
4、重點掌握單臂、差動和全橋的測量方法、測量特點及相關計算，尤其是差動電橋。（重點：實驗內容）。
5、掌握電阻應變片溫度誤差產生的原因及其補償方法
*重點掌握應變式傳感器測力、測加速度的方法。
三、電感傳感器
1、自感和互感傳感器概述：
定義：電感傳感器是將被測量轉換爲線圈的自感或互感的變化來測量的裝置。
特點：結構簡單、可靠，輸出功率高，分辨力與靈敏高，線性較好，穩定，抗干擾能力強。但頻率響應低，不宜進行快速動態測量。
1）自感傳感器：
瞭解其工作原理，重點了解和掌握差動自感傳感器原理、組成及特點（抗干擾能力強，靈敏度提高一倍，線性好，精度及特性變好，電磁吸力對測量力的影響相互抵消）。
瞭解相敏整流電路的原理與作用，試指出P168圖6-19中主要元件的作用。
2）差動變壓器
差動變壓器是一種互感傳感器，瞭解其工作原理與其測量電路的構成，重點掌握電路的原理（指出a圖的錯誤並糾正之），瞭解電流輸出型和電壓輸出型所用於的不同場合。
2、渦流傳感器
瞭解其測量原理（反射電阻與反射電感），瞭解其測量方法（調頻和調幅法），掌握其特點：可進行非接觸測量，動態響應好，靈敏度高。主要測量位移、厚度、振動以及探傷等。渦流傳感器可製成應用廣泛的接近開關。
四、電容傳感器
1、瞭解電容傳感器的工作原理
2、分類：重點掌握極距變化型和麪積變化型（重點掌握，能進行公式推導），介質變化型（一般瞭解）。
面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型。可測位移、尺寸。特點：線性，靈敏度低，只可測cm級。
極距變化型：特點：非線性，C =f（x）是一個雙曲線函數，但容抗xc =f（x）呈線性關係。可測量微米級的位移，一般d<10mm，最大位移限制在< d/10。如採用差動電容，則容差和容和之比與中心極板的位移成線性關係，且靈敏度提高，抗干擾增強，輸出與電容的極板面積與介質無關。
3、電容傳感器測量電路的瞭解以橋式測量電路爲主。
4、重點掌握電容傳感器測壓力、加速度的方法。
五、光電傳感器
掌握光電效應的分類、原理和相應的典型器件。
外光電效應：光電管
內光電效應：
1、光電池：
光生伏特效應（ 勢壘效應（結光電效應）：入射光照射在PN結上時，若光子能量大於半導體材料的禁帶寬度Eg時，則在PN結內產生電子空穴對，它們的移動使PN結產生電勢。
特點：頻率特性好，轉換效率高，頻譜寬，穩定性好。
掌握光電池的光譜特性：注意光源與光電池的匹配（如硒光電池用於可見光，硅光電池用於紅外光）
掌握光電池的光照特性：短路電流（測量用）：線性，負載電阻小好；開路電壓：非線性。
2、光敏電阻：
光電導效應：光照在物體上，使其電阻率ρ發生變化的效應。即電子吸收光能後，從鍵合狀態過度到自由狀態，從而引起電導率的變化。
主要參數：
暗電阻：不受光照射時的電阻（大好）；亮電阻：受光照射時的電阻（小好）
暗電流：對應暗電阻的電流（小好）；亮電流：對應亮電阻的電流（大好）
光電流：亮電流 - 暗電流（大好）
特點：靈敏度高（光照後阻值急劇下降），光譜特性好，使用壽命長，穩定，體積小。但頻率低，非線性，宜用作開關量。
3、光敏二極管
原理：入射光照射在PN結上時在PN結內產生電子空穴對，在內電場作用下定向運動形成光電流。
在測量電路中反向接入：
照射光↑→I↑光敏二極管處於導通狀態，光照停止，光敏二極管處於截止狀態；
正向電阻：類似普通二極管；反向電阻：∞，隨光照變化。
4、光敏三極管
原理：入射光照射在PN結上時在PN結內產生電子空穴對，在內電場作用下定向運動形成光電流。光照發射結產生的光電流相當於三極管的基極電流，其集電極電流是它的β倍。
光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差。
5、應用
將被測量的變化轉變爲光信號的變化,具有結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度和反映快等優點，應用廣泛。
模擬量光電傳感器檢測系統：輻射式、吸收式、反射式、遮光式；
六、霍爾傳感器：
霍爾傳感器基於霍爾效應將被測量轉換成電動勢輸出的一種傳感器。
霍爾效應： 在金屬或半導體薄片的兩端通過控制電流I,並在薄片的垂直方向施加磁感應強度爲B的磁場，那麼,在垂直於電流和磁場方向上將產生電動勢UH（霍爾電壓）。霍爾效應的產生是由於運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結果： UH=KHIB
靈敏度KH = RH / d， d小（1μm）則靈敏度高。霍爾片長邊/短邊=2, 長邊短邊通以電流，短邊輸出UH，建立霍爾效應的時間很短：10-2～ 10-14ｓ。
特點：雖然其轉換效率低，溫度影響大，但簡單、體積小、頻率響應寬（從直流到微波）、可靠性高、易於集成化。
電磁特性：
1）ＵH—I特性：UH = KH I B 在磁場和環境溫度一定時，霍爾輸出電動勢UH與控制電流I之間呈線性關係，直線的斜率稱爲控制電流靈敏度用KI表示（KI= KH B）。
2）ＵH—B特性：當控制電流一定時，元件的開路霍爾輸出隨磁場的增加不完全呈線性關係，只有當元件工作在０.５Wb/m2時線性度才比較好。KB = KH I → UH = KB B
應用：實際使用時，以I或B或同時作爲輸入信號，而輸出信號則正比於I或B或兩者的乘積。測量電路多以恆流源供電，將被測量轉換爲磁場的變化。重點掌握霍爾式位移傳感器的測量原理。
重點掌握霍爾傳感器的各類應用。
七、壓電傳感器
1、原理
壓電效應：沿某些電介質的一定方向施加力而使之變形時，內部產生極化現象，兩個表面產生符號相反的電荷，去掉外力後復原。
逆壓電效應：在介質的極化方向施加（交變）電場，它會產生機械變形，取掉外加電場後變形消失。
2、石英晶體的壓電特性
1）結構：單晶體，六角形晶柱
Z軸：3，縱向軸，光軸，無壓電效應；
X軸：1，經過正六面體棱線，垂直於光軸，電軸（縱向壓電效應）
Y軸：2，垂直於X、Z軸，機械軸（橫向壓電效應）
2、計算
dmn m—產生電荷的面的軸向；n—施加作用力的軸向
1）壓電晶體切片在X方向受壓縮力σx作用，產生厚度變形：
極化強度Px = d11 σx = d11 Fx/lb = qx / lb 則： qx = d11 Fx 與尺寸無關。
2）沿y方向施加力Fy ，產生長度變形：
極化強度Py = d12 σy = d11 Fy/hb = qx / lb
則： qx = d12 Fy lb/ hb = d12 Fy l/ h 與尺寸相關
由於：d11 = - d12 （各向異性）則： qx = -d11 Fy l/ h
3）沿Z軸方向施加力，無變形，無極化。
4）無體積變形，無極化。
#3、壓電元件的聯接：
串聯：q= q, u = 2u, c= c/2 宜電壓輸出，C小，測快速信號； 並聯：q = 2q, u= u, c = 2c 宜電荷輸出，C大，測慢速信號。
4、壓電傳感器的等效電路Ua = q/Ca（P144、145）
1）電荷源：內部的電荷發生器對C充電；採用電壓源的測量電路，其輸出電壓與輸入電荷（壓電元件的輸出電荷）成正比，線路較複雜，但受電纜電容的影響較小，低頻特性較好；
2）電壓源：產生的電荷形成電壓源，對外供電時需通過對等效電容充放電進行。採用電壓源的
測量電路，其輸出電壓與輸入電壓（壓電元件的輸出電壓）成正比，線路簡單，但容易受電纜電容的影響,低頻特性差。
5、壓電傳感器測量特點：
1）對象：力及力的派生物理量（壓力、位移、加速度等）。
2）動態測量：壓電材料上產生的電荷只有在無泄露的情況下才能長期保存。故它不宜做靜態測量，只能施加交變力，電荷才能得到不斷的補充，才能供給迴路一定的電流，故只宜做動態測量。
3）高阻前置放大器：減少晶片的漏電流以減少測量誤差。作用：放大和阻抗變換。
6、應用：作爲測量元件，可測最終能變爲力的物理量如壓力、加速度、衝擊（汽車的衝擊檢測）、振動等。
7、特點：體積小，簡單，可靠，靈敏，固有頻率高，應用廣泛，但不能測頻率太低的被測量，特別是靜態力。
八、溫度傳感器
1、熱電阻傳感器：
特點：測溫精度較高，範圍廣，穩定性、重複性好，特別適於測低溫。但熱慣性大，靈敏度低。
測溫電路（參見P161圖6-8a）：用電橋作爲傳感器的測量電路，工業上用的鉑電阻的引線爲三根，目的是消除連接線電阻的影響。
2、熱敏電阻
分類： NTC：具有負溫度係數，阻值隨溫度升高而下降；
PTC：具有正溫度係數，阻值隨溫度升高而升高。
NTC與PTC均有突變型與緩變型，但NTC以緩變型多， PTC以突變型多。
特點：靈敏度高、熱慣性小，結構簡單，使用廣泛。但非線性：R與T呈指數關係，V與I的變化不服從歐姆定律、穩定性差，一致性差。
3、熱電偶傳感器
掌握熱電偶測溫的基本原理
重點掌握和理解熱電偶迴路的幾點結論
瞭解工業熱電偶的分類和兩個重要的概念(分度號、分度表)，瞭解塞貝克係數的含義。
重點了解熱電偶冷端的溫度補償的意義和方法。
複習熱電偶實驗的各個環節
八、位移-數字傳感器
特點：大量程，高精度，高分辨率，抗干擾能力強，穩定性好，易於與計算機接口。
分類：角度數字編碼器、光柵傳感器、感應同步器（不要求）
1、角度數字編碼器
碼盤式編碼器（絕對編碼器）：瞭解四位二進制碼盤接觸式碼盤的原理和提高精度的方法。瞭解循環碼盤（相鄰的兩個數碼間只有一個是變化的）的優點。
脈衝盤式編碼器（增量編碼器）：即光電編碼器。精度取決於碼盤本身的精度，分辨率取決於每轉的脈衝數。無論正、反轉，計數器每次反映的都是相對於上次角度的增量。非接觸式。
2、柵式數字傳感器
1）計量光柵：利用莫爾（Moire）現象，主要用於測量長度、角度、v、a、震動等。
柵尺：尺面刻有排列規則、形狀規則、平行的刻線，透明（白）、不透明（黑）。
標尺光柵：主光柵，長度由測量範圍定，不移動；
指示光柵：移動，需有足夠長以獲得足夠的莫爾條紋區。
2）莫爾條紋：兩塊柵尺面對面相迭合，並使兩塊柵線形成很小的夾角θ，由此出現的明暗相間的條紋。莫爾條紋兩個亮條紋之間的寬度既爲其間距w。
#3）莫爾條紋的轉換特點：w = d/θ 當θ很小時w對d有幾百倍的放大作用（d爲光柵距）。柵尺移動一個d ，莫爾條紋移動一個w ；柵尺移動的方向與莫爾條紋移動的方向相對應。誤差平均效應：柵線標準均方差σ莫爾條紋均方差：σ=√n
4）光柵測量系統
組成：
光柵光學系統（照明系統；光柵副：標尺光柵與指示光柵，在平行光照射下形成莫爾條紋；光電接收系統：光電元件輸出信號的週期數與移過的柵距數相等）；
電子系統（細分、辯向、顯示）；
機械部分
5）電子細分
目的：提高分辨率；措施：倍頻、插補，在信號的一個週期內插入許多計數脈衝，以提高信號的重複頻率和分辨率。
分類：直接細分、矢量細分、電橋細分等。主要掌握四倍頻直接細分電路（P200）。
6）光柵測量的特點
高精度：0.2- 0.4μm/m，僅次於激光；高分辨率：0.1μm；大量程：可大於1米；抗干擾能力強，可實現動態測量。可測量能變爲位移的物理量（如震動、應力、應變等）。
實驗臺可完成“傳感器原理與應用”、“自動檢測技術”、“工業自動化儀表與控制”、“非電量電測技術”、“傳感器與測控技術”等課程的教學實驗。
傳感器實驗內容如下：
帶爲實驗爲思考實驗
實驗一 電阻式傳感器的單臂電橋性能實驗
實驗二 電阻式傳感器的半橋性能實驗
實驗三 電阻式傳感器的全橋性能實驗
實驗四 電阻式傳感器的單臂、半橋和全橋的比較實驗
實驗五 電阻式傳感器的振動實驗
實驗六 電阻式傳感器的電子秤實驗*
實驗七 變面積式電容傳感器特性實驗
實驗八 差動式電容傳感器特性實驗
實驗九 電容傳感器的振動實驗*
實驗十 電容傳感器的電子秤實驗*
實驗十一 差動變壓器的特性實驗
實驗十二 自感式差動變壓器的特性實驗
實驗十三 差動變壓器的性能實驗
實驗十四 激勵頻率對差動變壓器特性的影響
實驗十五 差動變壓器的振動實驗*
實驗十六 差動變壓器的電子秤實驗*
實驗十七 光電式傳感器的轉速測量實驗
實驗十八 光電式傳感器的旋轉方向測量實驗
實驗十九 接近式霍爾傳感器實驗
實驗二十 霍爾傳感器的轉速測量實驗
實驗二十一 霍爾傳感器的振動測量實驗
實驗二十二 渦流傳感器的位移特性實驗
實驗二十三 被測體材質對渦流傳感器特性的影響實驗
實驗二十四 渦流式傳感器的振動實驗
實驗二十五 渦流式傳感器的轉速測量實驗
實驗二十六 溫度傳感器及溫度控制實驗（AD590）
實驗二十七 磁電式傳感器的特性實驗
實驗二十八 磁電式傳感器的轉速測量實驗
實驗二十九 磁電式傳感器的應用實驗*
實驗三十 壓電加速度式傳感器的特性實驗
實驗三十一 光纖傳感器的位移特性實驗
實驗三十二 光纖傳感器的振動實驗
實驗三十三 光纖傳感器的轉速測量實驗
實驗三十四 壓阻式壓力傳感器的特性實驗
實驗三十五 壓阻式壓力傳感器的差壓測量實驗*
實驗三十六 超聲波傳感器的位移特性實驗
實驗三十七 超聲波傳感器的應用實驗*
實驗三十八 氣敏傳感器的原理實驗
實驗三十九 溼度式傳感器原理實驗