第一章感測器與檢測技術的理論基礎
感測器的定義:能夠感受規定的被測量，並按照一定的規律轉換成可用輸出訊號的器件或裝置。
感測器的組成（框圖）
轉換量:便於顯示、記錄、傳輸、處理、控制的量，通常為電學量
敏感元件：直接感受被測量，輸出與被測量成確定關係的某種物理量的元件。
轉換元件：將敏感元件的輸出量轉換為電學量輸出的元件。
訊號調節與轉換電路：將轉換元件的輸出訊號，轉變成便於處理的電訊號。
感測器的作用:從人的角度：感測器用於代替、補充、延伸人的感覺器官的功能。例如：對訊號進行放大、運算、調製等。
從科學的角度：感測器用於資訊採集
感測器在科技發展中的重要性
1. 資訊科技的基礎與支柱
資訊科技的三大基礎：資訊採集、資訊傳輸、資訊處理。
2. 各學科領域現代化、自動化的基礎
3. 發達國家對感測器領域的重視：將感測器技術列為高新技術和核心技術。
感測器的基本應用系統
測量系統框圖
控制系統框圖
感測器的發展動向:發現新現象、開發新材料、採用新型加工技術、多功能整合、智慧型化、仿生、航天、數位化、微型化
第二章感測器概述
感測器的特性：用輸入――輸出的對應關係描述。
物理量、化學量（訊號）隨時間變化有兩種形態：靜態（準靜態）、動態。
靜態特性：輸入為靜態（準靜態）時輸入――輸出的對應關係。
量程：測量範圍。超出測量範圍時可能使感測器損壞或者產生較大的測量誤差
靈敏度（s）：輸出量對輸入量的靈敏程度。理想特性：s為常數。
線性度：輸入――輸出關係的線性程度。數學表示（用非線性誤差大小表示線性度――非線性誤差越小越好） 理想特性：線性：y = a1x
僅有奇次非線性項：
y = a1x + a3x3 + a5x5 ….
f (x) = -f (-x)
僅有偶次非線性項：
y = a1x + a2x2 + a4x4 ….
f (x) 小於或者大於-f (-x)
感測器的靜態特性：
遲滯：輸入量增大、減小行程期間，輸入－輸出曲線不重合的程度。
重複性：輸入量按同一方向作全量程連續多次變化時, 所得特性曲線不一致的程度
漂移：輸入量保持不變，環境溫度變化，使輸出發生變化的程度
感測器的動態特性：
激勵：輸入訊號。
響應：輸出訊號。
動態特性：輸入為動態時輸入――輸出的對應關係。即感測器對激勵的響應。
理想特性：輸出訊號與輸入訊號具有相同的時間函式。
標準輸入訊號：正弦和階躍訊號。
零階系統數學模型： （理想）y(t)=kx(t)
一階系統又稱為阻尼系統。特點：因為有阻尼，所以系統響應有延時。
二階系統又稱為慣性系統。系統響應有延遲、有**。
1.階躍訊號輸入時的階躍響應（時域分析）
1）零階系統（無延時，無**），響應：同輸入訊號。
2）一階系統響應 （有延時，無**）
3）二階系統響應 （有延時，有**）
2.正弦訊號輸入時的頻率響應
1）零階系統：與輸入端正弦訊號的幅值不同。
2）一階系統
3）二階系統
第三章應變式感測器
彈性變形：有外力作用時，物體改變尺寸或形狀。外力撤消時，物體恢復原尺寸或形狀。
彈性元件在感測器技術中的作用：
1. 作為彈性敏感元件
2. 用於彈性支承
支承感測器中活動部分（形變、位移不是測量量）
例：動圈式話筒
彈性圓柱
結構：空心或實心圓柱體
特性：在外力作用下，以應變（相對形變）作為輸出量。
用途：大力測量
懸臂梁 1. 結構：一端固定、一端自由的條形彈性元件，分等截面和等強度（變截面）兩種。
2. 特性：以應變或位移作為輸出量。上表面與下表面的應變方向相反。尺寸增大應變為正。
3. 用途：小力測量。
等截面懸臂梁沿長度方向應變不均勻，根部最大，梢部為0。
等強度懸臂梁（變截面）沿長度方向應變均勻。
扭轉棒 1. 結構：一端固定、一端自由的圓棒。
2. 特性：當自由端承受力矩時，棒表面前產生沿圓周方向的剪下應力。
3. 用途：測量力矩
圓形膜片和膜盒
1. 結構：圓形平面或波汶膜片、圓形膜盒。
2. 特性：以撓度或應變為輸出量。中心處撓度最大。（應力圖）
3. 用途：測量壓力（即：壓強）、壓差。
波紋管 結構：一端封閉、筒壁有皺摺的薄壁圓管。
特性：力或壓力變化，輸出量為自由端（封閉端）的位移。
用途：流體壓力。
薄壁圓筒
1. 結構：薄壁圓筒。
2. 特性：內腔壓力變化，筒壁直徑和長度變化。
3. 用途：流體壓力。
雙端固定梁
1. 結構：兩端都固定的等截面梁，中間為受力點。
2.特性：以應變為輸出量。
3.用途：較大力測量。
薄壁圓環
1. 結構：薄壁圓環。
2. 特性：壓力或拉力使環筒壁產生應變。
3. 用途：小力。
彈簧管 1. 結構：彎成各種形狀的空心管。c形為多。管的一端封閉，一端開啟。一端或兩端固定，管截面通常為橢圓、卵形。
2. 特性：輸出量為管子的形狀變化產生的位移。
3. 用途：流體壓力。
電阻應變效應：金屬或半導體材料的電阻值隨著其所受機械變形的大小而改變的現象。
應變的表示
泊松係數（物理意義：橫向變形係數） 。
應變靈敏係數k0的物理意義：單位應變引起的電阻相對變化量。
電阻應變片的結構、型別及引數
結構基底：固定與絕緣（厚度為0.03mm）
電阻絲：敏感柵（柵長l、柵寬a）
引出線：電路連線（直徑為0.1－0.3mm）
覆蓋層：保護、絕緣
半導體應變片的特點：靈敏度很高，溫度特性較差。
橫向效應：在敏感柵的橫向段，由於試件（彈性敏感元件）的橫向變形，使得產生的δry與δrx相反。
橫向效應的有害性：使應變片靈敏度降低。
減小橫向效應產生的測量誤差：一般採用箔式應變片或短接式應變片。
應變片的極限工作頻率估算
１.應變波為正弦波
一般取基長l0為應變波波長λ0的1/10到1/20，即：
∴ f = v /λ0 = (1/10～1/20) v / l0
2.應變波為階躍波
三種直流電壓源電橋的結構、特點（靈敏度、非線性、溫度補償作用）
1.電壓源單臂電橋
電路：電橋的乙個臂上為應變片（r1），其他3個為固定電阻。
特點：存在非線性誤差
2. 半橋差動電橋
電路：電橋的相鄰兩個臂上分別為應變方向相反的應變片，另外兩個臂上為固定電阻。
特點：電橋電壓靈敏度是單臂電橋電壓靈敏度的二倍，無非線性誤差，有溫度補償作用。
3.全橋差動電橋
電路：電橋的四個臂上全部為應變片，相鄰兩個臂上應變方向相反。
特點：電橋電壓靈敏度是單臂電橋電壓靈敏度的四倍。無非線性誤差。有溫度補償作用。
溫度誤差及其產生的原因
1．電阻溫度係數的影響。敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化
2．試件材料與敏感柵材料的線膨脹係數不同。
溫度補償方法
1．橋路補償法
結構：補償應變片貼上於補償塊上（與試件相同的材料），補償塊不受應力。
電路：測量片與補償片構成半橋（全橋）差動電路。
原理：溫度變化引起的應變片電阻變化為相同方向，通過電橋消除影響。
2．應變片自補償法
應變式感測器的結構
幾種彈性敏感元件與電阻應變片構成感測器的貼片方法與電路結構。
應變式力感測器
柱（筒）式力感測器
被測物理量為荷重或力。
懸臂梁式力感測器：
應變片貼上方式：上下各兩片，靠近固定端。
電路：差動全橋。
應變式壓力感測器：
應變片的位置：一般在平膜片圓心處切向貼上r1、r4兩個應變片， 在邊緣處沿徑向貼上r2、r3兩個應變片。
薄壁圓筒式應變壓力感測器
應變片的位置：一般在平膜片圓心處切向貼上r1、r4兩個應變片， 在邊緣處沿徑向貼上r2、r3兩個應變片。
電路：ｒ2是補償片
應變式加速度感測器：
原理：a－（m）→f－（梁）→應變－（應變片）→δr－（電橋）→δv
第四章電感式感測器
電感式感測器的基本結構：線圈、鐵芯、銜鐵、氣隙。
工作原理：通常氣隙磁阻遠大於鐵芯和銜鐵的磁阻
電感式感測器的直接測量物理量
等效電路（銅損、鐵損）
變磁阻式感測器的結構型別及特徵
三類：變間隙式、變面積式和螺線管式。
1.變間隙式電感感測器
結構：線圈、鐵芯、銜鐵、氣隙。
特性：靈敏度是單極式的2倍。非線性誤差減小
２.變面積式電感感測器
特性：電感與面積ｓ（或ｘ）成線性關係。
3.螺線管式電感感測器
特性：一定範圍內電感與位移ｘ成線性關係。
差動變壓器式感測器
結構：差動變壓器由鐵芯、初級線圈和次級線圈組成。
有門形（n形）和螺管式兩種，其中螺管式差動變壓器又分二段式和三段式。
工作原理：鐵芯位移使得互感m1、m2變化。
兩次級線圈串連輸出，同相端相連（差分輸出）。
正負方向反映了銜鐵的移動方向，幅度大小反映銜鐵移動的距離。
零位電壓（零點殘餘電壓）
由於兩個線圈引數不可能完全相同，使得鐵芯在中間位置時，輸出電動勢不為零（調不到零）的現象叫做零位電壓。
零位電壓的特點：由於零位電壓實際上主要是由實部不對稱造成的，所以零位電壓的相位與有用輸出訊號相位相差90度。
零位電壓的補償：使兩線圈的實部、虛部分別相等。主要是實部相等。方法是串、併聯電阻，併聯電容。
差動變壓器式感測器測量電路：差動整流電路和相敏檢波電路。
渦流：金屬塊在變化的磁場中，其體內產生的感應電流（電流線閉合）。
電渦流式感測器的結構型式及特點
結構：變間隙式、變面積式和螺線管式
兩種型別的渦流式感測器：高頻反射式、低頻透射式
1. 高頻反射式（f ≥10 7 hz）
原理：高頻電流的趨膚效應，高頻電磁場不能穿透一定厚度的金屬板，金屬板表面的感應渦流產生電磁場反作用於線圈，改變線圈的l大小。
２. 低頻透射式（f ≈10 3 hz）
原理：有兩個線圈，分布於金屬板兩面，乙個發射電磁波，乙個接收電磁波，電磁場能透過金屬板。
感應電動勢：e= f（ρ，t，f）
測量電路
1．調頻電路：lc作振盪迴路。（f是x的函式，振盪訊號由此電路產生）
2．調幅電路：lc作諧振迴路。（f是常數，振盪訊號由其他電路產生，uo是x的函式）
感測器複習
感測器原理與應用 習題訓練1 一填空1.通常感測器由 敏感元件 轉換元件 基本轉換電路 三部分組成，是能把外界 非電量 轉換成 電量 的器件和裝置。2.金屬絲在外力作用下發生機械形變時它的電阻值將發生變化，這種現象稱 應變 效應 半導體或固體受到作用力後電阻率要發生變化，這種現象稱 壓阻 效應。直線...
感測器複習
2009年感測器複習資料 06級本科 考試題型 一 選擇題 每小題2分，共16分 二 填空題 每小題2分，共10分 三 名詞解釋 本大題共3小題，每小題5分，共15分 四 簡答題與計算 簡答每小題5分，共15分，計算有兩小題，共9分 五 畫圖說明題 每小題10分，共10分 六 應用分析題 每小題10...
感測器複習
第一章緒論 感測器的定義 能感受規定的被測量並按照一定規律轉換成某種可用訊號的器件或裝置。能夠把特定的被測量資訊 如物理量 化學量 生物量等 按一定規律轉換成某種可用訊號的器件或裝置，稱為感測器。感測器的組成 感測器通常由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指感測器中能直接感受被測量的部分 轉換...