高校传感器技术期末考试复习资料.docxVIP

高校传感器技术期末考试复习资料

——核心知识点梳理与复习指南

一、传感器技术基础概念

1.1传感器的定义与组成

传感器是一种能够感受规定的被测量，并按照一定规律将其转换为可用输出信号（通常为电信号）的器件或装置。其核心组成包括敏感元件（直接感受被测量）和转换元件（将非电信号转换为电信号），部分传感器还包含信号调理电路。

1.2传感器的分类

按被测量性质可分为：物理量传感器（如温度、压力）、化学量传感器（如气体、湿度）、生物量传感器（如酶、免疫）；按工作原理可分为：电阻式、电容式、电感式、压电式、光电式等。

1.3传感器的基本特性

静态特性：描述传感器在稳态输入下的输出特性，核心指标包括线性度（输入输出关系与理想直线的偏差）、灵敏度（输出变化量与输入变化量之比）、迟滞（正反向输入时输出的不一致性）、重复性（多次测量的一致性）、分辨力与阈值（可检测的最小输入变化）。

动态特性：描述传感器对动态输入的响应能力，常用时域指标（如时间常数、超调量）和频域指标（如通频带、相位移）表征。

二、常用传感器原理与应用

2.1电阻式传感器

应变片传感器：基于金属或半导体材料的应变效应（电阻随形变变化），用于测量力、压力、扭矩等。需重点掌握应变片的粘贴技术、温度补偿方法（如自补偿法、桥路补偿法）及Wheatstone电桥测量电路。

热电阻与热敏电阻：热电阻（如铂电阻）基于金属电阻的温度特性，精度高、线性好，适用于中低温测量；热敏电阻（半导体材料）灵敏度高，但非线性严重，需通过电路补偿。

2.2电容式传感器

利用电容公式\(C=\epsilonS/d\)，通过改变极板间距\(d\)、极板面积\(S\)或介电常数\(\epsilon\)实现对位移、压力、湿度等参数的测量。特点是灵敏度高、动态响应好，但易受寄生电容干扰，需采用屏蔽和驱动电缆技术。

2.3电感式传感器

自感式：通过改变线圈自感量（如气隙磁阻变化）测量位移，典型结构如可变磁阻式传感器。

互感式：基于变压器原理，如差动变压器式传感器，常用于大位移测量，输出为交流信号，需通过相敏检波电路实现解调。

电涡流式：利用高频磁场在金属导体中产生的涡流效应，可实现非接触式位移、厚度测量。

2.4压电式传感器

基于某些晶体（如石英、压电陶瓷）的压电效应（机械能与电能相互转换），适用于动态力、加速度、振动测量。输出为电荷信号，需配用电荷放大器或电压放大器，且因压电元件本身无静态输出，不宜用于静态测量。

2.5热电式传感器

热电偶：基于热电效应（两种不同金属组成的闭合回路，两端温差产生热电势），测量范围宽（-200℃~1600℃），需注意冷端补偿（如恒温法、电桥补偿法）。

热电阻/热敏电阻：（前文已提及，此处侧重应用场景对比）

2.6光电式传感器

光电效应：外光电效应（如光电管、光电倍增管）、内光电效应（如光敏电阻、光电二极管/三极管）、光生伏特效应（如太阳能电池、光电池）。

典型应用：光电编码器（位移测量）、光电开关（计数、定位）、光纤传感器（基于光的调制原理，抗干扰能力强）。

三、传感器信号调理技术

3.1测量电路基础

电桥电路：Wheatstone电桥是电阻、电容、电感式传感器最常用的测量电路，分为直流电桥和交流电桥，重点掌握差动电桥的灵敏度提升原理及非线性误差补偿方法。

放大电路：根据传感器输出信号特点选择合适放大器，如仪表放大器（高共模抑制比，适用于微弱差分信号）、电荷放大器（配压电传感器，将电荷信号转换为电压信号）。

3.2滤波与调制解调

滤波：消除噪声干扰，常用低通、高通、带通滤波器，需理解RC滤波电路原理及有源滤波器的特性。

调制解调：针对缓变信号（如温度），通过调制（将信号加载到载波上）实现远距离传输，解调（从载波中恢复原信号）常用同步检波、包络检波。

3.3A/D转换技术

将模拟信号转换为数字信号，核心参数包括分辨率（位数）、转换精度、转换速度。需了解逐次比较式、积分式A/D转换器的工作原理及适用场景。

四、传感器选型与应用设计

4.1选型原则

性能匹配：灵敏度、精度、测量范围需满足实际需求，避免“过设计”或“欠设计”。

环境适应性：考虑温度、湿度、电磁干扰等环境因素，如高温环境优先选择热电偶而非热电阻。

经济性与可靠性：在满足性能的前提下，选择成本低、寿命长、维护方便的传感器。

4.2典型应用案例

工业检测：压力传感器用于管道压力监控，位移传感器用于机床定位。

消费电子：智能手机中的加速度传感器（倾角检测）、指纹传感器（电容式或光学式）。

医疗领域：心电传感器（生物电信号检测）、血糖传感器（电化学原理）。

五、复习建议与重点提示

1.理论与实践结合：理解传感器原理时，结合实验现象（如应变片粘贴后