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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流传感器与自动检测技术余成波第三章重点.精品文档.一、电阻式传感器1.应变式电阻传感器的概念及使用原理：是一种利用电阻应变效应，由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。将应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件感受到外力、位移、加速度等参数的作用，弹性敏感元件产生应变，再通过粘贴在上面的电阻应变片将其转换成电阻的变化。2.应变式电阻传感器的的组成及各部分作用：通常，它主要是由敏感元件、基底、引线和覆盖层等组成。其核心元件是电阻应变片（敏感元件），它主要作用是敏感元件实现应变电阻的变换。3.根据敏感元件材料与结构的不同，应变片可分为，金
2、属电阻应变片和半导体式应变片。4.金属电阻应变片（1）金属电阻应变片基本结构由盖层、敏感栅、基底及引线四部分组成。敏感栅可由金属丝、金属箔制成，它是转换元件，被粘贴在基底上。用黏合剂粘贴在传感器弹性元件或试件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上。（1敏感栅 2基底 3引线 4盖层 5黏合剂）同时基底起绝缘作用。盖层起绝缘保护作用。焊接于敏感栅两端引线连接测量导线之用。 目前，常用的金属电阻应变片主要有：金属丝式应变片、箔式应变片、及金属薄膜应变片等结构形式。（2）金属电阻应变片工作原理：金属电阻应变片的工作原理是利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。6
3、. 半导体应变片（1）半导体应变片结构：是用半导体材料，采用与丝式应变片相同方法制成的半导体应变片。图中1为基片，2为半导体敏感条，3为外引线，4为引线联接片，5为内引线。（2）半导体应变片原理工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指，当半导体材料的某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为， （3）半导体应变片的特点半导体应变片最突出的优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围很宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接使用，使测量系统简单；但它具有温度系数大，应变时非线性比较严重的缺点。 7.电阻式传感器的测量电路当时，电桥的输出
4、电压应为：当电桥平衡时，=0，由上式可得到R1 R4R2 R3。平衡电桥就是桥路中相邻两臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比相等方可使流过负载电阻的电流为0。8.电压灵敏度：电桥电压灵敏度定义为： 当 n = l时，为最大。这就是说，在供桥电压确定后，当R1R2，R3R4时，电桥的电压灵敏度最高。 ， ， 。9.非线性误差及其补偿的方法：减小或消除非线性误差的方法有如下几种：（1）提高桥臂；（2）采用差动电桥：半桥差动电路时： ， 全桥差动电路时： 10.电阻式传感器的应用：（1）柱式力传感器；（2）电阻应变仪：静态电阻应变仪、静动态电阻应变仪、动态电阻应变仪、超动态电阻应变仪、遥测应变仪。
5、二、 电容式传感器1.电容式传感器是利用将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。2.电容式传感器的特点：（1）受本身发热影响小；（2）静态引力小；（3）动态响应好；（4） 结构简单，适应性强；（5）可以进行非接触式测量。3.电容传感器有如下不足之处：（1）输出阻抗较高、带负载能力差；（2）寄生电容影响大。4.以平行板电容为例，如果不考虑其边缘效应，其电容量为 ，式中：为极板间介质的相对介电常数，空气介质为1；为真空介电常数8.85；A为二平行极板覆盖面积；为极板间距离。5. 变极距型电容式传感器（小范围）：6. 差动电容传感器：7. 变极板面积型电容传感器（大范围）：（1）平面线
6、位移型传感器，电容量为：灵敏度为： 常数；（2）圆柱型线位移传感器，电容量为： 灵敏度为： 常数；（3）角位移型传感器，电容量：灵敏度为： 常数。8.介质变化型电容传感器： 。9.电容式传感器测量电路：常用的有桥式电路、调频振荡电路、运算放大器式电路和脉冲调宽型电路等几种。 脉冲调宽型电路中C1、C2是差动电容传感器的两个变极距式电容传感器，电路结构可分为比较器，RS触发器，RC充放电回路，低通滤波器。（1） 比较器IC1、IC2中， 当UU_时，输出高电平；当UU_时，输出低电平；（2）RS触发器。RS触发器的功能如表3-2；（3）R1、D1、C1构成一RC充放电回路；R2、D2、C2构成另
7、一RC充放电回路。当Q为高电平，为低电平时，C1充电回路为：地，C2放电回路为。 当Q为低电平，为高电平时，C1放电回路为：，C2充电回路为地。10. 电容式传感器的应用：（1）电容测厚仪；（2）测量电缆的偏心 ；（3）石英挠性伺服加速度计；（4）电容式压力传感器。三、 电感式传感器1.根据电感的类型不同，电感传感器可分为自感系数变化型和互感系数变化型两类。2.自感式传感器：当匝数为N的线圈通以电流I产生磁通链为。磁通链与线圈电流之比称为自感系数，简称电感L。 ，式中：为穿过每匝线圈的磁通。根据磁路的欧姆定律 。式中： Rm为磁路的总磁阻。得： 。3.气隙厚度变化型自感传感器、气隙面积变化型自
8、感传感器、螺管型自感传感器、测量电路。4.互感型变压器式电感传感器5.差动整流电路图所示为实际的全波相敏整流电路，是根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在 f点为“”，e点为“”，则电流路径是fgdche（如图 (a)）。反之，如f点为“”，e点为“”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图 (b) 。6. 电感传感器的应用：微压力变送器、差动式电感测厚仪、差动式电感液位测量仪。四、 电涡流式传感器1.基于法拉第电磁感应原理，将块状的金
9、属导体置于变化的磁场中或者在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生旋涡的感应电流，该电流叫电涡流，此现象称为电涡流效应。2.电涡流传感器可以分成高频反射式和低频透射式两类。3.高频反射电涡流传感器：（1）基本组成：主要由线圈和框架组成。（2）基本原理： 涡流区和线圈几何尺寸有如下关系： 式中：2 R为电涡流区外径；2 r为电涡流区内 径。涡流渗透深度：为导体电阻率；为为交变磁场的频率；相对导磁率。4. 测量电路：用于涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式电路两种。（1）调频式电路（a、b图） 调幅式电路（2）调幅式电路：传感器线圈L和电容器C并联组成谐振回路，石英晶体组成石英晶体振荡电路，如
10、图所示。5.涡流传感器的应用：（1）位移测量；（2）振幅测量；（3）转速测量；（4）涡流膜厚测量；（5）电涡流探伤仪。五、压电式传感器1. 压电式传感器是以具有压电效应的元件作为转换元件的有源传 感器，它既可以把机械能转化为电能，也可以把电能转化为机械能。2.压电效应：某些物质，当沿着一定方向受到压力或者拉力作用而发生变形，其两个表面上会产生符号相反的电荷；当外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态；当受力方向变化时，电荷的极性也随着变化，我们把现象就称为压电效应。相反，如果把这些物质置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，我们把这种由于电场作用导致物质发生形变的现象称为逆压电效应（也称电致伸缩效应
11、）。这种具有压电效应的物质我们称为压电材料或压电元件，常见的压电材料主要有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。3.石英晶体的压电效应4.压电式传感器等效电路和测量电路：（1）自身等效电路：其电容量为 ，式中，为压电材料的介电常数；A为压电晶体片工作面的面积（m2）；h为极板间距，即晶体片厚度（m）。（2）实际等效电路5.压电式传感器测量电路 由于压电式传感器产生的电量非常小，所以要求测量电路输入级的输入电阻非常大以减小测量误差。因此，在压电式传感器的输出端，总是先接入高输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大电路。 前置放大器作用是：1）将压电传感器的输出信号放大；2）将高阻抗输出变换为低阻抗输出。压
12、电式传感器的测量电路有电荷型与电压型两种，相应的前置放大器也有电荷型与电压型两种形式。6.压电式力传感器的合理使用：（1）压电元件的串并联7. 压电式传感器应用：压电式加速度传感器、YDS-781型压电式单向力传感器、用压电式传感器测表面粗糙度、压电引信(引爆)、煤气灶电子点火装置。六、 磁电式传感器1.动圈式磁电传感器：又可分为线速度型与角速度型。图3.60表示线速度型传感器工作原理。在永久磁铁产生的直流磁场内，放置一个可动线圈，当线圈沿磁场方向做直线运动时，线圈相对于磁场的的运动速度为，它所产生的感应电动势为 。式中B为磁场的磁感应强度；为单匝线圈的有效长度；N为线圈匝数；为线圈相对于磁场
13、方向的运动速度。2. 磁阻式磁电传感器：一般常用于测量转速、偏心、振动等，产生感应电动势的频率作为输出，而电势的频率取决于磁通变化的频率。七、 热电式传感器1. 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置，不随线圈的振动而振动。2. 热电偶传感器：当两种不同材料的金属导体A和B组成闭合回路，且两个结点温度不同时，回路中将产生电动势，这种现象称为热电效应或赛贝克效应。利用热电效应制成的将温度信号转换为电信号的器件称为热电偶。热电偶产生的热电势EAB(T，T0)由接触电动势和温差电动势两部分组成。接触电动势（又称珀尔帖(peltier)电动势）是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形
14、成的电动势。 温差电动势：实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是两个接点的接触电动势，因而将单一导体的温差电动势忽略不计，则 3.热电偶分度表 为了便于使用，将自由端温度T0取为0，将热电偶工作端温度与热电动势的对应关系列成表格，该表称为热电偶的分度表（参见表3-9）。 4. 热电偶定律5.中间温度定律：热电偶在结点温度为T、T0时的热电动势EAB(T，T0)等于该热电偶在(T，Tn)及(Tn，T0)时的热电动势EAB(T，Tn)与EAB(Tn，T0)之和这就是中间温度定律。6. 参考电极定律(也称组成定律)：如图3.68所示已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T，T0)时的
15、热电动势分别为EAC (T，T0)与EBC (T，T0)，则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)可按下面公式计算： EAB (T，T0) = EAC (T，T0) EBC (T，T0) （4（5（67. 热电偶的测温电路：图3.69 (a)所示为基本测温电路。图3.69(b)所示为测量温差电路。图3.68(c)所示为测量平均温度的并联电路。图3-68 (d)所示为测量平均温度的串联电路。 8. 热电偶的特点：（1）结构简单，制造容易，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制，可按照需要进行配制。（2）因为它的输出信号为电动势，因此测量时，可不要外加电源。输出灵敏度
16、一般为V，室温下的典型输出电压为毫伏数量级。（3）测量范围广，可从2691800。（4）测量精度高，热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。（5）便于远距离测量、自动记录及多点测量。 9. 热电阻传感器：热电阻材料主要是铂、铜、镍、铟、锰等。用的最多的是铂和铜。 （1） 铂电阻：当温度t为0650时，；当温度t为-2000范围内，式中：A、B、C为常数；（2） 铜电阻：特点是价格便宜、纯度高、重复性好、电阻温度系数大，其测温范围为-50+150度，当温度再高时，裸铜就氧化了。10. 热敏电阻：热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。按温度系数可分为负温度系数热敏电阻(NTC)和正温度系数热敏
17、电阻(PTC)两大类。11. 按半导体电阻-温度特性，热敏电阻典型可分为三类：即负电阻温度系数热敏电阻（NTC），正电阻温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度系数热敏电阻（CTR）。12. 热敏电阻的特点：（1）热敏电阻上的电流随电压的变化不服从欧姆定律。（2）电阻温度系数绝对值大，灵敏度高，测试线路简单，甚至不用放大器也可以输出几伏电压。（3）体积小，重量轻，热惯性小。（4）本身电阻值大，适用于远距离测量。（5）制作简单，寿命长。（6）热敏电阻是非线性电阻，但用微机进行非线性补偿，可得到满意效果。13. 热敏电阻的应用：热敏电阻测温、用于温度补偿、用于温度控制。八、光电式传感器1.光电式传感器
18、是将光信号转换成电信号的光敏器件，可用于检测直接引起光强变化的非电量，如光强、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件线度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光电式传感器具有响应快、性能可靠、能实现非接触测量等优点，因而在检测和控制领域获得广泛应用。 2.光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应。 （1）外光电效应：在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射效应。（2）内光电效应：在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生
19、伏特效应。光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量后而引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效应。光生伏特效应：在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起PN结两端产生电动势的现象称为光生伏特效应。3.外光电效应器件：基于外光电效应工作原理制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。4.光电管的结构及原理:光电管由个涂有光电材料的阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡内壁上做成，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央。5.光电倍增管的结构及原理:由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。6.光电导器件
20、：基于光电导效应工作原理制成的光电器件有光敏电阻。7.光敏电阻又称为光导管。光敏电阻的工作原理是基于光电导效应。8.光生伏特器件：基于光生伏特效应工作原理制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池。9.光电耦合器件：光电耦合器（光电隔离器）是利用发光元件与光敏元件封装为一体而构成电光电转换的器件。加到发光器件上的电信号为耦合器的输入信号，接收器件输出的信号为耦合器的输出信号。当有信号电压加到光电耦合器的输入端时，发光器件发光，光敏管受光照而产生光电流，使输出端产生相应的电信号，从而实现了电光电的传输和转换。 10.根据结构和用途的不同，光电耦合器可以分为光电隔离器和光电开关两大类。光电隔离
21、器主要用于实现电路间的电气隔离和消除噪声影响；光电开关主要用于物体位置的检测等场合。 11.光电隔离器主要应用在以下几个方面：（1）将输入与输出端两部分电路的地线分隔开，并各自使用一套电源供电。（2）实现电平转换。（3）提高驱动能力。 12.光电开关是通过把光的强度变化转变为电信号变化，并以此来实现控制的一种电子开关。光电开关以其结构和工作方式的不同，可分为沟式、对射式、反光板反射式、扩散反射式、聚焦式、光纤式等类型。13.电荷耦合器件（CCD）：利用CCD作为转换器件的传感器，称为CCD传感器，或称CCD图像传感器。14.光电式传感器的其它应用：（1）反射式模拟光电传感器；（2）透射式光电传
22、感器；（3）线纹瞄准用光电传感器；（4）脉冲式光电传感器；（5）烟尘浊度监测仪；（6）灯光亮度自动控制器。九、霍尔元件1.霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏式传感器。2.霍尔效应及霍尔元件的命名方法：如图3.108所示在金属或半导体薄片相对两侧面ab通以控制电流I，在薄片垂直方向上施加磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上，即另两侧面cd会产生一个大小与控制电流I和磁场B乘积成正比的电动势UH，这一现象称为霍尔效应。即 ，式中：KH霍尔元件的灵敏度。 ，式中：RH霍尔系数，它反应元件霍尔效应的强弱，由材料性质决定。单位体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强，所以常采用半导
23、体材料做霍尔元件；d霍尔元件的厚度。 对于材料和尺寸确定的元件, KH保持常数，霍尔电势UH仅与I B的乘积成正比。利用这一特性，在恒定电流之下可用来测量磁感应强度B；反之，在恒定的磁场之下，也可以用来测量电流I。当KH和B恒定时, I愈大,UH愈大。同样，当KH和I恒定时，B愈大,UH也愈大。当磁场改变方向时，UH也改变方向。 3. 霍尔元件的技术参数：（1）输入电阻Ri；（2）输出电阻Ro；（3）最大激励电流IM；（4）灵敏度KH；（5）最大磁感应强度BM；（6）不等位电势；（7）霍尔电势温度系数 ；（8）常用霍尔元件及参数。4. 霍尔元件的温度补偿和不等位电势补偿：（1）温度补偿：为了减
24、少由温度变化所引起的温差电势对霍尔元件输出的影响，可根据不同情况，采取一些不同的补偿方法：恒流源补偿；利用输出回路的负载进行补偿；（2）不等位电势补偿。5. 霍尔传感器的应用：（1）简易高斯计；（2）计数装置；（3）霍尔接近开关；（4）霍尔转速表；（5）角位移测量仪；（6）汽车霍尔点火器；（7）纱线定长和自停装置。十、 光纤传感器1.光纤传感器（FOSFiber Optical Sensor）是基于光导纤维的新型传感器2.光纤传感器的组成：包括了光源、光纤、传感头、光探测器和信号处理电路等5个部分。3.光纤传感器的分类：光纤传感器按照光纤在传感器中的作用分为功能型（或称传感型、探测型）（利用光
25、纤本身的传输特性受被测物理量的作用而发生变化）和非功能型（或称传光型、结构型、强度型、混合型）（在这个传感器中，光纤不是敏感元件）两种类型。4.光纤传感器的工作原理：（1）光纤传感器的基本原理 光纤传感器的基本原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质，如光的强度、波长(颜色)、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光，再经光纤送入光敏器件、解调器而获得被测参数。（2）强度调制光纤传感器 如图3.134所示为强度调制型光纤传感器的一般形式。其工作原理是：光源发射的光经入射光纤传输到传感头，经传感头把光反射到出射光纤，通过出
26、射光纤传输到光电接收器。 （3）频率调制光纤传感器频率调制并不以改变光纤的特性来实现调制，光纤往往只是作为传输光信号的介质而非敏感元件。光纤传感器中的频率调制就是利用外界因素改变光纤中光的频率，通过测量光的频率的变化来测量外界被测参数。（4）波长(颜色)调制光纤传感器光纤传感器的波长调制就是利用外界因素改变光纤中光能量的波长分布或者说光谱分布，通过检测光谱分布来测量被测参数，由于波长与颜色直接相关，所以波长调制也叫颜色调制，其原理如图3.136所示。 强制调制光纤传感器（5）相位调制光纤传感器 相位调制光纤传感器的原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术
27、把相位变化转换为光强度变化，从而检测出待测的物理量。（6）偏振态调制光纤传感器偏振态调制光纤传感器的原理是利用外界因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振态的变化来检测各种物理量。5. 光纤传感器的实际应用：光纤压力传感器、光纤温度传感器、光纤声传感器和光纤图像传感器等。 十一、超声波传感器1.通常把振动频率在16Hz以下机械波称为次声波，振动频率在1620kHz之间机械波称为声波，振动频率20kHz以上的机械波称为超声波。2.波的反射和折射3.超声波的波型及其转换当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时，声波的波形也有所不同。质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波；质点振动方向与传
28、播方向垂直的波称为横波；质点振动介于纵波和横波之间，沿表面进行传播的波型称为表面波；根据介质厚度与波长之比与质点振动方式和传播速度的不同，表面波又分为瑞利波和拉甫波。其中，纵波能够在固体、液体和气体介质中传播，而横波、表面波只能在固体介质中传播。4. 只要介质2的声阻抗为介质1和介质3的几何平均值时，则选取介质2的厚度为声波波长的（2n+1）/4时，就能获得声波的全透射。 5. 纵波探头是用于发射和接收纵波，其结构如图3.147所示。他主要是由保护膜、压电晶片、吸收块（阻尼块）、外壳、电器接插件等组成。 1：保护膜；2：压电晶片； 3：阻尼块；4：外壳； 5：电极；6：接地用金属环； 7：导线
29、十二、 微波传感器1. 微波的性质：微波是指波长为1m1mm的电磁波，它既具有电磁波的性质，但却又不同于普通无线电波和光波。相对于波长较长的电磁波，2. 微波的特点：（1）定向辐射的装置容易制造；（2）遇到各种障碍物易于反射；（3）绕射能力差；（4）传输特性好，在传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光等影响很小；（5）介质对微波的吸收与介质介电常数成正比，水对微波的吸收作用最强。3. 微波传感器及其分类：（1）反射式微波传感器；（2）遮断式微波传感器。4. 微波传感器的优点：（1）可以实现非接触测量。因此可进行活体检测，大部分测量不需要取样；（2）检测速度快、灵敏度高、可以进行动态检测与实时处理，
30、便于自动控制；（3）可以在恶劣环境条件下进行检测，如在高温、高压、有毒、有放射线环境条件下工作；（4）输出信号可以方便地调制在载波信号上进行发射与接收，便于实现遥测与遥控。5. 微波传感器存在的问题：主要问题是零点漂移和标定问题，这尚未得到很好的解决。其次，使用的时候外界因素影响比较多，如温度、气压，取样位置等。6. 微波传感器的应用：（1）微波湿度（水分）传感器；（2）微波液位计；（3）微波物位计；（4）微波测厚仪：利用的是传播过程中遇到被测物金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行厚度测量的（遇到障碍物发射速度不变）；（5）微波温度传感器；（6）微波定位传感器；（7）微波多普勒
31、传感器。十三、 红外传感器1. 红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。2. 红外线有以下特点：（1）红外线易于产生，容易接收；（2）采用红外发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本低；（3）红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制；（4）红外线不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作；（5）功率消耗小，反应速度快；（6）对环境无污染，对人、物无损害；（7）抗干扰能
32、力强。3.红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。（1）热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。4.红外线传感器的应用：（1）红外线纸张监控器；（2）被动式红外报警器；（3）红外线遥控鼠标器中的传感器；（4）照相机中的红外线传感器夜视功能。十四、核辐射传感器1.物质都是由一些最基本的物质元素所组成，而组成每种元素的最基本单元是原子，每种元素的原子都不是只存在一种，把具有相同的核电荷数而有不同的质子数的原子所构成的元素称同位素。2.核辐射与物质的相互作用：核辐射与物质的相互作用是探测带电粒子或射线存在与否及其强弱的基础，也是设计和研究放射性检测
33、与防护的基础。核辐射与物质间的相互作用主要包括电离、吸收与反射。3.常用探测器：探测器又称接收器，是通过射线和物质相互作用来探测射线的存在和强弱的器件。探测器一般是根据某些物质在核辐射作用下产生发光效应或气体电离效应来工作的。探测器就是核辐射的接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。其用途就是将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强弱和变化，常用的有电离室、闪烁计数器、盖格计数管、正比计数器、半导体探测器等。4.辐射式传感器的应用：（1）核辐射厚度检测：透射式和反射式；（2）核辐射液位检测；（3）气体流量计；（4）放射性探伤传感器；（5）X射线荧光分析仪。十五、化学传感器1.在实际应用中，
34、气敏传感器应满足：（1）具有小的交叉灵敏度，即对被测气体以外的其他气体不敏感。（2）具有较高的灵敏度和较宽的动态响应范围。（3）性能稳定，传感器特性不随环境温度、湿度的变化而发生变化。（4）重复性好，易于维护等。2.半导体气敏传感器的工作机理：电阻型半导体气敏传感器的工作机理可以用吸附效应来解释。3.图为气体接触N型半导体时所导致的敏感器件阻值变化的情况，根据这一特性，就可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。4.非电阻型半导体气敏传感器工作机理可用半导体导电特性来解释。 5.湿敏传感器：绝对湿度其定义为单位体积空气里所含水蒸气的质量，即6.相对湿度其定义为空气中实际所含水蒸气分压和相同温度
35、下的饱和水蒸气分压的百分比，常用%RH（RH为相对湿度）表示，即7. 湿敏传感器的特性参数：（1）湿度量程；（2）感湿特性；（3）灵敏度；（4）湿度温度系数响应时间；（6）湿滞回线和湿滞回差。8. 半导体陶瓷湿敏电阻导电机理：半导体陶瓷湿敏电阻是由不同类型的金属氧化物材料烧结而成，常见的有系、系、系和系等。其中，前三种的电阻率随着湿度增加而下降称为负湿敏特性；最后一种的电阻率随着湿度增加而增加称为正湿敏特性。图所示为半导体陶瓷湿敏电阻的负湿敏特性。 图所示为半导体陶瓷湿敏电阻的正湿敏特性。 9.离子敏传感器：离子敏传感器是将溶液中的离子活度转换为电信号的传感器。其基本原理是离子识别，利用固定在
36、敏感膜上的离子识别材料有选择性地结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电压的改变，以达到测量的目的。 十六、数字式传感器1.数字式传感器就是把被测模拟量直接转换成数字量输出的传感器。即数字式传感器能够直接将非电量转换成数字量，不需要A/D转换，直接用数字表示。2.数字式传感器的分类：按照输出信号的形式，常用的数字式传感器可分为三类：脉冲输出式数字传感器（如光栅传感器、感应同步器、增量编码器等），编码输出式数字传感器（如绝对编码器等），频率输出式数字传感器。3.编码器：光电式编码器的工作原理（1）增量式编码器：图所示为增量式编码器的结构图。光源通过码盘上有三个码道，由三个光电元件接收，其对应输出Z
37、（零位脉冲）、A（增量脉冲）及B（辨向脉冲）三位脉冲信号。（可测角位移和线位移）（2）绝对式编码器：绝对式编码器将被测角转换成相应的代码，指示其绝对位置，这种编码器是通过读取编码盘上的图案来表示数值的。绝对式编码器光源发射的光线经柱面透镜变成一束平行光，照射在编码盘上。编码盘上有一环环间距不同并按一定编码规律刻画的透光和不透光扇形区，称为码道。图3.193（a）所示为光电式绝对式编码器的码盘，该码盘为四位二进行编码盘， 普通二进制编码盘由于相邻两扇区图案变化时使用中易产生较大误差，因而在实际应用中大都采用图3.193（b）所示的葛莱编码盘。 4. 光电式编码器分辨率的提高方法：（1）倍频法：在
38、增量式编码器中，采用电路细分技术，不改变编码器内部结构，对输出脉冲进行倍频电路处理，以提高分辨率和抗干扰能力。（2）插值法。5. 光栅式传感器（对线位移的测量）：光栅式传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅，主要用于位移测量及与位移相关的物理量（如：速度、加速度、振动、质量、表面轮廓等方面）测量。 6. 光栅：是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等间距的刻线。这些刻线有透明的和不透明，或者是对光反射的和不反射的。7. 光栅式传感器的结构：光栅式传感器主要是由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件等组成。8. 光栅传感器工作原理：（1）莫尔条纹形成的原理：光栅式传感器的基
39、本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的。所谓莫尔条纹是指把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合（片间留有很小的间隔），并使两者栅线（光栅刻线）之间保持很小夹角，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹。横向莫尔条纹的斜率为：9.横向莫尔条纹（宽带与暗带）的间距为10.莫尔条纹的特性：（1）运动对应关系：莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和位移方向有着严格的对应关系。（2）位移放大作用：由上式可知莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为 （3）减小误差作用：莫尔条纹是由光栅的大量栅线（常为数百条）共同形成的，对光栅的刻线误差有平均作用，从而能在很大程度上消除栅距的局部
40、误差和短周期误差的影响。11. 光栅辨向原理：为了能够辨向，应当在相距四分之一条纹间距的位置上设置两个光电元件1和2，以得到两个相位互差的莫尔条纹正弦信号，然后送到辨向电路中处理。12. 细分技术：常用的电子细分有直接细分法、电阻电桥细分法和电阻链细分法三种。13. 光栅传感器的应用：（1）长度和角度的精密测量；（2）复合参数测量；（3）数控机床的伺服系统、数控系统的位置检测；（4）其他物理量的检测。如速度、加速度、振动、应力、应变、三维面形的检测等。 14. 磁栅式传感器：磁栅式传感器是用于线位移（长度）测量的一种传感器，其加工工艺比较简单。15. 容栅式传感器：优点：具有结构简单、体积小、
41、能耗低、适应环境能力强、测量精度高等优点。16. 分类：容栅式传感器分为长容栅传感器和圆容栅传感器两种。17. 根据电场理论其最大电容量为： 。十七、 生物传感器1.生物传感器是利用各种生物或生物物质（是指酶、抗体、微生物等）作为敏感材料，并将其产生的物理量、化学量的变化转换成电信号，用以检测与识别生物体内的化学成分的传感器。2.生物传感器按敏感元件分类：十八、 智能式传感器1.智能传感器作为一种新型传感器发展起来。它是基于人工智能、信息处理技术实现的具有分析、判断，量程自动转换，漂移、非线性和频率响应等自动补偿，对环境影响量的自适应，自学习以及超限报警、故障诊断等功能的传感器。 2.智能传感
42、器的特点：（1）精度高；（2）可靠性与高稳定性强；（3）高信噪比与高分辨率；（4）自适应性强；（5）性能价格比高。3.智能传感器的应用：（1） ST-3000系列智能压力传感器；（2）固体图像传感器：固体图像传感器主要有三种类型：第一种是电荷耦合器件(CCD)；第二种是MOS图像传感器，又称为自扫描光电二极管阵列(SSPA)；第三种是电荷注入器件(CID) 。4.智能传感器源程序流程图十九、微型传感器 1.MEMS技术与微型传感器、压电式微型传感器、电容式微型传感器、电容式微型传感器、热敏电阻微型传感器、隧道效应式微型传感器。2.MEMS（Micro Electro-Mechanical Sy
43、stem）通常称微机电系统，在欧洲和日本又常称微系统（Micro System）和微机械（Micro Machine），是当今高科技发展的热点之一。1994年原联邦德国教研部（BMBF）给出了微系统的定义，即：若将传感器、信号处理器和执行器以微型化的结构形式集成一个完整的系统，而该系统具有“敏感”、“决定”和“反应”的能力。 3.与一般传感器比较，微传感器具有以下特点：（1）空间占有率小。（2）灵敏度高，响应速度快。（3）便于集成化和多功能化。（4）可靠性提高。（5）消耗电力小，节省资源和能量。（6）价格低廉。3.压阻式4.隧道效应式微型传感器：当探针与检测电极间距离接近于纳米量级时，电子便会穿过两电极间的势垒，形成隧道电流，其所产生的遂道电流与电极间距S之间关系为 二十、模糊传感器1. 模糊传感器的基本功能：模糊传感器作为一种智能传感器，它应该具有智能传感器的基本功能，即学习、推理、联想、感知和通信功能。 二十一、网络传感器1. 网络传感器是指传感器在现场级实现网络协议，使现场测控数据就近登陆网络，在网络所能及的范围内实时发布和共享。2. 网络传感器主要是由信号采集单元、数据处理单元及网络接口单元组成。3. 网络传感器的类型：（1）基于现场总线的网络传感器；（2）基于以太网络的网络传感器。4.无线通信方式主要采用Wifi（IEEE802.11）、蓝牙和ZigBee等三种标准。