传感器 考点总结
传感器的基本特性
传感器输入和输出的关系特性
静态特性：被测量不随时间变化（直流）
测量范围
每个传感器都有一定的测量范围，如果超过了这个范围进行测量时，会带来很大的测量误差，甚至于将其损坏。
线性度
线性度是用来表示实际曲线与拟合曲线接近程度的一个性能指标。
比较传感器线性度好坏时必须建立在相同的拟合方法上。
迟滞
在相同工作条件下进行全测量范围测量时正行程和反行程输出的不重合程度称为迟滞或滞后。
重复性
用于描述在同一工作条件下输入量按同一方向在全测量范围内连续多次重复测量所得特征曲线的不一致性。
灵敏度
分辨率
描述传感器可以感受到的被测量最小变化的能力。
温度稳定性
动态特性：被测量随时间变换（交流）
阶跃响应
温度传感器
热敏电阻
热敏电阻是用某种金属氧化物为基体原料， 加入一些添加剂，采用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的电阻器。
电阻温度系数比金属的大很多
分为三种类型：正温度系数PTC、负温度系数NTC、临界温度系数CTR。
PTC热敏电阻
正温度系数，阻值随温度的升高而增大。
突变型：$R_T=R_0e^{AT}$
缓变型：$R_T=A+BT$
NTC热敏电阻
负温度系数，阻值随温度的升高而降低。
CTR热敏电阻、
负温临界热敏电阻，在某一温度附近电阻值发生突变。
负温临界热敏电阻在某一温度附近电阻值发生突变，在狭小的温度范围，阻值随温度增加/降低3-4个数量级。
热电偶
利用两种不同金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的传感器为热电偶。
基本原理
热电效应
把两种不同的金属组合闭合回路，且使其两触点处温度不同，回路中就会产生电流，这种现象称为热电效应。
帕尔贴效应
同温度的两种不同金属相互接触，由于金属内自由电子密度不同，在接触面附近产生一个稳定电势叫帕尔贴电势。
汤姆逊效应
一均匀介质棒两端温度不同，导体的高、低温端有温度梯度，高温端自由电子有较高动能向低温端扩散，形成内建电场，内建电场的产生又使电子由低温端向高温端漂移，当扩散和漂移达到动态平衡时，两端的电势差叫汤姆逊电势。
基本定律
均质导体定律
两种均匀金属组成的热电偶的电势大小与热电极的直径、长度及长度方向上的温度分布无关， 与材料和温度有关。
如果材料不均匀，将会产生无法估量的附加电势差。
标准电极定律
两种金属组成热电偶电势可以用它们分别与第三种金属组成热电偶电势差来表示。
工程上常以铂、铜为标准电势。
中间导体定律
在热电偶参考端接入第三种均匀导体，只要保证其两端温度大小，则不影响原来的回路热电势值。
中间温度定律
热电偶接点温度$T/T_0$，其热电势等于热电偶接点温度为$T/T_n$和$T_n/T_0$相应热电势的代数和。
光敏传感器
光敏传感器能对光信号的变化做出迅速反应，并将光信号转变为电信号，将光能转换为相应的电能。
光敏传感器种类
光电效应传感器
外光电效应及器件
在光照射下，某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应，也成光电发射效应。“光照产生光电流”
①. 光电发射二极管
检测装置中发射电子的极板为阴极，吸收电子的极板为阳极，且将两者封于同一壳内，连上电极（正偏），就成为光电二极管。
②. 真空光电二极管
将一个阳极和一个阴极同装于一个真空玻璃壳内，引出两个电极就构成一个真空光电二极管。
③. 充气光电二极管
结构与真空光电二极管类似，只是管壳内充有低压惰性气体（氩，氖）。
特点：光电流随偏置电压增加而增大；
优点：灵敏度高，加大电压提高光电流；
缺点：稳定性差，频率特性差。
④. 光电倍增管
倍增效应：具有足够动能的电子轰击倍增极时，该倍增极表面将有电子发射，称二次电子发射。
内光电效应及器件
光照射半导体材料时，材料吸收光子而产生电子-空穴对，使导电性能加强，电导率增加，这种光照后导电率发生变化现象为光电导效应，又称为内光电效应。“光照改变阻值”
①. 光敏电阻
光敏电阻是利用光敏材料的内光电效应制成的光电元件。
光生伏特效应传感器
利用光照射半导体材料PN结后，在PN结两端产生电动势（可用作电压源）的光生伏特效应现象，可以制作光生伏特效应器件。“光照产生电动势”
①. 光电池
光电池是将光能转换成电能的能量转换器件，这类器件有发电机的性质，具有电动势和电阻。
②. PIN光电二极管
在P区和N区间有一厚厚的本征层I区，形成PIN结构。
③. 雪崩光电二极管
雪崩光电二极管是利用PN结加上高的反向偏压，发生的雪崩效应而获得电流增益的光电器件。
④. 光电三级管
工作原理：光电二极管光电转换，三极管光电流放大。
⑤. 光敏场效应管
从原理上可看作是光敏二极管与高输入阻抗和低噪声的场效应晶体管的组合。
红外热释电光敏传感
基本原理
光照铁电晶体，吸收产生温度变化导致材料自发极化变化。温度因吸收红外光上升极化强度减小，释放电荷产生电流，称为热释电现象。
热释电传感器
双元型红外传感器
结构：
①. 滤光窗：抗其他光源的干扰，仅对人体发出的红外线最敏感。
②. 菲涅尔透镜：透镜组每个单元对应一个视场，相邻视场不连续，形成交替变化的盲区和亮区，使敏感单元温度不断变化。作用是提高探测半径。
③. 敏感元件：按极化方向相反串联，一个用于红外检测，一个镀红外反射膜用于噪声补偿。作用为环境温度补偿和运动方向判断。
固态图像传感器
电荷耦合器件（CCD）
Charge-coupled Device
CCD是一种以电荷包的形式存储和传递信息的半导体表面器件。
CCD上植入的微小光敏物质称作像素。
CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。
CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
CCD是在MOS结构电荷存储器的基础上发展起来的，一个MOS电容器是一个光敏元，可以感应一个像素点，一个图像就需要同样多个光敏元，即传递一幅图像需要由许多MOS元大规模继承的器件。MOS电容的电荷存储和转移原理是通过在电极上加不同的电压实现的。
光波干涉技术
基本原理
通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，再通过光电探测器进行检测。
干涉：指满足一定条件的两列相干波相遇叠加，在叠加区域某些点的振动始终加强，某些点的振动始终减弱，即在干涉区域内振动强度有稳定的空间分布。
四种干涉结构
迈克尔逊干涉法
激光器输出的单色光由分束器分成光强相等的两束光，其中一束射向固定反射镜，然后反射回到分束器，另一束光入射到可移动反射镜上然后反射回到分束器，两束光会合后产生干涉。
马赫-泽德干涉法
激光器输出的光束先分后合，两束光由可移动反射镜的位移引起相位差，并在光探测器上产生干涉。
优点：没有或很少光返回激光器，不会造成激光器的不稳定
萨古纳克干涉法
激光器输出的光由分束器分成反射和透射两部分，这两束光由反射镜的反射形成两个传播方向相反的闭合回路，然后在分束器会合后送入光探测器。
法布里-泊罗干涉法
干涉仪由两块高反射、平行放置的反射镜组成。由激光输出的光束入射到干涉仪，在两个相对的反射镜表面多次往返，形成多光束干涉后，透射出去的平行光束由光探测器接收。
光学测速计算
多普勒效应
假设波源、观察者的运动在同一直线上
- 波源相对于介质的运动速度为$V_s$
- 观察者相对于介质的运动速度为$V_R$
- 波在介质中传播的速度为$u$
- 波源的频率$f_s$（单位时间内波源振动的次数或发出的完整波数）
- 观察者接收到的频率$f_R$（是观察者在单位时间内接收到的振动数或完整波数）
①. 相对于媒质、波源和观察者都不动的情况
波长$λ_0$是波源相对于媒质静止时，单位时间波在媒质中传播的距离。
②. 波源不动，观察者以速度$v_R$相对于介质运动
③. 观察者不动，波源以速度$v_s$相对于介质运动
④. 观察者和波源同时相对于介质运动
⑤. 如果波源和观察者是沿着它们连线的垂直方向运动，则$v_s=v_R$，即没有多普勒效应发生。
如果波源和观察者的运动是任意方向的，只要将速度在连线上的分量代入公式即可。
电磁波的多普勒效应
电磁波（光波）可以在真空中传播，真空中不存在介质，只需要考察光源与观测者之间的相对运动，需要根据相对论确定其多普勒效应的频率变化关系。
