传感器原理及其应用第一章传感器的一般特性1） 信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，是现代信息产业的三大支柱2） 传感器又称变换器、探测器或检测器，是获取信息的工具广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号 输出的器件和装置狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件国家标准（GB7665-87）：定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信 号的器件或装置3） 传感器的组成：敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件 转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输 出4） 传感器的静态性能指标（1） 灵敏度定义：传感器输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度① 纯线性传感器灵敏度为常数，与输入量大小无关：②非线性传感器灵敏度与x有关2） 线性度定义:传感器的输入-输出校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏离与传感器满量程输出 之比，称为传感器的“非线性误差”或“线性度”线性度又可分为：① 绝对线性度：为传感器的实际平均输出特性曲线与理论直线的最大偏差。
② 端基线性度：传感器实际平均输出特性曲线对端基直线的最大偏差端基直线定义：实际平均输出特性首、末两端点的连线③ 零基线性度：传感器实际平均输出特性曲线对零基直线的最大偏差④ 独立线性度：以最佳直线作为参考直线的线性度⑤ 最小二乘线性度：用最小二乘法求得校准数据的理论直线3）迟滞定义：对某一输入量，传感器在正行程时的输出量不同于其在反行程时的输出量，这 一现象称为迟滞即：传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞迟滞特性也“刃廈吁程的的t重3!性懾差4）重复性定义：在相同工作条件下，在一段短的时间间隔内，同一输入量值多次测量所得的输出之间相互偏离的程度5）稳定性 稳定性有两个指标：① 测量传感器输出值在一段时间中的变化，以稳定度表示；② 传感器外部环境和工作条件变化引起输出值的不稳定，用影响量表示 在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移第二章 电阻应变式传感器及应用1） 金属电阻应变片工作原理是基于金属的应变效应金属丝的电阻随着它所受的机械形变 （拉伸或压缩） 而发生相应的变化的现象成为金属的电阻应变效应2） 单根导电丝的灵敏系数k = = 1 + 2 卩 +兀 E0 £物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。
K0 由两部分组成：前一部分（1+2Q：由材料的几何尺寸变化引起，一般金属尸0.3,因此（1+2Q -1.6；Ap / p后一部分 ：电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）Al /l金属材料以前者为主，半导体以后者为主半导体灵敏度要比金属大50~100倍 3：金属电阻应变计的的灵敏度系数 AR = K £R式中： K 为灵敏度系数4）应变计的灵敏度K恒小于金属线材的灵敏度的原因：（ 1）粘合剂、基底传递衰减;（2）存在横向效应5：金属电阻应变计的其他特性参数（1： 应变极限：粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值 2：零漂和蠕变： 零漂：恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在不承受载荷的条件下，电阻随时间 变化的特性称为应变计的零漂蠕变：力不变，时间变化，输出变化6：电桥补偿法 ——常用且效果较好的温度补偿法① 工作应变片贴在试件上，补偿片贴在相同材料的补偿件上，补偿件不受力，并接入电 桥相邻臂补偿件与被测件处于完全相同的温度场内② 工作片、补偿片贴在同一试件上，但补偿片不受力作用③ 工作片、补偿片贴在同一试件上，但两者感受的应变符号相反7） 电阻应变式传感器测量电路一）直流电桥的特性方程及平衡条件U = U —U = U •ab a bRR —R R1 4 2 3(R + R ) • (R + R )1 2 3 4平衡时有RR -RR二0，称为直流电桥平衡条件。
1 4 2 3二）直流电桥的电压灵敏度AR根据桥臂上应变片布置情况，全等臂直流电桥又分为单臂、双臂、全桥情况①单臂电桥：USCU A RT'R②双臂电桥：UARU•scTR③ 全臂电桥：sc灵敏度比较：全桥灵敏度最高；双臂工作的差动电桥灵敏度次之；单臂电桥灵敏度最低 8）应变式传感器应用1、柱（筒）式力传感器① 如何粘贴应变计？一般将应变计对称地贴在应力均匀的圆柱表面的中间部分② 横向粘贴的应变计作用：温度补偿，提高灵敏度2、 ①悬臂梁式传感器c 6 Fl8 = =E bh 2 E②应变片桥路连接方法:2③应变片桥路连接信号输出：U 二U AR二Uk8sc R9） 例题：一台采用等强度梁的电子称，在梁的上下两面各贴有两片电阻应变片，做成称重 传感器已知：L=100mm, b0=11mm, h=3mm, E=2.1 X 104N/mm2, K=2,接入直流四臂差 动电桥，供桥电压 6V求(1)其电压灵敏度(Ku=UO/F)2)当称重0.5kg时，电桥的输出电压U0为多大?P =解：等强度梁受力F时的应变为 —h 2 b E0当上下各贴两片应变片，并接入四臂差动电桥中时，其输出电压：U =匕 K4 = KU 6Fl0 4 i h2b E则其电压灵敏度为“ Uo “ ）小 06x100x6K〃— o - K 1 — 2 xF h2bE 32 x11x 2.1X104=3.463x10-3 (V/N)=3.463(mV/N)当称重 F=0.5kg=0.5x9.8N=4.9N时，输出电压为U =K F=3.463x4.9=16.97(mV)10)例题：以阻值R=120Q，灵敏度系数K=2.0的电阻应变片与阻值120Q的固定电阻组成 电桥，供桥电压为3V,并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为2憾和2000陆时，分 别求出单臂、双臂和全臂差动电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。
解：依题意三差动:= ^kE=-x2-0x£ =2 2（£7=2 Uf）灵敏度:L^/4=1.5xW-45（r//fff）=（单臂｝Gtq / 2=3x10"° （P / 严）』差动｝可见，差动工作时，传感器及其测量的灵敏度加倍第三章电感式传感器及其应用1) 电感式传感器是以电和磁为媒介，利用电磁感应原理，利用磁路磁阻变化引起传感器线圈 的电感(自感L或互感M)变化来检测非电量的机电转换装置分类： 电感式： L变化差动变压器式： M变化电涡流式：L、M变化2） 自感式传感器改善非线性：-^< 1,构成差动式自感传感器3） 自感式传感器提高灵敏度：减少初始极距（气隙），构成差动式自感传感器4） 自感式传感器的测量电路① 交流电桥门 U ALU U ―AC 0 2 L0AL而厂0AS所以叮U A5-AC2可见电桥输电压出与a5有关②变压器电桥初始 Z1=Z2=Z，电桥平衡，U0=0衔铁上移，设Z1=Z+AZ, Z2=Z- A Z,则U AZU ALTT"同理衔铁下移时“ U AZ U ALo5）电涡流式传感器由法拉第电磁感应原理知:一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。
根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器; 电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量； 形成电涡流必须具备两个条件：① 存在交变磁场② 导电体处于交变磁场中6）电涡流式传感器工作原理当传感器线圈通以正弦交变电流订时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1,金属板在此交变磁场中会产生感应电流i2（在金属体内是闭合，称之为“涡电流”或“涡流”）i2又产生新的交变磁场H2H2的作用将反抗原磁场H1,导致传感器线圈的等效阻抗发生 变化线圈阻抗的取决于被测金属导体的电涡流效应7）有一差动电感位移传感器，已知电源电压Usr=4V, f=400HZ, 传感器线圈电阻与电感量分别为R=40Q, L=30mH,用两只匹配 电阻设计成四臂等阻抗电桥，试求：（1） 匹配电阻的值（2） 当厶Z=10时，分别结成单臂和差动电桥后的输出电压值Z3Z4UseUsr⑴线圈感抗 XL=ttL=2?t扎二"％400汨0幻0-3=75.4 （Q）线圄的阻抗 z = ^jR- +Xl2 = a/40- +75.42 = 85.4（Q） 故其电桥的匹配电阻R厂R广ZT5.4 （Q）⑵当AZFOG时，电桥的输出电压分别为 单臂工作，等弓甞^0,11即） 双臂差动工作：= = 0234（1"）2 Z 2 85.48）本章要点：① 自感式、互感式传感器的结构组成、工作原理、性能特点及其应用② 电涡流式传感器的工作原理、结构组成及其应用 第4章电容式传感器1） 定义：利用电容器的原理，将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器件。
2） 工作原理：c = £ S—~d在d、s和&三个参数中，保持其中两个不变，改变另一个参数就可以使电容量C发生改变3） 三种基本类型：变极距（变间隙）（d）型；变面积型（S）型；变介电常数（&）型4） 试计算习题4—2图所示各电容传感元件的总电容表达式解：由图可见（1）三个电容串联8 S—1—d1 1dd 21 +C C C C 8 S 8 S串 12 3 1 2d 8 8 + d 8 8 + d 8 8=1 2 3 2 1 3 3 1 28 8 8 S1 2 38 8 8 S1 2 3 = + +C2厂8 SC = 3dd+ 3 8 S3串 d 8 8 + d 8 8 + d 8 81 2 3 2 1 3 3 1 2d / 8 + d / 8 + d / 81 1 2 2 3 3(3)柱形电容器(2)两个电容器并联+ C = 2C =22脫LIn (d / d )2 14、在压力比指示系统中采用差动式变间隙电容传感器和电桥测量电路，如习题图4-3所示已知：§0=0.25mm； D=38.2mm； R=5.1kQ； Usr=60V(交流)，频率 f=400Hz试求:(1)该电容传感器的电压灵敏度Ku (V/gm)；(2)当电容传感器的动极板位移△§=10gm时，输出电压Use值。
園定电扱 活动电根 固定电根舔 由传感器结构吱耳测量电路可知(1)初始电容4xO.25xlO-J8.85x 10_1J x^x(3g.2xl0_5y=40.6 x 10~12(F } = 40.6 pF1 _ 12贰心 ~ 2^-x 400 x 斗= 9.8xlO6(Q)» R( = 5.1kQ.)则AC ui 乙02 Q 2从而得rr rj 百K = ― =— = = 120V/mm= 0.12『丿次"& 2(50 2x0.25(2) UO = Ku Ad=O.12\//p.mxlOpm=1.2V第五章压电式和超声波传感器及其应用1) 简述压电效应及电致伸缩效应答①(正)压电效应：a某些晶体，当沿着一定方向受到外力作用而变形时，内部产生 极化现象，而在其表面产生电荷；b当去掉外力后，又重新回到不带电状态；e当作用力方 向改变，电荷的极性也随着改变；d晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比；e当动 态力变为静态力时，电荷将由于漏电而很快泄漏、消失② 电致伸缩效应:对晶体施加外电场时，晶体本身产生机械变形的现象称为逆压电效应 又称电致伸缩效应2) 简述石英晶体内部存在的3种正压电效应(1) 纵向压电效应当晶体材料受到X方向压力时，在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生 压电效应，称为纵向压电效应。
纵向压电效应使晶面产生的电荷量和外力成正比而与晶片几 何尺寸无关2) 横向压电效应当晶体受到沿Y方向施加的压力时，电荷仍在垂直于X轴的平面上出现，称为横向压电效应电荷量不仅与的力大小有关，也与晶片的几何尺寸有关(3) 切向压电效应当沿晶片相对两平面施加外力时，晶体表面便产生电荷，这种现象称为切向压电效应3) 压电式传感器等效电路和测量电路① 压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也是一只平行极板介质电容器② 为什么压电传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量？答：(1)3=0 (静态量)，Uim/Uam=0 (输入电压为零)，由于电荷泄漏，所以不能测量 静态量；(2)3/ 30 >>3 (高频情况)，Uim/Uam^ 1，实际接近理想，^0 —定，3越高， 高频响应越好③ 分析对比电压放大器和电荷放大器的电路特点，指出电荷放大器的最主要优点？答: (1)电压放大器：电路简单、元件少、体积小；电路可靠、价格低；电缆长度有限(1.2m),不能更换；(2)电荷放大器电荷放大器输出与电缆电容无关(电缆长达1km,电缆可更换)第7章 热电式传感器及其应用1) 两种不同的导体A和B串接成图示闭合回路，当两个接触端存在温差T>T0时，回路 中就有电流产生，即回路中会产生热电势，这种现象叫做热电效应。
2) 结论(4点)：(1)热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的 长度、粗细无关2)只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会 产生热电势 3)只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产 生4)导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关这就是利用热电偶测 温的原理3) 热电偶基本定律(1) 均质导体定律：两种均质金属组成的热电偶的电势大小只与热电极材料和温度有关2) 中间导体定律：在热电偶回路中接入另一种导体称中间导体C,只要中间导体的两 端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响3) 连接导体定律［E (T,T ,T) = E (T,T) + E—(T ,T)ABA'B' n 0 AB n A'B' n 0(4) 中间温度定律 E (T,T ,T ) = E (T,T ) + E (T ,T )AB n 0 AB n AB n 04) 热电偶温度补偿 方法，测量出热电偶自由端的温度T严由热电偶分度表査 E^（TnRO） f Egfre尸 EWlVrj + E^（TnRfl） f 再由热电 偶分度表査出被测介质的真实温度口例：用K型（银辂一银硅）热电偶测炉温，参考端温度匚= 归D 由热电偶分度表查得EAB（30TCt O1C） = 1.203m Vt若测 潯Eg" 30 V：） = 28.344mV,则可得E ^fT.O尸 E卫（T，30十 EpGOTC』）=2S.344mV+1.203m V =29.547mV.再查分度表可知T=710
2） 外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管、光电摄像管等3） 内光电效应：当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象 常见器件：光敏电阻4） 光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象常见器件：光敏二极管、三极管、光电池等第十章磁敏传感器及其应用1）霍尔电势：U 二VBWH2）霍尔系数RH和霍尔灵敏度KH,那么：广U3）为什么霍尔组件用半导体薄片制成?①根据Kr减少厚度可以提高灵敏度②根据R二pa ,p和卩都大的材料适合制造霍尔组件（获得较大的霍尔电压）金属导体 H的载流子迁移率很大，但电阻率低（或自由电子浓度n大）；绝缘体电阻率很高，但载流子迁 移率低因此，金属导体和绝缘体均不能成作霍尔组件材料，只有半导体可以作为霍尔组件 的材料4） 不等位电势和不等位电阻产生原因：① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；② 材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等5） 霍尔组件的测量误差的主要来自于温度误差和零位误差 第11章 气体传感器及其应用如何提高半导体气敏传感器的气敏选择性？① 改变传感器的外在使用条件和材料的物理及化学性质来实现。
② 改变氧化物传感器的工作温度③ 使用过滤膜，同时选择适合的催化剂部分重要题目：1）图示低频透射式涡流厚度传感器，在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1,在被测金 属板下方设有接收传感器线圈L2,简述其测厚度原理 _当在L]上加低频电压5时，则L] "二目「上产生交变磁通①若两线圈间无 一鉀叽菱金属板，则交变磁场直接耦台至L? / /中」2产生感应电压U-如果将被 测金属板放入两线圈之间，则L1线 匚回匚圈产生的磁通将导致在金属板中产 生电涡流口2） 一应变片的电阻R0=120Q, K=2.05，用作应变为800 u m/m的传感元件，试求：（1）AR与AR/R （2）若电源电压Usr=3V，求电桥的输出电压Use3） 3•—电阻应变片的灵敏度系数k=2，阻值R=120设工作时其应变为1000皿，问其 电阻变化为多少？。