河北科技大学传感器与检测技术自动化专业课程重点总结附定义与例题讲解

1、?传感器功能：检测和转换。 基本部分 敏感元件转换元件信号调节与转换电路 辅助电源 被测量输出 图1.2 传感器的组成 弱 信 号 传感器的分类： 按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等。 按传感器的输出量进行分类 ：模拟式和数字式。 按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型。 按传感器的工作原理进行分类 ：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传 感器等。 按传感器的能量变换关系进行分类：有源（能量控制型）、无源（能量变换型）。 传感器特性：静态特性、动态特性 静态特性：在稳态信号作用下的输入输出关系。不含有时间变量。 动态特性是指传感器对动态激励（输入

2、）的响应（输出）特性，即其输出对随 时间变化的输入量的响应特性。 通常固有频率n至少应大于被测信号频率的 35 倍, 即n(35) 漂移：传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。 产生原因： 1.传感器自身结构参数老化 零点漂移：一个恒定的输入在规定的时间内的输出在标称范围最低值处、 即零点的变化。 2.测试过程中环境发生变化 温漂：一个恒定的输入在不同的环境温度下的输出变化 传感器的标定是利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定 和标度；它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定出不同 使用条件下的误差关系或测量精度。 传感器的校准是指对使用或储存一段时间后的

3、传感器性能进行再次测试 和校正，校准的方法和要求与标定相同。 在国内，标定的过程一般分为三级精度：国家计量院进行的标定是一级精度的标 准传递。在此处标定出的传感器叫标准传感器，具有二级精度。用标准传感器对 出厂的传感器和其他需要校准的传感器进行标定，得到的传感器具有三级精度， 这就是我们实际测量时使用的传感器。 应变 ：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。 弹性应变： 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变。 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。 电涡流效应指的是这样一种现象：根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置 于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运

4、动时，通过导体的磁通将发生变化， 产生感应电动势。该电动势在导体表面形成电流并自行闭合，状似水中的涡流， 称为电涡流。电涡流只集中在金属导体的表面，这一现象称为趋肤效应。 f h r ? ? 0 ? 电涡流的贯穿深度： 式中, f 为线圈激磁电流的频率； r为导体材料的相对磁导率； 0为真空磁导率； 为导体材料的电阻率。 可见频率越高，电涡流渗透的深度就越浅，趋肤效应也就越明显。 振幅测量 用多通道指示仪输出至记录仪，在 轴振动时获得各传感器所在位置的 瞬时振幅，因而可测出轴的瞬时振 动分布形状。 转速测量 当旋转时，传感器将产生周期性 的脉冲信号输出。用频率计测出 其频率，从而计算出其转速。

5、 电容式传感器可分为：变极距型、变面积型、变介质型 电容传感器做成差动结构后，灵敏度提高了一倍，而非线性误 差转化为初始间隙d0二次方关系而得以大大降低。 电容式压力传感器 LH HL LH CC K PP CC K P ? ? ? ? = （） = 外壳 金属镀层 （定极板） 凹形玻璃 膜片 （动极板） 过滤器 L C H C L P H P LH LH CC CC ? ? 与差压成正比 ，且与介电常数无关，从 而实现了差压到电容的转换而实现了差压到电容的转换。 挡被测压力作用于膜片并使之产生位 移时，使两个电容器的电容量一个增 加一个减小，该电容值的变化经测量 电路转换成电压或电流的输出，

6、它反 映出压力的大小映出压力的大小 电容式加速度传感器 2 000 2 Cdat Cdd ? ? 00 2 Cd Cd ? ? 2 1 2 Sdat? ? 根据差动平板电容的分析结论有 (1) 根据位移与加速度的关系 (2) 将 (2)式代入(1)式得 电容增量正比于被测加速度a 。 壳 体 固定电极 C1 C2 输 出 端 d1 d2 弹簧 质量块 绝缘垫 当传感器壳体随被测对象在垂直方向做直线加 速运动时，质量块因惯性相对静止，因此将导 致固定电机与动极板间的距离发生变化，一个 增加另一个减小 例题1： 一个以空气为介质的平板电容式 传感器结构如下所示，其中a=10mm， b=16mm，两

7、极板间距d=1mm。测量时， 若上极板在原始位置（x=0mm）向左平 移了2mm（即x=2mm ），求该传感器 的电容变化量、电容相对变化量和位移相 对灵敏度K0。 （已知空气的相对介电常数r=1F/m，真空时的介电常数0=8.85410- 12F/m ） 解：电容式传感器的电容量 ， 则初始电容量 平移之后的电容量 0r S C d ? ? 00 0 0 rr Sab C dd ? ? ? ? 00 () rr abax b C dd ? ? ? ? 0 0 1233 3 13 8.854 101 2 1016 10 1 10 2.83 10 r xb CCC d F ? ? ? ? ? ?

8、 ? ? ? ? ? ? (1) 电容的变化量为 即电容减小了 13 2.83 10F ? ? 0 0.2 Cx Ca ? ? (2) 电容的相对变化量为 (3) 位移的相对灵敏度为 0 0 1 100 C C K xa ? ? ? ? 试推导图所示变电介质电容式位移传感器的特性方程试推导图所示变电介质电容式位移传感器的特性方程C=f(x)。设真 空的介电系数为 0, 21 ，以及极板宽度为W。其他参数如图 所示。 解： ? ? ? ? ?xw dd wxl C 10 2010 21 2 0 ? ? ? ? 解： 1） 2）S1*S2*C=100*5*0.01=5格格 PF01.0 3 .0/

9、10*21 3 .0/10*2 *48.1 /1 / PF48.1 10*3.0 )10*4(*1085.8 3 3 0 0 0 3 23122 0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? dd dd CC d r d S C ? 一一电容测微 仪仪，其 传感 器的圆 形极 板半径 r=4mm ，工 作初 始间 隙隙 d=0.3mm，介电常数=8.8510-12F/m，试求：，试求： 1)工作中，若传感器与工件的间隙减小量工作中，若传感器与工件的间隙减小量d=2m, 电容变化量是多少电容变化量是多少? 2)若测量电路的灵敏度若测量电路的灵敏度S1=100mv/PF, 读数仪表的灵敏

10、度读数仪表的灵敏度 S2=5格格/mv, 当当 d=2m,时，读数仪表示值变化多少格? 压电效应特点： ?结构简单、体积小、重量轻； ?工作频带宽；灵敏度高；信噪比高； ?工作可靠；测量范围广等。 压电效应用途： 主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等， 它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。 居里点：当温度升高到一定程度后，材料的压电特性将消失，这个有无 压电特性的温度拐点称为居里点。 前置放大器有电荷放大器和电压放大器两种 ?压电式传感器不能用于测量静态量。 压电元件的连接与变形 (a) 同极性粘结(b) 不同极性粘结 粘结剂 粘结剂 图a从电路上看，

11、这是并联接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下 正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相 同。图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、 下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了 1 倍。 ? 热电偶产生的热电动势大小取决于材料和接点温度，与形状、尺寸 等无关； ? 两热电极相同时，总电动势为0； ? 两接点温度相同时，总电动势为0； ? 热电偶在接点温度为t1、t3时的热电动势等于此热电偶在接点温度为 t1、t2与t2、t3两种不同状态下的热电动势之和，即 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 131223 1223

12、13 , , ABABAB ABABABAB ABAB Et tEt tEtt EtEtEtEt EtEt ? ? ? () ML MLHL HL EE tttt EE ? ? ? tM为被测温度值；tH为较高的温度值；tL为较低的温度值； EM 、EH和EL分别为温度对应的热电动势。 分度表公式： ?当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差， 这一现象被称为霍尔效应。 微位移的测量 （ a）测量原理（b）输出特性 S NN S z ?z ? z 霍尔元件 H U Z? 原理懒得打了，自己写。 中间温度定律 EAB(t, t0)=EAB(t, tc)+EAB(tc,

13、t0) 在热电偶测温回路中， tc为热电极上某一点的温度，热电 偶AB在接点温度为t、t0时的热电势EAB(t, t0)等于热电偶AB在接 点温度t、tc和tc、t0时的热电势EAB(t, tc)和EAB(tc, t0)的代数和，即 1.热端为热端为100，冷端为，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为 2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，则镍铬和考铜组成 的热电偶所产生的热电动势应为： 2.95-(-4.0)=6.95(mV) 2.已知冷端温度t0=30，测得热电势，测得热电势EAB(t, t0)为为39.17

14、mV, 求加热炉温度。求加热炉温度。 查镍铬查镍铬-镍硅热电偶分度表得EAB(30,0)=1.203mV。 可得可得 EAB（t, 0）= EAB(t, t0)+EAB(t0, 0)=39.17+1.203=40.373mV 再从表中查得E(970,0)=40.096mV，E(980,0)=40.488mV。 然后利用内插法计算得实际温度为977。 40 37340 096 970(980-970)=977 40 48840 096 . t . ? ? ? 测量两点间温度差（反向串联） 102012 ( , )( , )( , ) TABABAB EEt tEt tEt t? 特殊情况下，热电

15、偶可以串联或并联使用，但只能是特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是 同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶 正向串联，正向串联， 可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测 量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联 可以测量平均温度。可以测量平均温度。 铂热电阻的使用温度范围为-200850。铂热电阻的特性方程为： 在0850的范围内Rt = R0(1+At+Bt2) 在-2000的范围内Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) 常数值分别为A=3.9710-3/。B

16、=-5.8510-7/2。C=-4.2210-12/4 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为 Rt=R0（1+t） 其中=4.2810-3/ 对于标号为 Pt 100的铂热电阻，如果采用两线制接法测温，设电桥电源为 10V， R1=R2=1000，R3=100，引线电阻 r =5，如果被测温度为300，试求两 线制接法引起的相对测量误差。 当t=300时，铂热电阻的阻值为 Rt = R0(1+At+Bt2)=213.8 按三线制接法引线电阻不会引起 误差，其输出电压为： 845 t3 01s 1t23 (-) = RrRr UE RRrRRr mV ? ? ?

17、按二线制接法输出电压为： 2 2 920 t3 02s 1t23 (-) = RrR UE RRrRR mV ? ? ? 由此可得二线制接法引起的测量相对误差为 0201 01 920845 100%100%8 88% 845 = UU . U ? ? ? 我国规定工业用铂热电阻有一种R0=100，它的分度号为Pt100 根据半导体的电阻根据半导体的电阻-温度特性，热敏电阻可分为三类，负温度系数（温度特性，热敏电阻可分为三类，负温度系数（NTC），正），正 温度系数（温度系数（PTC），临界温度系数（CTR），CTR常用作温度开关。常用作温度开关。 管道流量测量 R 2 R 1 RP RT 2

18、 RT 1 A 图中RT1和和RT2是热敏电阻，RT1放在 被测流量管道中，RT2放在不受流体干放在不受流体干 扰的容器内，R1和R2是普通电阻，四 个电阻组成电桥。 当流体静止时，使电桥处于平衡状态。 当流体流动时，要带走热量，使热敏电 阻阻RT1、RT2散热情况不同，RT1因温 度变化引起阻值变化，电桥失去平衡， 电流表有指示。因为RT1的散热条件取的散热条件取 决于流量的大小，因此测量结果反映流 量的变化。 模拟式光电传感器的三种基本形式：透射式、辐射式、反射式 外光电效应：即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。 内光电效

19、应：指物体受到光照后所产生的光电子只在物体内部运动，而不会逸指物体受到光照后所产生的光电子只在物体内部运动，而不会逸 出物体的现象。 光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或 等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加， 半导体的导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻。 光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池。 CCD ：电荷耦合器 件 光纤模式分为单模光纤和多模光纤两种 光纤在传感器中按功能的不同可分为： 功能型（传感型）光纤传感器，非功能型（传光型）光纤传感器 光敏二极管的结构与一般二极管相似、

20、光敏二极管在电路中一般是处于反向工 作状态。 一个n位二进制码盘的最小分辨率，即最小分辨的角度为=360/（2的n次方） 莫尔条纹位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W时， 莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度 BH。莫尔条纹的间距 BH与两光 栅线纹夹角之间的关系为 ? ? WW B H ? 2 sin 2 光敏电阻在未受到光照时得阻值称为暗电阻，此时流过的电流电流称为暗电流 某编码器的额定工作参数为某编码器的额定工作参数为2048个脉冲，在个脉冲，在0.2秒内测得8192个脉冲，求其转速。个脉冲，求其转速。 求得n=N/N1*(60/t)=8192/2048*(60/0.2)r/min=12

21、00 r/min 压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械 振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产 生共振，此时产生的超声波最强。 压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压 电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电 荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。 V为被测流体的平均速度； C为超声波在

22、静止流体中的传 播速度； 为超声波传播方向与流体流为超声波传播方向与流体流 动方向的夹角； A、B为两个超声波换能器； L为为A、B间的距离。 当当A为发射换能器，B为接收换能器， 超声波为顺流方向传播，传播速度为 c+vcos ，则顺流传播时间 1 (cos )tL/ cv? 当当B为发射换能器，A为接收换能器， 超声波为逆流方向传播，传播速度为 c-vcos ，则顺流传播时间 2 (cos )tL/ cv? 超声波顺逆流传播时间差为 22 21 2 2 cos(cos)tttLv/ cv? 由于通常情况下cv，所以 2 2costLv/ c? 2 2 cos c vt L ? ? ? 再根

23、据管道的截面积即可求得流量。 超声波时差法测流量 ?气敏传感器的选择性：指在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的 能力； 电阻式气敏传感器规则总结： ?氧化型气体N型半导体：载流子数下降，电阻增加。 ?还原型气体N型半导体：载流子数增加，电阻减小。 ?氧化型气体P型半导体：载流子数增加，电阻减小。 ?还原型气体P型半导体：载流子数下降，电阻增加 。 相对湿度是指待测空气中实际所含的水蒸气分压与相同温度下饱和水蒸气分压比 值的百分数。其数学表达式为： 100 V T W P H% P ? ?电阻式湿敏传感器可分为：电解质式、陶瓷式和高分子式。 生物传感器与传统的各种物理传感器和化学传感器的最大区别在于生物传感器 的感受器中含有生命物质 生物传感器根据传感器输出信号的产生方式：亲和型生物传感器、代谢型生物传 感器、催化型生物传感器。 参数检测 按测量方法的不同：偏差式测量、零位式测量和微差式测量； 按被测量变化的快慢可分为：静态测量和动态测量 误差的分类：系统误差、随机误差、粗大误差 例题：检定一台满量程 Am=5A，精度等级