传感器知识整理

1、传感器技术 把被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量的方法就是非电量电测法。实现这种转换的器件叫传感器。一个完整的自动测控系统一般由传感器、测量电路、显示记录装置和电源四部分组成。自动测控系统通常可分为开环和闭环两种。传感器技术是以研究传感器的原理、传感器的材料、传感器的制作、传感器的应用为主要内容；以传感器的敏感材料的电、磁、光、声、热、力等物理效应、现象，化学中的各种反应以及生物学中的各种机理为理论基础。传感器与通信技术、计算机技术一起分别构成了信息技术系统的感官、神经、和大脑，接口电路的作用是把转换元件输出的电信号转换为便于处理、显示、记录和控制的电信号。经常采用的接口电路

2、有电桥电路和其他特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲电路、震荡电路等。应该指出的是：并不是所有的传感器必须包括敏感元件和转换元件。有的传感器需要外加电源才能工作，如差动变压器、应变片组成的电桥等；有的不需要外加电源便能工作；如压电晶体。传感器的分类；常见的有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。这种分类方法将被测量分为基本被测量和派生被测量。电学式传感器有：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡式传感器。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器。主要用于位移、压力、力、应变、力矩

3、、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。具体请参见教材第4面传感器的静态特性：传感器的线性度是指传感器实际静态特性曲线与拟合直线之间的最大偏差 与传感器满量程输出 的百分比值。公式为： 线性度又称非线性误差，从特性上看线性度越小越好。灵敏度：是指传感器在稳态下的输出变量dy与dx之比，对于线性传感器灵敏度就是它的静态特性的斜率。公式为：K=dy/dx迟滞：传感器的迟滞是指传感器的正向星城（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度。公式为： 产生的原因是传感器的机械部分不可避免的存在着间隙、摩擦及松动等。重复性：传感器的重复性是指传感器的输入量按同一方向做全量程内

4、连续重复测量时所得输出-输入特性曲线不一致的程度。产生的原因同迟滞的产生原因相同。公式为：分辨率：是指在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。一般模拟式仪器分辨率为最小刻度分度值的一半。数字式为最后一位的一个字。稳定性：分为长期稳定性和短期稳定性之分。漂移：传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移和灵敏度漂移又可分为：时间漂移和温度漂移。时间漂移指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移是指因为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。传感器的动态特性是指在测量动态信号时传感器的输出反应被测量的大小和随时间

5、变化的能力。研究传感器的动态特性通常从 时域和频域 两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。研究传感器动态特性请参见教材第7面传感器特性的应用：见教材第7面传感器的性能指标：基本参数指标量程指标、灵敏度指标、精度方面的指标、动态性能指标。环境参数指标温度指标、抗冲振指标以及其他如抗潮湿、抗介质腐蚀及抗电磁干扰能力。可靠性指标工作寿命、平均无故障时间保险期、疲劳性能等。其他指标使用方面、结构方面、安装结构方面等。提高性能指标的方法：1、 采用线性化技术：只有传感器的输出与输入具有线性关系时才能保证无失真的复现。2、 差动技术（参见教材第9面）3、 平均技术（参见教材第9面）4、 零位法、微差法和

6、闭环技术（参见教材第9面）5、 补偿与技术校正（参见教材第9面）6、 集成化和智能化7、 屏蔽、隔离和抑制干扰8、 稳定性处理传感器的材料：一、 半导体材料1、 单晶硅 2、多晶硅 3、非晶体硅 4、硅蓝宝石 5、化合物半导体 （详见第11面）二、 陶瓷材料三、 石英材料四、 金属氧化物及合晶材料1、 氧化锌薄膜 2、非晶体磁性合金材料 3、形状记忆合金材料五、 无机材料六、 有机材料（有机半导体、有机驻极体、有机光电、有机光致变色、有机磁性有机导电等以及高分子固态离子导体材料。）七、 、生化材料八、 高分子敏感材料九、 合成材料传感器的物理基础以及其物理效应请详见教材13面。传感器的选用（灵

7、敏度、准确度和精密度、动态范围和直线性、响应速度和滞后性、稳定性）详见教材14面。传感器的测量方法：测量过程：直接测量、间接测量测量方式：偏差（指针相对于刻度初始点的偏差）、零位（已知标准量平衡被测量）、微差式测量（=X-V其中是零位式，X为被测量，V是偏差式。操作简便、精度高）是否与被测对象接触：接触式、非接触式。被测对象的特点：静态、动态。测量的核心是：比较测量误差：绝对误差：X=X-XO(没有百分号) 相对误差：r=(X/XO)*100% 引用误差： y=(X/L)*100%系统误差用正确度来表示，而随机误差用精确度来表示。传感器的标定与校准详见教材16面第二章、温度传感器温度：温度是表

8、征物体冷热程度的物理量。温度的测量方法有接触式测温和非接触式测温接触式测温的优点：结构简单、工作简单可靠及及测量精度高等优点。 缺点：可能破坏被测对象的温度场分布。非接触式测温优点：测量温度高、不干扰被测物温度等优点。 缺点：测量精度不高。工业精度可分为7个等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。其中的含义为：0.5表示偏差为±0.5%，再如1.0表示偏差为±1.0%温标：温度标尺简称温标，它是温度的数值表示方法。（具体的可见教材第19面）热电偶传感器:是一种利用金属的热电效应将温度的变化直接转变为电信号变化的温度传感器。其优点是：测温范围广，可以在1

9、K-2800摄氏度的范围内使用，精度高，性能稳定，结构简单，动态性能好信号便于处理和远距离传输。热电偶的工作原理：参见教材第20面，热电偶的基本定律：参见教材第20面（重点）热电偶热电动势的大小与导体的材料以及冷热端的温度有关，而与导体的粗细、长短及两导体接触面积无关。判断热电偶正负极的方法是：将热端稍加热，在冷端用直流电流表辨别正负极。注：教材第22面的习题做重点理解对象。热电偶的种类：1、 普通型热电偶：主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度，由热电极，绝缘套管、外保护套管和接线盒组成。其安装连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。2、 铠装热电偶：

10、特别使用于复杂结构（如狭小弯曲管道内）的温度测量。3、 薄膜热电偶：其测量端既小又薄，响应速度快。适用于测量微小面积上的顺便温度。4、 表面热电偶：主要用于现场流动的测量。读数很方便。其测量范围有0-250以及0-600摄氏度两种。5、 防爆热电偶：注：要会读分度表。热电偶安装注意事项：参见教材第26面。热电偶的冷端补偿：热电偶的分度表及配套的显示器都要求冷端温度恒定为0°C，否则将产生误差。1、 补偿导线（温度在0-150°C范围内实用）见教材27面。可分为延伸型(X)补偿导线和补偿型（C）补偿导线。前者所用材料与热电极相同，后者所使用的材料与热电极材料不同。注意：（1）

11、两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有相同的温度：2各种补偿导线只能与相应型号的电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用，极性切勿接反。冷端温度补偿：见教材27面热电偶测温基本电路见教材28面。*热电阻式传感器：定义：利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化的特性制成的传感器叫做热阻式传感器。测温范围：-200-960°C热电阻：金属材料。 热敏电阻：由半导体材料制成。对测温用的热电阻材料要求：1、电阻值与温度变化具有良好的线性关系。2、电阻温度系数要大，便于精确测量。3、电阻率高，热容小，响应速度快。4、在测温范围内具有稳定的物理和化学性能。5、材料质量要纯，容易加工复制，价格

12、便宜。（广泛应用的有铜和铂材料）热电阻原理请参见教材29面热电阻传感器的测量电路：一般使用电桥电路。 工业上常采用：三线制接法。其优点是：可在一定程度上克服导线电阻的变化对测量结果的影响。在环境温度为0-50°C内使用，这种接法可将温度附加误差控制在0.5%内，却满足要求。热敏电阻：主要用于点温度、小温差温度的测量，远距离、多点测量与控制，温度补偿与电路的自动调节等。其优点为：灵敏度很高，价格低。缺点为：精度低。热敏电阻的分类：正温度系数（PTC）热敏电阻（突变型PTC主要用作温度开关，缓变型PTC主要用于在较宽的温度范围内进行温度补偿或温度测量）。负温度系数(NTC)热敏电阻（主要

13、用于温度测量和补偿）、临界温度热敏电阻（CTR）（主要用作温度开关）。详见31面。热敏电阻的测量电路一般也用电桥。主要用于以下几方面：1、温度测量 2、温度补偿 3、温度控制（具体详见34面）集成温度传感器：是把温敏元件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。集成温度传感器的分类：1、电流输出型（具有输出阻抗高的优点）2、电压输出型（优点为直接输出电压，且输出阻抗低，易于读取或与控制电路接口。）3、数字(或频率)信号输出型（优点为：输出阻抗高，抗干扰能力强、可直接与计算机测控系统接口的独特优点。）总的来讲，集成温度传感器的特点是使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠；不足之

14、处为测量范围小，使用环境有一定的局限性。注意：考试可能会设计一些试验方面的内容，参见教材45面以及实验手册第三章 力传感器力-电转换原理看可大致分为:电阻式、（电位器式和应变片式）、电感式（自感、互感和涡流）、电容式、压电式、压磁式和电阻式。广泛应用于测力和称重。弹性敏感元件：应具有良好的特性、足够的精度、且具有良好的稳定性和抗腐蚀性。常用的材料有弹性钢、合金。弹性敏感元件的特性：1、 刚度：是弹性元件在外力作用下变形大小的量度，一般用k表示，k=dF/dx，F为作用在弹性元件上的外力；x为弹性元件的变形量。2、 灵敏度 ：是指弹性敏感元件在单位力的作用下产生变形的大小，它为刚度的倒数，用K表

15、示，即K=dx/dF。3、 弹性滞后：弹性元件的加载特性曲线与卸载曲线不重合的程度，它是应变式传感器测量误差之一，造成原因是元件分子间存在内摩擦造成的。4、 弹性后效：当载荷从某一数值变化到另一数值，弹性元件的变形不是立即完成，而是 的时间间隔后逐渐完成形变的，这种现象称为弹性后效。造成这种现象的原因是由于弹性敏感元件中的分子间存在内摩擦。5、 固有频率：弹性敏感元件往往希望固有振荡频率越高越高越好。弹性元件的分类：弹性敏感元件在形式上可分为两大类：力转换为应变 或位移的变换力的弹性敏感元件、压力转换为应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。1、 变换力的弹性敏感元件：等截面柱式、等截面薄板、悬臂

16、梁及轴状等结构。具体详见教材52面教材第5262作自己看的内容（一定要至少一遍）3.4压电式传感器压电式传感器具有：灵敏度高、频带宽、质量轻、体积小、工作可靠等优点。只能测动态力，因为电荷容易泄漏。压电式传感器是一种典型的自发电式传感器 压电式传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如动态力、动态压力、振动、加速度等，但不能用于静态参数的测量。 一、压电效应 某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。 反之，在电介质

17、的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种想象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。 压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体（单晶体）、经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）、高分子压电材料。 石英晶体的特点： 优点：性能非常稳定，在20200范围内压电常数变化率只有-0.0001/。此外，具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。 缺点：压电常数小。因此，石英晶体大多只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在一般要求的

18、测量中，基本采用压电陶瓷。 石英晶体有三个轴（课本P64图3-15a、图3-16） X轴电轴，通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴 Y轴机械轴，垂直于两个相对的晶柱棱面 Z轴光轴，与晶体的纵轴线方向一致 课本P64图3-16 当沿X轴对晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面产生电荷，这种现象称为纵向压电效应； 沿Y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，称为横向压电效应； 沿Z轴方向受力时，不产生压电效应。纵向压电效应产生的电荷： 沿X轴施加压力，产生垂直于X轴平面的电荷。 纵向压电系数，下标的意义是产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向。 沿晶轴X方向施加的压力当晶片受到X向的压力作用时

19、，与作用力成正比，而与晶片的几何尺寸无关。若作用力改为拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。横向压电效应产生的电荷： 沿Y轴向施加压力，产生垂直于X轴平面的电荷。 横向压电系数沿机械轴方向给晶片施加压力，产生的电荷与几何尺寸有关，沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴的压力产生的电荷极性相反。石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性：压电陶瓷的压电效应在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，极化效应相互抵消，因此在原始状态下，压电陶瓷呈中性，不具有压电效应。 压电材料一般应选用：转换性能：具有较大的压电常数 机械性能：具有较高机械强度、刚度，以期获得较高的固有频率 电性能：具有较高

20、的电阻率和介电常数，以期减少电荷的泄漏以及外部分 布电容的影响，获得良好的低频特性 温度、湿度稳定性能：具有较高的居里点，以期获得较宽的工作温度范围（所谓居里点是指压电性能破坏时的温度转变点） 时间稳定性能：压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性石英晶体（单晶体、压电晶体）分类为：天然和人工培养两种类型1、石英晶体：特点：在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随温度而变化。居里点为573，即到573时，它将完全丧失压电性质。有很大的机械强度和稳定的机械性能，但灵敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料替代。性能稳定、精度高、居里点高、灵敏度压电陶瓷（多晶体）：比石英晶体的压电灵敏

21、度高得多，而制造成本却较低，且具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。3、高分子压电材料：某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大面积。4、高分子压电材料：它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。压电元件的结构形式：在压电式传感器中，常将两片或多片组合在一起使用，由于压电材料有极性，故接法有两种：串联和并联。压电元件的结构形式特点：并联：输出电荷大、电容大、时间常数大，适合测慢变信号，并以电荷量作输出

22、量的场合。 串联：输出电压高、电容小，适合以电压作为输出量，以及测量电路输入阻抗很高的场合。等效电路：测量电路: 压电传感器内阻抗很高，而输出信号微弱，因此，测量电路要求有一个高输入阻抗的前置放大器作阻抗匹配，才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差减小。 前置放大器作用：（1）将高阻抗输出变换为低阻抗输出；2）将输出的微弱信号进行放大。测量电路 :前置放大器两种形式：（1）电压放大器：输出电压与输入电压成正比（2）电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比2、电荷放大器测量电路:压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般

23、必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。压电片的并联接法: 压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。 电容式传感器的主要特性:具有结构简单、灵敏度高、测量范围大，动态响应好、价格便宜等优点，广泛的应用于测量压力、力、位移、液位和振动等场合。主要优点：1. 灵敏度高： 用应变片测量时，一般得

24、到电阻相对变化量小于1%，而电容式传感器的相对变化量可达到100%甚至更大。 2. 能在较恶劣环境下工作： 它能在高温、低温、强辐射等环境下工作，原因在于这种传感器通常不一定需要使用有机材料或磁性材料，而这些材料是不能用于上述恶劣环境的。3. 发热的影响小 4.动态响应快: 因为电容传感器具有较小的可动质量，动片的谐振频率较高，所以能用于动态测量主要缺点：在于引线电缆分布电容和非线性的影响。平板电容器的电容为：C = A/d如图：电容式传感器的结构与原理1变面积式电容传感器：AC2.变极距式电容传感器：dC 3.变介电常数式电容传感器:C 变面积式电容传感器：变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类