第一节传感器及其应用

1、1第一章第一章 传感器技术基础传感器技术基础2主要内容主要内容1 1、传感器的基本概念、传感器的基本概念2 2、传感器的静态数学模型和基本特性指标、传感器的静态数学模型和基本特性指标3 3、传感器的动态数学模型及基本特性指标、传感器的动态数学模型及基本特性指标4 4、改善传感器性能的技术途径、改善传感器性能的技术途径5 5、传感器的标定与校准、传感器的标定与校准3一、传感器的一、传感器的定义定义把把特定的被测量信息按一定规律转换成某种特定的被测量信息按一定规律转换成某种可可用用信号输出的器件或装置。信号输出的器件或装置。四层含义：四层含义：（1 1）传感器是一种测量器件或装置）传感器是一种测量

2、器件或装置测速发电机、发电机测速传感器测速发电机、发电机测速传感器（2 2）“特定的被测量信息特定的被测量信息”：非：非电量电量发电机是不是传感器？发电机是不是传感器？物理量物理量化学量化学量生物量生物量电量电量4（3 3）“某种某种可用信号可用信号输出输出” 把把外界非电量信息转换成与之有确定对应关系外界非电量信息转换成与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。的电量输出的器件或装置。 非电量电测技术非电量电测技术把外界信息按一定规律转换成光信号输出的器件。把外界信息按一定规律转换成光信号输出的器件。（4 4）“转换转换”：传感器、变换器、变送器、换能器：传感器、变换器、变送器、换能器转换器

3、、探测器转换器、探测器把特定的被测量信息按一定规律转换成把特定的被测量信息按一定规律转换成某种某种可用可用信号输出的器件或装置。信号输出的器件或装置。5（1 1）守恒定律）守恒定律（2 2）统计法则）统计法则物理量随着空间和时间的移动，其总量保持不变。物理量随着空间和时间的移动，其总量保持不变。能量守恒、动量守恒、电荷守恒能量守恒、动量守恒、电荷守恒传感器与被测量之间能量转换时必须遵循。传感器与被测量之间能量转换时必须遵循。常和传感器的工作状态有关。常和传感器的工作状态有关。运动的微观世界与宏观世界相结合的定律。运动的微观世界与宏观世界相结合的定律。如：热力学第二定律如：热力学第二定律设计使用

4、传感器必设计使用传感器必须遵循的规律须遵循的规律6（3 3）场的定律）场的定律描述电场、磁场、物质场、重力场等在空间和时间上的变换规律。描述电场、磁场、物质场、重力场等在空间和时间上的变换规律。利用静电场：电容式传感器；电磁感应：电感式传感器利用静电场：电容式传感器；电磁感应：电感式传感器利用场的定律构成的传感器称为：利用场的定律构成的传感器称为：结构型传感器结构型传感器物理方程物理方程 可可作为传感器工作的数学模型作为传感器工作的数学模型（4 4）物质定律）物质定律表示各种物质内在客观性质的定律。表示各种物质内在客观性质的定律。虎克定律虎克定律 F = k x F = k x 、欧姆定律、欧

5、姆定律 U = R IU = R I基于物质定律构成的传感器称为：基于物质定律构成的传感器称为：物性型传感器物性型传感器半导体物质法则：压敏、热敏、光敏、湿敏半导体物质法则：压敏、热敏、光敏、湿敏7例例1-1 1-1 举例说明结构型传感器和物性型传感器的区别。举例说明结构型传感器和物性型传感器的区别。（1 1）电容式传感器）电容式传感器结构型传感器结构型传感器dblCr00dbllCCCr）（00lllllCC10化简得：化简得：dblClCSr00输出灵敏度输出灵敏度结构型传感器的特性主要由其结构参数决定，结构型传感器的特性主要由其结构参数决定，与构成传感器的物质的性质无关。与构成传感器的物

6、质的性质无关。8（2 2）压敏传感器）压敏传感器物性型传感器物性型传感器物性型传感器主要由构成传感器的物质的性质决定。物性型传感器主要由构成传感器的物质的性质决定。电阻率的变化电阻率的变化压力大小压力大小材料性质材料性质 结结构构型型传传感感器器 物物性性型型传传感感器器 特特性性 结结构构参参数数决决定定 物物质质性性质质决决定定 性性能能 稳稳定定 将将迅迅速速提提高高 成成本本 较较高高 将将大大大大降降低低 应应用用 广广泛泛 发发展展方方向向之之一一 压阻效应压阻效应9物性型物性型传感器传感器结构型结构型传感器传感器10例例1-2 1-2 大吨位电容式称重传感器大吨位电容式称重传感器

7、被测非电量：被测非电量：敏感元件：敏感元件：有用非电量：有用非电量：传感元件：传感元件：有用电量：有用电量：dACr00dACr0电容量电容量C C弹性体弹性体外界压力外界压力极板间距变化极板间距变化电容传感器电容传感器11（1 1）自源型）自源型特点：不需要外能源，特点：不需要外能源， 输出输出电量较弱电量较弱例例1-31-3：热电偶传感器：热电偶传感器温度场的能量（热量）温度场的能量（热量） 电量电量能量角度能量角度自源型自源型带激励源型带激励源型外源型外源型12（2 2）带激励源型）带激励源型特点：不需要变换电路，特点：不需要变换电路，有较大电量输出有较大电量输出例例1-4 1-4 霍尔

8、电磁感应式传感器霍尔电磁感应式传感器BIKUHHBIdRH被测量：磁场被测量：磁场辅助能源：激励电流辅助能源：激励电流产生横向电势产生横向电势13例例1-51-5：磁电式传感器：磁电式传感器（3 3）外源型）外源型特点：通过带特点：通过带外电源外电源的的变换电路，才能获得有变换电路，才能获得有用的电量输出用的电量输出dtdWe电磁感应定律：电磁感应定律：能量控制型能量控制型L14（1 1）相同传感器补偿型）相同传感器补偿型为消除环境干扰为消除环境干扰相同传感器补偿型相同传感器补偿型不同传感器补偿型不同传感器补偿型差动结构补偿型差动结构补偿型应变式应变式15（2 2）差动结构补偿型）差动结构补偿

9、型输入量：输入量：反向反向转换转换环境干扰量：环境干扰量：正向正向转换转换测量电路测量电路16（3 3）不同传感器补偿型）不同传感器补偿型2 2的受环境影响的特性已知，的受环境影响的特性已知，1 1向向2 2提供等效的抵消环境影响的补偿信号提供等效的抵消环境影响的补偿信号17电容式、电感式、热电式传感器电容式、电感式、热电式传感器位移、速度、温度传感器位移、速度、温度传感器分类方法分类方法按输入物理量：按输入物理量：按工作原理：按工作原理：按能量关系：按能量关系：按输出信号性质：按输出信号性质：按构成原理：按构成原理：按构成传感器的功能材料：按构成传感器的功能材料：按高新技术：按高新技术：能量

10、转换型（有源传感器）能量转换型（有源传感器）能量控制型（无源传感器）能量控制型（无源传感器）模拟式、数字式传感器模拟式、数字式传感器结构型、物性型传感器结构型、物性型传感器半导体传感器半导体传感器集成传感器、智能传感器集成传感器、智能传感器仿生传感器、机器人传感器仿生传感器、机器人传感器18 基基本本物物理理量量 派派生生物物理理量量 线线位位移移 长长度度、厚厚度度、应应变变、振振动动、磨磨损损、不不平平度度 位位移移 角角位位移移 旋旋转转角角、偏偏振振角角、角角振振动动 线线速速度度 速速度度、振振动动、流流量量、动动量量 速速度度 角角速速度度 转转速速、角角振振动动 线线加加速速度度 振振动动、冲冲击击、质质量量 加加速速度度 角角加加速速度度 角角振振动动、扭扭矩矩、转转动动惯惯量量 力力 压压力力 重重量量、应应力力、力力