通选课传感器技术课件

第一章

传感器技术概述1.传感器定义传感器——将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。被测量电量

目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。2.传感器的作用传感器——类似于人的感觉器官，是人类感官的延伸。作用：将被测量转换成电信号,传送给测试系统中的后续环节。人体系统与机器系统的对应关系激励装置传感器被测对象信号调理反馈、控制显示纪录信号处理观察者复杂测试系统(振动测量)简单测试系统(红外体温)分类法型式说明按被测量种类位移、温度、压力、流量这种分类便于传感器的管理按工作原理分类应变式、电容式、电感式、压电式、光电式以传感器对信号转换的原理命名按被测量转换特征（构成原理）结构型，如电容式，电阻应变片；通过改变传感器元件的参数实现信号转换。物性型，如压电式，水银温度计，双金属片依靠敏感元件本身物理性质随被测量变化实现信号转换。按能量传递方式能量控制型，如RLC式传感器输出能量由外部供给，但受被测量控制。能量转换型，如热电偶温度计传感器输出量直接由被测量能量转换而得。按输出量模拟式输出量为模拟信号数字式输出量为数字信号4.分类：5.传感器选用原则

1.灵敏度：传感器的灵敏度越高，可以感知越小的变化量，即被测量稍有微小变化时，传感器即有较大的输出。2.线性范围：线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。3.响应特性：在所测频率范围内尽量保持不失真。4.稳定性：经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5.精确度:表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器精确度愈高，价格越昂贵，因此应从实际出发来选择。6.其它选用原则6.传感器技术的应用

1、日常生活

在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，洗净度传感器,液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器温湿度传感器温度传感器透光率传感器（2）新产品开发广州中鸣数码的机器狗转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。（3）自动控制香港理工AGV自动送货车模型石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。（4）故障诊断（5）其他应用航天农业交通医疗2、实际测试系统输入输出之间的关系

实际测试系统是非理想定常线形系统，输入输出之间的关系是通过实验方法测到的，通常是一条曲线——定度曲线。3、描述静态特性的参数（1）非线性度：定度曲线与拟合直线的接近程度。非线性度常用百分数表示拟合直线的确定，常用的主要有两种：端基直线和独立直线。（1）端基直线是指通过测量范围的上下限点的直线。显然用端基直线来代替实际的输入、输出曲线，其求解过程比较简单，但是其非线性度较差。（2）独立直线是指使输入与输出曲线上各点的线性误差

最小的直线。（2）灵敏度☆作用：用来描述测试系统对输入信号变化的一种反应能力。1、对于定常线性系统，其灵敏度恒为常数。2、实际的测试系统，灵敏度为定度曲线上该点处切线的斜率。3、量纲：取决于输入和输出量的单位。5.漂移：指测试系统在输入不变的条件下，输出随时间而变化的趋势。产生原因：仪器自身结构参数的变化；周围环境的变化（如温度、湿度等）对输出的影响。最常见的漂移是温漂，即由于周围的温度变化而引起输出的变化。进一步引起测试系统的灵敏度和零位发生漂移。零点漂移灵敏度漂移二、传感器的动态特性

传感器的动态特征是指在输入量随时间变化时,测试系统对输入信号的响应特性。1、动态特性的描述方法（1）时域微分方程在初始条件为零的前提下，定义传递函数其中s为复变量，特点：（2）传递函数

只反映系统本身的输出特性,与输入和初始状态无关。

只反映系统的传输特性,与系统具体的物理结构无关。

分母中的最高次幂n代表系统微分方程的阶数。（3）频率响应函数在初始条件为零的前提下，定义频率响应函数求法：

即得(1)若已知,则在中，令，将其代入(2)若已知微分方程，作傅里叶变换，则(3)用实验方法求得：在初始条件全为零的条件下，同时测得输入和输出，由其傅里叶变换求得。物理意义：描述了系统的频率特性。系统的幅频特性系统的相频特性

描述系统的简谐输入和其稳态输出的关系，不包含瞬态响应信息。例1:已知系统的频率响应函数，求其幅频特性和相频特性及作图。例２：设，，求系统的稳定输出。（4）脉冲响应函数系统的输入为单位脉冲函数,即时，系统的输出即为脉冲响应函数。它是对测试系统动态特性的时域描述。系统的动态特性描述频域－频率响应函数复数域－传递函数时域－脉冲响应函数拉普拉斯变换对傅里叶变换对二、环节的串联和并联任何高阶系统均可看成若干个一阶系统或二阶系统的串联或并联。1.环节的串联两个传递函数分别为和的环节串联，假设它们之间没有能量交换，在初始条件为零的情况下，串联后的系统传递函数为：若系统由n个环节串联而成，其传递函数为相应地，系统的频率响应为其幅频特性：相频特性：2.环节的并联系统总输出为若系统由n个环节并联而成，其传递函数为系统的频率响应为3.负载效应：实际情况下各环节相联时，后环节总是成为前环节的负载，环节间总是存在着能量交换和相互影响，以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加或相乘。某系统由于后接另一系统而产生的种种现象。VER1R2Rm二、不失真测试条件输入为，输出为傅里叶变换可得：系统的频率响应为幅频特性：相频特性：测试系统不失真测试的条件。00思考题：若系统问此系统是否满足不失真测试条件？例1:已知系统的幅频特性和相频特性如图，对于输入，求输出，判断是否失真。100100例2:已知系统的输入，判断是否失真。例3:已知系统的输入，判断是否失真。电阻式传感器一、变阻式传感器1.结构：2.测量电路：不考虑外接电路影响时：考虑外接电路影响时：3.特点：(1)结构简单、使用简便、稳定性好。(2)分辨力低，受电阻丝直径的限制。适合大位移的测量。(3)噪声大。二、电阻应变式传感器1.结构：丝式、箔式、金属膜片2.工作原理：基于金属的电阻应变效应。若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为ρ，其未受力时的电阻为R，则:如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，灵敏度：3.特点：金属应变片的灵敏度较低，但其温度稳定性好，可用于对精度要求较高的测量。三、压阻式传感器1.原理：压阻效应灵敏度：两种应变片在工作原理上的区别：金属应变片－金属材料受力后几何变形→电阻的相对变化半导体应变片－半导体材料受力后电阻率变化→电阻的相对变化2.特点：优点：灵敏度高，分辨率高，横向效应，机械滞后小。缺点：温度稳定性差，在较大应变下，非线性误差大。3.类型：半导体应变式传感器、扩散型压阻式传感器三、应变片的应用1.直接测定结构的应变或应力。2.作为传感器的测量参数。四、转换电路

应变电压或电流的变化4.4电感式传感器

一、可变磁阻式传感器按结构型式变气隙式螺管式变面积式线圈自感量为当气隙较小，且不考虑磁路的铁损时，总磁阻于是，1.变气隙式：灵敏度特点：灵敏度高，线性误差小，适于测小位移。2.变面积式灵敏度特点：线性度好，量程大，但灵敏度较低。3.螺管式当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。特点：灵敏度低，但测量范围大，适用于较大位移测量。4.差动式5.测量电路:交流电路二、电涡流式传感器原理：利用金属体在交变磁场中的涡流效应。按电涡流在导体内的贯穿情况高频反射式低频透射式1.高频反射式可以作为位移、振动测量，也可进行材质鉴别或探伤、测温度等。2.低频透射式适于测量金属材料的厚度。3.特点：结构简单，安装方便，灵敏度高，抗干扰能力强。4.应用电感式纸页厚度测量仪原理图三、差动变压器式传感器原理：利用电磁感应中的互感现象。1.互感现象2.差动变压器式传感器(1)结构变气隙式变面积式螺管式(2)原理(3)特点：精度高，线性范围大，稳定性好。4.5电容式传感器一、工作原理为真空介电常数，分类变－面积变化型变－介质变化型变－极距变化型1.极距变化型C与成反比关系。灵敏度为使用时，减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量C与极距δ呈非线性关系，将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规定测量范围实际应用中常采用差动形式，可使灵敏度提高一倍。特点：灵敏度高，有线性误差，适于小位移测量。2.面积变化型(1)直线位移型若两极板间相互覆盖长为，宽为，覆盖面积为则电容灵敏度(2)角位移型若覆盖面积对应的中心角为，极板半径为r

，覆盖面积为

则电容灵敏度(3)圆柱体线位移型动板左右移动时，，则电容灵敏度(4)差动圆柱体线位移型动板上下移动时，上下两个电容量一增一减。特点：线性关系好，量程大；与极距变化型相比，灵敏度较低。适用于较大角位移及直线位移的测量。3.介电常数变化型

(1)测厚度、位移介质层的温度、湿度、厚度变化时，变化，从而引起变。(2)测液面高度二、测量电路被测量→电容变化→电压、电流、频率变化1.交流电桥2.运算放大器电路：可解决极距变化型电容传感器的非线性问题。三、电容传感器特点与应用

1.优点:(1)输入能量小而灵敏度高。(2)信噪比大，稳定性好。(3)动态特性好，可用于动态测量。(4)能量损耗小。(5)结构简单，适应性好。2.缺点:(1)极距变化型，非线性大。(2)电缆分布电容影响大。解决办法：利用测量电路。解决办法：利用集成电路；采用屏蔽电缆。3.应用举例(1)电容式测厚仪(2)电容式转速传感器4.6压电式传感器

工作原理是以某些物质的压电效应为基础。既可将机械能→电能，又可将电能→机械能。一、压电效应

1.压电效应：2.逆压电效应（电致伸缩效应）：施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。如果在这些物质的极化方向时，在表面上将产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电状态的现象。某些材料，当沿着一定方向对其加力而使其变形二、压电材料及其特性具有压电效应的敏感功能材料叫压电材料。常用的压电材料：压电单晶体、压电陶瓷、新型压电材料1.压电单晶体－石英()、铌酸锂()2.压电陶瓷钛酸钡、锆钛酸铅特点：压电常数大，灵敏度高，价格低廉。3.新型压电材料

在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，因此就构成一个电容器。其电容量为三、等效电路电荷等效电路电压等效电路压电式传感器适合作动态测量。四、压电元件常用的结构形式串联

并联适合以电压作为输出的场合。适合测量缓变信号和以电荷量作为输出的场合。五、应用压电式压力传感器压力变送器加速度计力传感器产品:压电材料换能器4.7磁电传感器包括磁电感应传感器、霍尔传感器。一、磁电感应传感器(感应式传感器、电动传感器)

根据法拉第电磁感应定律，线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中会产生的感应电动势

恒定磁通式变磁通式根据改变参数的不同1.恒定磁通式2.变磁通式常用来测量旋转物体的角速度。二、霍尔传感器霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在