传感器原理及应用课件

绪

论一、传感器的地位和作用例1人与机器的机能对应关系定性人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。定量传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。人与机器的机能对应关系图外界对象感官传感器人脑微机肢体执行器

无论是金属粮仓还是土仓，为防止霉变，粮食都是分层存放，仓内温度和湿度不能过高，为此，需在各层安放温湿度传感器进行检测。装有温湿度探头的粮仓示意图如下。将各层探头输出接至温湿度巡检仪上，通过巡检仪监视器监视各点温湿度情况。通过通风口保持温湿度在要求范围内。例2粮仓温度、湿度检测装有温湿度探头的粮仓示意图通风口探头通风口通风口例3：开发区海湾公司生产的感温、感烟火灾报警器集控器1中央监控图1监控系统组成框图探头11探头12探头1N其监控系统组成框图如图2:可在每一房间安放一对感温、感烟探头（智能传感器），它们输出温度、浓度信号通过串行通讯线送入由微机组成的检测系统（集控器）；集控器负责信号汇总，汇总各房间的温度和浓度信号，并监控各房间温度、烟浓度是否异常，如异常，声光报警并打开喷淋设备灭火，一层一台。各层集控器通过CAN总线、M-BUS总线等现场总线将温度、浓度等信号送入中央监控计算机。值班人员在电脑屏幕上直观监视各房间情况（温度、烟雾浓度）。房间、楼道装配摄像头，还可通过电视屏幕查看房间、楼道情况。可看出没有感温、感烟传感器，就像人缺少感官，系统无法工作。热轧带钢表面温度的测量

用辐射温度计测量热轧带钢表面温度的方法巳被广泛采用。从加热炉出来的钢坯最后到卷取机之前的整个轧制线上，如加热炉出口、粗轧机的入口和出口、精轧机的入口和出口以及在卷取机之前都设有辐射温度计，用以测量各阶段带钢的表面温度。并用此温度信号来控制轧制速度、轧辊压下力和冷却水流量等。

传感器作为整个检测系统的前哨，它提取信息的准确与否直接决定着整个检测系统的精度。一个国家的现代化水平是用其自动化水平来衡量的。而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数量多少来衡量的。信息化技术包括传感器技术、通讯技术和计算机技术。传感器技术列为信息技术之首，由此可见一斑。国内高精度、多功能、集成化、智能化传感器急需开发研制。总结二、传感器的定义与组成1、定义（Sensor）

能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。（GB7665—87）它是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

输入量是物理量、化学量和生物量。输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、处理及显示）输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要满足测控系统的应用要求。压电传感器：Q=d33f传感器应用场合（领域）不同，叫法不同。过程控制：变送器。（标准化的传感器）射线检测：发送器、接收器。探头。2、组成敏感元件转换元件转换电路传感器组成框图被测量中间量电量电信号传感器组成

由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感元件与转换元件二合一。直接能将被测量转换为电量输出。如热电偶、压电传感器、光电池。热敏电阻等。膜盒差动电感电桥电路气体压力传感器组成框图PSLU0mVTT0BA热电偶IhfG光电池f+++++–––––Q压电传感器RRTR0RU0Ui热敏电阻传感器三、传感器分类及要求分类1、按能量转换情况

能量控制型传感器。需外供电源，只起信号转换，不起能量转换。能量转换型传感器。不需外加电源，本身起能量转换。2、按物理工作原理分类（教科书）按传感器的结构、原理、测量电路及应用讲授。条理较清晰。同一原理的传感器可测不同的非电量。3、根据输入物理量（用途）分类同一被测物理量可用不同种传感器测量。这样分类目的是使读者（工程技术人员）有针对性地查阅所需的传感器。一般工程书籍及参考书、手册按此类方法分类。4、按输出信号的性质分类模拟式传感器和数字式传感器。一般要求1、稳定性、可靠性一般用平均无故障时间来衡量稳定性、可靠性。在计量、工业生产等领域中稳定性、可靠性至关重要。2、静态精度测静态量，传感器精度应满足系统的精度要求。3、动态性能测动态量，如响应速度、工作频率、稳定时间等。4、量程测量被测量的范围。一般量程越大，精度越低。5、抗干扰能力工业现场环境较恶劣，存在温湿度、电磁等干扰，设计的传感器能克服这些干扰，安全稳定运行。6、体积小、能耗低、成本低结构型传感器向物性型半导体传感器发展。如测人体血压的电子血压计。（uWmW级）四、改善传感器性能的技术途径1、差动技术减小温度、电源波动及外界的共模信号干扰。减小非线性，提高灵敏度。（举例）2、平均技术光栅、磁栅、感应同步器等数字传感器，多个传感单元参与测量，误差的平均效应，总误差减小。如光栅尺测位移，几根刻线形状误差，对莫尔条纹的形状，影响甚微。多个传感器测量值取平均及多次采样测量采用平均技术。3、补偿与修正技术目的：消除外界因素对传感器测量结果的影响。热电偶测温E=f（T）－f（T0）方法一：T0恒温。方法二：冷端放置温度传感器测出T0

，通过软硬件得到f（T0）（修正项）。找到误差项（修正项），即可准确测得T。4、屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽减小外界电磁干扰对传感器的影响。（减小传感器对影响因素的灵敏度，降低外界因素对传感器作用的烈度）隔离（隔热、密封、隔振等）减小温度、湿度、机械振动等影响。滤波（阻容、电感滤波）滤除外界电磁干扰。5、稳定性、可靠性处理传感器元器件、结构材料的老化处理。使其能在较恶劣的环境中长期稳定可靠地运行。元器件分为商用级、工业级、军用级。它们的工作温度范围、寿命、精度等指标不同。五、传感器技术的发展方向1、开发新的敏感、传感材料在半导体硅材料发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使其性能改变。制成力敏、热敏、光敏、磁敏气敏等敏感元件。基础研究寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。没有深入细致的，就没有新传感元件的问世，也就没有新型传感器，组成不了新型测试系统。2、开发研制新型传感器及组成新型测试系统

(1)MEMS技术要求研制微型传感器。如用于微型侦察机的CCD传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。（2）研制仿生传感器（3）研制海洋探测用传感器海洋检测环保。（4）研制成分分析用传感器（5）研制微弱信号检测传感器3、微电子技术、微型计算机技术与仪表传感器相结合构成新一代智能化测试系统。如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。它们的特点是传感器与微型计算机有机结合，构成智能传感器。系统功能最大程度地用软件实现。4、用多个仪表或传感器进行线的、面的、体的测量。如称重料斗重量检测，油罐油温检测。六、本课程的任务和目的1、任务：掌握传感器的工作原理、结构、测量电路及典型应用。2、目的：（1）合理选择和使用传感器。

（2）对传感器技术问题有一定的分析和处理能力。（3）知晓传感器的工程设计方法和实验研究方法。（4）了解传感器的发展动向。要求1、复习巩固已学电路、电子等方面的知识。2、多看一些相关参考书及期刊杂志。参考书：1、检测与转换技术常健生吉林工业大学机械工业出版社2、非电量电测技术谭祖根浙江大学3、传感器技术贾伯年东南大学七、实验

实验是传感器课程不可缺少的重要组成部分，采用CSY传感器教学实验仪，设置了箔式应变片、半导体应变片、电涡流式、霍尔式、差动线圈螺管式、电容式、磁电式、压电式、热电偶式等传感器。传感器实例温度传感器压力传感器

液位传感器

半导体传感器

9.1气敏传感器

用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制,气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。

一、气敏电阻的工作原理气敏电阻的材料是金属氧化物,在合成材料时,通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成,金属氧化物半导体分N型半导体,如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等,P型半导体,如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度,合成材料有时还渗入了催化剂,如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。

金属氧化物在常温下是绝缘的,制成半导体后却显示气敏特性。通常器件工作在空气中,空气中的氧和NO2

这样的电子兼容性大的气体,接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷,结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少,使表面电导减小,从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触,就会与吸附的氧起反应,将被氧束缚的电子释放出来,敏感膜表面电导增加,使元件电阻减小。该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）,目的是为了加速上述的氧化还原反应。

例如,用氧化锡制成的气敏元件,在常温下吸附某种气体后,其电导率变化不大,若保持这种气体浓度不变,该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加,尤其在100~300℃范围内电导率变化很大。显然,半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图9-1（b）所示。由上述分析可以看出,气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。因此,气敏元件结构上,有电阻丝加热,结构如图9-2所示,1和2是加热电极,3和4是气敏电阻的一对电极。

气敏元件的基本测量电路,如图9-1（a）所示,图中EH为加热电源,EC为测量电源,电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化,输出电压（信号电压）由电阻Ro上取出。特别在低浓度下灵敏度高,而高浓度下趋于稳定值。因此,常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。

二、气敏传感器的应用

气敏电阻元件种类很多,按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。（1）烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中,经加热成型后低温烧结而成。目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件,它的加热温度较低,一般在200~300℃,SnO2气敏半导体对许多可燃性气体,如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。

（2）薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法,在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1μm以下）,构成薄膜型气敏元件。氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片,通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属,用铂或钯膜作引出电极,最后将基片上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体,当添加铂作催化剂时,对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体有较高的灵敏度,而对H2、CO2等气体灵敏度很低。若用钯作催化剂时,对H2

、CO有较高的灵敏度,而对烷烃类气体灵敏度低。因此,这种元件有良好的选择性,工作温度在400~500℃的较高温度。

（3）厚膜型气敏元件将气敏材料（如SnO2、ZnO）与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝（Al2O3）基片上,在400~800℃的温度下烧结1~2小时便制成厚膜型气敏元件。用厚膜工艺制成的器件一致性较好,机械强度高,适于批量生产。以上三种气敏器件都附有加热器,在实际应用时,加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉,同时加速气体氧化还原反应,从而提高器件的灵敏度和响应速度。9.2湿敏传感器

湿度是指大气中的水蒸气含量,通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指单位空间中所含水蒸气的绝对含量或者浓度或者密度,一般用符号AH表示。相对湿度是指被测气体中蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比,一般用符号RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度,它是一个无量纲的量,在实际使用中多使用相对湿度这一概念。下面介绍一些至今发展比较成熟的几类湿敏传感器。

一、氯化锂湿敏电阻

氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解,离子导电率发生变化而制成的测湿元件。该元件的结构如图9-3所示,由引线、基片、感湿层与电极组成。

氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体,在氯化锂（LiCl）溶液中,Li和Cl均以正负离子的形式存在,而Li

+对水分子的吸引力强,离子水合程度高,其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中,若环境相对湿度高,溶液将吸收水分，使浓度降低,因此,其溶液电阻率增高。反之,环境相对湿度变低时,则溶液浓度升高,其电阻率下降,从而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏元件的湿度——电阻特性曲线如图9-4所示。由图可知,在50%~80%相对湿度范围内,电阻与湿度的变化呈线性关系。为了扩大湿度测量的线性范围,可以将多个氯化锂含量不同的器件组合使用,如将测量范围分别为(10%~20%)RH,(20%~40%)RH,(40%~70%)RH,(70%~90%)RH和(80%~99%)RH五种元件配合使用,就可自动地转换完成整个湿度范围的湿度测量。

氯化锂湿敏元件的优点是滞后小,不受测试环境风速影响,检测精度高达±５%,但其耐热性差,不能用于露点以下测量,器件性能的重复性不理想,使用寿命短。

二、半导体陶瓷湿敏电阻

半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO

2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等,前三种材料的电阻率随湿度增加而下降,故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷(为叙述方便，有时将半导体陶瓷简称为半导瓷)。

1.负特性湿敏半导瓷的导电机理

由于水分子中的氢原子具有很强的正电场,当水在半导瓷表面吸附时,就有可能从半导瓷表面俘获电子,使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是Ｐ型半导体,则由于水分子吸附使表面电势下降。若该半导瓷为Ｎ型,则由于水分子的附着使表面电势下降。如果表面电势下降较多,

不仅使表面层的电子耗尽,同时吸引更多的空穴达到表面层,有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度,出现所谓表面反型层,这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而对电导做出贡献,由此可见,不论是Ｎ型还是Ｐ型半导瓷,其电阻率都随湿度的增加而下降。图9-5表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度之关系。

2.正特性湿敏半导瓷的导电机理正特性湿敏半导瓷的导电机理认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时,导致其表面层电子浓度下降,但还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度,此时仍以电子导电为主。于是,表面电阻将由于电子浓度下降而加大,这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。如果对某一种半导瓷,它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多,那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。

不过,通常湿敏半导瓷材料都是多孔的,表面电导占的比例很大,故表面层电阻的升高,必将引起总电阻值的明显升高;但是,由于晶体内部低阻支路仍然存在,正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明显。图9-6给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。

3.典型半导瓷湿敏元件（1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件,它是负特性半导瓷,MgCr2O4为Ｐ型半导体,它的电阻率低,阻值温度特性好,结构如图9-7所示,在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。

金电极与引出线烧结在一起,为了减少测量误差,在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈,以便对器件加热清洗,排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上,电极引线一般采用铂-铱合金。

MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系,见图9-8所示。传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减少,又随周围环境温度的变化而有所变化。（2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上,并焊上铂引线,然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定而做成的，其结构如图9-9所示。

ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度,而无需加热除污装置,因此功耗低于0.5Ｗ,体积小,成本低,是一种常用测湿传感器。9.3色敏传感器

半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。但不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的都是在一定波长范围内光的强度,或者说光子的数目。而半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。

一、半导体色敏传感器的基本原理

半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合,故又称光电双结二极管。其结构原理及等效电路如图9-10所示。为了说明色敏传感器的工作原理,有必要了解光电二极管的工作机理。

1.光电二极管的工作原理

对于用半导体硅制造的光电二极管,在受光照射时,若入射光子的能量hυ大于硅的禁带宽度Eg,则光子就激发价带中的电子跃迁到导带而产生一对电子-空穴。这些由光子激发而产生的电子—空穴统称为光生载流子。光电二极管的基本部分是一个Ｐ-Ｎ结,产生的光生载流子只要能扩散到势垒区的边界,其中少数载流子（专指P区中的电子和N区的空穴）就受势垒区强电场的吸引而被拉向对面区域,这部分少数载流子对电流作出贡献。多数载流子（P区中的空穴或N区中的电子）则受势垒区电场的排斥而留在势垒区的边缘。

在势垒区内产生的光生电子和光生空穴,则分别被电场扫向N区和P区,它们对电流也有贡献。用能带图来表示上述过程如图9-11（a）所示。图中Ec表示导带底能量;Ev表示价带顶能量。“”表示带正电荷的空穴;“·”表示电子。IL表示光电流,它由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载流子和势垒区中产生的电子-空穴对构成,其方向是由N区流向P区,即与无光照射P-N结的反向饱和电流方向相同。当P-N结外电路短路时,这个光电流将全部流过短接回路,即从P区和势垒区流入N区的光生电子将通过外短接回路全部流到P区电极处,与P区流出的光生空穴复合。因此,短接时外回路中的电流是ＩL,方向由P端经外接回路流向N端。

这时,P-N结中的载流子浓度保持平衡值,势垒高度（图9-11（a）中的q(UD-U)）亦无变化。当P-N结开路或接有负载时,势垒区电场收集的光生载流子便要在势垒区两边积累,从而使P区电位升高,N区电位降低,造成一个光生电动势,如图9-11（b）所示。该电动势使原P-N结的势垒高度下降为q（UＤ-U）。其中V即光生电动势,它相当于在P-N结上加了正向偏压。只不过这是光照形成的,而不是电源馈送的,这称为光生电压,这种现象就是光生伏特效应。

光在半导体中传播时的衰减是由于价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带的结果,这种吸收光子的过程称为本征吸收。硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线如图9-12所示。由图可见,在红外部分吸收系数小,紫外部分吸收系数大。这就表明,波长短的光子衰减快,穿透深度较浅,而波长长的光子则能进入硅的较深区域。对于光电器件而言,还常用量子效率来表征光生电子流与入射光子流的比值大小。其物理意义是指单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。根据理论计算可以得到,P区在不同结深时量子效率随波长变化的曲线如图9-13所示。图中xj即表示结深。浅的P-N结有较好的蓝紫光灵敏度,深的P-N结则有利于红外灵敏度的提高,半导体色敏器件正是利用了这一特性。

2.半导体色敏传感器工作原理在图9-10中所表示的P＋-N-P不是晶体管,而是结深不同的两个P-N结二极管,浅结的二极管是P＋-N结;深结的二极管是P-N结。当有入射光照射时,P＋、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收,但效果不同。如上所述,紫外光部分吸收系数大,经过很短距离已基本吸收完毕。在此,浅结的即是光电二极管对紫外光的灵敏度高,而红外部分吸收系数较小,这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此,深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。

这就是说,在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性,也就是可以用来测量入射光的波长。将两只结深不同的光电二极管组合,图9-14硅色敏管中VD１和VD２的光谱响应曲线就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。在具体应用时,应先对该色敏器件进行标定。也就是说，测定不同波长的光照射下,该器件中两只光电二极管短路电流的比值ＩSD2／ＩSD1,ＩSD1是浅结二极管的短路电流,它在短波区较大。ＩSD2是深结二极管的短路电流,它在长波区较大,因而二者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定的曲线,实测出某一单色光时的短路电流比值,即可确定该单色光的波长。图9-14表示了不同结深二极管的光谱响应曲线。图中VD１代表浅结二极管,VD２代表深结二极管。

二、半导体色敏传感器的基本特征

1.光谱特性半导体色敏器件的光谱特性是表示它所能检测的波长范围,不同型号之间略有差别。图9-15（a）给出了国产CS—１型半导体色敏器件的光谱特性,其波长范围是400~1000nm。2.短路电流比—波长特性短路电流比—波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力,是赖以确定被测波长的基本特性。图9-15（b）表示上述CS-１型半导体色敏器件的短路电流比—波长特性曲线。3.温度特性

由于半导体色敏器件测定的是两只光电二极管短路电流之比,而这两只光电二极管是做在同一块材料上的,具有相同的温度系数,这种内部补偿作用使半导体色敏器件的短路电流比对温度不十分敏感,所以通常可不考虑温度的影响。9.4半导体式传感器的应用

一、实用酒精测试仪

图9-16所示为实用酒精测试仪的电路。该测试仪只要被试者向传感器吹一口气,便可显示出醉酒的程度,确定被试者是否还适宜驾驶车辆。气体传感器选用二氧化锡气敏元件。当气体传感器探测不到酒精时,加在A5脚的电平为低电平;当气体传感器探测到酒精时,其内阻变低,从而使A5脚电平变高。A为显示推动器,它共有10个输出端,每个输出端可以驱动一个发光二极管,显示推动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数,酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上5个发光二极管为红色,表示超过安全水平。下5个发光二极管为绿色,代表安全水平,酒精含量不超过0.05%。

二、直读式湿度计

图9-17是直读式湿度计电路,其中RH为氯化锂湿度传感器。由VT1、VT2、T1等组成测湿电桥的电源,其振荡频率为250~1000Hz。电桥输出级变压器T2,C3耦合到VT3,经VT3放大后的信号,由VD1~VD4桥式整流后,输入给微安表,指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变,经标定并把湿度刻划在微安表盘上,就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。三、彩色信号处理电路图9-18所示为检测光波长（即颜色）处理电路。它由色敏半导体传感器、两路对数电路及运算放大器OP3构成。

识别色彩,必须获得两个光电二极管的短路电流比。故采用对数放大器电路,在电流比较小的时候,二极管两端加上的电压和流过电流之间存在近似对数关系,即OP1、OP2输出分别跟lnISD1、lnISD2成比例,OP3取出它们的差。输出为Uo=C（lnISD2-lnISD1）=Cln(ISD2/ISD1),其正比于短路电流比ISD2/ISD1的对数。其中c为比例常数。将电路输出电压经A/D变换,处理后即可判断出与电平相对应的波长（即颜色）。

半导体传感器

它是利用某些材料的电特性的物性变化来实现信息的直接变换的。半导体材料导电能力的大小，是由半导体内载流子的数目决定的。

以半导体为敏感材料，在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化，通过检测这些物理特性的变化，就可反映被测参数值。定义：是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。检测气体中的特定成分（CO、CO2、甲醛、酒精、氧气、氢气等），将其变换成电信号输出。应用场合：一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警。基本要求：1、对被测气体有高的灵敏度。2、气体选择性好。3、能够长期稳定工作。4、响应速度快。第一节气敏 传感器一、气敏电阻的工作原理气敏电阻的材料是金属氧化物,在合成材料时,通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成,金属氧化物半导体分N型半导体,如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等,P型半导体,如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度,合成材料有时还渗入了催化剂,如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。

金属氧化物在常温下是绝缘的,制成半导体后却显示气敏特性，其导电率随气体的吸附而发生改变。通常器件工作在空气中,空气中的氧和NO2

这样的电子兼容性大的气体,接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷,结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少,使表面电导减小,从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触,就会与吸附的氧起反应,将被氧束缚的电子释放出来,敏感膜表面电导增加,使元件电阻减小。该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）,目的是为了加速上述的氧化还原反应。

例如,用氧化锡制成的气敏元件,在常温下吸附某种气体后,其电导率变化不大,若保持这种气体浓度不变,该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加,尤其在100~300℃范围内电导率变化很大。显然,半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。

氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图所示。气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。气敏元件输出电压与温度的关系

因此,气敏元件结构上,有电阻丝加热,结构如图所示,1和2是加热电极,3和4是气敏电阻的一对电极。气敏元件的基本测量电路

电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化,输出电压（信号电压）由电阻Ro上取出。因此,常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。

EH为加热电源,EC为测量电源二、电阻型气敏器件

气敏电阻元件种类很多,按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。

（1）烧结型将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中,经加热成型后低温烧结而成。目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件,它的加热温度较低,一般在200~300℃,SnO2气敏半导体对许多可燃性气体,如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。内热式气敏器件结构旁热式气敏器件结构（2）薄膜型

在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜制成（厚度0.1μm以下）。上下为输出电极和加热电极，中间为加热器。（3）厚膜型

将金属氧化物粉末、添加剂粘合剂等混合配成浆料，将浆料印刷到基片上，制成数十微米的厚膜。灵敏度、工艺性、机械强度和一致性等方面，厚膜气敏元件较好。

以上三种气敏器件都附有加热器,在实际应用时,加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉,同时加速气体氧化还原反应,从而提高器件的灵敏度和响应速度。烧结型厚膜型薄膜型输出极加热电极输出极加热器金属氧化物金属氧化物氧化铝基片半导体氧化物Pt电极加热器加热电极工作原理利用半导体材料与气体相接触时，材料电阻发生变化的效应来检测气体的成分或浓度。气敏元件多采用SnO2、ZnO等。SnO2、ZnO属于N型半导体，工作时加热。元件加热到稳定状态时，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元件表面自由扩散，一部分分子蒸发，一部分分子固定在吸附处。当吸附还原性气体时，半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子吸附。载流子数增加，半导体电阻率减少阻值降低。当吸附氧化性气体时，半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负离子吸附。半导体载流子数减少，电阻率增大，阻值增大。元件加热正常状态吸附还原气体吸附氧化气体吸附气体后空气中元件电阻100500元件阻值变化时间吸附分子与半导体相互争夺电子。工作温度在200~400℃范围内吸附效果较好，电导率变化较大。注1：加热器的作用（1）使附着在元件上的油污、尘埃烧掉。（2）加速气体的氧化、还原反应，提高器件的灵敏度及响应速度。注2：检测不同气体，加热温度及添加物质不同，目的是使传感器对不同气体有选择性。三、气敏传感器的应用1、

实用酒精测试仪

测试驾驶员醉酒的程度。气体传感器选用二氧化锡气敏元件。当气体传感器探测不到酒精时,加在A5脚的电平为低电平;当气体传感器探测到酒精时,其内阻变低,从而使A5脚电平变高。A为显示驱动器,它共有10个输出端,每个输出端可以驱动一个发光二极管,显示推动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数,酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上5个发光二极管为红色,表示超过安全水平。下5个发光二极管为绿色,代表安全水平,酒精含量不超过0.05%。9.2湿敏传感器

一、湿度概念及其测量方式1、湿度概念空气中水蒸汽的含量。（1）绝对湿度单位体积空间内所含有水蒸汽的质量。（密度）

（2）相对湿度空气中实际所含水蒸汽的分压和同温度下饱和水蒸汽分压的百分比。（3）露点温度空气压力不变下，为使其所含水蒸气达到饱和状态，必须冷却到的温度称为露点温度。气温与露点温度差越小，表示空气越接近饱和。2、测量方式毛发湿度计、干湿球湿度计、露点计、半导体阻抗式湿度计。二、几种类型的湿度传感器1、氯化锂湿敏电阻

氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解,离子导电率发生变化而制成的测湿元件。结构如图所示,由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂是离子晶体。高浓度氯化锂溶液，Li与CL以正负离子形式存在。溶液中离子导电能力与溶液浓度有关。溶液的电导率随着溶液浓度的增高而下降。当溶液置于一定温湿场中,若环境相对湿度高,溶液将吸收水分，使浓度降低,因此,其溶液电导率增高，阻值下降。反之,环境相对湿度变低时,

则溶液浓度升高,其电导率下降,阻值升高。从而实现对湿度的测量。一般氯化锂湿敏电阻呈负阻特性。

氯化锂湿敏元件的优点是滞后小,不受测试环境风速影响,检测精度高达±５%,但其耐热性差,不能用于露点以下测量,器件性能的重复性不理想,使用寿命短。

2、高分子薄膜电容湿敏传感器高分子介质吸湿后，其介电常数发生变化，电容值变化（增加）。由于高分子薄膜做得很薄，能迅速吸附水分子（吸湿）和脱湿，响应性能优良，根据电容两的变化可测得相对湿度。3、半导体陶瓷湿敏电阻

半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。分为负特性湿敏半导体陶瓷，正特性湿敏半导体陶瓷。（1）.负特性湿敏半导瓷的导电机理

当水在半导瓷表面吸附时,氢原子从半导瓷表面俘获电子,使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是Ｐ型半导体,则由于水分子吸附使表面电势下降。吸引更多的空穴到表面，表面层的电阻下降。不仅使表面层的电子耗尽,同时吸引更多的空穴达到表面层,有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度,出现所谓表面反型层,这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而对电导做出贡献,由此可见,不论是Ｎ型还是Ｐ型半导瓷,其电阻率都随湿度的增加而下降。图12-11表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度之关系。

2.正特性湿敏半导瓷的导电机理正特性湿敏半导瓷的导电机理认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时,导致其表面层电子浓度下降,但还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度,此时仍以电子导电为主。于是,表面电阻将由于电子浓度下降而加大,这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。如果对某一种半导瓷,它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多,那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。

不过,通常湿敏半导瓷材料都是多孔的,表面电导占的比例很大,故表面层电阻的升高,必将引起总电阻值的明显升高;但是,由于晶体内部低阻支路仍然存在,正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明显。图9-6给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。

3.典型半导瓷湿敏元件（1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件,它是负特性半导瓷,MgCr2O4为Ｐ型半导体,它的电阻率低,阻值温度特性好,结构如图9-7所示,在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。

金电极与引出线烧结在一起,为了减少测量误差,在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈,以便对器件加热清洗,排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上,电极引线一般采用铂-铱合金。

MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系,见图9-8所示。传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减少,又随周围环境温度的变化而有所变化。（2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上,并焊上铂引线,然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定而做成的，其结构如图9-9所示。

ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度,而无需加热除污装置,因此功耗低于0.5Ｗ,体积小,成本低,是一种常用测湿传感器。

二、直读式湿度计

图9-17是直读式湿度计电路,其中RH为氯化锂湿度传感器。由VT1、VT2、T1等组成测湿电桥的电源,其振荡频率为250~1000Hz。电桥输出级变压器T2,C3耦合到VT3,经VT3放大后的信号,由VD1~VD4桥式整流后,输入给微安表,指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变,经标定并把湿度刻划在微安表盘上,就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。第四节色敏传感器

半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。但不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的都是在一定波长范围内光的强度,或者说光子的数目。而半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。

一、半导体色敏传感器的基本原理

半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合,故又称光电双结二极管。其结构原理及等效电路如图所示。为了说明色敏传感器的工作原理,有必要了解光电二极管的工作机理。

1.光电二极管的工作原理

对于用半导体硅制造的光电二极管,在受光照射时,若入射光子的能量hυ大于硅的禁带宽度Eg,则光子就激发价带中的电子跃迁到导带而产生一对电子-空穴。这些由光子激发而产生的电子—空穴统称为光生载流子。光电二极管的基本部分是一个Ｐ-Ｎ结,产生的光生载流子只要能扩散到势垒区的边界,其中少数载流子（专指P区中的电子和N区的空穴）就受势垒区强电场的吸引而被拉向对面区域,这部分少数载流子对电流作出贡献。多数载流子（P区中的空穴或N区中的电子）则受势垒区电场的排斥而留在势垒区的边缘。

在势垒区内产生的光生电子和光生空穴,则分别被电场扫向N区和P区,它们对电流也有贡献。用能带图来表示上述过程如图9-11（a）所示。图中Ec表示导带底能量;Ev表示价带顶能量。“”表示带正电荷的空穴;“·”表示电子。IL表示光电流,它由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载流子和势垒区中产生的电子-空穴对构成,其方向是由N区流向P区,即与无光照射P-N结的反向饱和电流方向相同。当P-N结外电路短路时,这个光电流将全部流过短接回路,即从P区和势垒区流入N区的光生电子将通过外短接回路全部流到P区电极处,与P区流出的光生空穴复合。因此,短接时外回路中的电流是ＩL,方向由P端经外接回路流向N端。

波式和射线式传感器

第一节超声波式传感器

振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。频率在16~2×104Hz之间,能为人耳所闻的机械波,称为声波;低于16Hz的机械波,称为次声波;频率高于2×104Hz的机械波,称为超声波。

当超声波由一种介质入射到另一种介质时,由于在两种介质中传播速度不同,在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。一、超声波的波形及其物理性质

1、超声波波型及其转换

由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同,声波的波型也不同。通常有:

①纵波——质点振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和气体中传播。②横波——质点振动方向垂直于传播方向的波。只能在固体中传播。

③表面波——质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。表面波随深度增加衰减很快。表面波振动轨迹是椭圆型，在固体表面传播。2、波型转换当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时,除有纵波的反射、折射外,还发生横波的反射和折射,在某种情况下,还能产生表面波。3.超声波的反射和折射在两界面处，声波的传输与光传输类似，符合反射定律和折射定律。C1与C2为声波在第一介质和第二介质中传播声速。反射定律:入射波与反射波的波形相同，波速相等时：折射定律：超声波的反射和折射4.

超声波的衰减

声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为

Px、Ix

——距声源x处的声压和声强;

x——声波与声源间的距离;

α——衰减系数（11-2）（11-3）10.2超声波传感器的应用一、超声波传感器为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波测距原理：超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再反回到接收探头。超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，称为压电式超声波探头。它是实现声、电转换的装置。利用压电材料的压电效应来工作的:逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头;利用正压电效应,将超声振动波转换成电信号,可用为接收探头。超声波频率与厚度的关系：——晶片沿x轴的弹性模量——晶片密度超声波频率f与其厚度δ成反比。超声波探头结构2、超声波液（物）位传感器

从探头发出超声波脉冲通过介质到达液面，经过反射后又被探头接收。测量发射与接收超声波脉冲的时间间隔和声波在介质中传播速度，可求出探头与液面之间的距离。实现液位（物位）的测量。根据发射和接收换能器的功能,传感器又可分为单换能器和双换能器。

对于单换能器（复合换能器）来说,超声波从发射到液面,又从液面反射到换能器的时间为对于双换能器（一对）来说,超声波从发射到被接收经过的路程为2s,而

s=

因此液位高度为

h=（s2-a2）1/2

2、超声波流量传感器超声波传输时间差法测流量。

超声波在流体中传输时,在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的,利用这一特点可以求出流体的速度,再根据管道流体的截面积,便可知道流体的流量。如果在流体中设置两个超声波传感器（复合探头）,它们可以发射超声波又可以接收超声波,一个装在上游,一个装在下游,其距离为L。如设顺流方向的传输时间为t1,逆流方向的传输时间为t2,流体静止时的超声波传输速度为c,流体流动速度为v。t1=

t2=

超声波传播时间差为

Δt=t2－t1=流体的流速为v=（C>>V）

实际应用中,超声波传感器安装在管道的外部,从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响，也有利于安装。当探头1为发射探头，2为接收探头时，超声波传播速度为顺流传播时间t1为当探头2为发射探头，1为接收探头时，超声波传播速度为逆流流传播时间t2为时差为流体的平均流速为该方法测量精度取决于时间差的测量精度，且C是温度的函数，高精度测量需进行温度补偿。3、超声波探伤脉冲反射法。超声波发射到被测试件后，传播到有声阻抗的界面上，产生反射。反射波显示在示波器屏幕上。BFT脉冲发生器接收放大器缺欠探头工件纵波探测分一次反射波法和多次反射波法。一次反射波按时间顺序屏幕上显示发射波、表面反射波和底面反射波。若工件内部有缺欠，对超声波有较强的吸收，底波幅度减小。多次反射波以多次底波反射为依据。底波反射回探头时，一部分声波被探头接收，另一部分又返回底部，多次反射，直至声能全部衰减完为止。当试件有缺欠时，声波衰减很大，底波反射次数减少，直至消失，由此判断有无缺欠及缺欠的严重程度。第二节微波式传感器一、微波的基础知识微波是波长为1m一1mm的电磁波，具有下列特点：①空间辐射的装置容易制造；②遇到各种障碍物易于反射；③绕射能力较差；④传输特性良好；⑤介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。微波式传感器的组成：微波振荡器和微波天线二、微波传感器测量原理：由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。微波传感器可分为反射式与遮断式两种。1．反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。2．遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数。三、微波传感器的应用1．微波液位计微波发射天线微波接收天线当发射功率、波长、增益均恒定时，只要测得接收功率，就可获得被测液面的高度。2．微波物位计（1）当被测物位较低时发射天线发出的微波束全部由接收天线接收，经放大器、比较器后发出正常工作信号。（2）当被测物位升高到天线所在的高度时微波束部分被吸收部分被反射，接收天线接到的功率相应减弱，经放大器、比较器就可给出被测物位高出设定物位的信号。第三节射线式传感器定义：利用放射性同位素、根据被测物质对放射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。也称核辐射检测装置。一、核幅射的物理基础1．放射性同位素放射性衰变规律：——开始时(t＝0)的放射源强度——t时的放射源强度——放射性衰变常数半哀期：是不受任何外界作用影响而且和时间无关的恒量，不同放射性元素的半衰期不同。

2．核辐射放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，叫核辐射。(1)粒子：主要用于气体分析，测量气体压力、流量等。(2)粒子：主要用于测量材料厚度、密度等。(3)射线：穿透能力很强，广泛应用于金属探伤、测大厚度等。3．核辐射与物质的相互作用主要是电离、吸收和反射辐射在穿过物质层后、其能量强度为：——入射到吸收体的辐射通量的强度——穿过厚度为h(单位为cm)的吸收层后的幅射通量强度——线性吸收系数设质量厚度，则吸收公式可写成用质量吸收系数表示上式得：这些公式是设计核辐射测量仪器的基础。射线在物质中穿行时容易改变运动方向而产生散射现象，反散射的大小与粒子的能量、物质的原了序数及厚度有关，因此可以测量材料的涂层厚度。二、射线式传感器由放射源和探测器组成1．射线源放射线源的结构应使射线从测量方向射出，射线出口处装有耐辐射薄膜，以防灰尘浸入，并能防止放射源受到意外损伤而造成污染。2．探测器探测器就是核辐射的接收器，常用的有电离室、闪烁计数器和盖革计数管。（1）电离室空气中设置一个平行极板电容器，对其加上几百伏的极化电压。(2)闪烁计数器(3)盖革计数管结构示意图特性曲线三、核辐射检测的应用

传感器的一般特性

一、传感器的静特性二、传感器的动特性三、传感器的技术指标

研究传感器输入输出关系及特性。输入信号可分为静态量和动态量。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。

传感器的静态特性

传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。

衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度,迟滞和重复性等。它们是衡量传感器优劣的指标。一、线性度(非线性误差)

传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示：式中:a0——零位输出

a1

——灵敏度

a2,…,an——非线性项系数。各项系数不同,决定了特性曲线的形状不相同。

理想情况仅含有一次项，希望表达式仅含奇次项，偶次项和零次项消除。传感器在结构上采用差动式结构可实现。传感器非线性大小评定方法静特性曲线可通过实际测试获得。首先在标准工作状态下，用标准仪器设备对传感器进行标定（测试），得到其输入输出实测曲线，即校准曲线，然后作一条理想直线，即拟合直线，校准曲线与拟合直线之间的最大偏差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）

在采用直线拟合线性化时，传感器的输出输入校正曲线与其拟合曲线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差，通常用相对误差表示。校准曲线与拟合直线间最大偏差

传感器满量程输出

几种直线拟合方法

(a)理论拟合(b)过零旋转拟合

(c)端点连线拟合(d)端点平移拟合即使是同类传感器,拟合直线不同,其线性度也是不同的。选取拟合直线的方法很多,用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。（1）拟合直线方程

y=k+bx

设有n对测量数据（xi,yi）,用直线方程y=k+bx拟合,根据测量数据值,求方程中系数k、b的最佳估计值。可应用最小二乘法原理,使各测量数据点yi与直线输出偏差的平方和为最小。（2)多项式拟合二、迟滞

迟滞是指传感器在正反行程中输出输入曲线不重合的现象。其数值用最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比表示

迟滞现象反应了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，（如轴承摩擦，间隙，螺钉松动，元件腐蚀及灰尘等）式中:ΔHmax——正反行程输出值间的最大差值。三、重复性重复性指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。重复性误差属于随机误差,常用标准偏差表示,也可用正反行程中的最大偏差表示,即四、灵敏度与灵敏度误差

传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比非线性传感器的灵敏度用表示其数值等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜率灵敏度误差用相对误差表示

五、分辨力与阈值分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力可用绝对值表示，也可用与满量程的百分数表示。数字式传感器一般用分辨力为输出的数字指示值最后一位数字。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值六、温度稳定性温度稳定性又称温漂，表示温度变化时传感器输出值的偏离程度，一般以温度变化1℃输出最大偏差与满量程的百分比表示

八、抗干扰稳定性这是指传感器对外界干扰的抵抗能力。九、静态误差静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理沦输出值的偏离程度。静态误差的求取方法是求出其标准偏差当用贝赛尔公式计算标准偏差σ时则有第二节传感器的动特性动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。传感器的动特性取决于什么因素？

a.首先取决于传感器本身

b.其次动特性与被测量的变化形式有关

一、接触式传感器的动特性接触式传感器是指进行接触测量的传感器，一般用于几何量测量中。

动特性中输出量与输入量的关系不是一个定值，而是时间的函数。输出量随输入量的频率的变化而变化。表征传感器动特性输入量与输出量的关系方法是微分方程和传递函数。分析输入信号为正弦信号和阶跃信号时传感器的动特性。（一）临界频率1．无杠杆传动的接触式传感器的临界频率以在磨加工中使用无杠杆传动的电接触式传感器进行主动检测为例说明。

——运动系统固有角频率

——测杆位移量为零时的初始测力

——测杆质量

——偏心量（被测尺寸变化幅度）2．基座存在振动时的影响基座在振动时降低了临界频率3.具有传动杠杆的接触式传感器的临界频率加大了杠杆的位移，有放大作用，精度高(二)稳定时间和临界速度稳定时间概念的引入和临界速度概念的引入1.采用抬头机构的情况2．强制送入测位的情况二、模拟式传感器动特性（一）先写出数学模型，再求其传递函数（二）频率特性（三）过渡函数与稳定时间（四）求给定输入下的输出

磁电式传感器

磁电感应式传感器又称磁电式传感器,是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号,是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定,具有一定的工作带宽（10～1000Hz）,所以得到普遍应用。

定义利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。直接将机械能转换为电能，是有源传感器。第一节磁电感应式传感器一、类型及其工作原理电磁感应定律N匝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，线圈中所产生的感应电动势e的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率，即

当线圈的导体与磁场之间做相对切割磁力线运动时，在导体中产生感应电动势。由此可设计一类恒磁通式磁电传感器。用于测量振动及线速度。NSLve（一）恒定磁通式动圈式动铁式

恒磁通式磁电传感器由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。磁路系统产生恒定的直流磁场,磁路中的工作气隙固定不变,因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以是线圈（动圈式）,也可以是磁铁（动铁式）,动圈式（（a））和动铁式（(b)）的工作原理是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时,由于弹簧较软,运动部件质量相对较大。当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时,运动部件惯性很大,来不及随振动体一起振动,近乎静止不动,振动能量几乎全被弹簧吸收,永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度,磁铁与线圈的相对运动切割磁力线,从而产生感应电势为特点：

1、磁路系统产生恒定的直流磁场。气隙不变，磁通不变。

2、磁铁与线圈之间相对切割磁力线运动。线圈产生的感应电势为式中:B——工作气隙磁感应强度;

——每匝线圈平均长度;

——线圈在工作气隙磁场中的匝数;

v——相对运动速度。（二）变磁通式

又称为变磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度。开磁路变磁通式

开磁路变磁通式:线圈、磁铁静止不动,测量齿轮安装在被测旋转体上,随之一起转动。每转动一个齿,齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次,磁通也就变化一次,线圈中产生感应电势,其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。当齿轮的齿数Z确定以后，若能测出f就可求出转速n(n＝60f／z)。这种传感器结构简单，但输出信号小，转速高时信号失真也大，在振动强或转速高的场合，往往采用闭磁路。闭磁路变磁通式变磁通式传感器对环境条件要求不高

闭磁路变磁通式,它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成,内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时,外齿轮不动,内齿轮随被测轴而转动,内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化,从而引起磁路中磁通的变化,使线圈内产生周期性变化的感生电动势。显然，感应电势的频率与被测转速成正比。二、设计要点1.工作气隙2．永久磁铁使永久磁铁尽可能工作在最大磁能积上。3．线圈组件在高精度传感器中，线圈磁场效应不能忽略，采用补偿线圈与工作线圈相串联加以补偿。三、磁电感应式传感器的应用1.动圈式振动速度传感器工作原理传感器与被测物体刚性连接,当物体振动时,传感器外壳和永久磁铁随之振动,而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。因而,磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势,线圈的输出通过引线输出到测量电路。该传感器测量的是振动速度参数。（二）磁电感应式转速传感器（三）磁电式扭矩传感器

扭矩的电测技术主要是通过传感器把扭矩这个机械量转换成相位、然后用相位计来测量相位，从而达到测量扭矩的目的。

系统为开磁路变磁通系统。要求齿形圆盘制作完全一致。（1）当扭距为0时，两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2完全一致，（同频、同相、同幅）相位差为0。（2）当有扭矩作用在扭转轴上时,两个