传感器的主要知识点.doc

绪论
一、 传感器得定义、组成、分类、发展趋势
能够感受规定得被测量并按照一定规律转换成可用输出信号得器件或装置，通常由敏感元件与转换元件构成。
如果传感器信号经信号调理后，输出信号为规定得标准信号（0~10mA,4~20mA;0~2V,1~5V;…），通常称为变送器，鴨斂录薈锵琏謠。
分类：
按照工作原理分，可分为：物理型、化学型与生物型三大类。物理型传感器又可分为物性型传感器与结构型传感器。眯飆辈駒譎魚瘍。
按照输入量信息：
按照应用范围：
传感器技术: 就是关于传感器得研究、设计、试制、生产、检测与应用得综合技术、
发展趋势: 一就是开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器得新材料与新工艺；二就是实现传感器得集成化、多功能化与智能化。况唤眾检讒馮謾。
1．发现新现象；
2．发明新材料；
3．采用微细加工技术；
4．智能传感器；
5．多功能传感器；
6．仿生传感器。
二、 信息技术得三大支柱
现在信息科学（技术）得三大支柱就是信息得采集、传输与处理技术，即传感器技术、通信技术与计算机技术。
课后习题
1、什么叫传感器，它由哪几部分组成？它们得作用与相互关系？
传感器(transducer/sensor)：能感受规定得被测量并按照一定得规律转换成可用输出信号得器件或装置（国标GB7665—2005）。通常由敏感元件与转换元件组成。 墮帮骜璣鴿讜规。
敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被测量并输出与被测量成确定关系得其她量(一般为非电量)部分。
转换元件：指传感器中能将敏感元件感受或响应得被测量转换成适于传输或测量得可用输出信号(一般为电信号)部分。钙踊統据較廚鹃。
信号调理电路(Transduction circuit) ：由于传感器输出电信号一般较微弱，而且存在非线性与各种误差，为了便于信号处理，需配以适当得信号调理电路，将传感器输出电信号转换成便于传输、处理、显示、记录与控制得有用信号。軹霭詒達鯽戲颁。
第一章 传感器得一般特性
1. 传感器得基本特性
动态特性 静态特性
2. 衡量传感器静态特性得性能指标
（1） 测量范围、量程
（2） 线性度

传感器静态特性曲线及其获得得方法
传感器得静态特性曲线就是在静态标准条件下进行校准得。
静态标准条件
（传感器校准时，包括零点在内得压力校准点数K 不应少于6 点，校准得循环次数R不应少于3 次。校准点数与校准循环数得多少取决于被校传感器得精度与使用要求，通常K=6～11，R=3～5。每次校准共可获得2RK 个校准数据。闌擇锑岿澗蕁餡。
正行程校准曲线、反行程校准曲线，传感器得校准曲线。

经校准得传感器，应给出特性方程、线性、迟滞、重复性以及精度值。）
1）最小二乘法拟合直线

2）端点法拟合直线

（3） 灵敏度

（4） 分辨率、分辨力
（5） 迟滞

（6） 重复性
1）
2）

（7） 精度

精度等级
思考题与习题
1、传感器得定义、组成、分类、发展趋势。
2、何为传感器得基本特性
3、传感器得静态特性就是如何定义得，其主要技术指标由哪些？如何测出它们得数据？
4、某传感器得给定精度为2%F、S。
11、某压力传感器得校准数据如表1-5所示。
压力/Mpa
第一次循环（mV）
第二次循环（mV）
第三次循环（mV）
第一正
第一反
第二正
第二反
第三正
第三反
0
-2、73
-2、71
-2、71
-2、68
-2、68
-2、69
0、02
0、56
0、66
0、61
0、68
0、64
0、69
0、04
3、96
4、06
3、99
4、09
4、03
4、11
0、06
7、4
7、49
7、43
7、53
7、45
7、52
0、08
10、88
10、95
10、89
10、93
10、94
10、99
0、1
14、42
14、42
14、47
14、47
14、46
14、46
线性度、重复性、迟滞按照书中公式计算即可。
主要习题：
第一章1、2、3、5，11
第二章 1、2、5、6、7、10、11
第三章 1、3
第四章 1、2
第五章 1、3、12、13、14
第七章 1 、2、3、5、6、9、11、13、14、16、21、24
第2章 电阻应变式传感器
工作原理：
电阻应变式传感器得基本原理就是将被测非电量转换成与之有确定对应关系得电阻值，再通过测量此电阻值达到测量非电量得目得。鱭鹪戶铕鳥硗遲。
2.1 金属电阻应变式传感器
1、 电阻—应变效应
当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化，这种现象称为金属导体得电阻—应变效应。诹标韋苈颇掙儷。
概念：轴向应变、径向应变、微应变（）
应变灵敏系数

金属导体得灵敏系数与半导体得灵敏系数得区别。
2、 应变片
概念：应力
应力与应变得关系
E 试件材料得弹性模量。
应变片

金属电阻应变片由敏感栅、基底、盖片、引线与粘结剂组成。
根据敏感栅材料形状与制造工业得不同，应变片得结构形式有金属丝式、箔式与金属薄膜式三种类型。
3、 金属电阻应变片得主要特征
（1）应变片得电阻值，已标准化。
（2）绝缘电阻
（3）灵敏系数
（4）允许电流
（5）横向效应与横向灵敏系数
（6）机械滞后
（7）应变极限
（8）零漂与蠕变
（9）动态特性

4、 温度误差及补偿
（1）引起温度误差得主要因素
（2）温度补偿得方法
5、 测量电路

对于等臂电桥
（2-36，37）
单臂桥得非线性误差
6．金属电阻应变片得应用——电阻应变式传感器
（1）电阻应变式力传感器
柱（筒）式力传感器

悬臂梁式力传感器
等截面悬臂梁
等强度悬臂梁
薄壁圆环式力传感器
轮辐式力传感器
轴剪切力传感器
（2）电阻应变式压力传感器
筒式压力传感器
膜片式压力传感器

组合式压力传感器
（3）电阻应变式加速度传感器
（4）电阻应变式加速传感器应用示例
2.2 半导体应变片及压阻式传感器
半导体片
压阻效应 半导体晶体材料得电阻率随作用应力而变化得“压阻效应” (piezoresistive effct) 。画諤赂钥丝驽眯。
半导体应变片有两种制作方法：
（1） 体型半导体应变片
（2） 扩散硅应变片
压阻式传感器
压阻式传感器依然就是基于半导体材料得压阻效应，在半导体材料底片上选择一定得晶向位置，利用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感器元件，基片直接作为测量敏感元件（甚至有得可包括某些信号调理电路），也称为扩散型压阻式传感器或固态压阻式传感器。朮跸慳長闫滌讶。
（1） 压阻式压力传感器

h=50~500,,
（2） 压阻式加速度传感器
为了保证输出线性度，悬臂梁根部得应变不要超过400~500。
应用示例
2.3 电位计式传感器
2.4 思考题与习题
1. 何为金属得电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？
2. 什么就是应变片得灵敏系数？它与电阻丝得灵敏系数有何不同？为什么？
3. 用应变片测量时，为什么必须采取温度不成措施？有何种温度补偿方法？
4. 一个应变片得电阻值，K=2、05，用作应变800得传感原件。
（1） 求与；
=2、05*800*10-6
=
=R=120 =
（2） 若电源电压，求其惠斯通电桥得非平衡输出电压。

5. 一试件得轴向应变为0、0015，表示多大微应变？该试件得轴向相对伸长率为百分之几？
6. 假设惠斯通直流电桥得桥臂1就是一个120Ω得金属电阻应变片（K=2、00，检测用），桥臂1得邻臂3就是用于补偿得同类批次得应变片，桥臂2与桥臂4就是120欧姆得固定电阻。流过应变片得最大电流为30mA、儈鑲忏瀟渎鸦羟。
（1） 画出该电桥电路，并计算最大直流供电电压。
Uim=（120+120）3010-3=7、2V
（2） 若粘在钢梁（E=2、11011N/m2）上，而电桥由5V电源供电，就是问当外加负载时，电桥得输出电压时多少？璣啬謹嬪闲鲍斃。

（3） 假定校准电阻与桥臂1上未加负荷得应变片并联，试计算为了产生于钢梁加载相同输出电压所需要得标准电阻值。
第3章 电感式传感器
电感式传感器就是利用电磁感应原理，将被测非电量转换成线圈自感或互感得变化量，再由测量电路转换为电压或电流得变化量输出得一种装置。鮞欧罴弯緹馏败。
被测量 → 自感L(互感M) → Uo(Io)
电感式传感器分类：
（1）自感式传感器(电感式传感器)：气隙型、螺管型两种结构;
（2）互感式传感器：差动变压器式传感器、
（3）电涡流式传感器
3、1、1 气隙型电感式传感器
（3-4）
（3-12）
差动变隙式电感传感器得优点:
(1)差动式电感传感器得灵敏度比单线圈电感传感器提高一倍；
(2)差动式电感传感器得非线性失真小。
3、1、2 螺管式电感传感器
（3-25）
电感灵敏度：
（3-30）
差动结构：
当品质因数较大时，
（3-49）
阻抗：

3、1、3 电感线圈得等效电路
（3-36）
第四章 电容式传感器
电容式传感器：以各种类型得电容器作为传感元件，将被测量得变化转换成电容量变化得一种传感器。
被测量→（△d，△S，△ε）→△C
1、 平行板电容器：

2、 电容式传感器得基本类型：即变间隙(d)型、变面积(S)型与变介电常数(ε)型。电极形状有平板形、圆柱形与球形三种。苋瓊镆侣懲泺锊。

2、 圆筒电极电容

3、 电路
电桥

双T

第五章 压电传感器
压电式传感器就是以某些电介质得压电效应为基础得有源传感器。
5、1 压电传感器得工作原理
1、 压电效应(Piezoelectric-effect)
（1）正压电效应（顺压电效应）
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它得一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态得现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。输出电压得频率与动态力得频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。沪珑苋别鲡马鰾。
（2）逆压电效应
当在电介质得极化方向上施加电场(加电压)作用时，这些电介质晶体会在一定得晶轴方向产生机械变形，外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。剄轭锹軌涡阆镛。
2 压电方程
或

并联接法输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜用在测量慢信号并且以电荷作为输出量得情况。
串联接法输出电压大、电容小，适宜用于以电压作为输出信号、并且测量电路输入阻抗很高得情况。
压电元件一般采用两片或两片以上压电片组合使用。由于压电元件就是有极性得，因此连接方法有两种：并联连接与串联连接。禱窯荣饒觯氳蒼。

5、2 压电材料
压电材料可以分为两大类：压电晶体（单晶体）、压电陶瓷（多晶体）
压电晶体：（1）石英；（2）水溶性压电晶体
压电陶瓷：（1）钛酸钡压电陶瓷；
（2）锆钛酸铅系(PZT)
（3）铌酸盐系
压电新材料：二氟乙烯（PVDF）高分子材料
压电传感器得前置放大器由两种形式：一种就是电压放大器；一种就是电荷放大器。
第七章 热电势传感器
热电式传感器就是利用某种材料或元件与温度有关得物理特性，将温度得变化转换为电量变化得装置或器件。
温度 → 电信号（电阻、电压、电流等）
分类：
热电偶：将温度变化转换为电势变化。
热电阻：将温度变化转换为电阻值变化。
PN结型温度传感器：PN结电压-温度效应。
原理：利用物质得电阻率随温度变化得特性制成得电阻式测温系统。 温度变化→电阻变化
包括：
7、 1 热电阻
金属热电阻（铂热阻、铜热阻等）：用纯金属热敏元件制成。
半导体热敏电阻（PTC、NTC、CTR）：用半导体材料制成。
7、1、1 金属热电阻
1、 铂热电阻（WZP）
铂电阻作为-259、34～630、74℃温度范围内得温度基准。
常见得结构
（1）直径0、02～0、07mm 铂丝绕在云母片等绝缘骨架上，然后装入保护套管，接出银制引线；
（2）铂膜电阻:采用真空镀膜方法制造薄膜电阻。
百度电阻比W(100)表示铂得纯度
W(100)=R100 / R0
式中，R100—100℃时得电阻值；R0—0℃时得电阻值。
铂电阻丝纯度越高，测温精度也越高。
基准铂热电阻：W(100)≥1、39256，纯度99、9995％，
精度：±0、001℃～±0、0001℃
工业用标准热电阻：W(100)≥1、391，
精度：-200℃～0℃，±1℃
0℃～100℃，±0、5℃
100℃～650℃，±(0、5％)t
铂电阻得分度号 Pt50, Pt100。
2、 铜热电阻（WZC）
百度电阻比W(100)≥1、425
分度号：Cu100(R0100=100Ω)，Cu50(R0=50Ω)
测温范围与应用：-50℃～100℃；工业用温度计。
3、 测量电路
消除导线电阻得影响，一般采用三线或四线电桥连接法。
7、1、2 半导体热敏电阻
正温度系数(PTC)、负温度系数（NTC）、临界温度系数（CTC）
一定温度范围内，为一条指数曲线

T0=20℃(= 293K) → R0=R20，额定电阻；T1=100℃(= 373K) → R1=R100 ；则绊愴黉烂懷阚續。

标称电阻值RH：（25±0、2℃）时得电阻值，又称冷电阻。
7、2 PN结型温度传感器
1、 二极管温度传感器

2、 晶体管温度传感器
3、 集成温度传感器
分类：按输出信号分为：
（1）电压型：三线制，ku=10mV/℃， LM34/35，LM135/235，TMP35/36。
（2）电流型，两线制，kI＝1μA/K， AD590/592，LM134/234。
（3）数字型 18B20
7、3 热电偶
热电偶就是将温度量转换为电势大小得热电式传感器。用于测量100～1300℃范围内得温度。
7、3、1 热电效应：将两种不同得导体（金属或合金）A与B组成一个闭合回路（称为热电偶），若两接触点温度(T、T0)不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克效应。回路中得电势称为热电势或塞贝克电势，用EAB（T，T0）表示。导体A、B称热电极，一个接点为测量端（热端或工作端），放入被测温度T中，另一个接点为参考端（冷端或自由端），置于某一恒定温度T0中。温差越大，热电势越大。脚绕鳥炀数籬腡。
热电势由两部分组成：接触电势，温差电势
7、3、2
热电偶得基本定律
1、 均质导体定律
要求热电极材质均匀，避免热电极上各点温度不同产生附加电势。
2、 中间导体定律
热偶回路断开接入第三种匀质导体C，若C两端温度相同，则回路热电势不变。这为热电势得测量（接入仪表）奠定理论基础。稟紱颁恥稈项鋱。
3、 中间温度定律

4、 标准（参考）电极定律：用于确定各种材料热电势

7、3、3 热电偶得种类与结构
国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶, 所谓标准化热电偶, 它已列入工业标准化文件中, 具有统一得分度表。我国从1988年开始采用IEC标准生产热电偶。断謾嚕鲣珏攏俣。
分度表
热电偶得结构：
(1)普通型热电偶
一般由热电极、绝缘套管、保护管与接线盒组成。
(2)铠装型热电偶
由热电偶丝、绝缘材料与金属套管三者经拉伸加工而成得坚实组合体。它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。主要优点就是测温端热容量小,动态响应快,机械强度高,挠性好,可安装在结构复杂得装置上。 撾瀟闸罌缃陽娇。
(3)薄膜热电偶
7、3、4 热电偶得冷端处理及补偿
延长导线
利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定得T0端测试。使冷端远离热端。要求：在一定得温度范围内，补偿导线与配对得热电偶具有相同或相近得热电特性。鰾减錒胜哒療檻。
冷端补偿，其补偿方法：
1、 0℃恒温法
将热电偶冷端置于冰水混合物得0℃恒温器内，使其工作与分度状态达到一致。
冷端温度修正法
（1）热电势修正法
利用中间温度定律
（2）温度修正法
由实测热电势EAB（T，Tn），查表得T’为仪表指示温度。
3、 冷端温度自动补偿法
（1）电桥补偿法
（2）PN结冷端补偿
（3）AD590冷端温度补偿法
第八章 光电式传感器
光电式传感器就是一种将被测量通过光量得变化再转换成电量得传感器,它得物理基础就是光电效应、光电式传感器一般由光源、光学元件与光电元件三部分组成，光源发射出一定光通量得光线，由光电元件接收，在检测时，被测量使光源发出得光通量变化，因而使接受光通量得光电元件得输出电量也做相应得变化，最后用光用电量来表示被测量得大小。其输出得电量可以就是模拟量也可以就是数字量。讹讵阔卢滤轺陕。
8、1 光电效应
光电效应：指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子得能量，从而产生得电效应。包括外光电效应（External Photo-獭斃墙幘鹂葦論。
electric effect ）、内光电效应（internal Photo-electric effect） 。内光电效应又分为光电导效应（ Photoconduction effect ）、光生伏特效应（ Photo-voltaic effect ）剄藹随譙齡历氲。
8、1、1 外光电效应
在光线得作用下，使物体内得电子逸出物体表面得现象称为外光电效应，向外发射得电子叫做光电子。基于外光电效应得光电元件有光电管、光电倍增管等。 脔误嚦攣铷爛伟。

h—普朗克常数，6、626×10-34J·s；ν—光得频率（s-1）
光电子能否产生，取决于入射光子得能量就是否大于该物体得表面电子逸出功A0。不同得物质具有不同得逸出功，即每一个物体都有一个对应得光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内得电子逸出，因而小于红限频率得入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。過鸭晕墾欏槧烫。
红限频率，红限波长
8、1、2 内光电效应
当光照射在物体上，使物体得电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势得现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理得不同，内光电效应分为光电导效应与光生伏特效应两类。澮济聯滟湿窪饴。
1、 光电导效应
在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率得变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应得光电器件有光敏电阻。毀葱驅饈画冁桢。
为了实现能级得跃迁，入射光得能量必须大于光电导材料得禁带宽度Eg，即

2、 光生伏特效应
在光线作用下能够使物体产生一定方向得电动势得现象叫做光生伏特效应。
基于该效应得光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。
光生伏特效应有两种：结光电效应(也称为势垒效应)与横向光电效应(也称为侧向光电效应)。
8、2 光电器件
8、2、1光电管
光电器件得性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率与温度特性来描述。
8、2、2 光电倍增管
8、2、3 光敏电阻
8、2、4 光敏二极管与光敏三极管
8、2、5 光电池
8、2、6 光控晶闸管
8、3 光源及光学元件
第9章 磁敏传感器
磁敏传感器
霍尔元件、磁敏电阻、结型磁敏晶体管及其传感器。
9、1 霍尔传感器
霍尔传感器就是利用半导体霍尔元件得霍尔效应实现磁电转换得一种传感器。霍尔效应1879年首次由霍尔发现。
9、1、1 霍尔效应
霍尔效应就是物质在磁场中表现得一种特性，它就是由于运动电荷在磁场中收到洛伦兹力作用产生得结果。金属或半导体薄片置于磁感应强度为B 得磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流与磁场得方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。雖憊賞祷秘驪谮。
霍尔电动势
霍尔片（霍尔元件）

9、1、2霍尔元件得主要技术参数
1 输入电阻Ri与输出电阻Ro
2 额定控制电流Ic
一般为几毫安至几十毫安。
3、不等位电势Uo与不等位电阻Ro
4、 灵敏度KH
5、 寄生直流电势U0D
6、 霍尔电势温度系数
7、 电阻温度系数
8、 灵敏度温度系数
9、 线性度
4加速度

9、1、5 霍尔集成器件
霍尔集成电路可分为线性型与开关型两大类。
线性型集成电路就是将霍尔元件与恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型得线性型霍尔器件如UGN3501等。吶赐报锞溅鏹鉺。
9、1、6 霍尔传感器得应用
1、 位移测量
2、 力测量
3．角度测量
4．霍尔加速度
5．霍尔电流传感器
6、 霍尔功率传感器
7、 高斯计
8、 霍尔计数装置
9、 霍尔转速传感器
10、 霍尔开关电子点火器
11、 霍尔电机
课后习题：1、2、3、4、5