1、第一章第一章 传感器技术概述传感器技术概述1.1.传感器定义传感器定义传感器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。被测量被测量电量电量 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。2.2.传感器的作用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)3.3.传感器的构成传感器的构成（1）组成组成：振动膜片、刚性极板
2、、电源和负载电阻（2）原理原理：振膜一次敏感元件电容器敏感元件分类法分类法型式型式说明说明按被测量按被测量种类种类位移、温度、压力、流量这种分类便于传感器的管理按工作原按工作原理分类理分类应变式、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按被测量转换特征转换特征（构成原（构成原理）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。按能量传按能量传递方式递方式能量控制型，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
3、由被测量能量转换而得。按输出量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.分类分类：5.传感器选用原则传感器选用原则 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
4、动化产品设计中，人们大量的应用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。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：全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质感器，水温传感器，水质传感器，洗净度传感器传感器，洗净度传感器,液位传感器，电阻传感器液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。指纹传感器指纹传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传感器透光率传感器透光率传感器（1）产品质量测量 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其在汽车、机床等设备，电机、
5、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。性能质量进行测量和出厂检验。2 2、机械行业、机械行业 机床加工精度测量机床加工精度测量汽车扭距测量汽车扭距测量（2）新产品开发广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗转动转动/移动位置传感器、力传感器、移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。器、嗅觉传感器。（3）自动控制香港理工香港理工AGV自动送货车自动送货车模型模型石化企业输石化企业输油管道、储油管道、储油罐等压力油罐等压力容器的破损容器的破损和泄露检测。和泄
6、露检测。（4）故障诊断（5）其他应用）其他应用航天航天农业农业交通交通医疗医疗第二章第二章 传感器的基本特性传感器的基本特性1、理想定常线性系统输入输出关系：)()(.)()()()(.)()(0111101111txbdttdxbdttxdbdttxdbtyadttdyadttydadttydammmmmmnnnnnn在静态测量时，Sxxaby00理想定常线性系统呈单调、线性比例的关系，即输入、输出关系是一条理想的直线，斜率为常数。一、静态特性一、静态特性：在静态测量情况下描述实际测试系统与理想定常线性系统的接近程度。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
7、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%100AB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。2iB（2）灵敏度 xyS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
8、输入和输出量的单位。（3）分辨力：测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量。通常是以最小单位输出量所对应的输入量来表示。数字测试系统输出显示系统的最后一位模拟测试系统输出指示标尺最小分度值的一半即回程误差%100maxAhi（4）回程误差：同一输入量的两条定度曲线之差的最大值 与标称的输出范围A之比。maxih5.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0yyx0yx0二、传感
9、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)t(xbdt)t(dxb.dt)t(xdbdt)t(xdb)t(yadt)t(dya.dt)t(ydadt)t(yda011m1m1mmmm011n1n1nnnn在初始条件为零的前提下，定义传递函数定义传递函数其中s为复变量，sj特点：特点：（2）传递函数()Hs 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。()H s()H s()H s011n1nnn011m1mmmasa
10、sasabsbsbsb)s(X)s(Y)s(H求法求法：对系统的微分方程作拉普拉斯变换求得。例1：求一阶系统的传递函数，系统微分方程为()()()dy ty tx tdt例2：求振动系统的传递函数。22()()()()d y tdy tmcky tx tdtdt（3）频率响应函数()H在初始条件为零的前提下，定义频率响应函数定义频率响应函数()()()YHX求法：求法：即得sj(1)若已知 ,则在 中，令 sj，将其代入()H()H s()H s(2)若已知微分方程，作傅里叶变换，则()()()YHX(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
11、义：描述了系统的频率特性。)()()()()()()()()()(jjjjeAeXYeXeYXYHxyxy)(A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。)(H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。jH11)(例：设 ，txtx00cos)(jH11)(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 。)()(ttx)(th它是对测试系统动态特性的时域描述。系统的动态系统的动态特性描述特性描述频域频率响应函数)(H复数域传递函数)(sH时域脉冲响应函数)(th拉普拉斯变换
12、对傅里叶变换对h(t)H(s)H()傅里叶变换拉普拉斯变换s=j传递函数、频率响应函数、脉冲响应函数的关系：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)(1sH)(2sH数为：)()()()()()()()()(21sHsHsZsYsXsZsXsYsH若系统由n个环节串联而成，其传递函数为niisHsH1)()(相应地，系统的频率响应为niiHH1)()(其幅频特性：相频特性：niiAA1)()(nii1)()(2.环节的并联系统总输出为)(
13、)()()()()()()(2121sHsHsXsYsYsXsYsH若系统由n个环节并联而成，其传递函数为niisHsH1)()(系统的频率响应为niiHH1)()(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三、实现不失真测试的条件 一、不失真传输测试系统)(tx)(ty)(tx)(ty0t)()(00ttxAty当输出信号为 时，系统就实现了不失真传输。二、不失真测试条件)(tx输入为)()(00ttxAty，输出为傅里叶
14、变换可得：0)()(0tjeXAY系统的频率响应为00)()()(tjeAXYH幅频特性：0)(AA相频特性：0)(t测试系统不失真测试的条件。0)(A0A0t)(0思考题：若系统问此系统是否满足不失真测试条件？0)(AA0)(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。)(tytttx21coscos)(10)(A0t)(02101t02t10)(A)(04例2:已知系统的输入tttx21coscos)(，判断是否失真。例3:已知系统的输入ttx0cos)(，判断是否失真。电阻式传感器电阻式传感器一、变阻式传感器一、变阻式传感器 lRAlRk xldRSkdxR
15、kdRSkd1.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：00yxppUUURxRx01(1)ypppUUxRxxRx3.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，其未受力时的电阻为R，则:lRA如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，dRdLdAdRLA(12)(12)dRdR 灵敏度：0/(12)dRRS3.特点：金属应变片的灵敏度较低，但其温度稳定性好，可用
16、于对精度要求较高的测量。三、压阻式传感器三、压阻式传感器(12)dRddR 1.原理：压阻效应原理：压阻效应LLdE 灵敏度：灵敏度：0/LdRRSE两种应变片在工作原理上的区别：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：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：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、转换电路四、转换电路 应变 电压或
17、电流的变化RR4.4 4.4 电感式传感器电感式传感器 一、可变磁阻式传感器一、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2mNLR当气隙较小，且不考虑磁路的铁损时，总磁阻311100330022mllRAAAA于是，2002NAL1.变气隙式：变气隙式：灵敏度20022NAS 常数特点：灵敏度高，线性误差小，适于测小位移。2.变面积式变面积式灵敏度202NS常数特点：线性度好，量程大，但灵敏度较低。3.螺管式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.差动式差动式x2L1L5.测量电路测量电路:交流电路
18、交流电路二、电涡流式传感器二、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.低频透射式低频透射式适于测量金属材料的厚度。3.特点：特点：结构简单，安装方便，灵敏度高，抗干扰能力强。4.应用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.互感现象互感现象dtdiMe1122.差动变压器式传感器差动变压器式传感器(1)结构变气隙式变面积式螺管式1i1W12e2W(2)原理原理(3)特点：特点：精
19、度高，线性范围大，稳定性好。0u2W1W21eeey2e1e4.5 电容式传感器电容式传感器一、工作原理一、工作原理AAC00为真空介电常数，mF/10854.8120分类变 面积变化型A变 介质变化型变 极距变化型1.极距变化型极距变化型C0C与 成反比关系。02AdCCKd 常数灵敏度为 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.面积变化型面积变化型(1)直线位移型直线位移型若两极板间相互覆盖长为 ，宽为 ，覆盖面积为 x
20、bbxAbxC0则电容灵敏度0bS 常数(2)角位移型角位移型 若覆盖面积对应的中心角为 ，极板半径为r，覆盖面积为 220rC 则电容灵敏度202rS 常数22rA(3)圆柱体线位移型圆柱体线位移型 动板左右移动时，xdDA22dD)/ln(21/)1/(2/)(2000dDxdDxdDdDxdDC则电容灵敏度02ln(/)SD d 常数(4)差动圆柱体线位移型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，
21、变化，从而引起 变。C(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。ACx0AuCuCCuxy00000三、电容传感器特点与应用三、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 压电式传感器压电式传感器
22、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、压电效应一、压电效应 1.压电效应：压电效应：2.逆压电效应（电致伸缩效应）：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.压电单晶体石英压电单晶体石英()、铌酸锂、铌酸锂()2
23、SiO3LiNbO2.压电陶瓷压电陶瓷钛酸钡、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、等效电路三、等效电路 0aAC 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、应用五、应用压电式压力传感器 压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 产品产品:压电材料换能器压电材料换能器4.7 4.7 磁电传感器磁电传感器 包括磁电感应传
24、感器、霍尔传感器。一、磁电感应传感器一、磁电感应传感器(感应式传感器、电动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 deNdt 恒定磁通式变磁通式根据改变参 数的不同1.恒定磁通式 sineNBlvekNBA2.变磁通式变磁通式 常用来测量旋转物体的角速度。二、霍尔传感器二、霍尔传感器 霍尔效应：霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势。1.工作原理工作原理霍尔电势:利用霍尔元件基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出。IBKdIBReHHH 霍尔元件是
25、一种半导体磁电转换元件，多采用N型半导体材料。它是基于霍尔效应工作的。2.霍尔元件霍尔元件符号 目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。3.应用应用 4.特点特点 体积小，结构简单，使用方便，可用于非接触测量，但受温度影响较大。4.8 光电传感器光电传感器将光信号转换成电信号的光敏器件一、光电效应一、光电效应工作原理：基于半导体材料的光电效应。1.外光电效应外光电效应金属中的自由电子吸收光能而逸出金属表面的 现象。如光电管，光电倍增管。2.内光电效应内光电效应光电导效应光敏电阻、光敏二极管、三极管光生伏特效应光电池 可用于检测直接引起光强度变化的非电量，也可检测能转换成光量变化的其他非电量。二、光电器件二、光电器件1.光敏电阻光敏电阻工作原理：光电导效应。2.光电池光电池工作原理：光生伏特效应。利用光电池检查零件表面的缺陷。三、光敏晶体管三、光敏晶体管光敏二极管：光敏二极管：光敏三极管：光敏三极管：特点：特点：灵敏度高，响应快，有良好的温度稳定性和低工作电 压的优点。三、光电式传感器的形式三、光电式传感器的形式 按接收状态 模拟式光电传感器 脉冲光电传感器 吸收式 反射式 遮光式 辐射式
