第一章测量技术基础
检测系统的基本概念
检测系统(测试系统 /测量系统
1、定义:确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
2、被测对象:宇宙万物(固液气体、动物、植物、天体……
3、被测信息:物理量(光、电、力、热、磁、声、…
化学量(PH 、成份…
生物量(酶、葡萄糖、…
4检测技术是实验科学的一部分, 主要研究各种物理量的测量原理和信号分析处理方法。
检测技术是信息技术的重要组成部分, 它所研究的内容是信息的提取与处理的理论、方法和技术。
5信息与信号
信息是指客观世界物质运动的内容。
如:天气较冷、某处地震、刀具发生了磨损、李四病了。
信号是指信息的表现形式。
如:刀具磨损,切削力会加大;李四病了,可能会发烧;等等。
6检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段, 起着人的感官的作用。
简单的检测系统可以只有一个模块, 如玻璃管温度计。它直接将被测温度变化转化为液面示值。没有电量转换和分析电路,很简单,但精度低,无法实现测量自动化。
为提高测量精度和自动化程度, 以便于和其它环节一起构成自动化装置, 通常先将被测物理量转换为电量,再对电信号进行处理和输出。
B ……在电工、电子等课程中讲授,大多数不属于本课程的范围。
检测系统的组成
一般说来,检测系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。
传感器将被测物理量 (如噪声 , 温度检出并转换为电量,中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经 A/D变换后用软件进行信号分析,显示记录装置则将测量结果显示出来,提供给观察者或其它自动控制装置。
第二章传感器概述
传感器的组成和分类
一、传感器定义
传感器是一种以一定的精确度把被测量转成与之有确定关系的, 便于应用的某种物理量的测量装置。
传感器名称:变送器、变换器、探测器、敏感元件、换能器、一次仪表、探头等
二、传感器的组成
三、传感器的分类
按被测参数分类:温度、压力、位移、速度等
按传感器工作原理分类:应变式、电容式、压电式、磁电式等
传感器的基本特性
一、传感器的静态特性
静态特性:是指输入的被测参数不随时间而变化, 或随时间变化缓慢时, 传感器的输出量和输入量之间的关系。
1、精确度:指标有三精密度、准确度和精确度
(1精密度:它说明测量传感器输出值的分散性,即对某一稳定的被测量, 由同一
个测量者,用同一个传感器,在相当短的时间内连续重复测量多次, 以检查测量结果的分散程度。
(2准确度:它说明传感器输出值与真值的偏离程度。
(3精确度:它是精密度和准确度两者之和,精确度高,表示精密度和准确度都
高。
2、稳定性:指标有二稳定度和影响量
(1稳定度:是指在规定的时间内,测量条件不变的情况下,由于传感器的随机性
被动、周期性变动和漂移等引起的输出值的变化。一般用精密度和观测时间长短来表示。
(2 影响量:测量传感器由于外界环境变化引起输出值变化的量。说明影响量时,必须将影响因素与输出值偏差同时表示。
3、传感器的静态输入 --输出特性
(1线性度
定义 :是指传感器的输出和输入关系之间的数量关系的线性程度。
表示方法 :
线性化处理:非线性补偿电路或计算机软件。
特殊情况:如果传感器的非线性方次不是很高,输入量变化范围较小,则可以有一条直线近似表示实际曲线的一段,来做线性化处理。所采用的直线称为拟合直线。实际的特性曲线与拟合直线之间的偏差为传感器的非线性误差 (线性度,
(2 灵敏度:是指传感器输出量的增量与引起输出量的增量的输入量增量的比值。
(3迟滞:指传感器在正(输入量增加反(输入量减小行程期间,其输出—输入特性不重合的现象。
(4 重复性:指传感器的输入量按同一方向作全量程连续多次变化时, 所得曲线不一致的程度。
传感器的选用
1、灵敏度
通常在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时, 与被测量变化对应的输出信号的值才比较大, 有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入, 也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽员减少从外界引入的厂扰信号。
2、精度
精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量
目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。
3、可靠性
可靠性是指传感器在规定的工作条件下和规定的工作时间内,保持原有技术性能的能力。
4、线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性。
5、频率响应
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有一定延迟,希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中,应根据信号的特点 (稳态、瞬态、随机等响应特性, 以免产生过火的误差。
6、稳定性
传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进
行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验。第三章电阻式传感器
电位器式传感器
一、定义:电位器是一种常用的电子元件,广泛应用于各种电器和电子设备中。它是一种把机械的线位移和角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻和电压输出的传感元件。
二、结构:直滑式和旋转式,旋转式有单圈旋转式和多圈旋转式两种,电刷有触头、臂、导向及牰承等装置组成。触头常用银、铂铱、铂铑等金属。电刷臂用磷青铜等弹性较好的材料。骨架常用陶瓷、酚醛树脂及工程数料等绝缘材料。
三、原理分析
应变式传感器
一、组成:电阻丝应变片是用直径为 0.025mm 具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值,将电阻丝排列成栅网状,称为敏感栅,并粘贴在绝缘的
基片上,电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。
二、电阻的应变效应
(一、应变效应
应变效应:金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形 (拉伸或压缩的大小而发生变化的现象称之为金属的电阻应变效应。
(二、灵敏系数
(三测量原理
当外力作用到弹性元件(试件上时,弹性元件被压缩(或拉伸,即产生微小的机械变形,粘贴在弹性元件上的应变片感受到应力ζ的作用,根据胡克定律,应变ε与应力ζ成正比,即
ζ=E ε
又由应变效应可知, 应变片的应变ε与电阻值的相对变化 dR/R成正比, 所以, 实现了对微小机械变量的测量。
四、应用
(一柱式力传感器(原理分析
荷重传感器原理演示
(二梁式力传感器(原理分析
(三应变式加速度传感器
压阻式传感器
一、压阻效应及压阻系数
单晶硅材料在受到应力作用后,其电阻率发生明显变化,这种现象被称为压阻效应。
优点:灵敏度高,比金属丝式高 50~80倍、尺寸小,横向效应小,动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。
缺点:温度系数大,应变时非线性比较严重,稳定性和可重复性不如金属应变片。
二、应用
液位测量
投入式液位传感器:1、支架; 2、压阻式压力传感器; 3、背压管。安装方便,适应于深度为几米至几十米,且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。
压阻式加速度传感器
优点:具有高灵敏度,卓越的低频感应性能,使其加速度传感器适用于长期中低振动频率的测试。
应用范围:汽车、工民建、铁路、桥梁等振动测试与检测
第四章电容式传感器
第一节电容式传感器的工作原理
由
当被测参数 d 、 S 、εr 发生变化时,相应的电容发生变化,如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数时,就可把该参数的变化转换为电0r S S C d d εε
ε==
容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。
故电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质(变介电常数型三种。
一、变面积型
动极板移动时,两极板间的相对有效面积 S 发生变化,引起电容 C 发生变化。
二、变介电常数型
两平行极板固定不动,极距为 d 0,相对介电常数εr2为的电介质以不同深度插入电容器中。传感器的总电容相当于两个电容 C1和 C2的并联, 即:
三、变极距型
一、基本结构
二、差动结构
第二节测量电路
(一交流不平衡桥(PPT 演示
(二二极管环形检波电路
其工作原理如下:
线路接通后,在正半周时 D1导通, D2截止, C1充电至 U ,在负半周 D1截止 ,D2导通, C2充电至 U , 同时 C1经 R1以电流 I1向负载 RL 供电; 第二周期 ,C1充电 ,C2经 R2向 RL 供电,由于 C1=C2, R1=R2 , 通过 RL 的平均电流为零 , 其输出电压平均值也为零。当传感器电容变化时, C1≠ C2这时负载上平均电流I1≠ 0, 其输出电压的平均值为:
其特点:(1电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地; (2二极管 D1、 D2
工作于高电平下,故非线性失真小; (3其灵敏度与电源频率有关,因此电源频率需要稳定; (4将 D1、 D2、 R1、 R2安装在 C1、 C2附近能消除电缆寄生电容影响,线路简单; (5输出电压较高; (6输出阻抗与电容 C1、 C2无关,而仅与 R1、 R2 及 RL 有关; (7输出信号的上升沿时间取决于负载电阻 RL ,可用于动态测量; (8传感器的频率响应取决于振荡器的频率。
第三节电容式传感器应用
随着电容式传感器应用问题的完善解决,它的应用优点十分明显:
(1分辨力极高, 能测量低达 10-7的电容值0.01μm 的绝对变化量和高达
(ΔC/C=100%~200%的相对变化量,因此尤适合微信息检测;
(2动极质量小,可无接触测量;自身的功耗、发热和迟滞极小,可获得高的静态精度和好的动态特性;
(3结构简单,不含有机材料或磁性材料,对环境 (除高湿外的适应性较强; 122(2 ( ( L o L L
R R R U R Uf C C R R +=-+
(4过载能力强。
一、电容式位移传感器 (PPT演示
二、电容式加速度传感器 (PPT演示
三、电容式力和压力传感器 (PPT演示
第五章电感式传感器
1. 电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置。
2. 可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等。
3. 特点:
(1 结构简单可靠
(2 分辨率高:能测量 0.1mm
(3 零点漂移小
(4 线性度好
5.1电感式传感器
一、工作原理(自感式传感器工作原理
二 . 输出特性
三、差动螺管式电感传感器
测量范围为(5~50 mm ,
特点:
1结构简单,制造装配容易
2. 灵敏度低,但线性范围大
3. 磁路大部分为空气,易受外部磁场干扰
五、应用
当压力进入膜盒时, 膜盒的顶端在压力 P 的作用下产生与压力 P 大小成正比
的位移, 于是衔铁也发生移动, 从而使气隙发生变化, 流过线圈的电流也发生相应的变化,电流表 A 的指示值就反映了被测压力的大小。
0.5%
δ=±
5.2 差动变压器式传感器
一、变隙式差动变压器
1. 工作原理
假设闭磁路变隙式差动变压器的结构如下图(PPT (a 所示, 在 A 、 B 两个铁芯上绕有 W1a=W1b=W1的两个初级绕组和 W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联, 而两个次级绕组的同名端则反相串联。
当没有位移时,衔铁 C 处于初始平衡位置,它与两个铁芯的间隙有δa0=δb0=δ0, 则绕组 W1a 和 W2a 间的互感 Ma 与绕组 W1b 和 W2b 的互感 Mb 相等, 致使两个次级绕组的互感电势相等,即 e2a=e2b。由于次级绕组反相串联,因此,差动变压器输出电压 Uo=e2a-e2b=0。
当被测体有位移时,与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化,使δa ≠ δb ,
互感Ma ≠ Mb ,两次级绕组的互感电势e2a ≠ e2b ,输出电压 Uo=e2a-e2b≠ 0, 即差动
变压器有电压输出, 此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。
二、螺线管式差动变压器
两个次级线圈反相串联, 并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下 , 其等效电路如下图所示。当初级绕组加以激励电压 U 时 , 根据变压器的
工作原理 , 在两个次级绕组 W2a 和 W2b 中便会产生感应电势 E2a 和 E2b 。如果
工艺上保证变压器结构完全对称 , 则当活动衔铁处于初始平衡位置时 , 必然会使两互感系数 M1=M2。根据电磁感应原理 , 将有 E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联 , 因而 Uo=E2a-E2b=0 , 即差动变压器输出电压为零。
当活动衔铁向上移动时 , 由于磁阻的影响, W2a 中磁通将大于 W2b , 使 M1>M2, 因而 E2a 增加,而 E2b 减小。反之, E2b 增加, E2a 减小。因为 Uo=E2a-E2b,所以当
E2a 、 E2b 随着衔铁位移 x 变化时, Uo也必将随 x 而变化。
差动变压器式传感器的应用
可直接用于位移测量,也可以测量与位移有关的任何机械量,如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。
5.3 电涡流式传感器
一、工作原理 PPT演示
根据法拉第定律,当传感器线圈通以正弦交变电流 I1时,线圈周围空间必然产
生正弦交变磁场 H1,使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流 I2, I2又产生新的交变磁场 H2。
根据愣次定律, H2的作用将反抗原磁场 H1,由于磁场 H2的作用,涡流要消耗一部分能量,导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。
线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。
测量方法:如果保持上式中其它参数不变, 而只改变其中一个参数, 传感器线圈阻抗 Z 就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗 Z 的变化量,即可实现对该参数的测量。
二、基本特性 PPT演示
电涡流传感器简化模型中, 把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环,即假设电涡流仅分布在环体之内, 模型中 h (电涡流的贯穿深度可由下式求得:
三、电涡流传感器测量电路( 主要有调频式、调幅式电路两种
四、电涡流传感器的应用 PPT 演示
1. 低频透射式涡流厚度传感器
2. 高频反射式涡流厚度传感器
3. 电涡流式转速传感器
第 6章压电式传感器
6.1 压电效应
6.1.1压电效应基本概念
某些物质沿某一方向受到外力作用时, 会产生变形, 同时其内部产生极化现
象, 此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 它又重新恢复到不带电的状态, 这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时, 电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。
反之, 当在某些物质的极化方向上施加电场, 这些材料在某一方向上产生机
械变形或机械压力; 当外加电场撤去时, 这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。
常见的压电材料可分为两类,即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。
压电单晶体有石英 (包括天然石英和人造石英、水溶性压电晶体 (包括酒石
酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等 ;多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。
6.1.2 石英晶体的压电效应
1、石英晶体特性
天然石英晶体, 其结构形状为一个六角形晶柱, 两端为一对称棱锥。在晶体
学中,可以把将其用三根互相垂直的轴表示,其中,纵轴 Z 称为光轴,通过六棱线而垂直于光铀的 X 铀称为电轴, 与 X-X 轴和 Z-Z 轴垂直的 Y-Y 轴 (垂直于六棱柱体的棱面称为机械轴。
如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于 Z-Z 、 Y-Y 、
X-X 轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴 (X轴方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”,把沿机械轴 (Y轴方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”,沿光轴 (Z轴方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时,则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。
2. 石英晶体产生压电效应的微观机理
石英晶体具有压电效应, 是由其内部分子结构决定的。图4是一个单元组体
中构成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于 z 轴的 xy 平面上的投影,等效为
一个正六边形排列。图中“+”代表硅离子Si4+, “-”代表氧离子 O2-。当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成 120°夹角的电偶极矩 P 1、 P 2、 P 3。
因为 P = qL (q 为电荷量, L 为正负电荷之间的距离,此时正负电荷中心
重合,电偶极矩的矢量和等于零,即 f
h r μπμρ0=
P1+P 2+P 3=0
所以晶体表面不产生电荷,呈电中性。
当晶体受到沿 x 方向的压力(F x < 0作用时,晶体沿 x 方向将产生收缩, 正、负离子的相对位置随之发生变化,此时正、负电荷中心不再重合,电偶极矩 P 1减小, P 2、 P 3增大,它们在 x 方向上的分量不再等于零 : (P 1+P 2+P 3 x >0 在 y 、 z 方向上的分量为 :
(P 1+P 2+P 3 y = 0
(P 1+P 2+P 3 z = 0
当晶体受到沿 x 方向的拉力(Fx >0作用时,其变化情况如图 5(c 所示。电偶极矩 P 1增大, P 2、 P 3减小,此时它们在 x 、 y 、 z 三个方向上的分量为 (P 1 +P 2 +P 3 x <0
(P 1+ P 2+ P 3 y =0
(P 1 +P 2 +P 3 z =0
在 x 轴的正向出现负电荷,在 y 、 z 方向依然不出现电荷。
可见,当晶体受到沿 x (电轴方向的力 Fx 作用时,它在 x 方向产生正压电效应,而 y 、 z 方向则不产生压电效应。
晶体在 y 轴方向受力 Fy 作用下的情况与 Fx 相似。当 Fy >0时,晶体的形变与图 5(b 相似; 当 Fy <0时, 则与图 5(c 相似。由此可见, 晶体在 y (即机械轴方向的力Fy作用下,在 x 方向产生正压电效应,在 y 、 z 方向同样不产生压电效应。
晶体在 z 轴方向受力 Fz 的作用时,因为晶体沿 x 方向和沿 y 方向所产生的正应变完全相同,所以,正、负电荷中心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这就表明,在沿 z (即光轴方向的力 Fz 作用下,晶体不产生压电效应。
3. 作用力与电荷的关系
若从晶体上沿 y 方向切下一块如图 6(a 所示的晶片,当沿电轴 x 方向施加应力σx 时, 晶片将产生厚度变形, 并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内, 极化强度 P 11与应力σx 成正比。
bc
F d d P x x 111111==σ d 11——压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向; b 、 c ——石英晶片的长度和宽度。
而 P 11在数值上等于晶面上的电荷密度
bc
q P x =11 将以上两式联立,得 x x F d q 11=
①当晶片受到 x 方向的压力作用时, qx 只与作用力 Fx 成正比,而与晶片的几
何尺寸无关;
②沿机械轴 y 方向向晶片施加压力时,产生的电荷是与几何尺寸有关的; ③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的;
④晶体在哪个方向上有正压电效应,则在此方向上一定存在逆压电效应; ⑤无论是正或逆压电效应,其作用力(或应变与电荷(或电场强度之间皆呈线性关系
6.1.3 压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布, 它们各自的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。
在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时, 当外电场去掉后, 电畴的极化方向基本变化, 即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。
对于压电陶瓷, 通常取它的极化方向为 z 轴, 垂直于 z 轴的平面上任何直线都可作为 x 或 y 轴, 在是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时,则在垂直于 z 轴的上、下两表面上将会出现电荷,其电荷量 q 与作用力 Fz 成正比。
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关,它的参数也随时间变化,从而使其压电特性减弱。
6.2压电材料
压电材料应具备以下几个主要特性:
①转换性能。要求具有较大的压电常数。
②机械性能。机械强度高、刚度大。
③电性能。高电阻率和大介电常数。
④环境适应性。温度和湿度稳定性要好, 要求具有较高的居里点, 获得较宽的工作温度范围。
⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
6.2.1 石英晶体
在几百摄氏度的温度范围内,其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到 573℃时, 石英晶体将完全丧去压电特性, 这就是它的居里点。石英晶体的突出优点是性能非常稳定,它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵, 且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。
石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体没有区别,因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。因为石英是一种各向异性晶体,因此,按不同方向切割的晶片,其物理性质(如弹性、压电效应、温度特性等相差很大。在设计石英传感器时,应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。
6.2.2 压电陶瓷
压电陶瓷主要有以下几种:
1. 钛酸钡压电陶瓷
钛酸钡(BaTiO3是由碳酸钡(BaCO3和二氧化钛(TiO2按 1:1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。
它具有很高的介电常数和较大的压电系数(约为石英晶体的 50倍。不足之处是居里点温度低(120℃,温度稳定性和机械强度不如石英晶体。
2. 锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT
锆钛酸铅是由 PbTiO3 和 PbZrO3 组成的固溶体 Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在 300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的 PZT 材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。 6.2.3 新型压电材料 1. 压电半导体材料压电半导体材料有 ZnO、 CdS 、 ZnO 、 CdTe 等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用 ZnO 作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数 2. 高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯 PVF2、聚氟乙烯 PVF、聚氯乙烯 PVC 等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。 6.3 等效电路和测量电路6.3.1 等效电路一、理想等效电路相对介电常数为εr，极化面积为 A，两极面间距离(压电片厚度为 t。将压电器件视为具有电容 Ca 的电容器，有Ca =ε0εr A/t 当需压电器件输出电压时，可把它等效成一压电器件的理想等效电路与电容串联的电压源，如图 9(a所示。在开路状态，其输出端电压和电压灵敏度分别为 Ua=Q/Ca ｕ=Ua/F= Q/CaF 当需要压电器件输出电荷时，则可把它等效成一个与电容相并联的电荷源， Q=CaUa 如图 9(b所示。同样，在开路状态，输出端电荷式中Ua 即极板电荷形成的电压。这时的输出电荷灵敏度为与Kq 之间有如下关系： Ku =Kq/Ca 二实际等效电路 6.3.2 测量电路一、电压放大器电压放大器又称阻抗变换器。它的主要作用是把压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压成正比。 (1压电输出特性(即放大器输入特性: 二、电荷放大器总结:电荷放大器的输出电压仅于输入电容量和反馈电容有关，若保持 CF 数值不变，输出电压正比于输入电荷量。 6.4 压电式传感器的应用压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。
一、压电式测力传感器二、压电式加速度传感器三、压电式金属加工切削力测量四、压电式玻璃破碎报警器
温度传感器的应用及原理 温度测量应用非常广泛，不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等，下面介绍几种常用的温度传感器。 温度是实际应用中经常需要测试的参数，从钢铁制造到半导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。本文对不同的温度传感器进行简要概述，并介绍与电路系统之间的接口。 热敏电阻器 用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC)，也就是说温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。表1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数。 这些数据是对Vishay-Dale热敏电阻进行量测得到的，但它也代表了NTC热敏电阻的总体情况。其中电阻值以一个比率形式给出(R/R25)，该比率表示当前温度下的阻值与25℃时的阻值之比，通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例，25℃时阻值为10KΩ的电阻，在0℃时电阻为28.1KΩ，60℃时电阻为4.086KΩ；与此类似，25℃时电阻为5KΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为 14.050KΩ。 图1是热敏电阻的温度曲线，可以看到电阻/温度曲线是非线性的。
虽然这里的热敏电阻数据以10℃为增量，但有些热敏电阻可以以5℃甚至1℃为增量。如果想要知道两点之间某一温度下的阻值，可以用这个曲线来估计，也可以直接计算出电阻值，计算公式如下： 这里T指开氏绝对温度，A、B、C、D是常数，根据热敏电阻的特性而各有不同，这些参数由热敏电阻的制造商提供。 热敏电阻一般有一个误差范围，用来规定样品之间的一致性。根据使用的材料不同，误差值通常在1%至10%之间。有些热敏电阻设计成应用时可以互换，用于不能进行现场调节的场合，例如一台仪器，用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准，这种热敏电阻比普通的精度要高很多，也要贵得多。 图2是利用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻R1将热敏电阻的电压拉升到参考电压，一般它与ADC的参考电压一致，因此如果ADC的参考电压是5V，Vref 也将是5V。热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处的电压也产生变化，该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。
第1章传感器基础理论思考题与习题答案 1.1什么是传感器？（传感器定义） 解：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路组成。 1.2传感器特性在检测系统中起到什么作用？ 解：传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系，所以它在检测系统中的作用非常重要。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 1.3传感器由哪几部分组成？说明各部分的作用。 解：传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分，调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分，如书中图1.1所示。 1.4传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意 义？动态参数有那些？应如何选择？ 解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。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。意义略（见书中）。动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等，应根据被测非电量的测量要求进行选择。 1.5某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。 解：其灵敏度 3 3 30010 60 510 U k X - - ?? === ?? 1.6某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、
第一章测量技术基础 检测系统的基本概念 检测系统(测试系统 /测量系统 1、定义:确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 2、被测对象:宇宙万物(固液气体、动物、植物、天体…… 3、被测信息:物理量(光、电、力、热、磁、声、… 化学量(PH 、成份… 生物量(酶、葡萄糖、… 4检测技术是实验科学的一部分, 主要研究各种物理量的测量原理和信号分析处理方法。 检测技术是信息技术的重要组成部分, 它所研究的内容是信息的提取与处理的理论、方法和技术。 5信息与信号 信息是指客观世界物质运动的内容。 如:天气较冷、某处地震、刀具发生了磨损、李四病了。 信号是指信息的表现形式。 如:刀具磨损,切削力会加大;李四病了,可能会发烧;等等。 6检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段, 起着人的感官的作用。
简单的检测系统可以只有一个模块, 如玻璃管温度计。它直接将被测温度变化转化为液面示值。没有电量转换和分析电路,很简单,但精度低,无法实现测量自动化。 为提高测量精度和自动化程度, 以便于和其它环节一起构成自动化装置, 通常先将被测物理量转换为电量,再对电信号进行处理和输出。 B ……在电工、电子等课程中讲授,大多数不属于本课程的范围。 检测系统的组成 一般说来,检测系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。 传感器将被测物理量 (如噪声 , 温度检出并转换为电量,中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经 A/D变换后用软件进行信号分析,显示记录装置则将测量结果显示出来,提供给观察者或其它自动控制装置。 第二章传感器概述 传感器的组成和分类 一、传感器定义 传感器是一种以一定的精确度把被测量转成与之有确定关系的, 便于应用的某种物理量的测量装置。 传感器名称:变送器、变换器、探测器、敏感元件、换能器、一次仪表、探头等 二、传感器的组成 三、传感器的分类 按被测参数分类:温度、压力、位移、速度等
《传感器原理与应用》作业参考答案 作业一 1.传感器有哪些组成部分在检测过程中各起什么作用 答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。 各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。测量转换电路可将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电量信号。 2.传感器有哪些分类方法各有哪些传感器 答：按工作原理分有参量传感器、发电传感器、数字传感器和特殊传感器；按被测量性质分有机械量传感器、热工量传感器、成分量传感器、状态量传感器、探伤传感器等；按输出量形类分有模拟式、数字式和开关式；按传感器的结构分有直接式传感器、差分式传感器和补偿式传感器。 3.测量误差是如何分类的 答：按表示方法分有绝对误差和相对误差；按误差出现的规律分有系统误差、随机误差和粗大误差按误差来源分有工具误差和方法误差按被测量随时间变化的速度分有静态误差和动态误差按使用条件分有基本误差和附加误差按误差与被测量的关系分有定值误差和积累误差。 4.弹性敏感元件在传感器中起什么作用 答：弹性敏感元件在传感器技术中占有很重要的地位，是检测系统的基本元件，它能直接感受被测物理量（如力、位移、速度、压力等）的变化，进而将其转化为本身的应变或位移，然后再由各种不同形式的传感元件将这些量变换成电量。 5.弹性敏感元件有哪几种基本形式各有什么用途和特点 答：弹性敏感元件形式上基本分成两大类，即将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件和将压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。 变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁和扭转轴等。实心等截面轴在力的作用下其位移很小，因此常用它的应变作为输出量。它的主要优点是结构简单、加工方便、测量范围宽、可承受极大的载荷、缺点是灵敏度低。空心圆柱体的灵敏度相对实心轴要高许多，在同样的截面积下，轴的直径可加大数倍，这样可提高轴的抗弯能力，但其过载能力相对弱，载荷较大时会产生较明显的桶形形变，使输出应变复杂而影响精度。环状敏感元件一般为等截面圆环结构，圆环受力后容易变形，所以它的灵敏度较高，多用于测量较小的力，缺点是圆环加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变)大，灵敏度高，所以常用于较小力的测量。扭转轴式弹性敏感元件用于测量力矩和转矩。 变换压力的弹性敏感元件通常有弹簧管、波纹管、等截面薄板、波纹膜片和膜盒、薄壁圆筒和薄壁半球等。弹簧管可以把压力变换成位移，且弹簧管的自由端的位移量、中心角的变化量与压力p成正比，其刚度较大，灵敏度较小，但过载能力强，常用于测量较大压力。波纹管的线性特性易被破坏，因此它主要用于测量较小压力或压差测量中。 作业二 1.何谓电阻式传感器它主要分成哪几种 答：电阻式传感器是将被测量转换成电阻值，再经相应测量电路处理后，在显示器记录仪上显示或记
2-4、现有栅长为3mm 和5mm 两种丝式应变计，其横向效应系数分别为5%和3%，欲用来测量泊松比μ=0.33的铝合金构件在单向应力状态下的应力分布(其应力分布梯度较大)。试问：应选用哪一种应变计?为什么? 答：应选用栅长为5mm 的应变计。由公式ρρεμd R dR x ++=)21(和[]x m x K C R dR εεμμ=-++=)21()21(知应力大小是通过测量应变片电阻的变化率来实现的。电阻的变化率主要由受力后金属丝几何尺寸变化所致部分（相对较大）加上电阻率随应变而变的部分（相对较小）。一般金属μ≈0.3，因此(1+2μ)≈1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。以康铜为例，C ≈1，C(1-2μ)≈0.4，所以此时K0=Km ≈2.0。显然，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。从结构尺寸看，栅长为5mm 的丝式应变计比栅长为3mm 的应变计在相同力的作用下，引起的电阻变化大。 2-5、现选用丝栅长10mm 的应变计检测弹性模量E=2×1011N/m 2、密度ρ=7.8g/cm 3的钢构件承受谐振力作用下的应变，要求测量精度不低于0.5%。试确定构件的最大应变频率限。 答：机械应变波是以相同于声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、胶层(两者都很薄，可忽略不计)和栅长l 而为应变计所响应时，就会有时间的迟后。应变计的这种响应 迟后对动态(高频)应变测量，尤会产生误差。由][]e l v f e l l 66max max ππλ<= <或式中v 为声波在钢构件中传播的速度； 又知道声波在该钢构件中的传播速度为： kg m m N E 33 6211108.710/102--????==ρν; s m kg s m Kg /10585.18.7/8.910242 28?=???=； 可算得kHz m s m e l v f 112%5.061010/10585.1||634max =???==-π。 2-6、为什么常用等强度悬臂梁作为应变式传感器的力敏元件? 现用一等强度梁：有效长l =150mm ，固 支处宽b=18mm ，厚h=5mm ，弹性模量E=2×105N/mm 2，贴上4片等阻值、K=2的电阻应变计，并接入四 等臂差动电桥构成称重传感器。试问： 1)悬臂梁上如何布片?又如何接桥?为什么? 2)当输入电压为3V ，有输出电压为2mV 时的称重量为多少? 答：当力F 作用在弹性臂梁自由端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面对称位置上应变大小相当，极性相反，若分别粘贴应变片R 1 、R 4 和R 2 、R 3 ，并接成差动电桥，则电桥输出电压U o 与力F 成正比。等强度悬臂梁的应变 E h b Fl x 206=ε不随应变片粘贴位置变化。 1）、悬臂梁上布片如图2-20a 所示。接桥方式如图2-20b 所示。这样当梁上受力时，R1、R4受拉伸力作用，阻值增大，R2、R3受压，阻值减小，使差动输出电压成倍变化。可提高灵敏度。 2）、当输入电压为3V ，有输出电压为2mV 时的称重量为： 计算如下： 由公式：o i i x i o U KlU E bh F E h b Fl K U K U U 66220=?==ε代入各参数算F =33.3N ； 1牛顿=0.102千克力；所以，F=3.4Kg 。此处注意：F=m*g ；即力=质量*重力加速度；1N=1Kg*9.8m/s 2. 力的单位是牛顿（N ）和质量的单位是Kg ；所以称得的重量应该是3.4Kg 。
传感器原理与应用心得 张宝龙电信工二班201400121099 传感器应用极其广泛，而且种类繁多，涉及的学科也很多，通过对传感器的学习让我基本了解了传感器的基本概念及传感器的静、动态特性电阻式、电感式传感器的结构、工作原理及应用。 传感器的特性主要是指输出入输入之间的关系。当输入量为常量或变化很慢时，其关系为静态特性。当输入量随时间变换较快时，其关系为动态特性。 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 传感器的作用主要是感受和响应规定的被测量，并按一定规律
将其转换成有用输出，特别是完成非电量到电量的转换。传感器的组成并无严格的规定。一般说来，可以把传感器看做由敏感元件和变换元件两部分组成，。 通过最近的学习，是我了解到在实际中使用传感器的选择一定要慎重。我们可以根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。其次，当我们在选择传感器时要注意传感器的灵敏度，频率响应范围，线性范围，稳定性，精度等。 人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 通过对这门课的学习开阔了我的视野，让我了解了以前没有了解的东西。在老师的指导下让我明白了学习要有自觉性，要自己积极主动地去学习。
《传感器原理与应用》综合练习 一、填空题 1．热电偶中热电势的大小仅与金属的性质、接触点温度有关，而与热电极尺寸、形状及温度分布无关。 2．按热电偶本身结构划分，有普通热电偶、铠装热电偶、微型热电偶。3．热电偶冷端电桥补偿电路中，当冷端温度变化时，由不平衡电桥提供一个电位差随冷端温度变化的附加电势，使热电偶回路的输出不随冷端温度的变化而改变，达到自动补偿的目的。 4．硒光电池的光谱峰值与人类相近，它的入射光波长与人类正常视觉的也相近，因而应用较广。 5．硅光电池的光电特性中，光照度与其短路电流呈线性关系。 6．压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应。 7．压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细微的电畴组成。电畴具有自己极化方向。经过极化过的压电陶瓷才具有压电效应。 8．压电陶瓷的压电常数比石英晶体大得多。但石英晶体具有很多优点，尤其是其它压电材料无法比的。 9．压电式传感器具有体积小、结构简单等优点，但不能测量频率小的被测量。特别不能测量静态量。 10．霍尔效应是导体中的载流子在磁场中受洛伦茨力作用发生位移的结果。 11．霍尔元件是N型半导体制成扁平长方体，扁平边缘的两对侧面各引出一对电极。一对叫激励电极用于引入激励电流；另一对叫霍尔电极，用于引出霍尔电势。 12．减小霍尔元件温度误差的措施有：（1）利用输入回路的串联电阻减小由输入电阻随温度变化；引起的误差。（2）激励电极采用恒流源，减小由于灵敏度随温度变化引起的误差。 13．霍尔式传感器基本上包括两部分：一部分是弹性元件，将感受的非电量转换成磁物理量的变化；另一部分是霍尔元件和测量电路。 14．磁电式传感器是利用霍尔效应原理将磁参量转换成感应电动势信号输出。 15．变磁通磁电式传感器，通常将齿轮的齿（槽）作为磁路的一部分。当齿轮转动时，引起磁路中，线圈感应电动势输出。 16．热敏电阻正是利用半导体的数目随着温度变化而变化的特性制成的热敏感元件。 17．热敏电阻与金属热电阻的差别在于，它是利用半导体的电阻随温度变化阻值变化的特点制成的一种热敏元件。 18．热敏电阻的阻值与温度之间的关系称为热敏电阻的。它是热敏电阻测温的基础。 19．热敏电阻的基本类型有：负温度系数缓变型、正温度系数剧变型、临界温度型。 20．正温度系数剧变型和临界温度型热敏电阻不能用于温度范围的温度控制，而在某一温度范围内的温度控制中却是十分优良的。 21．正温度系数剧变型和临界温度型热敏电阻属于型，适用于温度监测和温度控制。
一：填空题（每空1分） 1.依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件，转换元件， 测量电路三个部分组成。 2.半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。 3.光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，根据光电效应可以分为 外光电效应，光电效应，热释电效应三种。 4.亮电流与暗电流之差称为光电流。 5.光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区域。 6.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应，可采用直线栅式应变计 和箔式应变计结构。 7.反射式光纤位移传感器在位移-输出曲线的前坡区呈线性关系，在后坡区与 距离的平方成反比关系。 8.根据热敏电阻的三种类型，其中临界温度系数型最适合开关型温度传感 器。 9.画出达林顿光电三极管部接线方式： U CE 10.灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定义为：传 感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公式表示k（x）=Δy/Δx 。 11.线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一 种度量。按照所依据的基准之线的不同，线性度分为理论线性度、端基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。最常用的是最
小二乘法线性度。 12.根据敏感元件材料的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大 类。 13.利用热效应的光电传感器包含光---热、热---电两个阶段的信息变换过程。 14.应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法电桥补偿 法、计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。 15.应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。 16.传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳定性。 17.在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，入 射光强改变物质导电率的物理现象称为光电效应。 18.光电管是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃管。 19.光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时光电输出的电流随频率变 化的关系，与其物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为Sr（f）=Sr。/(1+4π2f2τ2) 20.光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。 21.国家标准GB 7665--87对传感器下的定义是：能够感受规定的被测量并按照 一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 22.传感器按输出量是模拟量还是数字量，可分为模拟量传感器和数字量传感器 23.传感器静态特性的灵敏度用公式表示为：k(x)=输出量的变化值/输入量的变 化值=△y/△x 24.应变计的粘贴对粘贴剂的要求主要有：有一定的粘贴强度；能准确传递应变；
传感器原理及其应用 第一章传感器的一般特性 1）信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，是现代信息产业的三大支柱。 2）传感器又称变换器、探测器或检测器，是获取信息的工具 广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。 狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 国家标准（GB7665-87）：定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 3）传感器的组成： 敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量。 基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。 4）传感器的静态性能指标 （1）灵敏度 定义: 传感器输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比, 传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。 ①纯线性传感器灵敏度为常数，与输入量大小无关；②非线性传感器灵敏度与x有关。（2）线性度 定义:传感器的输入-输出校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏离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”。 线性度又可分为： ①绝对线性度：为传感器的实际平均输出特性曲线与理论直线的最大偏差。 ②端基线性度：传感器实际平均输出特性曲线对端基直线的最大偏差。 端基直线定义：实际平均输出特性首、末两端点的连线。 ③零基线性度：传感器实际平均输出特性曲线对零基直线的最大偏差。 ④独立线性度：以最佳直线作为参考直线的线性度。 ⑤最小二乘线性度：用最小二乘法求得校准数据的理论直线。 （3）迟滞 定义：对某一输入量，传感器在正行程时的输出量不同于其在反行程时的输出量，这一现象称为迟滞。 即：传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。 （4）重复性 定义：在相同工作条件下，在一段短的时间间隔内，同一输入量值多次测量所得的输
第1章传感器的技术基础 1.传感器的定义是什么？ 答：传感器最早来自于“sensor”一词，就是感觉的意思。随着传感器技术的发展，在工程技术领域中，传感器被认为是生物体的工程模拟物。而且要求传感器不但要对被测量敏感，还要就有把它对被测量的响应传送出去的功能，也就是说真正实现能“感”到，会“传”到的功能。 传感器是获取信息的一种装置，其定义可分为广义和狭义两种。广义定义的传感器是指那些能感受外界信息并按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。这里的“可用信号”是指便于处理、传输的信号，一般为电信号，如电压、电流、电阻、电容、频率等。狭义定义的传感器是指将外界信息按一定规律转换成电量的装置才叫传感器。 按照国家标准GB7665—87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 国际电工委员会(IEC)将传感器定义为：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。美国测量协会又将传感器定义为“对应于特定被测量提供有效电信号输出的器件”。传感器也称为变换器、换能器或探测器。如前所述．感受被测量、并将被测量转换为易于测量、传输和处理的信号的装置或器件称为传感器。 2.简述传感器的主要分类方法。 答：(1)据传感器与外界信息和变换效应的工作原理，可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类。 (2)按输入信息分类。传感器按输入量分类有力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器等。这种分类对传感器的应用很方便。
:填空题（每空1分） 1.依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件，转换元件 测量电路三个部分组成。 2.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应，可米用直线栅式应变计 和箔式应变计结构。 3. 根据热敏电阻的三种类型，其中临界温度系数型最适合开关型温度传感器 4. 灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定义为：传 感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公式表示 k （x）=△ y△ x。 5. 线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一 种度量。按照所依据的基准之线的不同，线性度分为理论线性度、端 基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。最常用的是最小二乘法线性 度。 6. 根据敏感元件材料的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。 7. 应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法电桥补偿法、 计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。 8. 应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。 9. 传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳定性。 10. 国家标准GB7665--87对传感器下的定义是：能够感受规定的被测量并按照一定 的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。11. 传感器按输出量是模拟量还是数字量， 可分为模拟量传感器和数字量传感器12. 传感器静态特性的灵敏度用公式表示为：心）=输出量的变化值/输入量的变化 值=△ y/ △ x 13. 应变计的粘贴对粘贴剂的要求主要有：有一定的粘贴强度；能准确传递应变；蠕 变小；机械滞后小；耐疲劳性好；具有足够的稳定性能：对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用；有适当的储存期；应有较大的温度适用范围。 14. 根据传感器感知外界信息所依据的基本校园，可以将传感器分成三大类：物理传 感器，化学传感器，生物传感器。
《第一章传感器的一般特性》 1 试绘制转速和输出电压的关系曲线，并确定： 1）该测速发电机的灵敏度。 2）该测速发电机的线性度。 2．已知一热电偶的时间常数τ=10s，若用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540οC和500οC 之间按近似正弦曲线波动，周期为80s，静态灵敏度k=1，试求该热电偶输出的最大值和最小值，以及输入与输出信号之间的相位差和滞后时间。 3．用一只时间常数为0.355s 的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值误差为多少？ 4．若用一阶传感器作100Hz正弦信号的测试，如幅值误差要求限制在5%以内，则时间常数应取多少？若在该时间常数下，同一传感器作50Hz正弦信号的测试，这时的幅值误差和相角有多大？ 5．已知某二阶系统传感器的固有频率f0=10kHz，阻尼比ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。 6．某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。 《第二章应变式传感器》 1．假设某电阻应变计在输入应变为5000με时电阻变化为1%，试确定该应变计的灵敏系数。又若在使用该应变计的过程中，采用的灵敏系数为 1.9，试确定由此而产生的测量误差的正负和大小。 2．如下图所示的系统中：①当F＝0和热源移开时，R l＝R2＝R3＝R4，及U0＝0；②各应变片的灵敏系数皆为+2.0，且其电阻温度系数为正值；③梁的弹性模量随温度增加而减小；④应变片的热膨胀系数比梁的大；⑤假定应变片的温度和紧接在它下面的梁的温度一样。 在时间t＝0时，在梁的自由端加上一向上的力，然后维持不变，在振荡消失之后，在一稍后的时间t1打开辐射源，然后就一直开着，试简要绘出U0和t的关系曲线的一般形状，并通过仔细推理说明你给出这种曲线形状的理由。
传感器及应用教学大纲 一、课程说明 课程性质：专业核心课 课程描述： “传感器技术”是电子、机电与自动控制类专业的专业核心课，是必修课。通过本课程的学习，学生能了解传感器的基本概念、传感器的构成、传感器工作的有关定律、传感器的作用、传感器和现代检测技术发展的趋势。其作用是通过本课程的学习，培养学生利用现代电子技术、传感器技术和计算机技术解决生产实际中信息采集与处理问题的能力，为工业测控系统的设计与开发奠定基础。知识目标：掌握主要传感器的原理、特性，各种应用条件下传感器的选用原则和应用电路设计。 技能目标：独立分析、解决传感器方面问题的能力；利用网络、数据手册、厂商名录等获取和查阅传感器技术资料的能力。 素质目标：具有较强的专业素质，不断进行创新。 教学重点与难点： 课程重点：电阻式、电感式传感器的原理与应用，霍尔式传感器，电流、电压传感器。 课程难点：各种传感器的温度误差与补偿，电容式传感器的屏蔽技术，光纤传感器的原理。 适用专业：机电一体化、电气自动化专业 学时数：80学时 二、教学目的与内容 1 传感器技术基础（2学时） 教学目的与要求： 明确“传感器技术”在专业培养计划中的地位，课程的性质、任务和大体内容，传感器在现代生产、生活中的作用。了解检测技术与传感器的定义、组成、作用和分类，了解传感器的静、动态特性，掌握传感器常用的技术指标。 教学重点与难点： 教学重点：传感器的定义、组成和作用 教学难点：传感器的技术指标 教学内容： 1）传感器简介 （1）传感器的定义
（2）传感器的组成与作用 2）传感器的分类 （1）按工作原理分 （2）按被测量分 （3）按输出信号性质分 3）传感器的特性及主要技术指标 （1）静态特性和动态特性 （2）主要技术指标 2 电阻式传感器（6学时） 教学目的与要求： 理解电阻式传感器的组成和基本原理，了解电阻式传感器的常用类型。掌握应变片式传感器的形式、特点、应用方法和转换电路。 教学重点与难点： 教学重点：电阻式传感器的组成和基本原理 教学难点：电阻应变片的工作原理 教学内容： 1）电位器式传感器（2学时） （1）电位器式传感器的基本工作原理 （2）电位器式传感器的输出特性 （3）电位器式传感器的特性 （4）电位器式位移传感器 2）应变式传感器（2学时） （1）电阻应变片的结构和工作原理 （2）电阻应变片的特性 （3）测量电路 （4）温度误差与补偿 3）压阻式传感器（2学时） （1）压阻效应 （2）结构与特性 （3）固态压阻传感器测量电路 （4）温度补偿 3 变磁阻式传感器（4学时） 教学目的与要求： 掌握三种变磁阻式传感器（电感式传感器、差分变压器式传感器、电涡流式传感器）的基本结构和工作原理，了解上述传感器将非电量信号转换成电信号的过程，了解三种变磁阻式传感器的特点、
本文档根据老师最后一次课上课时所说的相关内容并根据我自己的个人情况简要整理，相对简洁，和大家分享一下。考虑到老师说的内容和考试内容相比，可能不够完整；而且个人水平有限，不可能把握的很准确，所以只是参考而已。。。建议大家根据自己的理解补充完善~ 第一章：传感器概论 1、传感器的定义：传感器（或敏感元件）基于一定的变换原理/规律将被测量（主要是非电量的测量，可采用非电量电测技术）转换成电量信号。变换原理/规律涉及到物理、化学、生物学、材料学等学科。 2、传感器的组成：传感器一般由敏感元件（将非电量变成某一中间量）、转换元件（将中间量转换成电量）、测量电路（将转换元件输出的电量变换成可直接利用的电信号）三部分组成，有的传感器还需加上辅助电源。 3、传感器的分类 按变换原理分类——>利用不同的效应构成物理型、化学型、生物型等传感器。 按构成原理分类： 结构型：依靠机械结构参数变化来实现变换。 物性型：利用材料本身的物理性质来实现变换。 按输入量的不同分类——>温度、压力、位移、流量、速度等传感器 按变换工作原理分类: 电路参数型:电阻型、电容型、电感型传感器 按参电量如：Q（电量）、I、U、E 等分类:磁电型、热电型、压电型、霍尔型、光电式传感器 4、传感器技术的发展动向： 教材表述：发现新现象、开发新材料、采用微细加工技术、研制多功能集成传感器、智能化传感器、新一代航天传感器、仿生传感器 老师表述：微型化、集成化、廉价。 第二章：传感器的一般特性 1、静态特性 检测系统的四种典型静态特性 线性度：传感器的输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出-输入特性是线性的。 灵敏度：系统在静态工作的条件下，其单位输入所产生的输出，实为拟合曲线上某点的斜率。 即S N=输入量的变化/输出量的变化=dy/dx 迟滞性：特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度。 （产生的原因：传感器机械部分存在的不可避免的缺陷。） 重复性：重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测量时所得特性曲线不一致程度。曲线的重复性好，误差也小。产生的原因与迟滞性类似。 精确度. 测量范围和量程. 零漂和温漂. 2、动态特性：（传感器对激励（输入）的响应（输出）特性） 动态误差：输出信号不与输入信号具有完全相同的时间函数，它们之间的差异。包括：稳态动态误差、暂态动态误差
《传感器原理及应用》 实 验 指 导 书 测控技术实验室
实验一金属箔式应变片----单臂、半臂、全桥性能实验 一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、半臂、全电桥工 作原理和性能。 二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化, 这就是电阻应变效应,描述电阻应变效应的关系式为:ΔR/R=Kε式中:ΔR/R 为:ΔR/R电阻丝电阻相对变化, K为应变灵敏系数, ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化, 金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部件受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压Uο1=Ek?/4。在半桥性能实验中，不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压Uο2=Ek?/2。在全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻力值：R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压Uο3=Ek?。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。 三、实验设备：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、 ±15V、±4V直流电源、万用表。 四、实验方法和要求： 1、根据电子电路知识，实验前设计出实验电路连线图。 2、独力完成实验电路连线。 3、找出这三种电桥输出电压与加负载重量之间的关系，并作出V o=F(m) 的关系曲线。
4、分析、计算三种不同桥路的系统灵敏度S=ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化 量，ΔW重量变化量）和非线性误差：δf1=Δm/yF·s×100%式中Δm为 输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF·s满量程 输出平均值，此处为200g。 五、思考题 1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2） 负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。 2、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1） 对边（2）邻边。 3、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1=R3， R2=R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。
传感器原理及应用习题答案完整版
传感器原理及应用习题答案 习题1 (2) 习题2 (3) 习题3 (6) 习题4 (7) 习题5 (8) 习题6 (9) 习题7 (11) 习题8 (13) 习题9 (15) 习题10 (16) 习题11 (17) 习题12 (18) 习题13 (21)
习题1 1-1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？并说出各部分的作用及其相互间的关系。 答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。 由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此信号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。 1-2 简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。 答：传感器位于信息采集系统之首，属于感知、获取及检测信息的窗口，并提供给系统赖以进行处理和决策所必须的原始信息。没有传感技术，整个信息技术的发展就成了一句空话。科学技术越发达，自动化程度越高，信息控制技术对传感器的依赖性就越大。 发展方向：开发新材料，采用微细加工技术，多功能集成传感器的研究，智能传感器研究，航天传感器的研究，仿生传感器的研究等。 1-3 传感器的静态特性指什么？衡量它的性能指标主要有哪些？ 答：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。与时间无关。 主要性能指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 1-4 传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？ 答：传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入量之间的响应特性。 常用的分析方法有时域分析和频域分析。时域分析采用阶跃信号做输入，频域分析采用正弦信号做输入。 1-5 解释传感器的无失真测试条件。
《传感器原理与应用》课程论文 学院：__ 信息工程学院__ ______ 专业：____电子信息工程_________ 班级：____14级电子3班_________ 学生姓名：______李帅杰_____________ 学号：____1405160223___________ 指导教师：祝开艳___________ 2016年10月26日
常见传感器在智能手机中的应用 摘要: 随着科技的发展，智能手机已逐渐取代老式手机，成为一种集各种功能于一体的便携式电子设备。本文对智能手机中的几种常用传感器的工作原理及应用进行了分析，主要有重力传感器、红外线传感器、温度传感器、距离传感器、......等。 关键词：智能手机，距离传感器，重力传感器，移动互联网（3~5个关键词） 1. 引言 介绍背景知识和研究现状 智能手机近年来占据了人类越来越多的生活领域，随着技术的发展，智能手机所能提供给我们的功能越来越强大。从硬件角度来说，手机中传感器技术的大量应用对于手机功能的爆发式成长功不可没。 传感器在手机中的应用并非智能机时代的新鲜事物，从手机诞生之日起，它就是一个将声音信号和无线电信号相互转化的传感设备，在功能机时代手机最重要的配置：摄像头，也算是一个传感设备。到了智能机时代，为了适应软件应用的需求，越来越多的传感器被镶嵌在手机当中，手机的功能也越来越强大。 2. 距离传感器的原理及应用 结合图（原理框图、实物图或电路图等）进行说明。 距离传感器又叫位移传感器，距离传感器一般都在手机听筒的两侧或者是在手机听筒凹槽中，这样便于它的工作。当用户在接听或拨打电话时，将手机靠近头部，距离传感器可以测出之间的距离到了一定程度后便通知屏幕背景灯熄灭，拿开时再度点亮背景灯，这样更方便用户操作也更为节省电量。 原理：利用各种元件检测对象物的物理变化量，通过将该变化量换算为距离，来测量从传感器到对象物的距离位移的机器。根据使用元件不同，分为光学式位
第1章 传感器的一般特性 1.1 什么叫传感器？它由哪几部分组成？并说出各部分的作用及其相互间的关系。 1.2 简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。 1.3 传感器的静态特性指什么？衡量它的性能指标主要有哪些？ 1.4 传感器的动态特性指什么？常用的分析方法有哪几种？ 1.5 传感器的标定有哪几种？为什么要对传感器进行标定？ 1.6 某传感器给定精度为2%F·S ，满度值为50mV ，零位值为10mV ，求可能出现的最大误差δ(以mV 计)。当传感器使用在满量程的1/2和1/8时，计算可能产生的测量百分误差。由你的计算结果能得出什么结论? 解：满量程（F?S ）为50﹣10=40(mV) 可能出现的最大误差为： δ＝40?2%=0.8(mV) 当使用在1/2和1/8满量程时，其测量相对误差分别为： % 4%10021408.01=??=γ % 16%10081408 .02=??=γ 结论：测量值越接近传感器（仪表）的满量程，测量误差越小。 1.7 有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个系统的时间常数τ和静态灵敏度K 。 1) T y dt dy 5105.1330 -?=+ 式中, y ——输出电压，V ；T ——输入温度，℃。 2) x y dt dy 6.92.44 .1=+ 式中，y ——输出电压，μV ；x ——输入压力，Pa 。 解：根据题给传感器微分方程，得 (1) τ=30/3=10(s)， K=1.5 10 5/3=0.5 10 5(V/℃)； (2) τ=1.4/4.2=1/3(s)， K=9.6/4.2=2.29(μV/Pa)。 1.8 已知一热电偶的时间常数τ=10s ，如果用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540℃至500℃之间接近正弦曲线波动，周期为80s ，静态灵敏度K=1。试求该热电偶输出的最大值和最小值。以及输入与输出之间的相位差和滞后时间。 解：依题意，炉内温度变化规律可表示为 x(t) =520+20sin(ωt)℃ 由周期T=80s ，则温度变化频率f =1/T ，其相应的圆频率 ω=2πf =2π/80=π/40； 温度传感器（热电偶）对炉内温度的响应y(t)为 y(t)=520+Bsin(ωt+?)℃ 热电偶为一阶传感器，其动态响应的幅频特性为 ()()786 010******** 2 2 .B A =??? ? ???π+= ωτ+== ω 因此，热电偶输出信号波动幅值为 B=20?A(ω)=20?0.786=15.7℃ 由此可得输出温度的最大值和最小值分别为 y(t)|m ax =520+B=520+15.7=535.7℃ y(t)|m in =520﹣B=520-15.7=504.3℃ 输出信号的相位差?为 ?(ω)= -arctan(ωτ)= -arctan(2π/80?10)= -38.2? 相应的时间滞后为