绪论
一、传感器的定义、组成、分类、发展趋势
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，通常由敏感元件和转换元件构成。
如果传感器信号经信号调理后，输出信号为规定的标准信号（0~10mA,4~20mA;0~2V,1~5V;…），通常称为变送器，
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和结构型传感器。
按照输入量信息：
按照应用范围：
传感器技术: 是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术.
发展趋势: 一是开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化、多功能化与智能化。
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、信息技术的三大支柱
现在信息科学（技术）的三大支柱是信息的采集、传输与处理技术，即传感器技术、通信技术和计算机技术。
课后习题
1、什么叫传感器，它由哪几部分组成？它们的作用与相互关系？
传感器(transducer/sensor)：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（国标GB7665—2005）。通常由敏感元件和转换元件组成。
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的其他量(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的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号(一般为电信号)部分。
信号调理电路(Transduction circuit) ：由于传感器输出电信号一般较微弱，而且存在非线性和各种误差，为了便于信号处理，需配以适当的信号调理电路，将传感器输出电信号转换成便于传输、处理、显示、记录和控制的有用信号。
第一章传感器的一般特性
1.传感器的基本特性
动态特性静态特性
2.衡量传感器静态特性的性能指标
（1）测量范围、量程
（2）线性度
%100max
??±
=?S
F L y δ 传感器静态特性曲线及其获得的方法
传感器的静态特性曲线是在静态标准条件下进行校准的。
静态标准条件
（传感器校准时，包括零点在内的压力校准点数K 不应少于6 点，校准的循环次数R 不应少于3 次。校准点数和校准循环数的多少取决于被校传感器的精度和使用要求，通常K=6～11，R=3～5。每次校准共可获得2RK 个校准数据。
正行程校准曲线、反行程校准曲线，传感器的校准曲线。
∑==R j Cij Ci Y R Y 11 ∑==R j fij fi Y R Y 11 )(2
1
fi Ci i Y Y Y +=
经校准的传感器，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
22
2
2)
()(,)
()(,∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑--=
--=
+-=?+=i i i i i i i i i
i i i i i i i x x n y x x y x b x x n y x y x n k b kx y b kx y
2）端点法拟合直线
00
10
1,)(,kx y b x x y y k b kx y b kx y i i i -=--=
+-=?+=
（3） 灵敏度 dx
dy
S n ==
输入量的变化量输出量的变化量
（4） 分辨率、分辨力 （5） 迟滞 %100max
??±
=?S
F H y δ （6） 重复性
1）%100max
??±
=?S
F R y δ 2）%100)3~2(?±
=?S
F H y δ
δ
1
)(1
2
--=
∑=n y y
n
i i
δ
（7） 精度
R H L S
F y δδδδ++=??±
=?%100max
精度等级
思考题与习题
1、传感器的定义、组成、分类、发展趋势。
2、何为传感器的基本特性
3、传感器的静态特性是如何定义的，其主要技术指标由哪些？如何测出它们的数据？
4、某传感器的给定精度为2%F.S 。
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：
电阻应变式传感器的基本原理是将被测非电量转换成与之有确定对应关系的电阻值，再通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。
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
为金属导体的电阻—应变效应。
概念：轴向应变、径向应变、微应变（με）
应变灵敏系数
ερ
ρμε/)21(///?+
+=?=??=
R R l l R R K εK R R =?/ 金属导体的灵敏系数与半导体的灵敏系数的区别。 2. 应变片 概念：应力
应力与应变的关系
εδE = E 试件材料的弹性模量。 应变片
金属电阻应变片由敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂组成。
根据敏感栅材料形状和制造工业的不同，应变片的结构形式有金属丝式、箔式和金属薄膜式三种类型。
3. 金属电阻应变片的主要特征
（1）应变片的电阻值，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）零漂和蠕变 （9）动态特性
1sin -=
λ
ππλ
σo o l l 4. 温度误差及补偿
（1）引起温度误差的主要因素 （2）温度补偿的方法 5. 测量电路
对于等臂电桥
)
(4
)4(44321321εεεε+--=?+?-?-?=
k U
U R R R R R R R R U U i o i o （2-36，37） 单臂桥的非线性误差εδK 2≈
6．金属电阻应变片的应用——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
SE
F
E l l =
=?=
δε 悬臂梁式力传感器 等截面悬臂梁 E bh Fl E
x
x 2
6=
=
δ
ε 等强度悬臂梁 E
h b Fl
E
o x 2
6=
=
δ
ε 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
)
)(1(83)3)(1(8322222
222
r R E
h p
r R E
h p t r --=--=
μεμε
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 半导体晶体材料的电阻率随作用应力而变化的“压阻效应” (piezoresistive effct) 。
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
压阻式传感器依然是基于半导体材料的压阻效应，在半导体材料底片上选择一定的晶向位置，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（甚至有的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。
（1） 压阻式压力传感器
]
)31()1[(83])3()1[(8322022202
r r E
h p
r r E
h p
t r μμεμμε+-+=+-+=
h=50~500m μ,mm r 10~8.10=,30.0~01.00=r h
（2） 压阻式加速度传感器
为了保证输出线性度，悬臂梁根部的应变不要超过400~500με。 应用示例
2.3 电位计式传感器
2.4 思考题与习题
1. 何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？
2. 什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有何不同？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. 一个应变片的电阻值Ω=1200R ，K=2.05，用作应变800με的传感原件。 （1） 求R ?与R R /?；
εK R R =?/=2.05*800*10-6
=
31064.1-?
R ?=31064.1-??R=31064.1-??120Ω =Ω197.0
（2） 若电源电压V U i 3=，求其惠斯通电桥的非平衡输出电压。 mV R R U U i o 23.11064.14
3
43=??=?=
-
5. 一试件的轴向应变为0.0015，表示多大微应变？该试件的轴向相对伸长率为百分之几？
6. 假设惠斯通直流电桥的桥臂1是一个120Ω的金属电阻应变片（K=2.00，检测用），桥臂
1的邻臂3是用于补偿的同类批次的应变片，桥臂2和桥臂4是120欧姆的固定电阻。流过应变片的最大电流为30mA.
（1） 画出该电桥电路，并计算最大直流供电电压。
U im =（120+120）?30?10-3=7.2V
（2） 若粘在钢梁（E=2.1?1011N/m 2）上，而电桥由5V 电源供电，是问当外加负载
3/70cm kg =δ时，电桥的输出电压时多少？
E
K U K U R R U U i i i o δ
ε444==?=
（3） 假定校准电阻与桥臂1上未加负荷的应变片并联，试计算为了产生于钢梁加载相同输出电压所需要的标准电阻值。
第3章 电感式传感器
电感式传感器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的变化量，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种装置。 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）
)
111
r L L L K δμδδ+=??=
（3-12）
差动变隙式电感传感器的优点:
(1)差动式电感传感器的灵敏度比单线圈电感传感器提高一倍； (2)差动式电感传感器的非线性失真小。
3.1.2 螺管式电感传感器
（3-25）
电感灵敏度：
()
()
2
2
2
2
022
02
22
0c
c r c c c r c
c r l lr
l W r W l l l l l r r W l l l L μπμπμμπμ+=
??
?
??--++??? ??=δ
μμδμμS W S S l S l W R W L m
0202221
112
2≈???? ??++==
（3-30）
差动结构：
当品质因数较大时，
（3-49）
阻抗：
22)(L R Z ω+=
3.1.3 电感线圈的等效电路
（3-36）
第四章 电容式传感器
电容式传感器：以各种类型的电容器作为传感元件，将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。
被测量→（△d ，△S ，△ε）→△C
1. 平行板电容器：
1
0001-????
???-?=?d d d d C C 0
0d d C C ?=?
2. 电容式传感器的基本类型：即变间隙(d)型、变面积(S)型和变介电常数(ε)型。电极
形状有平板形、圆柱形和球形三种。
d
S
d
S
C r 0εεε=
=
()
P
P s
P L j R LC
L j LC R Z ωωω
ω+=-+-=
2
2
2
110
01
/d d C C K =??=
L L E U o ??
=
?
?
22
2
20c r c L
r l W l L
K μπμ=??=
2. 圆筒电极电容
d
D L
C ln 20πε=
3. 电路 电桥
双T
第五章 压电传感器
压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础的有源传感器。 5.1 压电传感器的工作原理 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，同时在它的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的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。输出电压的频率与动态力的频率相同；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。 （2）逆压电效应
当在电介质的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的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)。
2 压电方程
j ij i d q σ= 或F d Q ij =
a C Q
U =
h
S C r a εε0= 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
为输出量的情况。
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的情况。
压电元件一般采用两片或两片以上压电片组合使用。由于压电元件是有极性的，因此连接方法有两种：并联连接和串联连接。
Q Q 2U U C/2===串串串，，C
2 2Q Q U U C C ===并并并，，C C kEf 2)C C (Ef R )R R ()
R 2R (R R I U 21L 2
L L L L 0?∝?=-++≈
=0021212112110
d d 2E C C 2E C C C C 2E )1C C C 2(2E 2E C C C 2E U ?=?=+-=-+=-+=&&&&&&&
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
压电传感器的前置放大器由两种形式：一种是电压放大器；一种是电荷放大器。
第七章热电势传感器
热电式传感器是利用某种材料或元件与温度有关的物理特性，将温度的变化转换为电量变化的装置或器件。
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：利用物质的电阻率随温度变化的特性制成的电阻式测温系统。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℃温度范围内的温度基准。
常见的结构
（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)表示铂的纯度
W(100)=R100 / R0
式中，R100—100℃时的电阻值；R0—0℃时的电阻值。
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
铂电阻的分度号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) 测温范围和应用：50℃～100℃；工业用温度计。 3. 测量电路
消除导线电阻的影响，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
标称电阻值R H ：（25±0.2℃）时的电阻值，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
热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。用于测量100～1300℃范围内的温度。
7.3.1 热电效应：将两种不同的导体（金属或合金）A 和B 组成一个闭合回路（称为热电偶），若两接触点温度(T 、T 0)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。回路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用E AB （T ，T 0）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T 0中。温差越大，热电势越大。
热电势由两部分组成：接触电势，温差电势 7.3.2
热电偶的基本定律 1. 均质导体定律
100
20ln
1365R R B =)11(0/0
T T B T B T e
R Ae R -==0
0T B e R A -=kT
qU S kT qU S e I e I I //)1(≈-=S
I I q kT U ln =
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。这为热电势的测量（接入仪表）奠定理论基础。
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 热电偶的种类和结构 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, 具有统一的分度表。我国从1988年开始采用IEC 标准生产热电偶。
分度表
热电偶的结构： (1)普通型热电偶
一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。 (2)铠装型热电偶
由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。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,可安装在结构复杂的装置上。
(3)薄膜热电偶
7.3.4 热电偶的冷端处理及补偿 延长导线
利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的T 0端测试。使冷端远离热端。要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性。
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的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E AB （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
光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器,它的物理基础是光电效应.光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成，光源发射出一定光通量的光线，由光电元件接收，在检测时，被测量使光源发出的光通量变化，因而使接受光
)
()()(000T T E T T E T T E BC AC AB ，，，-=)()()(00T T E T T E T T E n AB n AB AB ，＋，，=
通量的光电元件的输出电量也做相应的变化，最后用光用电量来表示被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量也可以是数字量。
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的能量，从而产生的电效应。包括外光电效应（External Photo-
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 ）
8.1.1 外光电效应 在光线的作用下，使物体内的电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。
h —普朗克常数，6.626×10-34J ·s ；ν—光的频率（s-1）
光电子能否产生，取决于入射光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A 0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，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的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，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。
红限频率h
A 00=
ν，红限波长00A hc =λ
8.1.2 内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。
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，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度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的电动势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池、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)和横向光电效应(也称为侧向光电效应)。
8.2 光电器件 8.2.1光电管
光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。
8.2.2 光电倍增管 8.2.3 光敏电阻
8.2.4 光敏二极管和光敏三极管
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
霍尔传感器是利用半导体霍尔元件的霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。霍尔效应1879年首次由霍尔发现。
9.1.1 霍尔效应
霍尔效应是物质在磁场中表现的一种特性，它是由于运动电荷在磁场中收到洛伦兹力作用产生的结果。金属或半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH ，这种现象称为霍尔效应。
霍尔电动势
霍尔片（霍尔元件）
9.1.2霍尔元件的主要技术参数
1 输入电阻Ri 和输出电阻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 和不等位电阻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
b
eU evB b eU eE f evB
f H H H E L //-====
9.1.5 霍尔集成器件
霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。
线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、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。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。
9.1.6 霍尔传感器的应用
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
第一章简答题 第一节：机电一体化系统常用传感器 知识点一：传感器的定义、组成和功能。（第一节） 1、简述传感器的定义。 2、传感器一般由哪几部分组成？试说明各部分的作用。（1-1） 3、画出传感器组成原理框图。 知识点二：传感器的分类。（第一节及表1-1） 4、什么是物性型传感器？什么是结构型传感器？试举例说明。
5、按传感器输出信号的性质可将传感器分为哪几类？ 6、能量转换型传感器和能量控制型传感器有何不同？试举例说明。 第三节：传感器与检测系统基本特性的评价指标与选用原则。 7、什么是传感器的特性？如何分类。 8、什么是传感器的静态特性？试举出三个表征静态特性的指标。（200625） 9、传感器检测系统主要有哪些静态评价指标？（套110422）
10、什么是传感器的动态特性？举例说明表征动特性的主要性能指标？ 11、选用传感器的主要性能要求有哪些？ 12、什么是传感器的测量范围、量程及过载能力？ 13、什么是传感器的灵敏度？如何表示？ 14什么是传感器的线性度？如何计算（200825）？
15、生么是传感器的重复性？如何衡量？ 16、一般情况下，如何表示传感器的稳定性？（200725） 17、选用传感器时要考虑哪些环境参数？（200525） 第四节：传感器的标定与校准 18、什么是传感器的标定？什么是传感器的校准？
19、传感器的标定系统有哪几部分组成？（0625）（套110722） 20、什么是传感器的静态标定？标定指标有哪些？ 21、什么是传感器的动态标定？标定指标有哪些？ 第五节：传感器与检测技术的发展方向。 22、简要说明传感器与检测技术的发展方向？(1325)
传感器原理复习提纲第一章绪论 1.检测系统的组成。 2.传感器的定义及组成。 3. 传感器的分类。 4.什么是传感器的静态特性和动态特性。
5.列出传感器的静态特性指标，并明确各指标的含义。 x输入量，y输出量，a0零点输出，a1理论灵敏度，a2非线性项系数 灵敏度传感器在稳态下，输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。 表征传感器对输入量变化的反应能力 线性传感器非线性传感器 迟滞正（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。 产生迟滞的原因：由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械另部件的缺陷 所造成的，如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、 紧固件松动等。 线性度传感器的实际输入-输出曲线的线性程度。 4种典型特性曲线 非线性误差 % 100 max? ? ± = FS L Y L γ ，ΔLmax——最大非线性绝对误差，Y FS——满量程输出值。 直线拟合线性化：出发点→获得最小的非线性误差（最小二乘法：与校准曲线的残差平方和最小。） 例用最小二乘法求拟合直线。 设拟合直线y=kx+b 残差△i=yi-（kxi+b） k y x =?? % 100 2 max? ? = FS H Y H γ 最小 ∑? n i2
分别对k 和b 求一阶导数，并令其 =0，可求出b 和k 将k 和b 代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax 即为非线性误差。 重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时， 所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准 差σ计算，也可用正反行程中最大重复差值计算，即 或 零点漂移 传感器无输入时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值，即为零点漂移。 零漂＝，式中ΔY0——最大零点偏差；Y FS ——满量程输出。 温度漂移 温度变化时，传感器输出量的偏移程度。一般以温度变化1度，输出最大偏差与满量程的百分比表示， 即温漂＝Δmax ——输出最大偏差；ΔT ——温度变化值；YFS ——满量程输出。 6. 一阶特性的指标及相关计算。 一阶系统微分方程 τ：时间常数，k=1静态灵敏度 拉氏变换 )()()1(s X s Y s =+τ 传递函数 s s X s Y s H τ+= = 11 )()()( 频率响应函数 ωτ ωωωj j X j Y j H += = 11 )()()( 误差部分 7. 测量误差的相关概念及分类。 相关概念 （1）等精度测量（2）非等精度测量（3）真值（4）实际值（5）标称值（6）示值（7）测量误差 分类 系统误差 随机误差 粗大误差 %100)3~2(?± =FS R Y σ γ% 1002max ??± =FS R Y R γkx y dt dy =+τ
1-1衡量传感器静态特性的主要指标。说明含义。 1、线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合(或偏离)程度的指标。 2、回差(滞后)—反应传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。 3、重复性——衡量传感器在同一工作条件下,输入量按同一方向作全量程连续多次变动时,所得特性曲线间一致程 度。各条特性曲线越靠近,重复性越好。 4、灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。 5、分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。 6、阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值,即零位附近的分辨力。 7、稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。 8、漂移——在一定时间间隔内,传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。 9、静态误差(精度)——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离(逼近)程度。 1-2计算传感器线性度的方法,差别。 1、理论直线法:以传感器的理论特性线作为拟合直线,与实际测试值无关。 2、端点直线法:以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。 3、“最佳直线”法:以“最佳直线”作为拟合直线,该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并 且最小。这种方法的拟合精度最高。 4、最小二乘法:按最小二乘原理求取拟合直线,该直线能保证传感器校准数据的残差平方与最小。 1-3什么就是传感器的静态特性与动态特性？为什么要分静与动？ (1)静态特性:表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。 动态特性:反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。 (2)由于传感器可能用来检测静态量(即输入量就是不随时间变化的常量)、准静态量或动态量(即输入量就是随时间变化的变量),于就是对应于输入信号的性质,所以传感器的特性分为静态特性与动态特性。 1—4 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就是:敏感元件就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。传感元件就是能将敏感元件的输出量转换为适于传输与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。 1-5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、数字传感器与特殊传感器;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、数字式与开关式;按传感器的结构分有直接式传感器、差分式传感器与补偿式传感器。 1-6 测量误差就是如何分类的？ 答:按表示方法分有绝对误差与相对误差;按误差出现的规律分有系统误差、随机误差与粗大误差按误差来源分有工具误差与方法误差按被测量随时间变化的速度分有静态误差与动态误差按使用条件分有基本误差与附加误差按误差与被测量的关系分有定值误差与积累误差。 1-7 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,就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。1-8、弹性敏感元件有哪几种基本形式？各有什么用途与特点？ 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与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、悬臂梁与扭转轴等。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。它的主要优点就是结构简单、加工方便、测量范围宽、可承受极大的载荷、缺点就是灵敏度低。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,缺点就是圆环加工困难,环的各个部位的应变及应力都不相等。悬臂梁的特点就是结构简单,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与转矩。 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、波纹膜片与膜盒、薄壁圆筒与薄壁半球等。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。 Z-1 分析改善传感器性能的技术途径与措施。
1.传感器 定义 传感器是一种以一定的精确度把被测量转化为与之有确定对应关系的、便于精确处理和应用的另一种量的测量装置或系统。 静态特性 指传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入的关系，即当输入量是常量或变化极慢时，输出和输入的关系。 动态特性 输入量随时间动态变化时，传感器的输出也随之变化的回应特性。 扩展 一阶环节 微分方程为 a1dt dy +a0y=b0x 令τ=a1／a0为时间常数，K=b0／a0为静态灵敏度 即（τs+1）y=Kx 频率特性y （j ω）／x （j ω）=K ／（j ωτ+1）.课后习题1-10 2.金属的电阻应变效应：导体或半导体在受到外力的作用下，会产生机械形变，从而导致其电阻值发生变化的现象。 应变式电阻传感器主要由电阻应变计、弹性元件和测量转换电路三部分构成；被测量作用在弹性元件上，弹性元件作为敏感元件，感知由外界物理量（力、压力、力矩等）产生相应的应变。 3.实际应用中对应变计进行温度补偿的原因，补偿方法及其优缺点 原因：由于环境温度所引起的附加的电阻变化与试件受应变所造成的电阻变化几乎在相同的数量级上，从而产生很大的测量误差。 补偿方法：A 自补偿法a 单丝自补偿法 优点是结构简单，制造使用方便，成本低，缺点是只适用于特定的试件材料，温度补偿范围也狭窄。b 组合式补偿法 优点是能达到较高精度的补偿，缺点是只适用于特定的试件材料。B 线路补偿法a 电桥补偿法 优点是结构简单，方便，可对各种试件材料在较大温度范围内进行补偿。缺点是在低温变化梯度较大的情况下会影响补偿效果。b 热敏电阻补偿法 补偿良好。C 串联二极管补偿法 可补偿应变计的温度误差。 4.变隙式电感传感器的结构、工作原理、输出特性及其差动变隙式传感器的优点 由线圈、铁芯和衔铁构成；在线圈中放入圆柱形衔铁当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，构成了电感式传感器 输出函数为L=ω2μ0S0／2δ 其中μ0为空气的磁导率，S0为截面积，δ为气隙厚度。优点 可以减小气隙厚度带来的误差。 5.电感式传感器和差动变压器传感器的零点残余误差产生原因，如何消除 原因①两个电感线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时也不能达到幅值和相位同时相同； ②传感器的磁芯的磁化曲线是非线性的，所以在传感器线圈中产生高次谐波。而两个线圈的非线性不一致使高次波不能相互抵消。 措施 ⑴在设计和工艺上，要求做到磁路对称、线圈对称，磁芯材料要均匀，特性要一致；两个线圈要均匀，紧松一致。 ⑵采用拆圈的试验方法，调整两线圈的等效参数，使其尽量相同。 ⑶在电路上进行补偿。 6.改善单组式变极距型电容式传感器的非线性 传感器输出特性的非线性随相对位移△δ／δ0的增加而增加，为了保证线性度，应限制相对位移的大小。 一般采用差动式结构，使之在结构上对称，减小非线性误差。 电容式传感器工作原理：两平行极板组成的电容器，不考虑边缘效应，其电容C=εS ／δ式中ε 极板间介质的介电常数 S 极板的遮盖面积 δ 极板间的距离 当被测量的变化使式中的εδS 任一参量发生变化时，电容C 也随之变化。
传感器知识点 一、电阻式传感器 1) 电阻式传感器的原理：将被测量转化为传感器电阻值的变化，并加上测量电路。 2) 主要的种类：电位器式、应变式、热电阻、热敏电阻 应变电阻式传感器 1) 应变：在外部作用力下发生形变的现象。 2) 应变电阻式传感器：利用电阻应变片将应变转化为电阻值的变化 a. 组成：弹性元件+电阻应变片 b. 主要测量对象：力、力矩、压力、加速度、重量。 c. 原理：作用力使弹性元件形变发生应变或位移应变敏感元件电阻值变化通过测 量电路变成电压等点的输出。 3) 电阻值：A L R ρ= (电阻率、长度、截面积)。 4) 应力与应变的关系：εσE =(被测试件的应力=被测试件的材料弹性模量*轴向应变) 5) 应力与力和受力面积的关系：（面积） （力） （应力）A F = σ 6) 应变片的种类：
种类金属电阻应变片（应变为主）半导体电阻应变片（压阻为主）灵敏度 优点散热好允许通过较大电流 电阻应变的温度补偿：电桥补偿 应注意的问题： a.R3=R4； b.R1与R2应有相同的温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度、初值； c.补偿片的材料一样，个参数相同； d.工作环境一样； 测量电路：直流电桥、交流电桥 直流电桥交流电桥 平衡条件R1R4=R2R3 输出电压
典型应用 种类被测量 电阻式力传感器荷重或力 电阻式压力传感器流动介质 ~液体重量传感器容器内液体的重量 ~加速度传感器加速度 ~差压传感器气动测量 二、电感式传感器 1)电感式传感器的原理：将输入物理量的变化转化为线圈自感系数L或互感系数M的 变化。 2)种类：变磁阻式、变压器式、电涡流式。 3)主要测量物理量：位移、振动、压力、流量、比重。 变磁阻电感式传感器 1)原理：衔铁移动导致气隙变化导致电感量变化，从而得知位移量的大小方向。
模块一传感器概述练习题 一、填空题： 1、依据传感器的工作原理，通常传感器由、和转换电路三部分组成，是能把外界转换成的器件和装置。 2、传感器的静态特性包含、、迟滞、、分辨力、精确度、稳定性和漂移。 3、传感器的输入输出特性指标可分为和动态指标两大类，线性度和灵敏度是传感器的指标，而频率响应特性是传感器的指标。 4、传感器可分为物性型和结构型传感器，热电阻是型传感器，电容式加速度传感器是型传感器。 5、已知某传感器的灵敏度为K0，且灵敏度变化量为△K0，则该传感器的灵敏度误差计算公式为。 6、测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为、和三类。 7、相对误差是指测量的与被测量量真值的比值，通常用百分数表示。 8、噪声一般可分为和两大类。 9、任何测量都不可能，都存在。 10、常用的基本电量传感器包括、电感式和电容式传感器。 11、对传感器进行动态的主要目的是检测传感器的动态性能指标。 12、传感器的过载能力是指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过的能力。 13、传感检测系统目前正迅速地由模拟式、数字式，向方向发展。 14、若测量系统无接地点时，屏蔽导体应连接到信号源的。 15、如果仅仅检测是否与对象物体接触，可使用作为传感器。 16、动态标定的目的，是检验测试传感器的指标。 17、确定静态标定系统的关键是选用被测非电量(或电量)的标准信号发生器和。 18、传感器的频率响应特性，必须在所测信号频率范围内，保持条件。 19、为了提高检测系统的分辨率，需要对磁栅、容栅等大位移测量传感器输出信号进行 _ 。
20、传感器的核心部分是。 21、在反射参数测量中，由耦合器的方向性欠佳以及阻抗失配引起的系统误差是。 22、传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度称为。 二、判断题： 1、灵敏度高、线性误差小的传感器，其动态特性就好。（） 2、测量系统的灵敏度要综合考虑系统各环节的灵敏度。（） 3、测量的输出值与理论输出值的差值即为测量误差。（） 4、一台仪器的重复性很好但测得的结果不准确，是由于存在系统误差的缘故。（） 5、线性度是传感器的静态特性之一。（） 6、时间响应特性为传感器的静态特性之一。（） 7、真值是指一定的时间及空间条件下，某物理量体现的真实数值。真值是客观存在的，而且是可以测量的。（） 8、真值是指一定的时间及空间条件下，某物理量体现的真实数值。真值是客观存在的，而且是可以测量的。（） 9、传感器的输出--输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称为该传感器的“非线性误差”。（） 10、选择传感器时，相对灵敏度必须大于零。（） 11、弹性敏感元件的弹性储能高，具有较强的抗压强度，受温度影响大，具有良好的重复性和稳定性等。（） 12、敏感元件，是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。（） 13、传感器的阈值，实际上就是传感器在零点附近的分辨力。（） 14、灵敏度是描述传感器的输出量（一般为非电学量）对输入量（一般为电学量）敏感程度的特性参数。（） 15、传感器是与人感觉器官相对应的原件。（） 三、选择题： 1、传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间，其输出一输入特性曲线不重合的现象称为（）
高考物理最新电磁学知识点之传感器知识点总复习含答案(3) 一、选择题 1．如图所示是一个基本逻辑电路。声控开关、光敏电阻、小灯泡等元件构成的一个自动控制电路。该电路的功能是在白天无论声音多么响，小灯泡都不会亮，在晚上，只要有一定的声音，小灯泡就亮。这种电路现广泛使用于公共楼梯间，该电路虚线框N中使用的是门电路．则下面说法正确的是（） A．R2为光敏电阻，N 为或门电路 B．R2为光敏电阻，N为与门电路 C．R2为热敏电阻，N为或门电路 D．R2为热敏电阻，N为非门电路 2．如图所示是某居民小区门口利用光敏电阻设计的行人监控装置，R1为光敏电阻（光照增强电阻变小），R2为定值电阻，A、B接监控装置．则（） ①当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压升高 ②当有人通过而遮蔽光线时，A、B之间电压降低 ③当仅增大R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 ④当仅减小R2的阻值时，可增大A、B之间的电压 A．①③B．①④C．②③D．②④ 3．图甲为斯密特触发器，当加在它的输入端A的电压逐渐上升到某个值（1.6V）时，输出端Y会突然从高电平跳到低电平（0.25V），而当输入端A的电压下降到另一个值的时候（0.8V），Y会从低电平跳到高电平（3.4V）．图乙为一光控电路，用发光二极管LED模仿路灯，R G为光敏电阻．关于斯密特触发器和光控电路的下列说法中正确的是( )
A．斯密特触发器是具有特殊功能的与门电路 B．斯密特触发器的作用是将模拟信号转换为数字信号 C．调节R1和R2的阻值都不影响光线对二极管发光的控制 D．要使二极管在天更暗时才会点亮，应该调小R1 4．图甲是在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1="20" kΩ,R2 ="10" kΩ,R3="40" kΩ,R t为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当a、b 端电压U ab ≤ 0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压U ab>0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，则恒温箱内的温度可保持在（） A．10℃ B．20℃ C．35℃ D．45℃ 5．如图所示为用热敏电阻R和继电器L等组成的一个简单的恒温控制电路，其中热敏电阻的阻值会随温度的升高而减小．电源甲与继电器、热敏电阻等组成控制电路，电源乙与恒温箱加热器（图中未画出）相连接．则( ) A．当温度降低到某一数值，衔铁P将会被吸下 B．当温度升高到某一数值，衔铁P将会被吸下 C．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在C、D端 D．工作时，应该把恒温箱内的加热器接在A、C端 6．电熨斗能自动控制温度，在熨烫不同的织物时，设定的温度可以不同，图为电熨斗的结
绪论 一、传感器的定义、组成、分类、发展趋势 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，通常由敏感元件和转换元件构成。 如果传感器信号经信号调理后，输出信号为规定的标准信号（0~10mA,4~20mA;0~2V,1~5V;…），通常称为变送器， 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和结构型传感器。 按照输入量信息： 按照应用范围： 传感器技术: 是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术. 发展趋势: 一是开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化、多功能化与智能化。 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、信息技术的三大支柱 现在信息科学（技术）的三大支柱是信息的采集、传输与处理技术，即传感器技术、通
信技术和计算机技术。 课后习题 1、什么叫传感器，它由哪几部分组成？它们的作用与相互关系？ 传感器(transducer/sensor)：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（国标GB7665—2005）。通常由敏感元件和转换元件组成。 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的其他量(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的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号(一般为电信号)部分。 信号调理电路(Transduction circuit) ：由于传感器输出电信号一般较微弱，而且存在非线性和各种误差，为了便于信号处理，需配以适当的信号调理电路，将传感器输出电信号转换成便于传输、处理、显示、记录和控制的有用信号。 第一章 传感器的一般特性 1. 传感器的基本特性 动态特性 静态特性 2. 衡量传感器静态特性的性能指标 （1） 测量范围、量程 （2） 线性度 %100max ??± =?S F L y δ 传感器静态特性曲线及其获得的方法 传感器的静态特性曲线是在静态标准条件下进行校准的。
小知识点总结： 1.传感器是能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，通常由敏感元件和转换元件组 成。其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件输出转换为适于传输 和测量的电信号部分。 2.传感器的静态特性：线性度、迟滞、重复性、分辨率、稳 定性、温度稳定性和多种抗干扰能力 3.电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被 测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电 路而最后显示被测量值的变化。 4.电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常用 的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成。 5.电阻丝要求电阻系数高，电阻温度系数小，强度高和延 展性好，对铜的热电动势要小，耐磨耐腐蚀，焊接性好。 6.电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产 生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。 7.金属电阻应变片分金属丝式和箔式。箔式应变片横向效应 小。 8.电阻应变片除直接用来测量机械仪器等应变外，还可以与 某种形式的弹性敏感元件相配合，组成其他物理量的测试 传感器。 9.电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量 的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重 量、力矩、应变等多种物理量。 10.电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感。 11.变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的一种磁 电机构，很像变压器的工作原理，因此常称变压器式传感 器。这种传感器多采用差分形式。 12.金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电 流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。涡流 式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。13.电容式传感器是利用电容器原理，将非电量转换成电容 量，进而实现非电量到电量的转化的一种传感器。 14.电容式传感器可以有三种基本类型，即变极距型（非线 性）、变面积型（线性）和变介电常数型（线性）。 15.霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被 测量、如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的 一种传感器。 16.热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置，它利 用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到 测量目的。 17.热电阻测温的基础：电阻率随温度升高而增大，具有正的 温度系数 18.目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。 19.热电阻温度计最常用的测量电路是电桥电路（三线连接法 和四线连接法）。 20.工业用标准铂电阻100Ω和50Ω两种。分度号分别为 Pt100和Pt50. 21.热电偶产生的热电动势是由两种导体的接触电动势（珀尔 贴电动势）和单一导体的温差电动势（汤姆逊电动势）组 成的。 22.热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是 电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为 能量的变化。 23.测量方法按测量手段分有：直接测量、间接测量和联立测 量；按测量方式分有：偏差式测量、零位式测量和微差式 测量。 24.偏差式测量的标准量具不装在仪表内，而零位式测量和微 差式测量的标准量具装在仪表内。 25.测量误差的表示方法有以下3种：绝对误差、相对误差、 引用误差； 26.误差按其规律性分为三种，即系统误差、偶然误差和疏失 误差。 27.形成干扰的三要素：干扰源、耦合通道和对干扰敏感的接 收电路 28.为了抑制干扰，常用的电路隔离方法：光电隔离法、变压 器隔离法 简答： 1、什么是霍尔效应？ 答：一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势U h。这种现象称为霍尔效应。 2、简述热电偶的工作原理。 答：热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”。所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。两点间的温差越大，产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。 3、什么是引用误差？ 答：人们将测量的绝对误差与测量仪表的上量限（满度）值的百分比定义为引用误差。 4、如何消除和减小边缘效应？ 答：1、适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。2、电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。3、在结构上增设等位环也可以用来消除边缘效应。论述：电容式传感器的设计要点 答：电容式传感器的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力等范围内，应尽量使它具有低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应等。对于电容式传感器，设计时可以从下面几个方面予以考虑：1、保证绝缘材料的绝缘性能。必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。2、消
传感器的基本知识 一、传感器的定义 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信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 二、传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种： 1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器 2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。 3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“１”和"０”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。 三、传感器的静态特性 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、分辨力和迟滞等。 四、传感器的动态特性
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。 五、传感器的线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。 拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。 六、传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。 它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。
电磁感应 1、 磁通量Φ、磁通量变化?Φ、磁通量变化率t ??Φ 对比表 2、 电磁感应现象与电流磁效应的比较 3、 产生感应电动势和感应电流的条件比较
4、 感应电动势 在电磁感应现象中产生的电动势叫感应电动势，产生感应电流比存在感应电动势，产生感应电动势的那部分导体相当于电源，电路断开时没有电流，但感应电动势仍然存在。 （1） 电路不论闭合与否，只要有一部分导体切割磁感线，则这部分导体就会产生 感应电动势，它相当于一个电源 （2） 不论电路闭合与否，只要电路中的磁通量发生变化，电路中就产生感应电动 势，磁通量发生变化的那部分相当于电源。 5、 公式 n E ?Φ =与E=BLvsin θ 的区别与联系 6、 楞次定律 （1） 感应电流方向的判定方法
（2）楞次定律中“阻碍”的含义 （3）对楞次定律中“阻碍”的含义还可以推广为感应电流的效果总是要阻碍产生感应电流的原因 1）阻碍原磁通量的变化或原磁场的变化； 2）阻碍相对运动，可理解为“来拒去留”。 3）使线圈面积有扩大或缩小趋势； 4）阻碍原电流的变化。 7、电磁感应中的图像问题 （1）图像问题 （3）解决这类问题的基本方法 1）明确图像的种类，是B-t图像还是Φ-t图像、或者E-t图像和I-t图像 2）分析电磁感应的具体过程 3）结合法拉第电磁感应定律、欧姆定律、牛顿定律等规律列出函数方程。 4）根据函数方程，进行数学分析，如斜率及其变化，两轴的截距等。 5）画图像或判断图像。 8、自感涡流 （1）通电自感和断电自感比较
（2） 自感电动势和自感系数 1） 自感电动势：t I L E ??=，式中t I ??为电流的变化率，L 为自感系数。 2） 自感系数：自感系数的大小由线圈本身的特性决定，线圈越长，单位长度的匝 数越多，横截面积越大，自感系数越大，若线圈中加有铁芯，自感系数会更大。 （3） 涡流 9、电磁感应中的“棒-----轨”模型
、电阻式传感器 1） 电阻式传感器的 原理：将被测量转化为传感器 电阻值的变化，并加上测量电路。 2） 主要的种类：电位器式、 应变式、热电阻、热敏电阻 应变电阻式传感器 1） 应变：在外部作用力下发生形变的现象。 2） 应变电阻式传感器：利用电阻应变片将应变转化为电阻值的变化 a. 组成：弹性元件+电阻应变片 b. 主要测量对象：力、力矩、压力、加速度、重量。 c. 原理：作用力使弹性元件形变发生应变或位移应变敏感元件电阻值变化通过测量电路变成电压等 点的输出。 PL 3） 电阻值：R （电阻率、长度、截面积）。 A 4） 应力与应变的关系： 打二E ；（被测试件的应力=被测试件的材料弹性模量 *轴向应变） 应注意的问题： a. R3=R4; b. R1与 R2应有相同的温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度、初值; c. 补偿片的材料一样，个参数相同； d. 工作环境一样； 、电感式传感器 1） 电感式传感器的 原理：将输入物理量的变化转化为线圈 自感系数L 或互感系数 M 的变化 2） 种类：变磁阻式、变压器式、电涡流式。 3） 主要测量 物理量：位移、振动、压力、流量、比重。 变磁阻电感式传感器 1） 原理：衔铁移动导致气隙变化导致 电感量变化，从而得知位移量的大小方向。 点 八、、 5） 应力与力和受力面积的关系: 二（应力） F （力）
2)自感系数公式: 2 N 4 (( 磁导率)Ao (截面积) L 二2;(气隙厚度) 3) 种类：变气隙厚度、变气隙面积 4) 变磁阻电感式传感器的灵敏度取决于工作使得 当前厚度。 5) 测量电路：交流电桥、变压器式交变电桥、谐振式测量电桥。 P56 6) 应用：变气隙厚度电感式压力传感器(位移导致气隙变化导致自感系数变化导致电流变化) 差动变压器电感式传感器 1) 原理：把非电量的变化转化为互感量的变化。 2) 种类：变隙式、变面积式、螺线管式。 3) 测量电路：差动整流电路、相敏捡波电路。 电涡流电感式传感器 1) 电涡流效应：块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中做切割磁感线的运动，磁通变化，产生电动 势，电动势将在导体表面形成闭合的电流回路。 Z W 「，r ，f ，x ) 等效阻抗 (电阻率、磁导率、尺寸 、励磁电流的频率、距 离) 2) 趋肤效应：电涡流只集中在导体表面的现象。 3) 原理：产生的感应电流产生新的交变磁场来反抗原磁场，式传感器的等效阻抗变化 4) 测量电路：调频式测量电路、调幅式测量电路。 5) 测量对象：位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤、振幅、转速。 三、电容式传感器 1) 原理：将非电量的变化转化为电容量的变化。 2) 特点：结构简单、体积小、分辨率高、动态响应好、温度稳定性好、电容量小、负载能力差、易受外 界环境的影响。 3) 测量对象：位移、振动、角度、加速度、压力，差压，液面、成分含量。 结构分类：平板和圆筒电容式传感器 1) 公式: >0 zr A d 2) 平板式电容器可分为三类：变极板覆盖面积的 的变极距型。 变面积型，变介质介电常数的 变介质型、变极板间距离 3) 测量电路：调频电路、运算放大器、变压器是交流电桥、二极管双 T 型交流电路、脉冲宽度调制电路 4) 典型应用 四、压电式传感器(有源) 1) 正压电效应：对某些电介质沿一定方向加外力使之形变，其内部产生极化而在表面产生 电荷聚集的现
传感器与自动检测技术 第一章 1、检测的定义：检测是利用各种物理、化学反应、选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或者定量结果的过程。能够自动的完成整个检测处理过程的技术成为自动检测与转换技术。 2检测系统的一般构成框图： 1）传感器是检测系统的第一环节，设计时要充分考虑被测量和被测对象的特点，在了解被测对象和各种传感器的特性的基础上，根据被测量精度的要求、被测量变化范围、被测量所处的环境条件、传感器的体积以及整个检测系统的性能要求等限制，合理地选择传感器。 2）信号调理电路是对传感器的传输电信号做进一步的加工处理，多数是进行信号之间的转换，包括对信号的转换、放大滤波等。 3）纪录、显示仪器是将所测的信号变成一种能成为人们所理解的形式，以供人们观察和分析。 4）信号分析处理用来对测试所得的实验数据今夕处理、运算、逻辑判断、线性变换，对动态测试结果做频谱分析（幅值谱分析、功率谱分析）、相关分析等，完成这些工作必须采用计算机技术。数据处理结果通常送到显示器和执行机构去。所谓的执行机构通常指各种继电器、电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等，他们在电路中是起通断、控制、调节、保护等作用的电气设备。 3、传感器的定义：能够感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的期间或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 4、传感器一般由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成。 1)敏感元件——感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。 2）转换元件——又称传感元件，是传感器的重要组成元件。 5、信号调理与转换电路——能把传感元件输出的电信号转换成便于显示、纪录和控制点有用信号的电路。 传感器组成框图：
] 传感器原理复习提纲 第一章绪论 k
线性传感器非线性传感器 迟滞 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。 产生迟滞的原因：由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械另部件的缺陷 $ 所造成的，如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、 紧固件松动等。 线性度传感器的实际输入-输出曲线的线性程度。 4种典型特性曲线 非线性误差 % 100 max? ? ± = FS L Y L γ ，ΔLmax——最大非线性绝对误差，Y FS——满量程输出值。 直线拟合线性化：出发点→获得最小的非线性误差（最小二乘法：与校准曲线的残差平方和最小。） 例用最小二乘法求拟合直线。 设拟合直线y=kx+b 残差△i=yi-（kxi+b） 分别对k和b求一阶导数，并令其=0，可求出b和k { 将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。 重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时， 所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准 差σ计算，也可用正反行程中最大重复差值计算，即 或 ~ % 100 2 max? ? = FS H Y H γ 最小 ∑ = ? n i i 1 2 % 100 )3 ~ 2( ? ± = FS R Y σ γ% 100 2 max? ? ± = FS R Y R γ
6.[ 误差部分
t R R T ?=?αα0以消除。 2）$ 3）引入修正值法 知道修正值后，将测量结果的指示值加上修正值，就可得到被测量的实际值。智能传感器更容易采用该方法。 4）零位式测量法 5） 6） 这种方法是标准量与被测量相比较的测量方法，其优点是测量误差主要取决于参加比较的标准器具的误差，而标准器具的误差可以做的很小。这种方法要求检测系统有足够的灵敏度，如自动平衡显示仪表。 5)补偿法 — 6)对照法 13. 粗大误差的判定及处理。 判别粗大误差最常用的统计判别法： 如果对被测量进行多次重复等精度测量的测量数据为x1，x2，…，xd,…，xn 其标准差为σ，如果其中某一项残差vd 大于三倍标准差，即 则认为vd 为粗大误差，与其对应的测量数据xd 是坏值，应从测量列测量数据中删除。 第二章 》 第三章 电阻式传感器原理与应用 1. 电阻式传感器的基本原理。 电阻式传感器是将被测量的变化转化为传感器电阻值的变化，再经过测量电路实现测量结果的输出。 2. · 3. 金属的应变效应：金属丝(导体)在外界力作用下产生机械变形（伸长或缩短）时,其电阻值相应发生变化 敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成 直线段：沿轴向拉应变εx ，电阻↑ 圆弧段：沿轴向压应度εy ，电阻↓ K ↓(箔式应变片) 5. ! 产生原因 （1）敏感栅电阻值 （2）线膨胀系数不匹配 3d V σ > 被测量 电阻变化 t K R R s g T ?-=?)(00βββ000()T T T g s R R R R T R K T αβαββ?=?+?=?+-?
传感器原理复习提纲 第一章 绪论 1. 检测系统的组成。 2. 传感器的定义及组成。 3. 传感器的分类。 4. 什么是传感器的静态特性和动态特性。 5. 列出传感器的静态特性指标，并明确各指标的含义。 n n a x + 理论灵敏度，a 2非线性项系数传感器在稳态下，输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。 k
线性传感器非线性传感器 迟滞 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。 产生迟滞的原因：由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械另部件的缺陷 所造成的，如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、 紧固件松动等。 线性度传感器的实际输入-输出曲线的线性程度。 4种典型特性曲线 非线性误差 % 100 max? ? ± = FS L Y L γ ，ΔLmax——最大非线性绝对误差，Y FS——满量程输出值。 直线拟合线性化：出发点→获得最小的非线性误差（最小二乘法：与校准曲线的残差平方和最小。） 例用最小二乘法求拟合直线。 设拟合直线y=kx+b 残差△i=yi-（kxi+b） 分别对k和b求一阶导数，并令其=0，可求出b和k 将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时， 所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准 差σ计算，也可用正反行程中最大重复差值计算，即 或 零点漂移传感器无输入时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值，即为零点漂移。 零漂＝ 0100% FS Y Y ? ? ，式中ΔY0——最大零点偏差；Y FS——满量程输出。 % 100 2 max? ? = FS H Y H γ 最小 ∑ = ? n i i 1 2 % 100 )3 ~ 2( ? ± = FS R Y σ γ% 100 2 max? ? ± = FS R Y R γ
传感器知识点总结 传感器知识点总结 传感器的定义 传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。 传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种： １、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。 ２、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅热电偶等传感器。 ３、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“１”
和“０”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。 传感器的静态特性 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、分辨力和迟滞等。 传感器的动态特性 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。 传感器的线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输