传感器技术详细讲解样本

传感器的技术参数详解(1）额定载荷：传感器的额定载荷是指在设计此传感器时，在规定技术指标范围内能够测量的最大轴向负荷。

但实际使用时，一般只用额定量程的2/3~1/3。

（2）允许使用负荷（或称安全过载）：传感器允许施加的最大轴向负荷。

允许在一定范围内超负荷工作。

一般为120%~150%。

（3）极限负荷（或称极限过载）：传感器能承受的不使其丧失工作能力的最大轴向负荷。

意即当工作超过此值时，传感器将会受到损坏。

（4）灵敏度：输出增量与所加的负荷增量之比。

通常每输入1V 电压时额定输出的mV。

本公司产品与其它公司产品配套时，其灵敏系数必须一致。

（5）非线性：这是表征此传感器输出的电压信号与负荷之间对应关系的精确程度的参数。

（6）重复性：重复性表征传感器在同一负荷在同样条件下反复施加时，其输出值是否能重复一致，这项特性更重要，更能反映传感器的品质。

国标对重复性的误差的表述：重复性误差可与非线性同时测定。

传感器的重复性误差（R）按下式计算：R=ΔθR/θn×100%。

ΔθR--同一试验点上3次测量的实际输出信号值之间的最大差值（mv）。

（7）滞后：滞后的通俗意思是：逐级施加负荷再依次卸下负荷时，对应每一级负荷，理想情况下应有一样的读数，但事实上下一致，这不一致的程度用滞后误差这一指标来表示。

国标中是这样来计算滞后误差的：传感器的滞后误差（H）按下式计算：H=ΔθH/θn×100%。

ΔθH--同一试验点上3次行程实际输出信号值的算术平均与3次上行程实际输出信号值的算术平均之间的最大差值（mv）。

（8）蠕变和蠕变恢复：要求从两个方面检验传感器的蠕变误差：其一是蠕变：在5-10秒时间无冲击地加上额定负荷，在加荷后5~10秒读数，然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。

传感器蠕变（CP）按下式计算：CP=θ2-θ3/θn×100%。

其二是蠕变恢复：尽快去掉额定负荷（在5~10秒时间内），卸荷后在5~10秒内立即读数，然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。

（1）电容式传感器——结构型传感器
C 0 0rl b
d
固定极板 b
C C0 C 0r（l l） b d
L
△L
d
化简得： C 1 l l l 活动极板
C0
l
l
输出灵敏度 S C C 0 0rb
l l
d
结构型传感器的特性主要由其结构参数决定，
与构成传感器的物质的性质无关。
5
电源
L 线圈
永久磁铁
动铁芯（衔铁）
特点：通过带外电源的 变换电路，才能获得有 用的电量输出 能量控制型
11
四、传感器的分类
按输入物理量：位移、速度、温度传感器
按工作原理：电容式、电感式、热电式传感器
分类方法
按能量关系： 能量转换型（有源传感器） 能量控制型（无源传感器）
按输出信号性质：模拟式、数字式传感器
传感
有用 电量
信号调节
电量
元件
元件
转换电路
辅助电路
物性型 传感器
被测非电量 传感元件 有用电量
结构型 传感器
被测非电量 敏感 有用非电量 传感 有用电量
元件
元件
7
例1-2 大吨位电容式称重传感器
C 0 A 0 r
d
C A 0 r
d
弹性体
极板 支架
被测非电量： 外界压力
敏感元件： 弹性体
（2）压敏传感器——物性型传感器
压阻效应
压力 P
压力大小 电阻率的变化来自材料性质半导体材料物性型传感器主要由构成传感器的物质的性质决定。
特性 性能 成本 应用
结构型传感器
结构参数决定 稳定 较高 广泛
物性型传感器

精度（补充）
反映测量结果与真值接近程度的量 (1)准确度 ：反映系统误差对测量结果的影响 (2)精密度：反映随机误差对测量结果的影响 (3)精确度 ：反映系统、随机误差对测量结果的影响
，用不确定度表示。 对于具体的测量，精密度高的而准确度不一定高
，准确度高的精密度不一定高，但精确度高，则精密 度和准确度都高。
①绝对误差 ②相对误差 ③引用误差 ④基本误差 ⑤附加误差
2.测量误差的性质
①随机误差 ②系统误差 ③粗大误差
有关测量技术中的部分名词（补 充）
（1）真值：被测量本身所具有的真正值。 （2）实际值：高精度仪器所测被测量的值。 （3）标称值：测量器具上所标出来的值。 （4）示值：由测量器具的读数装置所指示出
100
%
1.0%
例 2-3
(3) 结论：用1.0级小量程的温度计测量所产生的示值 相对误差比选用0.5级的较大量程的温度计测量所产生的 示值相对误差小，因此选用1.0级小量程的温度计更合适
2.2测量数据的估计和处理
2.2.1随机误差分析 2.2.2系统误差分析 2.2.3粗大误差剔除 2.2.4测量数据处理中的几个问题
L
式中: δ——相对误差, 一般用百分数给出; Δ——绝对误差;
L——真值。（实际值）
2）示值' (标称)相10对0%误差：x——测量值
x
误差的表示方法（3）
3）引用（满度）误差
引用误差可用下式定义:
xm
测量上限－测量下限
引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。
γ为引用误差； Δ为绝对误差；xm为满度值。
【例1】
某采购员分别在A 、B 、C 三家商店购买 100kg牛肉干、10kg牛肉干、1kg牛肉干，发现 均缺少约0.5kg，但该采购员对C家卖牛肉干的 商店意见最大，是何原因？

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。
常用百分数表示 非线性度 ＝B 100% A
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。
分类法
按被测量 种类
按工作原 理分类
型式
位移、温度、压力、流量
应变式、电容式、电感式、压电式、 光电式
按被测量 结构型，如电容式，电阻应变片； 转换特征 （构成原 物性型，如压电式，水银温度计，双
理） 金属片
能量控制型，如RLC式 按能量传
递方式
能量转换型，如热电偶温度计
按输出量
模拟式 数字式
说明
这种分类便于传感器的 管理
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。
全自动洗衣机中的传感器： 衣物重量传感器，衣质传 感器，水温传感器，水质 传感器，洗净度传感器, 液位传感器，电阻传感器 (衣物烘干检测)。
透光率传感器 指纹传感器
温湿度传感器
温度传感器
2、机械行业
（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 性能质量进行测量和出厂检验。
机床加工精度测量
汽车扭距测量
（2）新产品开发
广州中鸣数码的机器狗
（3）自动控制
转动/移动位置传感器、力传感器、 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 器、嗅觉传感器。

1.压电式加速度传感器1.1.通用加速度传感器该系列加速度传感器采用压电效应原理，用压电陶瓷或石英作为敏感元件，频响宽、动态特性好，广泛应用于：振动控制、跌落试验、环境试验、结构试验、产品质量研究、机械研究、模态测试等振动、冲击动态测试领域。

附件：电缆：D01 螺栓：E01 技术指标型号YKJ-10A1测量范围g ± 2,000 灵敏度，土5% pc/g 10频率响应土10% Hz 1-8K谐振频率> KHz 35K横向灵敏度< % 5抗冲击极限g ± 3,000 工作温度°C -54- +150 重量克13绝缘电阻> Q109敏感元件及结构陶瓷/剪切密封形式环氧树脂外壳材料不锈钢1.1.2.通用三轴电压型（IEPE）YKJ-10A3、YKJ-20A3附件：电缆：D04 螺栓：E01 技术指标型号YKJ-10A3型号YKJ-20A3测量范围g ± 500 ± 250灵敏度,± 5% mV /g 10 20频率响应土10% Hz 1-5K 1-5K谐振频率> KHz 15K 15K横向灵敏度< % 5 5抗冲击极限g ± 2,000 ± 2,000 分辨率grms 0.005 0.003工作温度C-40- +120 -40- +120 重量克55 55敏感元件及结构陶瓷/剪切陶瓷/剪切密封形式激光焊接激光焊接外壳材料不锈钢不锈钢附件：电缆：D04螺栓：E0112高灵敏度加速度传感器技术指标型号YKJ-50A3型号YKJ-100A3测量范围g ± 100 ± 50灵敏度，土5% mV /g 50 100频率响应土10% Hz 1-5K 1-5K谐振频率> KHz 15K 15K横向灵敏度< % 5 5抗冲击极限g ± 1,000 ± 1,000分辨率grms 0.001 0.0005工作温度°C -40- +120 -40- +120 重量克55 55敏感元件及结构陶瓷/剪切陶瓷/剪切密封形式激光焊接激光焊接外壳材料不锈钢不锈钢YKJ-50A3、YKJ-100A3该系列加速度传感器灵敏度高、底噪低，适用于建筑振动监测、地震检测、桥梁结构试验、地面及地基振动监测等低频振动测试场合。

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第六章 压电式传感器
经过极化处理的压电陶瓷，在外电场去掉后， 其内部仍存在着很强的剩余极化强度，当压电陶 瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因此剩 余极化强度将发生变化，压电陶瓷就呈现出压电 效应。
几个关键词： 极化强度、束缚电荷、自由电荷
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第六章 压电式传感器
++ ++
F1
F1
石英晶片上电荷极性与受力方向的关系
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第六章 压电式传感器
（2）当晶片受到沿 y（即机械轴）方向的应力T2作用 时，在垂直于x轴表面出现电荷，电荷的极性如下图示。
x −− −−
F2
F2
++ ++
x ++ ++
F2
F2
−− −−
电荷密度σ12与施加的应力T2成正比。 12＝d12 T2
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第六章 压电式传感器
一、石英晶体的压电效应
石英晶体有天然和人造石英单晶两种。
石英晶体属六方晶系，是一个正六面 体，有右旋和左旋石英晶体之分，在晶
体学中用三根互相 垂直的轴 Z、X、Y
表示它的坐标。
（讲义P108）
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第六章 压电式传感器
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第六章 压电式传感器
?一道练习题
有一石英晶体，其长度为5mm，宽度为4mm，厚 度为10mm，当受到压力P=10MPa作用时，求在纵向 压电效应的压缩力作用下时产生的电荷量。 （d=2.31pC/N）
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1.霍尔传感器霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD 、DSP 、PLC 、二次仪表等各种采集装置直接采集，广泛应用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS 伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制，具有响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强等优点。

1.1开环霍尔电流传感器1.1.1型号说明1.1.2技术指标技术参数指标霍尔开口式/闭口式开环霍尔（真有效值）输出标称值电压：±5V/±4V 电流：4～20mA 零点失调电压（电流）电压：±20mV电流：±0.05mA失调电压（电流）漂移电压：≤±1.0mV/℃电流：±0.04mA/℃线性度≤0.2%FS电源电压DC ±15V DC 24V频宽0～20kHz 响应时间≤5us≤1ms耐压强度输入与输出及电源之间允许AC2500V 工频耐压精度等级1.0环境温度工作：-25℃～+70℃；储存：-40℃～+85℃湿度≤95%RH，不结露，无腐蚀性气体场所海拔≤3500m注：开口式、闭口式为传感器产品外观不同，原理都为开环原理。

1.1.3开口式开环霍尔电流传感器1.1.3.1规格尺寸(单位：mm)图1图21.1.3.2规格参数对照表型号额定电流供电电源额定输出测量孔径(mm)准确度AHKC-EKA 0～(50-500)A ±15V 5V /4V φ201级AHKC-EKAADC 0～(50-500)A12V/24V4～20mAφ201级尺寸规格外形尺寸穿孔尺寸安装尺寸图形W H D a e ΦM N AHKC-EKA 606416//2047/图1AHKC-EKAA 606416//2047/图1AHKC-EKDA 606416//2047/图1AHKC-EKB 10010224//4080/图1AHKC-EKBA 10010224//4080/图1AHKC-EKBDA 10010224//4080/图1AHKC-EKC 11511027//6095.5/图1AHKC-EKCA 11511027//6095.5/图1AHKC-EKCDA 11511027//6095.5/图1AHKC-K 12763256416//30图2AHKC-KAA 12763256416//30图2AHKC-KDA 12763256416//30图2AHKC-H 14979258232//46图2AHKC-KA 17695.52910436//60图2AHKC-HB 204111.52913252//48×2图2AHKC-HBAA 204111.52913252//48×2图2AHKC-HBDA204111.52913252//48×2图2AHKC-EKDA AC 0～(50-500)A 12V/24V 4～20mA φ201级AHKC-EKB 0～(200-1000)A±15V 5V /4V φ401级AHKC-EKBADC 0～(200-1000)A 12V/24V4～20mAφ401级AHKC-EKBDA AC 0～(200～1000)A 12V/24V 4～20mA φ401级AHKC-EKC 0～(500-1500)A±15V 5V /4V φ551级AHKC-EKCADC 0～(500-1500)A 12V/24V4～20mAφ551级AHKC-EKCDA AC 0～(500-1500)A 12V/24V 4～20mA φ551级AHKC-K 0～(400-2000)A±15V 5V /4V 64×161级AHKC-KAA DC 0～(400-2000)A 12V/24V4～20mA64×161级AHKC-KDAAC 0～(400-2000)A12V/24V 4～20mA 64×161级AHKC-H 0～(500-3000)A ±15V 5V /4V 82×321级AHKC-KA 0～(500-5000)A±15V 5V /4V 104×361级AHKC-HB0～(2000-20000)A±15V5V /4V132×521级AHKC-HBAA DC 0～(2000-20000)A12V/24V 4～20mA 132×521级AHKC-HBDA AC 0～(2000-20000)A12V/24V 4～20mA 132×521级注:额定电流未标注表示输入电流交直流均可测量，订货时请注明。

传感器技术模块一传感器(Sensor)知识要求：1、传感器组成及工作原理；2、分类、输出特性、和负载的连接。

技能要求：1、掌握光电、电感、电容和磁场式传感器的正确使用；2、掌握传感器的串联、并联回路控制负载。

1．1 传感器基本知识1．1．1 定义传感器是自动检测装置中直接感受被测量，并将它转换成可用信号输出的器件。

①自动检测在自动化装置构成的系统中是必不可少的。

②直接感受被测量，表明传感器和被测量之间没有其它感受器件。

③实际的被测量中多数是非电量，当然也可能是电量。

④输出的可用信号，是与被测量有确定对应关系的电量，通常为电压、电流。

1．1．2 组成图1．1传感器组成①敏感元件是传感器中直接感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。

其作用是检测感应被测物体信息。

②转换元件是只感受由敏感元件输出的与被测量成确定关系的其它量并将其转换成电量输出的元件。

其作用是把被测物体信息转换为可用输出信号（电量）。

③辅助元件：辅助电源，固定、支撑件等。

1．1．3 应用代替人的五种感觉（视、听、嗅、味、触）器官。

1．1．4 分类按输出信号的性质分：数字量传感器、模拟量传感器。

1．1．5 数字量传感器输出特性（1）NPN型：传感器的转换元件的输出管为NPN型。

①传感器的负载（灯）接在传感器电源正极（+DC24V）和传感器输出信号端之间；②未感应时传感器输出管截止，输出端输出逻辑电平“1”（+DC24V），负载不工作；③有感应时传感器输出管导通，输出端输出逻辑电平“0”（0V），负载得电工作。

（2）PNP型：传感器的转换元件的输出管为PNP型。

①传感器的负载（灯）接在传感器输出信号端和传感器电源负极（0V）之间；②未感应时传感器输出管截止，输出端输出逻辑电平“0”（0V），负载不工作；③有感应时传感器输出管导通，输出端输出逻辑电平“1”（+DC24V），负载得电工作。

蓝黑红蓝黑红负载接近开关电路接近开关电路负载（）输出特性为型（）输出特性为型图1．2 以电感式接近开关为例的传感器输出特性1．2 光电式传感器光电式传感器发射出来自其发光元件的光线（可见光或红外线）。

与2n的比值；
q=FSR/2n
例 当FSR=10V, n=8时 q = 39.1mv
当FSR=10V, n=12时 q = 2.44mv
当FSR=10V, n=16时 q = 0.15mv
完成量化的器件叫量化器，即A/D转换器。
2 模数（A/D）转换器
模数转换器把输入的模拟信号经过量化和
编码后，转换成数字信号的器件。
根据比较的工作原理可分为直接比较型和
间接比较型两大类。
(1) 逐次逼近型A/D转换器
结构与工作原理
去留码规则， UI >= UF 保留 1
UI <UF 不保留 1, 置零
UF = UREF(2-1a1 + 2-1a2 ….. +2-nan)
AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单 片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性 电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少， 功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自 动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构 成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：
位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛，这 不仅因为在各种机电一体化产品户常需位移测量， 而且还因为速度、加速度力、压力、扭矩等参数 的测量都是以位移测量位移为基础的。
直线位移传感器主要有：电感传感器、差动变 压器传感器、电容传感器、感应同步器和光栅传 感器。
角位移传感器主要有：电容传感器、旋转变压 器和光电编码盘等。
结构与工作原理
N2
N1 UREF
U1
ICL 7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格 低廉的双积分型12位A/D转换器。在要求转换速 度不太高的场合，如用于称重测力、测温度等各 种传感器信号的高精度测量系统中时，可采用廉 价的双积分式12位A/D转换器ICL 7109。

木块加热CO2光谱瀑布图
传感器具有以下作用和功能
（1） 测量与数据采集 （2） 检测与控制 （3） 诊断与监测 （4） 辅助观测仪器 （5） 资源探测 （6） 环境保护 （7） 医疗卫生 （8） 家用电器
……
• 传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、 环境保护、资源调查、医学诊断、生物工 程、商 检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以 毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复 杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。
800
40
700
600
30
500
400
20
300
10
200
100
0
0
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55t/5m8 in
木块加热CO和CO2浓度 变化
波数/cm-1
时间/min
木块加热CO光谱瀑布图
吸光度/A
波数/cm-1
时间/min
人体系统和机器系统比较
• 眼（视觉） • 耳（听觉） • 鼻（嗅觉） • 皮肤（触觉） • 舌（味觉）
感知外界信息 → 大脑 → 肌体
• 人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些 信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。
• 如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机 构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。
芯片生产要求最高的湿度稳定性
精确的 烟草烘干
纺织品
专为您的需求所设计的 湿度传感器
烟气测量
NOX
NO + NO2
O2
CO
SO2
H2S HCN

人在走动的时候会产生确定规律性的振动，而加速度传感
器可以检测振动的过零点，从而计算出人所走的步或跑步
所走的步数，从而计算出人所移动的位移。并且利用确定 的公式可以计算出卡路里的消耗。
MEMS陀螺仪
陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动 的角速度，是补充MEMS加速计功能的志向 技术。事实上，假如组合运用加速计和陀 螺仪这两种传感器，系统设计人员就可以 跟踪并捕获三维空间的完整运动，为最终 用户供应现场感更强的用户运用体验、精 确的导航系统以及其它功能。
• MEMS传感器的特点：微型化、智能化、多功能、高集成 度、适于大批量生产
MEMS生物医疗和生物医学方面的应用
微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊羡。例如: 将微型传感器用口服或皮下注射法送入人体 ,就可对体内的 五脏六腑进行干脆有效的监测 。将特制的微型机器人送入人 体 ,可刮去导致心脏病的油脂沉积物 ,除去体内的胆固醇 ,可 探测和清除人体内的癌细胞 ,进行视网膜开刀时 ,大夫可将遥 控机器人放入眼球内 ,在细胞操作、细胞融合、精细外科、 血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。MEMS的微小 可进 入很小的器官和组织 和智能 能自动地进行微小精确的操作 的特点 ,可大大提高介入治疗的精度 ,干脆进入相应病变地进 行工作 ,降低手术风险。同时 ,可进行基因分析和遗传诊断 , 利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微 器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。 所以 ,微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大 ,为人类最终 折服各种绝症延长寿命带来了希望。
加速度传感器的应用
• 汽车平安
•
加速度传感器主要用于汽车平安气囊、防抱死系统、
牵引限制系统等平安性能方面。
• 硬盘疼惜