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1、第一章 传感器技术概述,1.传感器定义,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。,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.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：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,复杂测试系统(振动测量),简单测试系统(红外体温),3.传感器的构成,（1）组成：振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻,（2）原理：,振膜一次敏感元件电容器敏感元件,4.分类：,5.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
2、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
3、感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。,指纹传感器,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，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。,2、机械行业,（4）故障诊断,（5）其他应用,航天,农业,交通,医疗,第二章 传感器的基本特性,1、理想定常线性系统输入输出关系：,在静态测量时，,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。,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
4、接近程度。,非线性度,常用百分数表示,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）灵敏度,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
5、分度值的一半,5.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,二、传感器的动态特性,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,在初始条件为零的前提下，定义传递函数,其中s为复变量，,特点：,（2）传递函数,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
6、无关。分母中的最高次幂n代表系统微分方程的阶数。,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,（3）频率响应函数,在初始条件为零的前提下，定义频率响应函数,求法：,(2)若已知微分方程，作傅里叶变换，则,(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。,物理意义：描述了系统的频率特性。,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。,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。,（4）脉冲响应函数,频域频率响应函数,复数域传递函数,时域脉冲响应函数,拉普拉斯变换对,傅里叶变换对,传递
7、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,若系统由n个环节串联而成，其传递函数为,相应地，系统的频率响应为,其幅频特性：,相频特性：,2.环节的并联,系统总输出为,若系统由n个环节并联而成，其传递函数为,系统的频率响应为,3.负载效应：,某系统由于后接另一系统而产生的种种现象。,三、实现不失真测试的条件,一、不失真传输,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,傅里叶变换可得：,系统的频率响应为,幅频特性：,相频特性：,测试系统不失真测试的条件。,电阻式传感器,一、变阻式传感
8、器,1.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：,3.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,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。,如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，,灵敏度：,3.特点：,金属应变片的灵敏度较低，但其温度稳定性好，可用于对精度要求较高的测量。,三、压阻式传感器,1.原理：压阻效应,灵敏度：,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
9、变化,2.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：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,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,应变 电压或电流的变化,4.4 电感式传感器,一、可变磁阻式传感器,线圈自感量为,当气隙较小，且不考虑磁路的铁损时，总磁阻,于是，,1.变气隙式：,灵敏度,特点：灵敏度高，线性误差小，适于测小位移。,2.变面积式,灵敏度,特点：线性度好，量程大，但灵敏度较低。,3.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
10、度低，但测量范围大，适用于较大位移测量。,4.差动式,5.测量电路:交流电路,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。,1.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,适于测量金属材料的厚度。,3.特点：结构简单，安装方便，灵敏度高，抗干扰能力强。,4.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,原理：利用电磁感应中的互感现象。,1.互感现象,2.差动变压器式传感器,(2)原理,(3)特点：精度高，线性范围大，稳定性好。,4.5 电容式传感器,一、工作原理,为真空介电常数，,1.极距变化型,C与 成反比关系。,灵敏度
11、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,(1)直线位移型,若两极板间相互覆盖长为，宽为，覆盖面积为,则电容,灵敏度,(2)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,则电容,灵敏度,(3)圆柱体线位移型,动板左右移动时，,则电容,灵敏度,(4)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
12、移的测量。,3.介电常数变化型,介质层的温度、湿度、厚度变化时，变化，从而引起 变。,(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。,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
13、感器,4.6 压电式传感器,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,1.压电效应：,2.逆压电效应（电致伸缩效应）：,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()、铌酸锂(),2.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,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,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,串联
14、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,压电式压力传感器,压力变送器,加速度计,力传感器,产品:,压电材料换能器,4.7 磁电传感器,包括磁电感应传感器、霍尔传感器。,一、磁电感应传感器(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,恒定磁通式,变磁通式,根据改变参 数的不同,1.恒定磁通式,2.变磁通式,常用来测量旋转物体的角速度。,二、霍尔传感器,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,霍
15、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。,2.霍尔元件,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,4.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 光电传感器将光信号转换成电信号的光敏器件,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,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,1.光敏电阻,工作原理：光电导效应。,2.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,光敏二极管：,光敏三极管：,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,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,
