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1、第四章、传感器及其一般特性 传感器的作用和重要性 传感器的定义和组成 传感器的分类及工作原理 传感器的基本特性和表征 传感器标定 人体与智能机器的对应关系 人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过 大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。 而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电 子计算机相当于人的大脑，而传感器则相当于人的五官部分 （“电五官” ）。 传感器实际上是一种功能块，其作用是将 来自外界的各种信号转换成电信号。 传感器所探测的对象近来显著地增加，因 而其品种也极其繁多。为了对各种各样的信号 进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处 理的信号，这样的要求只有电
2、信号能够满足。 电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微 分、存贮、远距离操作等。 4.1传感器的作用和重要性 作为人脑的一种模拟的电子计算机的发展 极为迅速，可是起五种感觉模拟作用的传感器却发 展很慢，因而如果不进行传感器的开发，现在的电 子计算机将不能适应实际需要。现代社会要求传感 器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。 这样，传感器就成了现代科学的耳目，它 日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技 术的必然趋势。 4.1传感器的作用和重要性 传感器的发展促使科学研究不断得以深入，科学技术 的进步也在不断带动传感器技术的更新换代。 传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、
3、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域有广泛 应用。 同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切 相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、 安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层 出不穷，并在日新月异地发展。 4.1传感器的作用和重要性 社会需求是传感器技术发展的强大动力。随着 现代科学技术，特别是微电子技术和信息产业的 飞速发展，以及“电脑”的普及，传感器在新的技 术革命中的地位和作用将更为突出，一股竞相开 发和应用传感器的热潮已在世界范围内掀起。 4.1传感器的作用和重要性 “电五官”落后于“电脑”的现状，已成为微型计 算机进一步开发和应用的一大障碍 许多有竞争力的新产
4、品开发和卓有成效的技术 改造，都离不开传感器 传感器的应用直接带来了明显的经济效益和社 会效益 集传感、执行等多种功能于一身的器件正在兴 起 4.1传感器的作用和重要性 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与 之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的 测量装置。 包含一下几个方面的内涵： 传感器是测量装置，能完成检测任务 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可 能是化学量、生物量等 输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换 、处理、显示等，这种量可以是气、光、电、声 ，但主要是电量 输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。 4.2传感器的定义和组成 电路被测量 敏感元件转化元件转换
5、电路 4.2传感器的定义和组成 传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路 三部分组成： 敏感元件（Sensitive element）：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（Transduction element）：以敏感 元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。 转换电路（Transduction circuit）：将转换 电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出 。 传感器种类繁多，目前常用的分类有两种： 根据被测量的特征进行分类 根据传感器的工作原理进行分类 4.3 传感器的分类及工作原理 被测量类别被 测 量 流动与热力学量 温度、压力、真空度、
6、流量、流速、湍流度 、导热系数、扩散系数、粘度、密度 机械量 位移（线位移、角位移），尺寸、形 状；力、力矩、应力；重量、质量； 转速、线速度；振动幅度、频率、加 速度、噪声 按被测量进行分类 4.3 传感器的分类及工作原理 被测量类别被 测 量 物性和成分量 气体化学成分、液体化学成分；酸碱 度（PH值）、盐度、浓度 其它状态量 颜色、透明度、磨损量、材料内部裂 缝或缺陷、气体泄漏、表面质量 4.3 传感器的分类及工作原理 电阻式、光电式、电感式、谐振式、 电容式、霍尔式、阻抗式、超声式、磁电 式、同位素式、热电式、电化学式、压电 式、微波式等。 按输出量的变换原理进行分类 4.3 传感器的
7、分类及工作原理 机械式传感器 原理：在测试技术中，以弹性体作为传感器的敏感元件 ，对力、压力、温度等物理量进行测量，而输出弹性元 件本身的弹性变形，经放大后成为仪表指针的偏转，借 助刻度指示出被测量的大小。 典型应用：用于测力或称重的环性测力计、弹簧称 等；用于测量流体压力的波纹膜片、波纹管等；用于 温度测量的双金属片等 4.3 传感器的分类及工作原理 优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉 、读数直观等 缺点：弹性变形不宜过大，以减小线形误差 。 此外，由于放大和指针环节多为机械传动，不仅 受间隙的影响，而且惯性大，固有频率低，只宜 用于检测缓变或静态被测量。 机械式传感器 电阻式传感器
8、电阻式传感器是一种把被测量转化为电阻变化的传感器。按 其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。 1、变阻器式传感器 原理：它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电 阻的变化。 电阻率 l 电阻丝长度 A 电阻丝截面积 变阻器式传感器的优点是结构简单，性能稳定，使用方便 。缺点是分辨力不高。 电阻式传感器 2、电阻应变式传感器 优点：体积小、动态响应快测量精度高、使用简便 （1）金属电阻应变片 把应变片用特制胶水粘固在弹性 元件或需要测量变形的物体表面上。 在外力作用下，电阻丝随该物体一起 变形，其电阻值发生相应变化。由此 ，将被测量转化为电阻变化。 （2）半导体应变片 半导体应变片的工作原理是
9、基于半导体材料的压阻效应。 所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力 作用时，其电阻率发生变化的现象。 2、电阻应变式传感器 尺寸变化影响 金属电阻应变片 半导体应变片电 阻变化可简化为 E项是由电阻率 变化引起的。对半 导体而言，后者远 远大于前者。 这样，半导体应变片的灵敏度 这一数值比金属丝电阻应变片大5070倍 。 金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利 用导体形变引起的电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化 引起的电阻的变化。 优点是灵敏度高，缺点是温度稳定性差、灵敏度分散度 大以及在较大应变作用下，非线形误差大。 （2）半导体应变片 （3）电阻应变片式传感器应
10、用方式 1）直接用来测定结构的应变或应力 2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速 度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件得到与被测 量成正比的应变，在由应变片转换为电阻的变化。 电感式传感器 将被测参数转换为线圈自感量或互感量变化的装置 。电感式传感器可分为自感型和互感型两大类 1、自感型 （1） 可变磁阻式传感器 变磁阻式传感器的原理图。 自感量可用下式表示 式中 N线圈匝数 磁路总电阻 由于两侧气隙磁阻远大于铁芯和衔 铁磁阻之和： 所以 式中 空气磁导率 A铁芯截面积 气隙长度 线圈的自感量L与铁芯截面积 A成正比，而与气隙长度成 反比。 （2） 涡电流式 涡电流式
11、传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的 涡电流效应。动画是一个高频反射式涡电流传感器的工作 原理。 1、自感型 金属板置于一只线圈附近，相互间距 为。当线圈中有一高频交变电流I通 过时，便产生磁通 。此交变磁通通 过邻近的金属板，金属板上便产生感 应电流 i 1。这种电流在金属体内是闭 合的，称之为涡电流或涡流。这种涡 电流也将产生交变磁通 1 。根据楞次 定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁 场变化方向相反， 1总是抵抗的变 化。由于涡流磁场的作用，使原线圈 的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距 离有关。 涡电流式传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路 及调频电路 。 （2） 涡电流式 应用
12、举例 涡流传感器测量钢板厚度动画 测量转速动画 当线圈 输入交流电流 时，线圈 产生感应电动势 ，其大小与电流 的变换率成正比，即 （右图）小位移测量的差动相敏检波电路工作原理。在没 有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残 余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，输出电 压经过交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表 头指示输入位移量大小和方向。 电感式传感器 2、互感型差动变压器式传感器 电容式传感器 1、电容式传感器工作原理 设平板电容器两极板间距离为，有效覆盖面积为A，极板 间介质的相对介电系数，真空介电常数 ，则电容器的 电容量为 如果在、A、三个参数中保持其中的
13、两个不变，而 只改变一个参数，则电容器的电容量将随之发生变化。所 以电容式传感器可以分成三种类型：极距变化型（变） 、面积变化型（变A）和介质变化型（变）。 1）极距变化型 当极距有微小变化d时，引起电容变化量dC为 传感器灵敏度为 优点：可进行动态非接触式测量 电容式传感器 2）面积变化型 保持电容器极板距离、介质不变，仅改变极板间的 相对覆盖面积。则此中传感器灵敏度为常数 通常电容传感器的覆盖面积与线形位移间有良好的线 性关系，故面积变化型传感器有着良好的线性关系。 3）介质变化型 利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器 。 常用于液位测量，或某些材料的厚度、温度、湿度等参 数的
14、变化测量 电容式传感器 1.电桥型电路 2.直流极化电路 3.谐振电路 4.调频电路 5.运算放大器电路 2、测量电路 应用：测量转速 电容式传感器 压电式传感器是利用某些物质的压电效应将被测量转换 为电量的一种传感器。 1、压电效应 某些物质如石英，当受到外力时，不仅几何尺寸发 生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场 ；当外力消失时，材料又重新回复到原来状态，这种现 象称为压电效应。 相反，如果这些物质置于电场中，其几何尺寸也发 生变化，这种现象称为逆压电效应。 （传感和执行） 压电式传感器 2、压电材料 常用的压电材料大致分为三类：压电单晶（机械强度好） 、压电陶瓷（压电常数大）
15、和有机压电薄膜（可大量生产 ）。 3、压电传感器及其等效电路 1）压电传感器 可看作是电荷发生器，它 又是一个电容器。 压电式传感器 压电传感器可以等效成与一个电容器并联的电荷源，也 可以等效为一个电压源，如图所示。 2）等效电路 压电式传感器 4、测量电路 1.电压放大器电路 2.电荷放大器电路 5、压电式传感器的特点及应用 特点：1.刚性好，固有频率高 2.灵敏度高且稳定 3.较好的线性，通常无滞后 4.系统使用和调整方便 应用： 压电式力传感器 压电式加速度计 压电式传感器 把被测量转换成感应电动势的传感器称为电磁感应式传感器 原理：基于电磁感应定律：感应电动势取决于匝数W和 磁通变化率
16、d/dt，即 1、动圈式 当线圈在磁场运动时所产生的感应电动势为 （线速度型） （角速度型） 2、磁阻式 物体运动磁路磁阻改变磁通变化产生感应电动势 磁电式传感器 半导体有一个重要的特性是对光、热、力、磁、气体 、温度等理化量的敏感性。利用半导体材料的这些特 性，作为非电量电测的转换元件，是近代半导体技术 应用的一个重要的方面。 半导体的特点是他们是一些物性型传感器，通常可 以作成结构简单、体积小、重量轻的器件，他们的 功耗低、安全可靠、寿命长；他们对被测量敏感， 响应速度快；易于实现集成化。 半导体传感器 半导体传感器种类：光敏传感器、固态图象传感器、 热敏电阻、气敏传感器、湿敏传感器、集成传感器等 等。 1、分类 按照调制方式光纤传感器可以分为强度调制、频率调制、相位 调制和偏振调制四类。 2、光纤传感器原理 当光由大折射率的介质射入小折射
