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1、1.传感器的作用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。传感器所检测的信号品种极其繁多。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。2.传感器（Transducer 或 Sensor）定义：“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，通常由敏感元件组成” 。传感器有时也叫换能器、变换器、变送器或探测器。从定义中可看出传感器有两个功能：既敏感和变换。3. 传感器通常由敏感元件、转换元件二部分组成，有时也将测量电路及辅助电源作为传感
2、器的组成部分。4.传感器的输出输入关系特性就是传感器的基本特性。传感器的静态特性是指传感器在被测量处于稳定状态时（静态的输入信号）的输出输入关系。5 衡量传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、精确度、迟滞、重复性和分辨率等。6 线性误差(Linearity Error) 线性误差是指在规定条件下（利用一定等级的校准设备，对传感器进行反复循环测试）得出输出-输入特性曲线与拟合直线(fitting straight line)间最大偏差与满量程 FSfull span）输出值的百分比称为线性误差7 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化量（增量）与输入变化量（增量）的比值，即 K=输出变化量/
3、输入变化量 =Y/X 灵敏度越高，系统反映输入微小变化的能力就越强。在电子测量中，灵敏度越高往往容易引入噪声并影响系统的稳定性及测量范围，在同等输出范围的情况下，灵敏度越大测量范围越小，反之则越大。8. 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力9，是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。10.准确度指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。11 传感器的动态特性是指传感器在测量动态信号时，输出对输入的响应特性12 传感器的发展趋势 1）开发新型传感器 2）开发新材料 3）新工艺的采用 4）集成化、多功能化 5）智能化第二章 光电
4、式传感器1.将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。光电传感器的工作基础是光电效应。2 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应3. 光敏二极管的基本特性包括光谱特性、伏安特性、光照特性、温度特性好响应特性。光敏管的光谱特性是指在一定照度时， 输出的光电流（或用相对
5、灵敏度表示）与入射光波长的关系伏安特性 指在一定照度下的电流电压特性。当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。 光照特性近于线性，即输出电流随光照线性增加。说明光敏二极管适合作检测元件 4. 2. 光敏电阻的主要参数 光敏电阻的主要参数有： (1) 暗电阻 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 (2) 亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 (3) 光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。 5 光敏电阻的基本特性(1) 伏安特性 在一
6、定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性（2）光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光电流 I 和光照强度（光通量）之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。故光敏电阻不宜作定量检测元件，而常在自动控制中作光电开关。(3) 光谱特性 频率特性 实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示 6 光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同
7、的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。7 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源光电池的工作原理是基于“光生伏特效应用光电池作为测量元件时， 应把它当作电流源的形式来使用， 不宜用作电压源。开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。8 光电池应用 （1）将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。 （2）将光电池作光电转换器件应用，
8、需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率9 利用物质在光照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。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10 光电倍增管（PMT）是光子技术器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。11 电荷耦合
9、器件 (CCD)它以电荷作为信号, 基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。广泛应用于自动控制和自动测量, 尤其适用于图像识别技术。12.光纤的结构 基本采用石英玻璃， 主要由三部分组成 中心纤芯(5-75m)； 外层包层； 护套尼龙料，光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质光纤的传光原理 1)斯乃尔定理（ Snells Law）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图 (a)，其折射角大于入射角，即 n1n2 时，ri n1sini=n2sinr13 光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关，与纤芯包层相对折射率有关NA 表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要
10、在 2i 张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。 一般 NA 越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易光纤按照传输模式分为：（1）单模光纤：纤芯直径很小，接受角小，传输模式很少。这类光纤传输性能好，频带宽，具有很好的线性和灵敏度，但制造困难。（2）多模光纤：纤芯尺寸较大，传输模式多，容易制造，但性能较差，带宽较窄。14（原理）光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的 )、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，由光发送器发出的光源经光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光
11、纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。15 光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类16 光纤传感器的应用（一）温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种。 （二）压力的检测 种类：强度调制型、相位调制型和偏振调制型三类（三）液位、流量、流速的检测1、液位的检测技术 （1）球面光纤液位传感器 17 激光传感器利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。 激光的特性：单色性好 方向性强 亮度强 相干性好按工作物质激光器分为固体
12、激光器 气体激光器 液体激光器 半导体激光器应用举例 1.激光测距 2激光测流速 、长度 3激光陀螺17 核辐射传感器是基于被测物质对射线的吸收、反射、散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。 利用这些特性制成的传感器可用来测量物质的密度、厚度，分析气体成分，探测物体内部结构等，它是现代检测技术的重要部分第 3 章 数字式传感器1 数字传感器的特点（1） 具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。（2） 测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。（3） 采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪音 的抑制能力强。（4） 稳定性好，易于微机接口，便于信号处理和自动化测量。2 光栅的构成：光栅通常
13、是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹的玻璃构成，称之为透射光栅，或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射的条纹，称为反射光栅。利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的光栅为圆形，称之为圆光栅。二.光栅位移数字转换的基本原理1. 光栅传感器输出信号波形当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化3.2 磁栅传感器是利用磁栅与磁头的电磁作用进行测量的位移传感器。它是一种新型的数字式传感器。特点：1 成本较低且便于安装和使用；2 制作简单，
14、复制方便 3 精度较高 4 测量范围宽应用：磁栅作为检测元件可用在数控机床和其他测量机上3.3 编 码 器 将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、 高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。3.3.1 接触式编码器 1 工作原理编码盘或编码尺是一种按一定的编码形式，如二进制编码、二十进制编码、格莱码等，将一个圆盘或直尺分成若干等分，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测 2 位移量大小的各等分上的编码转换成便于应用的其他二进制表达方式的测量装置。接触式编码盘的优点：简单，体积小，输出信号强，不需放大；缺点：是存在电刷的磨损问题，故
15、寿命短，转速不能太高(几十转分) ，而且精度受到最高位(最内圈上)分段宽度的限制3 光学码盘式传感器 - 用光电方法将被测角位移转化成数字电信号特点：高精度、高分辨力、可靠性好 应用：小范围绝对位置测量-角度、直线位置；小范围位移、速度检测3.4 频率式数字传感器频率式数字传感器是能直接将被测非电量转换成与之相对应的、便于处理的频率信号振弦的激振方式：间歇激发；连续激发4.2 热敏电阻热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。特点 1）温度系数大 灵敏度高 2）结构简单坚固，体积小 能承受较大的冲击、振动；可以测 量点温度 3）电阻率
16、高、热惯性小 ，响应速度快 适于动态测温（4）易于维护、使用寿命长 适于现场测温 5）很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响；6）成本低，应用广泛 7）互换性差，非线性严重，精度低 8）元件易老化，稳定性较差；（9）除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合 0150范围，使用时必须注意。热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。 热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。热电偶测温 它的工作原理是基于热电效应热点偶的工作原理热电效应及基本定律 两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成闭合回路，当两个接触点(称为结点 )温度 t 和 t0 不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转
