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1、第一章传感器概述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。1.1.1传感器的定义广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号的输出器件和装置。狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。国家标准对传感器定义是：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和装置以上定义表明传感器有以下含义：1、它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置；2、能按一定规律将被测量转换成电信号输出；3、传感器的输出与输
2、入之间存在确定的关系；按使用的场合不同又称为:变换器、换能器、探测器1.1.2 传感器的组成传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：图示：被测量一敏感原件-转换原件一基本电路-电量输出电容式压力传感器压电式加速度传感器电位器式压力传感器1.1.3 传感器的分类1）按传感器检测的范畴分类：生物量传感器、化学量传感器、物理量传感器、2）按输入量分类：速度、位移、角速度、力、力矩、压力、流速、液面、温度、湿度3）按传感器的输出信号分类：模拟传感器数字传感器4）按传感器的结构分类：结构型传感器、物性型传感器、复合型传感器5）按传感器的功能分类：智能传感器、多功能传感器、单功能传感器6）按传感器
3、的转换原理分类：机电传感器、光电传感器、热电电传感器、磁电传感器电化学传感器。7）按传感器的能源分类：有源传感器、无源传感器国标制定的传感器分类体系表将传感器分为：物理量、化学量、生物类传感器三大门类：12传感器的地位与作用在基础学科研究中，传感器更有突出的地位。宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。现代工业生产尤其是自动化生产过程中,每个生产环节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，一是保证产品达到最好的质量，二是保证设备工作在最佳状态。传感器
4、是自动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。传感器具有以下作用（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）家用电器目前传感器总的发展趋势是：（1）发现、利用新效应；（2）开发新材料；（3）提高传感器性能和检测范围（4）微型化与微功耗（5）集成化与多功能化；（6）传感器的智能化；（7）传感器的数字化和网络化。第二章传感器的特性与标定快变信号输入量X随时间t较快变化时考虑输出的动态特性即随时间变化的特性；慢变信号一一输入X为静态或变化极缓慢的信号时研究静态特性，即不随时间变化的特性。2.1传感器的静态特性当输入
5、量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信号时（如环境温度、压力）讨论传感器的静态特性，输入输出关系称静态特性。静态特性包括：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性非线性误差是以拟合直线作基准直线计算出来的，基准线不同，计算出来的线性度也不相同。因此，在提到线性度或非线性误差时，必须说明其依据了怎样的基本直线。拟合直线的几种常见方法有：1）理论线性度2）最佳平均直线与独立线性度；3）端点直线和端点线性度；4）端点直线平移线；5）最小二乘法直线和最小二乘法线性度。2.1.2 灵敏度线性传感器的校准线的斜率就是静态灵敏度，它是传感器的输出量变化和输入量变化之比。产生迟滞误差的原因：该指标反映了传感器的机械
6、部件和结构材料等存在的问题，如轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当、螺钉松动、元件磨损（或碎裂）以及材料的内部摩擦等。迟滞的大小通常由整个检测范围内的最大迟滞值Amax与理论满量程输出之比的百分数表示动态特性是传感器输出对时间变化的输入量的响应特性，输入与输出之间存在的差异就是动态误差！输入信号按正弦变化时，分析动态特性的相位、振幅、频率，称频率响应；输入信号为阶跃变化时，对传感器随时间变化过稈进行分析，称阶跃响应（瞬态响应）：讨论：暂态响应是指数函数，输出曲线成指数变化逐渐达到稳定；因为惯性存在输出不能立刻达到稳定，理论上t8时才能达到稳定，当t=t时即达到稳定值的63.2%,可见时间常数t越小越
7、好，是反映一阶传感器的重要参数；实际运用时t=4t时工程上认为已达到稳定；由曲线看出它与动态测温相似，所以动态测温是典型的一阶系统。一阶系统在时间常数TVV1才近似零阶系统特性，A（3）k,（3）心0;输出y（t）反映输入x（t）变化；当3=1/T时，传感器灵敏度下降了3dB,如果灵敏度下降到3db时的频率为工作频率上限，贝V：上限频率为3H=1/t,所以时间常数T越小，3H越高工作频率越宽，响应越好；一阶系统的动态响应主要取决于时间常数J减少T可改善传感器的频率特性，加快响应过程。根据阻尼比g大小可分四种情况：1弋=0，零阻尼，等幅振荡，产生自激永远达不到稳定；2. g1,过阻尼，稳定时间较
8、长。二阶传感器的动态特性主要取决于传感器的固有频率3n和阻尼系数g。影响传感器动态特性的主要参数是：时间常数JT越小响应越快，频带越宽；传感器固有频率3n,选择在（35）3（信号）；阻尼比g,选择在0.60.8，原则是过冲不太大，稳定时间不太长。影响传感器动态特性的主要参数：时间常数t,t越小响应越快，频带越宽；传感器固有频率sn,选择在（35）3（信号）；阻尼比g,选择在0.60.8，原则是过冲不太大，稳定时间不太长。第三章传感器中的弹性敏感元件设计变形:物体在外力作用下改变原来的尺寸或形状的现象。弹性变形:如果外力去掉后物体能够完全恢复原来的尺寸和形状的变形。弹性元件:具有弹性变形特性的物
9、件弹性敏感元件是通过物体弹性变形这一特性，把力、力矩或压力转换成为相应的应变或位移，然后配合其它各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力转换成电量的一种元件。弹性元件的分类：根据弹性元件在传感器中的作用，基本上分为两种类型：弹性敏感元件、弹性支承3.1.1 弹性特性作用在弹性敏感元件上的外力与该外力引起的相应变形（应变、位移式转角）之间的关系称为弹性元件的弹性特性。弹性特性可由刚度或灵敏度来表示。刚度可以反映元件抵抗弹性变形能力的强弱。二、灵敏度灵敏度就是单位力作用下产生变形的大小弹性元件上载荷发生改变时，相应的变形往往不能立即完成，而是在一个时间间隔内逐渐完成，这种现象称为弹性后效。3.1.
10、2 弹性滞后对弹性元件进行加载，可绘制一条弹性特性曲线，然后卸载，可绘制另一条弹性特性曲线两条曲线往往并不重合，这种现象称为弹性滞后。弹性变形之差，叫做弹性敏感元件的滞后误差。弹性敏感元件材料基本要求：（1）弹性滞后和弹性后效要小；（2）弹性模量的温度系数要小；（3）线膨胀系数要小且稳定；（4）弹性极限和强度极限要高；（5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性；（6）具有良好的机械加工和热处理性能。几个概念：应力：物体由于外因（受力、温度、湿度等变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力
11、称为应力。挠度：弯曲变形时横截面形中心沿与轴线垂直方向的线位移称为挠度，用y表示。简言之就是指梁、桁架等受弯构件在荷载作用下的最大变形，通常指竖向方向y轴的,就是构件的竖向变形。挠度与荷载大小、构件截面尺寸以及构件的材料物理性能有关。转角：弯曲变形时横截面相对其原来的位置转过的角度称为转角。应变：物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般各不相同，用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。线应变：在直角坐标中所取单元体为正六面体时，三条相互垂直的棱边的长度在变形前后的改变量与原长之比，定义为线应变，用&表示。一点在x、y、z方向的线应变分别为&x、&y、&z。线应变以伸长为正，缩短为负。圆
12、柱应变的一般表达式及其含义：，圆柱内各点的应变大小决定于圆柱的灵敏度结构系数、横截面积、材料性质和圆柱所承受的力，而与圆柱的长度无关。3.3.4 平膜片圆形膜片分为平面膜片和波纹膜片两种。在相同压力情况下，波纹膜片可产生较大的挠度.切向应变在圆板中心（r=0）处，切向应力与径向应力相等，切向应变与径向应变相等，而且具有正的最大值。在圆板的边缘（r=a）处，切向应力、径向应力和径向应变都达到负的最大值，而切向应变为零。3.3.5波纹管波纹管是一种表面上有许多同心环状波形皱纹的薄壁圆管。在轴向力或流体压力的作用下，波纹管产生伸长或缩短，从而把轴向力（或压力）变换为位移。金属波纹管轴向容易变形，也就
13、是说灵敏度非常好。在变形量允许范围内，压力（或轴向力）的大小与伸缩量成线性关系。怎样测量波纹管是一种表面上有许多同心环状波形皱纹的薄壁圆管。在轴向力或流体压力的作用下，波纹管产生伸长或缩短，从而把轴向力（或压力）变换为位移。金属波纹管轴向容易变形，也就是说灵敏度非常好。在变形量允许范围内，压力（或轴向力）的大小与伸缩量成线性关系。第四章电阻应变式传感器应变式传感器特征：主要优点，使用简单、精度高、范围大体积小。缺点，电阻、半导体会随温度变化。不同材料类型，金属应变片、半导体应变片；4.1电阻应变片的工作原理将电阻应变片粘贴在弹性元件特定表面上，当力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于弹性元
14、件时，会导致元件应力和应变的变化，进而引起电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经电路处理后以电信号的方式输出，这就是电阻应变式传感器的工作原理。电阻应变效应电阻应变片简称应变片，是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。所谓电阻应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。原因：因为金属丝的电阻与材料的电阻率与其几何尺寸有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，它们都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。敏感栅应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。敏感栅合金材料的选择对所制造的电阻应变计性能的好坏起着决定性的作用
15、。基底一一固定敏感栅，并使敏感栅与弹性元件相互绝缘；应变计工作时，基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用，为此基底必须很薄，一般为0.020.04mm。常用的基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布。引线一一连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线。一般要求引线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。盖片一一保护敏感栅使其避免受到机械损伤或防止高温氧化。粘结剂一一在制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变计时，用它把应变计基底再粘贴在试件表面的被测部位，因此它也起着传递应变的作用。422电阻应变片的种类及特点1电阻丝式应变片电阻丝式应变片的敏感元件是丝栅状的金属丝，它可以制成U型、V型和H型等多种形状电阻丝式应变片因使用的基片材质又可以分为纸基、纸浸胶基和胶基等种类。2箔式应变片箔式应变片的工作原理和结构与丝式应变片基本相同，但制造方法不同。它采用光刻法代替丝式应变片的绕线工艺。3半导体式应变片半导体式应变片的使用方法与金属电阻应变片相同，即粘贴在弹性元件或被测体上，随被测试件的应变其电阻值发生相应变化。半导体式应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。4.2.3金属应变片的参数1几何尺寸2电阻
