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1、第一章传感器的定义:能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的组成（框图）转换量:便于显示、记录、传输、处理、控制的量，通常为电学量敏感元件：直接感受被测量，输出与被测量成确定关系的某种物理量的元件。转换元件：将敏感元件的输出量转换为电学量输出的元件。信号调节与转换电路：将转换元件的输出信号，转变成便于处理的电信号。传感器的作用:从人的角度：传感器用于代替、补充、延伸人的感觉器官的功能。例如：对信号进行放大、运算、调制等。 从科学的角度：传感器用于信息采集传感器在科技发展中的重要性1. 信息技术的基础与支柱 信息技术的三大基础：信息采集、信息传输、信息处理。
2、2. 各学科领域现代化、自动化的基础3. 发达国家对传感器领域的重视：将传感器技术列为高新技术和核心技术。传感器的基本应用系统测量系统框图控制系统框图传感器的发展动向:发现新现象、开发新材料、采用新型加工技术、多功能集成、智能化、仿生、航天、数字化、微型化第二章传感器的特性：用输入输出的对应关系描述。物理量、化学量（信号）随时间变化有两种形态：靜态（准静态）、动态。静态特性：输入为靜态（准静态）时输入输出的对应关系。量程：测量范围。超出测量范围时可能使传感器损坏或者产生较大的测量误差灵敏度（S）：输出量对输入量的灵敏程度。理想特性：S为常数。线性度：输入输出关系的线性程度。数学表示（用非线性误
3、差大小表示线性度小好） 迟滞：输入量增大、减小行程期间，输入输出曲线不重合的程度。小好。重复性：小好。漂移：输入量保持不变，环境温度变化，使输出发生变化的程度传感器的动态特性：激励：输入信号。响应：输出信号。动态特性：输入为动态时输入输出的对应关系。即传感器对激励的响应。理想特性：输出信号与输入信号具有相同的时间函数。标准输入信号：正弦和阶跃信号。 第三章 A弹性变形：有外力作用时，物体改变尺寸或形状。外力撤消时，物体恢复原尺寸或形状。弹性元件在传感器技术中的作用：1. 作为弹性敏感元件2. 用于弹性支承支承传感器中活动部分（形变、位移不是测量量）例：动圈式话筒弹性圆柱结构：空心或实心圆柱体特
4、性：在外力作用下，以应变（相对形变）作为输出量。 用途：大力测量悬臂梁1. 结构：一端固定、一端自由的条形弹性元件，分等截面和等强度（变截面）两种。2. 特性：以应变或位移作为输出量。上表面与下表面的应变方向相反。尺寸增大应变为正。3. 用途：小力测量。等截面悬臂梁沿长度方向应变不均匀，根部最大，梢部为0。等强度悬臂梁（变截面）沿长度方向应变均匀。扭转棒1. 结构：一端固定、一端自由的圆棒。2. 特性：当自由端承受力矩时，棒表面前产生沿圆周方向的剪切应力。3. 用途：测量力矩 圆形膜片和膜盒1. 结构：圆形平面或波汶膜片、圆形膜盒。2. 特性：以挠度或应变为输出量。中心处挠度最大。（应力图）3
5、. 用途：测量压力（即：压强）、压差。波汶管结构：一端封闭、筒壁有皱折的薄壁圆管。特性：力或压力变化，输出量为自由端（封闭端）的位移。用途：流体压力。薄壁圆筒1. 结构：薄壁圆筒。2. 特性：内腔压力变化，筒壁直径和长度变化。3. 用途：流体压力。双端固定梁1. 结构：两端都固定的等截面梁，中间为受力点。2.特性：以应变为输出量。3.用途：较大力测量。薄壁圆环1. 结构：薄壁圆环。2. 特性：压力或拉力使环筒壁产生应变。3. 用途：小力。弹簧管1. 结构：弯成各种形状的空心管。C形为多。管的一端封闭，一端开启。一端或两端固定，管截面通常为椭圆、卵形。 2. 特性：输出量为管子的形状变化产生的位
6、移。3. 用途：流体压力。第三章 B电阻应变效应：金属或半导体材料的电阻值随着其所受机械变形的大小而改变的现象。应变片结构基底：固定与绝缘（厚度为0.03mm）电阻丝：敏感栅（栅长l、栅宽a）引出线：电路连接（直径为0.10.3mm）覆盖层：保护、绝缘半导体应变片的特点：灵敏度很高，温度特性较差。 横向效应：在敏感栅的横向段，由于试件（弹性敏感元件）的横向变形，使得产生的Ry与Rx相反。横向效应的有害性：使应变片灵敏度降低。减小横向效应产生的测量误差：一般采用箔式应变片或短接式应变片。应变片的极限工作频率估算三种直流电压源电桥的结构、特点（灵敏度、非线性、温度补偿作用）1、电压源单臂电桥电路：
7、电桥的一个臂上为应变片（R1），其他3个为固定电阻。 特点：非线性误差2、半桥差动电桥电路：电桥的相邻两个臂上分别为应变方向相反的应变片，另外两个臂上为固定电阻。特点：电桥电压灵敏度是单臂电桥电压灵敏度的二倍。无非线性误差。有温度补偿作用。3、全桥差动电桥电路：电桥的四个臂上全部为应变片，相邻两个臂上应变方向相反。特点：电桥电压灵敏度是单臂电桥电压灵敏度的四倍。无非线性误差。有温度补偿作用。 温度误差及其产生的原因1电阻温度系数的影响。敏感栅的电阻丝阻值随温度变化2试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同。温度补偿方法1桥路补偿法结构：补偿应变片粘贴于补偿块上（与试件相同的材料），补偿块不受应力。
8、电路：测量片与补偿片构成半桥（全桥）差动电路。原理：温度变化引起的应变片电阻变化为相同方向，通过电桥消除影响。2应变片自补偿法应变式传感器的结构 几种弹性敏感元件与电阻应变片构成传感器的贴片方法与电路结构。应变式力传感器1.柱（筒）式力传感器被测物理量为荷重或力。悬臂梁式力传感器：应变片粘贴方式：上下各两片，靠近固定端。电路：差动全桥。应变式压力传感器：应变片的位置：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片， 在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片。 薄壁圆筒式应变压力传感器应变片的位置：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片， 在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片。 电路：2
9、是补偿片应变式加速度传感器：原理：a（m）F（梁）应变（应变片）R（电桥）V 第四章电感式传感器的基本结构：线圈、铁芯、衔铁、气隙。工作原理：通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻电感式传感器的直接测量量：等效电路（铜损、铁损）：变磁阻式传感器的结构类型及特征三类：变间隙式、变面积式和螺线管式。1.变间隙式电感传感器 结构：线圈、铁芯、衔铁、气隙。 特性：灵敏度是单极式的2倍。非线性误差减小.变面积式电感传感器 特性：电感与面积（或）成线性关系。. 螺线管式电感传感器特性：一定范围内电感与位移成线性关系。差动变压器式传感器.结构：差动变压器由铁芯、初级线圈和次级线圈组成。 有门形（n形）和螺管式两
10、种，其中螺管式差动变压器又分二段式和三段式。工作原理：铁芯位移使得互感M1、M2变化。两次级线圈串连输出，同相端相连（差分输出）。正负方向反映了衔铁的移动方向，幅度大小反映衔铁移动的距离。 零位电压（零点残余电压） 由于两个线圈参数不可能完全相同，使得铁芯在中间位置时，输出电动势不为零（调不到零）的现象叫做零位电压。零位电压的特点：由于零位电压实际上主要是由实部不对称造成的，所以零位电压的相位与有用输出信号相位相差90度。零位电压的补偿：使两线圈的实部、虚部分别相等。主要是实部相等。方法是串、并联电阻，并联电容。差动变压器式传感器测量电路：差动整流电路和相敏检波电路。涡流：金属块在变化的磁场中
11、，其体内产生的感应电流（电流线闭合）。电涡流式传感器的结构型式及特点结构：变间隙式、变面积式和螺线管式两种类型的涡流式传感器：高频反射式、低频透射式 1. 高频反射式（f10 7HZ）高频电流的趋肤效应，高频电磁场不能穿透一定厚度的金属板，金属板表面的感应涡流产生电磁场反作用于线圈，改变线圈的L大小。. 低频透射式（f 10 3HZ）原理：有两个线圈，分布于金属板两面，一个发射电磁波，一个接收电磁波，电磁场能透过金属板。感应电动势：E= F（，t，f）测量电路1 调频电路：LC作振荡回路。（f是x的函数，振荡信号由此电路产生）2 调幅电路：LC作谐振回路。（f是常数，振荡信号由其他电路产生，u
12、o是x的函数） 电感式传感器的应用1. 变隙电感式压力传感器结构：膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成。测量：P2. 变隙式差动电感压力传感器结构： C形弹簧管、铁芯、衔铁及线圈等组成。测量：P3. 差动变压器式加速度传感器结构： 悬臂梁差动变压器组成。测量：加速度a4. 高频反射式涡流厚度传感器5. 电涡流式转速传感器6. 电涡流式传感器探伤用途：检测金属材料表面和内部裂痕。原理：在裂痕处，阻抗增大。7. 电涡流式传感器其他应用第五章 ：电容式传感器结构:平板电容类型：变间隙式、差动变间隙式、变面积式基本测量量：面积、距离和介电常数电容式传感器的线性及灵敏度（变间隙式、差动变间隙式、变面积式）变极距
13、型电容传感器在微位移测量中应用最广电容式传感器的等效电路调频：信号频率与电容容量变化有关 。调幅；信号幅度与电容容量变化有关 。电容式传感器的输出电路（运算放大器式电路）的原理。运算放大器式电路(输出电压与间隙成正比)电容式传感器的应用（力、压力、加速度、振动、测厚、介电常数）。 1. 电容式压力传感器：结构：差动电容器 测量：压差2.电容式加速度传感器：结构：质量块、弹簧、固定电极组成差动电容器。 测量：加速度第六章压电效应：某些晶体沿一定方向产生变形时，其表面会产生电荷。特点：方向性、可逆性。压电材料的种类：压电晶体和压电陶瓷。石英晶体的压电性能（哪些方向有压电效应）：x电轴；y机械轴；z
14、光轴 。1. 当沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷。2.沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷。3.沿z轴方向施加作用力，不产生压电效应。压电效应的物理解释：无对称中心的异极晶体可产生压电效应 有对称中心的异极晶体不可产生压电效应石英晶体的优、缺点优点：机械强度高 、温度稳定性好缺点：压电常数低温度稳定性不好。 压电陶瓷（PZT）的优、缺点优点：压电常数高（是石英晶体的几十数百倍）。 缺点：机械强度低、温度稳定性不好。 压电元件连接方式(a) 相同极性端粘结（并联）； (b) 不同极性端粘结（串联）压电元件的串、并联对总电容、总电荷和总电压的影响:压电传感器也可以等效为一个电荷源。两种等效电路：电荷等效电路：将传感器当作电荷源。 电压等效电路：将传感器当作电压源。压电式传感器的测量电路作用：变换阻抗，放大信号基本要求：输入阻抗高。测量电路的种类:电压放大器、电荷放大器电压放大器的基本结构主要特性：低频响应特性差，高频响应特性好电荷放大器基本结构：电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放
