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传感器教案
绪论
第一章传感器的基本特性
传感器的概念以及传感器的基本特性是本章重点。
讲授
1.1传感器的定义
关于传感器的定义，至今尚无一个比较全面的定义。
不过，对以下提法，学者们似乎不持异议。
国际电工委员会的定义为：
“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。
根据中华人民共和国国家标准（GB7665——87），传感器（Transducer/Sensor）的定义是：
能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。
所谓传感器，是指那些能够取代甚至超出人的“五官”，具有视觉、听觉、触发、嗅觉和味觉等功能的元器件或装置。
1.2 传感器的组成
传感器是由敏感元件、转换元件及信号调节电路三部分组成的。
敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）与检出被测对象的待测信息（非电量）的部分，
转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）出的信息直接转换成电信号的部分。
信号调节转换电路是能把转换元件输出的电信号转换为电压、电流或频率量便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。
辅助电路通常包括电源，即交、直流供电系统。
1.3传感器的分类
可以用不同的观点对传感器进行分类：
它们的转换原理；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
传感器种类繁多
按被测量分类
按测量原理分类
按输出型式分类
按电源型式分类
目前常用的分类有两种：
一种是以被测量来分，另一种是以传感器的原理来分。
1.4传感器的技术特点
传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测与应用。
它已逐渐形成了一门相对独立的专门学科。
与其他学科相比，它具有如下技术特点：
1.内容范围广且离散
2.知识密集程度高、边缘学科色彩浓
3.制造技术复杂、工艺要求高
4.功能优良、精度高、可靠性好
5.现代传感器品种繁多、应用广泛
1.5传感器的数学模型概述
1.系统概论
无论系统复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。
问题简化为处理输入量x（t）、系统传输特性h（t）和输出y（t）三者之间的关系。
2.静态模型
静态模型是指在静态信号（输入信号不随时间变化的量）情况下，描述传感器输出与输入量间的一种函数关系。
如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：
y=a0+a1x+a2x2+···+anxn
3.动态模型
动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号（输入信号随时间而变化的量）作用下，描述其输出和输人信号的一种数学关系。
动态模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。
1.6传感器的基本特性
1.静态特性
1）灵敏度
2）重复性
3）分辨力：
6）稳定性
2动态响应特性
1）阶跃响应
2）频率响应特性
第二章电阻式传感器电位器应变式
弹性元件以及应变式传感器的应用
应变式传感器的测量电路直流电桥
讲授
2.1电位器式电阻传感器
电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为具有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。
所以它是一个机电传感元件。
1.变阻器式传感器的分类
2变阻器式传感器的性能参数:
3.非线绕电位器式传感器
1）.合成膜电位器
2）.金属膜电位器
3）.导电塑料电位器
4）.光电电位器式传感器
2.2电位器式电阻传感器的应用
2.3电阻应变式传感器
1.应变效应
导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。
下面我们以金属丝应变片为例分析这种效应。
2．半导体应变片
3.应变片的工艺及材料
4.应变片粘贴
5.常用应变片的型号与参数
2.4电阻应变片的测量电路
1.直流电桥平衡条件
2．.交流电桥的调平方法
2.5电阻式传感器应用举例
根据不同的要求，应变电桥有不同的工作方式。
下面我们讨论几种较为典型的工作方式：
1.测量转换电路
1）.全桥工作方式:
2）双臂半桥工作方式
3）单臂半桥工作方式
2.应用举例
1）.单臂半桥测量
2）.全桥电路测量
3）.应变式力传感器
4）．应变式荷重传感器
例
采用4片相同的金属丝应变片（K=2），将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。
如图所示，力F=1000kgf，圆柱断面半径r=1cm，弹性膜量E=2*107N/cm2,泊松比μ=0.3。
求①画出应变片在圆柱上粘贴位置及相应测量桥路原理图；②各应变片的应变ε=？
电阻相对变化量ΔR/R；③若供电桥压U=6V，求桥路输出电压U0=?
;④此种测量方式能否补偿环境温度对测量的影响？
解：
①采用4个相同的应变片，粘贴位置如图。
其中R1、R3沿轴向粘贴，产生正应变，R2、R4沿圆周方向粘贴产生负应变。
测量电桥如图。
②ε1=ε3=F/AE=1000*9.8/（3.14*12*2*107）=156με
ε2=ε4=-μF/AE=-0.3*1000*9.8/（3.14*12*2*107）=-47με
ΔR1/R1=ΔR3/R3=kε1=3.12*10-4
ΔR2/R2=ΔR4/R4=-kε2=-0.94*10-4
③U0=（ΔR1/R1+ΔR3/R3-ΔR2/R2-ΔR4/R4）U/4=1.22mv
④可以补偿环境温度的影响。
4个相同的应变片在同一个环境中，感受温度变化产生电阻相对变化量相同，在全桥电路中不影响输出值。
ΔR1t/R1=ΔR3t/R3=ΔR2t/R2=ΔR4t/R4=ΔRt/R
ΔUt=（ΔR1t/R1+ΔR3t/R3-ΔR2t/R2-ΔR4t/R4）U/4=0
5）.汽车衡称重系统
6）．应变式加速度传感器
第三章电容式传感器
电容传感器的工作原理以及测量电路
测量电路中的脉冲调制电路是难点
3.1电容式传感器的工作原理和结构
2.变极距式电容传感器
空气介质变极距式电容传感器的工作原理一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。
因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量⊿d。
3.变极板面积型电容式传感器
被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。
图是一个角位移式传感器的结构,设两极板完全遮盖时，遮盖角度θo=π，初始电容C。
=εAo／d。
，极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移θ度时，两极板的遮盖面积A就减小,因而电容量也随之减小.
4.变介质型电容传感器
因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数式电容传感器.此类传感器可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、气体、液体、木材或煤等非导电固体物质的湿度。
5.电容式传感器的特点
1）.优点：
Ⅰ.温度稳定性好
Ⅱ.结构简单
Ⅲ.动态响应好
2）.缺点
Ⅰ.输出阻抗高，负载能力差
Ⅱ.寄生电容影响大
6.电容式传感器的等效电路
3.2电容式传感器的测量转换电路
脉冲宽度调制电路
桥式电路
3.3电容式传感器应用举例
电容器的容量受三个因素影响，即：
极距d、相对面积A和极间介电常数ε。
固定其中两个变量，电容量C就是另一个变量的一元函数。
只要想办法使被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。
1.电容测厚仪
2.电容加速度传感器
3、电容式接近开关
（1）.电容式接近开关的结构
（2）工作原理
4.电容式湿敏传感器
5.电容式油量表
第四章电感式传感器
电感传感器的工作原理以及测量电路是本章的重点，其中测量电路中的相敏检波是难点。
讲授
电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
它具有分辨力及测量精度高等一系列优点，因此在工业自动化测量技术中得到广泛的应用。
它的主要缺点是响应较慢，不宜于快速动态测量，而且传感器的分辨力与测量范围有关。
测量范围大，分辨力低，反之则高。
电感式传感器种类很多，可分为自感式、互感式和涡流式三大类。
4.1自感式传感器
1.自感型--可变磁阻式的类型
1.变隙式电感传感器
1）.结构和工作原理
2）.电感传感器输出特性
2.差动电感传感器
（2）.以差动整流为例的测量电路
（p67图4-11）
4.3电涡流式传感器
电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的。
1.电涡流式传感器的工作原理
1）.电涡流效应及集肤效应
电涡流传感器的基本工作原理是基于电涡流效应。
根据法拉弟电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中时，导体表面就会有感应电流产生。
这种电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应，电涡流传感器就是利用电涡流效应来检测导电物体的各种物理参数的。
2）.等效阻抗分析
3.电涡流式传感器的结构
2.电涡流式传感器的测量转换电路
1）.调频法电路
所谓调频法就是将探头线圈的电感量L与微调电容Co构成LC振荡器，以振荡器的频率f作为输出量，此频率可以通过f／V转换器（又称为鉴频器）转换成电压，由表头显示。
也可以直接将频率信号（TTL电平）送到计算机的计数定时器，测量出频率。
调频法的测量转换电路原理框图如图所示。
其并联谐振回路的谐振频率为
2）.调幅法电路
4.4电涡流传感器的应用
电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素等。
只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。
因此电涡流传感器的应用领域十分广泛。
但也同时带来许多不确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。
所以电涡流传感器多用于定性测量。
即使要用作定量测量，也必须采用前面述及的逐点标定、计算机线性纠正法。
下面就几个主要应用方面作简单的介绍。
1转速测量
2.电涡流式通道安全检查门
3.电涡流表面探伤
利用电涡流传感器可以检查金属表面（已涂防锈漆）的裂纹以及焊接处的缺陷等。
在探伤中，传感器应与被测导体保持距离不变。
检测过程中，由于缺陷将引起导体电导率、磁导率的变化,使电涡流I2变小,从而引起输出电压突变。
而达到线性化的目的。
测量封口机工作间隙
测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪
测量冷轧板厚度
偏心和振动检测
电动机转速测量
第五章热电式传感器
本章的重点是热电效应、热电偶的三个基本定律以及冷端补偿
讲授
5.1温度测量的基本概念
1.温度的基本概念
2.温标
1）.温度的数值表示方法称为温标。
它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。
各类温度计的刻度均由温标确定。
2）.国际上规定的温标有：
摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。
几种温标的对比
5.2温度测量及传感器分类
温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。
5.3热电偶传感器
热电偶测温的主要优点
1）.它属于自发电型传感器：
测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；
2）.测温范围广：
下限可达-270C，上限可达1800C以上；
3）.各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。
1.热电效应（从实验到理论）：
有关热电偶热电势的讨论
EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）
1）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电动势必然等于零。
两结点温差越大，热电动势越大。
2）如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同，（T≠To），但总输出热电动势仍为零。
因此必需由两种不同材料才能构成热电偶。
3）上式中未包含热与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电动势的大小只与材料和结点温度有关，而热电偶的内阻与其长短、粗细、形状有关。
热电偶越细，内阻越大。
3.热电偶有关定律
（1）中间导体定律
（2）．中间温度定律
（3）．参考电极定律
八种国际通用热电偶：
B:
铂铑30—铂铑6、R:
铂铑13—铂、S:
铂铑10—铂、K:
镍铬—镍硅、N:
镍铬硅—镍硅、E:
镍铬—铜镍、J:
铁—铜镍、T:
铜—铜镍
4.热电偶实用测量电路
1）.测量某点温度
2）.测量两点温度的和与差
3）.平均温度的测量
5.4热电偶的应用
5.5热电阻传感器
1.热电阻
（1）热电阻的工作原理及结构
（2）.热电阻的测量转换电路
1）.单臂电桥测量电路
2）.为了消除和减小引线电阻的影响，通常采用三线制连接法。
5.6热敏电阻
热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。
按其温度系数可分为负温度系数热敏电阻（NTC）和正温度系数热敏电阻（PTC）两大类。
根据不同的用途，NTC又可分为两大类。
第一类用于测量温度。
它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系，其关系式为
第二类为突变型，又称临界温度型（CTR）。
当温度上升到某临界点时，其电阻值突然降，多用于各种电子电路中抑制浪涌电流。
1.热敏电阻做温度特性
2.常用热敏电阻及特性
3.热敏电阻输出特性的线性化处理
4.热敏电阻的外形、结构及符号
5.热敏电阻的应用
5.7PN结型温度传感器
1.模拟型集成温度传感器
AD590有I、J、K、L、M等型号系列，采用金属管壳封装
AD590封装示意图
2.图是采用LM35AH构成的数字温度计电路，电路中，采用A／D转换器ICL7136将LM35AH
的输出电压变为数字量，由LCD9003P显示被测量的温度，显示精度为0.1℃。
导体集成温度传感器还有其它许多型号，有的还带有与微机联络的串行接口电路。
除了上述用途外，它们还广泛用于测量-50一+1500C范围内的水温和气温。
第六章电涡流式传感器
压电效应是本章重点内容。
压电传感器使用电压、电荷放大器，是难点内容。
讲授
压电传感器是利用某些晶体的压电效应工作的，超声波是利用逆压电效应工作的，所以压电效应是本章重点内容。
同时，压电传感器使用电压、电荷放大器，故也是重点内容。
教学从晶体的压电效应入手，结合身边的应用实例讲解。
并且通过实验来加深理论知识，同时也掌握了压电传感器的应用。
超声波是压电效应的反向使用，要掌握超声波特性，这对于超声波传感器的使用是非常重要的。
1压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般有三类：
第一类是压电晶体（如上述的石英晶体）
第二类是经过极化处理的压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。
常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如钛酸钡BaTiO3等）。
主要特点是容易制作，性能可调，便于批量生产，大多用于普通测量用的压电传感器中。
压电陶瓷只有在一定温度下，于压电陶瓷某一方向施加一定的电场以后（即进行了极化处理后），压电陶瓷才具备压电特性，而且压电特性在极化方向（即极化时施加的外电场方向）上最显著，所以使用时要注意其方向性。
用压电陶瓷制作的压电传感器灵敏度较高，其压电性能也与受力方向及变形方向有关，故根据实际需要可制成各种形状的压电元件。
常见的有片状和管状压电元件。
第三类是高分子压电材料
高分子压电材料是一种柔软的压电材料。
可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。
经极化处理后就显现出电压特性。
它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，因此价格便宜；其测量动态范围可达80dB，频率响应范围可从0.1Hz直至109Hz。
这些优点都是其他压电材料所不具备的。
因此在一些不要求测量精度的场合，例如水声测量，防盗、振动测量等领域中获得应用。
它的声阻抗约为0．02MPa／s，与空气的声阻抗有较好的匹配，因而是很有希望的电声材料。
例如在它的两侧面施加高电压音频信号时，可以制成特大口径的壁挂式低音喇叭。
高分子压电薄膜及拉制
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）
2压电式传感器的结构和应用
压电传感器主要用于脉动力、冲击力、振动等动态参数的测量。
由于压电材料可以是石英晶体，压电陶瓷和高分子压电材料等，它们的特性不尽相同，所以用途也不一样。
石英晶体主要用于精密测量，多作为实验室基准传感器；压电陶瓷灵敏度较高，机械强度也较好，多用作测力和振动传感器；而高分子压电材料多用作定性测量。
下面分别介绍几种典型的应用。
石英晶体振荡器（晶振）
英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。
3.压电陶瓷传感器的应用
4.高分子压电材料的应用
5.压电式周界报警系统
6．交通监测
第七章压电式传感器
第八章光电式传感器第一节
光电效应和光电器件的应用为本章重点
光电二极管和三极管的特性为本章难点
讲授
电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。
光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。
（2）光生伏特效应:
在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。
基于该效应的光电器件有光敏晶体管、光电池。
7.1.2外光电效应的光电器件
1．光电管
光电管有真空和充气光电管，常见的光电管外形和电路如图所示，阳极A与阴极K封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极上，阴极表面电子吸收光子的能量，当其自身能量足以克服阴极束缚力的时候，就会逸出阴极表面，如果在阴极与阳极之间加以正向电压，逸出的电子就会定向射向阳极而形成光电流。
光电管主要有以下几点特性：
（1）.光电管的光谱特性
（2）.光电管的伏安特性
（3）.光电管的光电特性
（4）.暗电流
2．光电倍增管
7.1.3内光电效应器件
1.光敏电阻
1）.光敏电阻的结构与工作原理
2）.光敏电阻的主要参数与基本特性
①暗电阻与亮电阻:
②伏安特性
③光照特性
④光电灵敏度
⑤光谱特性
⑥频率特性
3）光敏电阻好坏的判断:
将万用表置于RXlkΩ挡，置光敏电阻于距25W白炽灯50cm远处（其照度约为1001m），可测得光敏电阻的亮电阻；再在完全黑暗的条件下直接测量其暗阻值。
若亮阻值为几千欧姆到几十千欧姆，暗阻值为几兆欧姆至几十兆欧姆，则说明光敏电阻质量良好。
2.光敏二极管
光敏二极管外形
光敏三极管外形
3.光敏晶闸管
4.基于光生伏特效应的光电元件——光电池
5．光电耦合器
7.1.4光电元件的基本应用电路
7.3CCD摄像传感器及其应用
7.3.1CCD的基本结构及原理
7.3.2CCD图像传感器的应用
7.3.1CCD的基本结构及原理
CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS电容器组成的阵列，其构造如图所示。
在P型或N型衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。
7.3.2CCD图像传感器的应用
CCD图像传感器具有高分辨率、高灵敏度较宽的动态范围，所以它可广泛用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。
7.4光导式（光纤）传感器
7.4.1光导纤维传感器
7.4.2光在光导纤维中的传输原理
7.4.3光纤传感器
7.4.1光导纤维传感器
第八章光电式传感器第二节第三节第四节
霍尔效应的原理是本章的重点
霍尔器件的不等为电势的平衡电路为难点
1879年，美国物理学家霍尔经过大量的实验发现：
如果让一恒定电流通过一金属薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势。
这个现象后来被人们称为霍尔效应。
但是由于这种效应在金属中非常微弱，1948年以后，由于半导体技术迅速发展，人们找到了霍尔效应比较明显的半导体材料，并制成了砷化镓、锑化铟、硅、锗等材料的霍尔元件。
用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器。
它们被广泛应用于弱电流、弱磁场及微小位移的测量。
半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，如图所示。
当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，上述半导体薄片称为霍尔元件。
原理简述如下：
假设霍尔元件为N型半导体元件（载流子为电子），当沿着a，b通入控制电流Ι时，电子首先沿着与Ι相反的方向产生一个初速度νo。
同时，由于霍尔元件处于磁场B中，会受到洛伦兹力FL的作用，电子向一侧偏转并形成电子堆积，从而在霍尔元件的c，d方向产生电场，电子积累得越多，FE也越大，随后，电子又会在该电场中受电场力FE的作用，这两种力方向相反。
当两力大小相等时，电子的堆积便达到动态平衡，这样，就在半导体c，d方向的端面之间形成了稳定的电动势EH，即霍尔电势。
磁感应强度B为零时的情况
磁感应强度B较大时的情况
作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。
霍尔电势EH可用下式表示：
EH=KHIB
设半导体霍尔元件的厚度为δ，电子浓度为n，电子电荷量为e，则霍尔电势EH可以用下式表示
EH=KHBΙ
式中,KH=1/neδ称为霍尔电势灵敏系数。
若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成一角度θ时，霍尔电势为
EH=KHBΙcosθ
如果图中选用的霍尔元件是P型而不是N型半导体材料，则参加导电的载流子是空穴，则式中KH=1/Ρeδ,Ρ为空穴浓度。
1.霍尔元件特性参数
1）.输入电阻Ri:
霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。
它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。
温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流变大，最终引起霍尔电动势变化。
为了减少这种影响，最好采用恒流源作为激励源。
2）.输出电阻RO:
两个霍尔电动势输出端之间的电阻称为输出电阻，它的数值与输入电阻同一数量级。
它也随温度改变而改变。
选择适当的负载电阻RL与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电动势的漂移减至最小。
3）.最大激励电流Ιm:
由于霍尔电动势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。
但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至几十毫安。
4）.最大磁感应强度Bm:
磁感应强度超过Bm时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，Bm的数值一般小于零点几特斯拉。
8.2霍尔集成电路
线性型霍尔特性
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