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1、传感器笔记 传感器笔记第一章 传感器的基础理论传感器：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，通常由敏感元件、转换元件和转换电路组成。敏感元件：传感器中能直接感受或响应被测量的部分。转换元件：传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分。调节转换电路：将非适合电量进一步转换成适合电量的部分。传感器的功能：1）信息收集 2）信号数据的转换传感器的特性：指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。包括静态特性和动态特性。静态特性：输入不随时间的变化而变化的特性。衡量传感器静态特性的重要指标有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、零点漂移和温度漂移。线性度：传感器的输出

2、与输入之间的线性程度。（线性误差：用最小二乘法求线性误差）灵敏度：传感器在稳态下的输出变化量与引起此变化的输入变化量之比，用S表示：迟滞：传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间，其输出-输入特性曲线不重合的现象。重复性：指在同一工作条件下，输入量按同一方向做全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。零点漂移：当传感器无输入时，每隔一段时间对传感器的输出进行读数，其输出偏离零值的情况。 为最大零点偏差。温度漂移：温度变化时传感器输出值偏离程度。动态特性：输入随时间变化时传感器的响应特性。 0 t0 其指标包括：最大超调量、延迟时间、上升时间、峰值时间、响应时间。频率响应：就是在初

3、始条件为零时，输出的傅里叶变换与输入的傅里叶变换之比，是在“频域”对系统传递信息特性的表述。第二章 应变式传感器应变式传感器：由弹性元件、电阻应变片及外壳等主要部件组成的用来进行测量的装置，其中电阻应变片是应变式传感器的核心部件。金属的电阻应变效应：金属丝的电阻随其所受机械变形（拉伸或压缩）的大小而变化。当金属电阻丝受外力作用时，其金属丝电阻的相对变化与金属的应变成正比关系。电阻应变片组成：电阻丝（敏感元件）、基片、覆盖层（定位和保护电阻丝的作用）和引出线（连接测量导线）。应变式传感器的分类：1）、按应变片敏感栅所用的材料不同：金属应变片和半导体应变片。2）、按应变片的工作温度不同：低温应变片

4、（低于-30）、常温应变片（-3060）、高温应变片（300以上）。3）、按应变片的用途不同：一般用途应变片和特殊用特应变片。几种常用的应变片：1）电阻丝式应变片 2）箔式应变片 优点：可根据需要制成任意形状的敏感栅；表面积大，散热性能好，可以允许通过比较大的电流；蠕变小，寿命高；便于成批生产且生产效率比较高。3）薄膜应变片 4）半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体的压阻效应，压阻效应是指对半导体施加应力时，半导体的电阻率发生改变的现象。应变片的主要参数：1）应变片电阻值R 2）灵敏度系数K 3）横向效应 4）线性度 5）应变极限6）零漂和蠕变 7）最大工作电流 8）绝缘电阻 9）

5、电阻应变片的动态特性10）应变片的温度补偿零漂：恒定温度下，黏贴在试件上的应变片，在不承受载荷的条件下，电阻随时间变化的特性；蠕变：已黏贴的应变片，在温度保持恒定时，承受某一恒定的机械应变并在长时间的作用下，应变片的指示应变会随时间而变化。应变片的温度误差：由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差。产生应变片温度误差的主要因素：1）敏感栅金属丝店主本身随温度发生变化2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响电阻应变片的温度补偿方法：1）线路补偿 电桥补偿法是最常用的且效果较好的线路补偿法2）应变片自补偿 1、选择式自补偿应变片 2、双金属敏感栅自补偿应变片单臂电桥； 双臂电桥： 全桥：

6、 应变式传感器的主要部件是：电阻应变片；电阻应变片主要由四个部分组成： 电阻丝、基片、覆盖层和引出线。应变式传感器的工作原理是基于电阻应变片的应变效应。金属应变片主要是：由于导体的长度和半径发生改变而引起电阻变化；而半导体应变片是：由于其电阻率发生变化而引起电阻变化（即压阻效应），完全与金属应变效应不同。全桥形式 具有温度自补偿功能第三章 电感式传感器电感式传感器：基于电磁感应原理，利用磁路磁阻变化引起传感器线圈（或绕组）的电感（自感或互感）变化来检测非电量的一种机电转换装置。自感式电感传感器的转换电路：1、交流电桥式转换电路 2、变压器式电桥电路 3、谐振式转换电路互感式电感传感器本身是一个

7、变压器，一次绕组输入交流电压，二次绕组感应输出电信号，当互感受外界影响变化时，其感应电压也随之起相应的变化，由于它的二次绕组接成差动形式，故又称差动变压器式电感传感器。互感式电感传感器组成：一、二次绕组，铁心，衔铁三部分组成。电涡流式传感器：利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进行电磁能量传递而实现的，因此也必须有一个交变磁场的激励源。电涡流式传感器的工作原理基于电涡流效应。电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流，这种现象称为电涡流效应。影响电涡流式传感器灵敏度的因素：1）被测体材料对测量的影响 2）被测体大小和形状对测

8、量的影响 3）传感器形状和大小对传感器灵敏度的影响用于电涡流式传感器的转换电路：1）调频式电路 2）调幅式电路电涡流传感器的应用：位移测量 振幅测量 转速测量 电涡流探伤电感式传感器主要有自感式、互感式、涡流式三种形式。自感式电感传感器：是将非电量转换成自感系数变化的传感器，主要有变间隙式、变面积式和螺旋管式三种。其主要用于位移测量，优点：简单可靠、输出功率大。互感式传感器是把测量变化转换成绕组的互感变化来进行检测的，它也有变间隙式、变面积式和螺旋管式三种形式。主要用于加速度测量和液位测量。电涡流式传感器：基于电涡流效应，除了有变间隙式、变面积式和螺旋式三种形式外，还有低频透射式和高频反射式。

9、主要用于位移、厚度、转速、振动、温度等多参数的测量。第四章 电容式传感器电容式传感器是某些非电量的变化通过一个可变电容器转换成电容变化的装置。电容式传感器：一个具有可变参数的电容器，组成：由绝缘介质分开的两个平行金属板组成。电容 （不考虑边缘效应） 电容式传感器类型（根据工作原理）：变极距型、变面积型和变介质型。1.变极距型电容式传感器初始电容 灵敏度 要提高灵敏度，应减小起始间隙，但非线性误差却随着的减小而增大。同时过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间距可采用高介电常数的材料（云母。塑料膜等）作为介质。差动电容式传感器的灵敏度变面积型电容式传感器：1、线位移式变面积型 2、角位移式变

10、面积型变介质型电容式传感：两电容极板之间的介质变化引起电容变化。常见的有两种情况：一、两电容极板之间只有一种介质，介质的介电常数随被测非电量（温度、湿度）的变化而变化（如：电容式温度传感器和电容式湿度传感器）。二、两电容极板之间有两种介质，两介质的位置或厚度变化而引起电容的变化（如：电容式位移传感器、电容式厚度传感器、电容式物（液）位传感器）。电容转换电路有：调频转换电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。调频电容式传感器转换电路：具有较高灵敏度，可以测至0.01um级位移变化量。电容式传感器的应用：1）电容式压力传感器 2）差动式电容测厚传感器 3）电容式料位传感器

11、 4）电容式位移传感器测距电路第五章 电压式传感器压电式传感器是有源传感器。压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应。压电效应：指当沿着一定方向对某些电介质施力而使它变形时，在它的两个表面上便产生符号相反的电荷现象。 压电材料：压电陶瓷、压电晶体、还有新型材料压电半导体材料 压电式传感器：内阻抗高，输出能量小，因此其转换电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：一、把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二、放大传感器输出的微弱信号。（前置放大器的形式有两种：电压放大器和电荷放大器）横向压电效应：这种沿Y轴施加力，而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象。纵向压电效应：这种沿X

12、轴施加力，而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象。沿Z轴方向施加力，石英晶体不会产生压电效应。压电材料：1）压电晶体（石英、电气石、磷酸铵、硫酸锂等）石英晶体的突出优点是：性能非常稳定；缺点是压电常数小 2）压电陶瓷 压电陶瓷的特点是：压电常数打，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制方法来达到所要求的性能；成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用。 3）新型压电材料 1、压电半导体材料 2、有机高分子压电材料。第六章 磁电式传感器磁电式传感器又称感应式传感器或电动式传感器，它是利用磁电感应原理将运动速度转换成感应电动势输出的传感器。它是直接从被测物体吸取机械能量转换成电信号输出

13、，是一种有源传感器。磁电式传感器：如磁电感应式、霍尔式传感器、磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏晶体管等。磁电感应式传感器：是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势的原理而制作的。该传感器可用于转速测量和转矩测量等。磁电感应式传感器的结构：磁路系统、 线圈 、 运动机构 通常使用的磁电式传感器有：恒磁通式和变磁通式磁电感应式传感器的基本特性：1）非线性误差 2）温度误差磁电感应式传感器产生非线性误差的主要原因：由于传感器线圈内有电流I流过时，将产生一定的交变磁通，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化。当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感生电动势E

14、和较大的电流I ，由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。霍尔传感器的工作原理：基于霍尔元件的霍尔效应。霍尔效应：就是把一块金属半导体薄片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场方向通一电流，那么就会在薄片的另一对侧面间产生电动势的现象。霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要原因有两类：半导体固有特性及半导体制造工艺的缺陷。其主要表现在温度误差和零位误差。温度误差及其补偿：a、采用恒流源供电和输入回路并联电阻 b、选取合适的负载电阻c、采用恒压源和输入回路串联电阻 d、采用温度补偿元

15、件零位误差主要由于不等位电动势引起的。产生的原因：一、是由于制造工艺不可能保证两个霍尔电极绝对对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极电不能完全位于同一等位面上；此外霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制电流极接触不良将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等为电动势。磁敏电阻的工作原理：基于磁阻效应。磁敏二极管利用磁阻效应进行磁电转换。这些传感器输出功率较大，性能稳定。磁敏电阻的工作原理：基于磁阻效应。将一载流体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化，这种现象称为磁阻效应。磁敏电阻有：单晶型、薄膜型和共晶型。磁敏电阻的主要特性：磁电特性，温度特性（受温度影响极大），

16、频率特性（工作频率一般在110MHz）。磁敏电阻的应用：位移测量、无触点开关、转速测量、计数器等电路中。磁敏二极管:利用磁阻效应进行磁电转换的。磁敏二极管的基本特性：1）磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电特性。（单只使用和互补使用两种方式）2）伏安特性 3）温度特性 常用的温度补偿电路有互补式、热名电阻温度补偿电路等。磁敏晶体管的基本特性：1）磁电特性2）福安特性3）温度特性第七章 光电式传感器光电式传感器：利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器的工作原理：先将被测量的变化转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应

17、的电量变化，从而实现非电量的测量。光电器件：光电式传感器中能够将光信号转换成电信号输出的器件。外光电效应（光电发射效应）：在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象。功函数：一个电子从金属或半导体表面逸出时客服表面势垒所需作的功。红限频率：能使光电元件产生光电子发射的光的最低频率。内光电效应：通过入射光子引起物质内部产生光生载流子，这些光生载流子引起物质电学性质发生变化的现象。（分类：光电导效应和光生伏特效应）光电导效应：绝大多数的高阻率半导体，受光照射吸收光子能量后，产生电阻率降低而易于导电的现象。光生伏特效应：光照射引起PN结两端产生电动势的现象。基于外光电效应原理工作的光电式传感器有：光

18、电管和光电倍增管光电管基本特性：1）伏安特性 2）光照特性 3）光谱特性光电倍增管的基本特性：1）伏安特性 2）光照特性 3）光谱特性基于内光电效应的光电式传感器：光敏电阻 光敏二极管 光敏晶体管 光电池光敏电阻的基本特性：1）伏安特性 2）光照特性 3）光谱特性 4）响应时间 5）温度特性实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮点阻在几千欧以下。光敏二极管和光敏晶体管的基本特性：1）伏安特性2）光照特性3）光谱特性4）温度特性光电池的基本特性：1）伏安特性 2）光照特性 3）光谱特性 4）频率特性 5）温度特性温度对光电池的工作有很大影响，所以最好采取温度补偿措施。光电池的频率特性就是反应光的

19、交变频率和光电池输出电流的关系。光电流的短路电流：反应负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流。其他光电器件：光电耦合器、光电开关、电荷耦合器件、光电式传感器的应用：火焰探测报警器 光电转速计 光电式纬线探测器 烟尘浊度连续检测仪 燃气热水器中的脉冲点火控制器 条形码扫描笔红外线：位于可见光中红色光以外的光线。红外线分成四个区：近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。红外线的热效应：指物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。波长为22.6um、35um、814um的三个波段红外线，被大气很少吸收，所以称这三个波段为“大气窗口”，使用与遥感技术。热释电效应：是指出于热变化而引

20、起在某些晶体及高分子薄膜两侧产生电极化的现象。滤光片的作用：是对太阳光、荧光灯光等波长较短（6um）具有良好的透射性。红外线传感器的主要特性：1）灵敏度 为红外线传感器的输出电压；P为照射到红外线传感器单位面积上的红外辐射功率；为红外线传感器的红外光敏器件受光面积。2）噪声等效功率NEP 为红外线传感器输出的噪声电平；NEP值越小，红外线传感器的光敏器件越灵敏。3）检测度D 检测度是灵敏度与噪声输出电平之比红外线传感器的应用：1）红外雷达 2）红外温度计 3）红外检测器 4）红外线警戒报警器 5）红外自动干手器光纤传感器优点：灵敏度高，不收电磁波干扰，传输频带宽，绝缘性能好，耐水抗腐蚀性好，体

21、积小，柔软等，可用于位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电压、电流、磁场、核辐射等方面的测量。光纤传感器：利用光纤将待测量在光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光信号进行解调检测，从而获得待测量值的一种装置。光纤传感器的基础是：光纤的传光原理和光的调制解调技术。光纤传感器的调制形式主要由：强度调制、偏振调制、频率调制、波长调制和相位调制。1）强度调制 利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收和反射等参数的变化导致光强度发生变化来实现敏感测量的。2）偏振调制 利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息。 a)普克尔效应 当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高压，晶体

22、将呈现折射现象。 b)法拉第磁光效应 平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转的现象。 c)光弹效应 在垂直于光波传播方向施加压力，材料将会产生双折射现象，其强弱正比于应力。3）频率调制 利用单色光射到被测物体上散射的光的频率发生变化来进行检测的。4）相位调制 利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。5）波长调制 利用被测量改变光纤中光的波长，再通过检测光波长的变化来测量各种被测量。光纤传感器组成：光发送器、敏感元件、光接收器、信

23、号处理系统以及光纤。光纤传感器的类型：一、功能型传感器 二、非功能型传感器功能型传感器：利用光纤本身特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器。非功能型光纤传感器：利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，所以传输来自远处或难以接近场所的光信号。光纤传感器的应用：1）测量压力或温度的相位调制型光纤传感器 2）调制强度的光线微弯传感器 3）光纤温度传感器光栅传感器：利用莫尔条纹原理制成的，它主要用于线位移和角位移的测量。莫尔条纹：是把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起，并使两者栅线之间保持很小的夹角，由于挡光效应或光的衍射，这时在与光栅线纹大致垂直的方向上出现明

24、暗相间的条纹，这种明暗相间的条纹就是莫尔条纹。横向莫尔条纹（亮带与暗带）之间的距离为：第八章 气敏与湿敏传感器气敏传感器：用来测量气体的类别、体积分数和成分的传感器。气敏传感器通常用来检测一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷等气态物质。它由“识别”与“放大”两部分组成，其中对被测气体的识别是气敏传感器的关键。任何一个完美的气敏传感器都应该满足下列条件：1）能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其他气体不响应2）对被测气体应具有高的灵敏度，能检测规定范围以内的气体的体积分数3）信号响应速度快，再现性高4）长期工作稳定性好5）制造成本和使用价格低廉6）维护方便电阻型半导体气敏传感器：是利用气体在半导体表

25、面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOS二极管的电容电压特性的变化以及MOS场效应管的阀值电压的变化等物性而制成的气敏元件。电阻型半导体气敏传感器N材料主要有：SnO2，ZnO，TiO等；P型材料有MnO2,CrO3等。其典型结构通常由气体敏感元件、加热器、封装3部分组成。气敏元件是气敏传感器的核心，有三种结构类型：烧结体型、薄膜型和厚膜型。加热方式：直热式和旁热式两种。直热式气敏传感器：优点：制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路中使用。缺点：热容量小、易受环境气流影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。旁热式气敏

26、传感器：优点：客服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响；器件热容量打，降低了环境温度对器件加热温度的影响，所以这类结构器件的热稳定性、可靠性比直热式好。二极管整流作用：在金属半导体二极管中附加正偏压时，从半导体刘翔金属的电子流将增加；如果附加负偏压，从金属流向半导体的电子流几乎没有变化的现象。气敏传感器的应用：1）家用煤气、液化石油气泄露报警器2）酒精及烟雾报警器3）厨房自动排油烟机气体分析仪：1）热导式气体分析仪2）光学吸收式气体分析仪：红外线气体分析仪3）光电比色计湿敏传感器的主要参数：1）温度量程 2）感湿特性曲线 3）

27、响应时间 4）湿度温度系数 5）湿滞回线和湿滞回差第九章 热电式传感器热电偶：将温度量转换为电动势大小的热电式传感器。热电偶的测温原理是基于热点效应。热电效应：在两种不同的导体A和B组成的闭合回路中，如果两个节点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常称这种电动势为热电动势，这种现象就是热点效应。热电偶产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。热电式传感器：是将温度变化转化为电量变化的装置，常用的电热式传感器主要有：热电偶、热电阻、热敏原件。接触电动势：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。温差电动势：在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电动势。【热电动势的几

28、个注意问题】：1）热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论热电偶两端温度如何，热电偶回路总热电动势为零。2）尽管采用两种不同的金属，若热电偶两节点温度相等，回路总电动势为零。3）热电偶AB的热电动势只与结点温度有关，与材料A、B的中间各处温度无关。热电偶传感器：将温度变化转化为热电动势变化。热电偶的基本定律：1）中间温度定律 热电偶AB的热电动势仅取决于热电偶的材料和两个节点的温度，而与温度沿热电极的分布以及热电极的尺寸和形状无关。2）中间导体定律 在热电偶回路中接入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，就不会影响回路的总热电动势。若在回路中接入多种导体，只要每种导体两端温度相同，也可以得

29、到同样的结论。3）标准电极定律 当热电偶回路的两个节点温度为T、T0时，用导体AB组成热电偶的电动势等于热电偶AC和热电偶CB的热电动势的代数和。热电偶的结构形式有：普通型热电偶、铠装热电偶和薄膜热电偶。热电偶冷端温度补偿：热电偶电动势的大小不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关。1）导线补偿法 2）计算法 3）电桥补偿法 4）冰浴法 5）软件处理法热电阻：利用物质的电阻率随温度变化的特性制成的电阻式测温系统，主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测。热电阻传感器：将温度变化转换为电阻变化。热电阻分类：金属热电阻（热电阻）和半导体热电阻（热敏电阻）。热电阻效应：物质的电阻率随温度变化而变

30、化的物理现象。常用的热电阻：铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻。1） 铂热电阻 为100的电阻值；为0的电阻值。 2） 铜热电阻 铜热电阻的温度系数比铂大价格低。缺点是电阻率小。传感器的测量电路：电桥，自动电桥（三相四线制）热敏电阻：用以一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化。正温度系数：指电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同。负温度系数：指电阻的变化趋势与温度的变化趋势相反。 NTC热敏电阻：NTC是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象的材料。 第二类突变型（CTR临界温度型）-作为：温度开关PTC热敏电阻 ： PT

31、C指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象的材料。 热敏晶体管具有比热敏二极管更好的输出特性，电压温度关系的线性度更好。第十一章 超声波传感器与微波传感器声波：频率在16Hz20kHz之间的机械波，能为人耳所闻。次声波：低于16Hz的机械波。超声波：高于20kHz的机械波。纵波：指点振动方向与波的传播方向一致的波，它能够在固体、液体和气体中传播。横波：指点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体中传播。表面波：沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，质点振动轨迹是椭圆形，长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。表面波只在固体的表面传播。超声波在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。反射定律：反射角的正弦与反射角的正弦值比等于波速之比。