第四章常用传感器
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常见传感器及工作原理
常见传感器及工作原理传感器是现代科技中不可或缺的一部分，它们负责将物理量转换成电信号或其他可以被处理的形式，从而实现对环境变化的感知和监测。
以下是一些常见传感器及其工作原理的介绍。
1. 温度传感器温度传感器是用来测量环境温度的设备。
它们可以基于不同的工作原理来实现。
其中一种常见的工作原理是热敏电阻。
热敏电阻的电阻值随温度的变化而变化，通过测量电阻值的变化来确定温度。
还有一种常见的工作原理是热电偶。
热电偶利用两种不同金属的热电效应产生电势差，通过测量电势差来确定温度。
2. 湿度传感器湿度传感器用于测量环境的湿度水分含量。
一种常见的湿度传感器是电容式湿度传感器。
它利用物质在不同湿度下的电容变化来测量湿度。
当空气中的湿度增加时，电容值也会增加。
另一种常见的湿度传感器是电阻式湿度传感器。
它利用湿度对电阻值的影响来测量湿度。
3. 光照传感器光照传感器用于测量环境中的光照强度。
一种常见的光照传感器是光敏电阻。
光敏电阻的电阻值随光照强度的变化而变化，通过测量电阻值的变化来确定光照强度。
另一种常见的光照传感器是光电二极管。
光电二极管利用光的能量来产生电流，通过测量电流的变化来确定光照强度。
4. 气体传感器气体传感器用于检测环境中的气体浓度。
一种常见的气体传感器是电化学传感器。
电化学传感器利用气体与电极之间的化学反应来测量气体浓度。
不同的气体会引起不同的化学反应，从而产生不同的电流信号。
另一种常见的气体传感器是光学传感器。
光学传感器利用气体对特定波长的光的吸收程度来测量气体浓度。
5. 压力传感器压力传感器用于测量环境中的压力变化。
一种常见的压力传感器是压阻式传感器。
压阻式传感器利用压力对电阻值的影响来测量压力变化。
当受到压力时，电阻值会发生变化。
另一种常见的压力传感器是压电传感器。
压电传感器利用压力对压电材料的形变产生电荷来测量压力变化。
以上是一些常见传感器及其工作原理的简介。
传感器的应用范围非常广泛，从工业生产到家庭生活都离不开它们。
传感器第四章 光电式传感器原理与应用
真空光电管的伏安特性
充气光电管的伏安特性
充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
4.1.2 光电倍增管
在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极
光电倍增管的结构 与工作原理
光电阴极 光电倍增极 阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电 位逐级升高
阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二 次电子发射
4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
1． 工作原理 2．ຫໍສະໝຸດ 基本特性1． 工作原理 结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的
光敏二极管
光敏晶体管
与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信 号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。
2． 基本特性
（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应
第4章 光电式传感器原理与应用
4.1 光电效应和光电器件 4.2 光电码盘 4.3 电荷耦合器件 4.4 光纤传感器 4.5 光栅传感器
光电式传感器
工作原理：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。
1
2
辐射源
光学通路
I
光电元件
x1
x2
第四章电感式传感器
式中，r 、rc 为螺管、铁芯的半径；l、l为c 螺管、铁芯 的长度； lc 、rc 位移量。
所以，传感器灵敏度为：
K
4 2 N 2
l2
r
1 rc2
107
采用差动形式，灵敏度可提高一倍。 提高灵敏度的途径：
①使线圈与铁芯尺寸比值和趋于1； ②铁芯的材料选用导磁率大的材料。
三种自感式传感器的比较： ◆ 变间距式: 灵敏度最高，且随间距增大而减小；
4.2.4 误差因素分析
（1）激励电源的影响 幅值和频率都会直接影响输出，必须适当选择 合适的值。
（2）温度的影响： 温度变化，引起线圈磁场发生变化，从而产生 温漂（品质因数Q低时，影响更为严重。
解决方法：①采用恒流源供电； ②提高线圈的品质因数； ③采用差动电桥。
（3）零点残余电压 差动变压器在初始状态下，衔铁处于中间位置， 存在零点残余电压，
常用测量电路为： ◆ 差动整流电路 ◆ 相敏检波电路
1. 差动整流电路 差动整流电路分为全波和半波电路，如图所示：
以图（c）为例，波形变化为：
2．相敏检测电路
4.2.6 应用
(1)差动变压器式加速度传感器
(2)差动变压器式微压力变送器
微压传感器
退出
电感测微仪------差动式自感传感器测量微位移
4.1 自感式传感器
自感传感器的常见形式有气隙型和螺管型。
一、气隙型电感传感器 1. 工作原理：
线圈的电感为：
N2 L
Rm
Rm
l1
1S1
l2
2S2
l
0S
一般铁心的磁阻远较气隙磁阻小，有
Rm
l
0S
电感值与以下几个参数有关：与线圈匝数N 平方成正比；与空气隙有效截面积S成正比；与 空气隙长度所反比。
常用传感器及工作原理及应用
常用传感器及工作原理及应用传感器是指能够将其中一种感知量变换成电信号或其他可以辨识的输出信号的装置。
它们广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗器械、汽车电子、智能家居以及移动设备等各个领域。
本文将介绍一些常用传感器的工作原理及应用。
1.温度传感器温度传感器用于测量环境的温度。
常见的温度传感器有热电偶、热电阻和半导体温度传感器。
热电偶通过两个不同金属之间的温差来产生电压，热电阻则利用温度对电阻的敏感性来测量温度，而半导体温度传感器则利用半导体材料的特性来测量温度。
温度传感器广泛应用于气象观测、工业生产过程中的温度控制和家电中的温度监测等领域。
2.光敏传感器光敏传感器可以测量光的强度和光的频率。
常见的光敏传感器有光敏电阻、光敏二极管和光敏晶体管。
光敏电阻根据光照的强弱改变电阻值，光敏二极管和光敏晶体管则根据光照的强弱改变电流值。
光敏传感器广泛应用于照明控制、安防监控和光电设备等领域。
3.声音传感器4.湿度传感器湿度传感器可以测量环境中的湿度。
常见的湿度传感器有电容式湿度传感器和电阻式湿度传感器。
电容式湿度传感器利用电容的变化来感应湿度，电阻式湿度传感器则是利用湿度对电阻的敏感性来感应湿度。
湿度传感器广泛应用于气象观测、室内湿度控制和农业领域等。
5.加速度传感器加速度传感器可以测量物体的加速度。
常见的加速度传感器有压电式加速度传感器和微机械式加速度传感器。
压电式加速度传感器利用压电效应来感应加速度，微机械式加速度传感器则是利用微机械结构的变化来感应加速度。
加速度传感器广泛应用于汽车电子、智能手机以及航空航天领域等。
总的来说，传感器在现代社会中扮演着重要的角色，广泛应用于各个领域。
通过测量和感应物理量，传感器能够实现自动化控制、环境监测和智能化等功能，为社会的发展和人们的生活带来了便利和效益。
第四章常用传感器与敏感元件
机械工程测试技术基础
第四章 常用传感器与敏感元件
当我象嗡嗡作响的陀螺一样高速旋转的时 候，就自然排除了外界各种因素的干扰， 抵抗着外界的压力。
皮埃尔·居里
Pierre Curie
法国 物理学家 1859－1906
China university of petroleum (Huadong)
中国石油大学（华东）机电工程学院1
激光测距传感器
控制和信 息融合计
算机
自主移动装配机器人
装配机械手 力觉传感器 触觉传感器
视觉传感器 超声波传感器
多传感器信息融合自主移动装配机器人
China university of petroleum (Huadong)
自补偿、自诊断、自校正、数据存储、分析、处理、通信
➢ 研究生物感官，开发仿生传感器； ➢ 传感器的集成化和多功能化。
China university of petroleum (Huadong)
中国石油大学（华东）机电工程学院12
机械工程测试技术基础
第四章 常用传感器与敏感元件
（1）机器人中的传感器信息融合
狭义上，非电信号
电信号。
非电量 敏感元件
转换元件
电量 测量电路
China university of petroleum (Huadong)
辅助电源
传感器的组成框图
中国石油大学（华东）机电工程学院5
机械工程测试技术基础
在非电量电测系统中的作用
第四章 常用传感器与敏感元件
被测 对象
非电量
传 感 器
电量 信 电量 号 调 理
机械工程测试技术基础
第四章 常用传感器与敏感元件
第四章 常用传感器与敏感元件
第四章 常用传感器与敏感元件
当我象嗡嗡作响的陀螺一样高速旋转的时 候，就自然排除了外界各种因素的干扰， 抵抗着外界的压力。
皮埃尔·居里
Pierre Curie
法国 物理学家 1859－1906
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激光测距传感器
控制和信 息融合计
算机
自主移动装配机器人
装配机械手 力觉传感器 触觉传感器
视觉传感器 超声波传感器
多传感器信息融合自主移动装配机器人
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自补偿、自诊断、自校正、数据存储、分析、处理、通信
➢ 研究生物感官，开发仿生传感器； ➢ 传感器的集成化和多功能化。
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机械工程测试技术基础
第四章 常用传感器与敏感元件
（1）机器人中的传感器信息融合
狭义上，非电信号
电信号。
非电量 敏感元件
转换元件
电量 测量电路
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辅助电源
传感器的组成框图
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在非电量电测系统中的作用
第四章 常用传感器与敏感元件
被测 对象
非电量
传 感 器
电量 信 电量 号 调 理
机械工程测试技术基础
第四章 常用传感器与敏感元件
第四章 常用传感器与敏感元件
传感器原理及应用第四章 电容式传感器
11
电容式油量表
电容 传感器
油箱
液 位 传 感 器
12
同轴连接器 刻度盘
伺服电动机
电容式压差传感器
外
结
形
构
应Leabharlann 用1-硅油 2-隔离膜 3-焊接 密封圈 4-测量膜片（动电
测 量 液
极） 5-固定电极
位
13
电容式加速度传感器
结构 1-定极板 2-质量块 3-绝缘体 4-弹簧片
钻地导弹
14
轿车安全气囊
ΔC U0 C0 U
差动脉冲调宽测量转换电路
初始时，C1＝C2，输出电压平均值为零。 测量时， C1≠C2 ，输出电压Uo与电容的
差值成正比。
7
差动脉冲调宽测量转换电路
与电桥电路相比，差动脉宽电路只采用 直流电源，不需要振荡器，只要配一个 低通滤波器就能工作，对矩形波波形质 量要求不高，线性较好，不过对直流电 源的电压稳定度要求较高。
16
指纹识 别手机
汽车防盗 指纹识别
趣味小制作－电容式接近开关
电阻 电容 三极管 二极管 电感 继电器 电极片 电源 开关、导线。
17
制作提示
为了较好地演示制作好的电路，将继电 器触点（虚线所连的触点）所在的控制 电路接上，为了直观，控制对象可选择 灯或喇叭。 接近开关的检测物体，并不限于金属导 体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。 制作时要考虑环境温度、电场边缘效应 及寄生电容等不利因素的存在。
8
运算放大器式测量转换电路
输出电压
Uo
C Cx
Ui
如果传感器为平板形
电容器，则
Uo
CU i
A
d
此电路能解决变极距型电容式传感器的
传感器原理及应用-第4章-4.1变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理
变磁阻式传感器即自感式电感传感器：
利用线圈自感量的变化来实现测量的。
铁芯
传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部
线圈
分组成。
工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如
硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间 衔铁 有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分
与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生
3
差动变
2 截面式
4
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路
§4.1 变磁阻式电感传感器
六、自感式传感器的等效电路
L U L2
~
I
C
U
Z1
2
A
U 2
Z2
U 0
D
B
U o
Z2 Z1 Z1 Z2
U 2
Z Z
U 2
L U L2
当衔铁上下移动相同距 离时，电桥输出电压大小相 等而相位相反。
§4.1 变磁阻式电感传感器
七、自感式传感器的测量电路
2、变压器式交流电桥
§4.1 变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
五、差动式自感传感器
三种基本类型： 在实际使用中，常采用两个相同的传感线
圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。
44
3
差动结构的特点：
（1）改善线性、提高灵敏度外；
（2）补偿温度变化、电源频率变化等的 影响，从而减少了外界影响造成的误差。
传感器及基本特性(第四章 )解读
描述传感器输入一输出关系的方法有两种：一是传 感器的数学模型；二是传感器的各种基本特性指标。两 者都可用于描述传感器的输入、输出关系及其特性。
14
一、传感器静态特性一般知识
传感器的静态特性是指传感器在静态工作
状态下的输入输出特性。所谓静态工作状态是
指传感器的输入量恒定或缓慢变化而输出量也
达到相应的稳定值时的工作状态。这时输出量
13
第二节 传感器的静态特性
传感器所测量的量(物理量、化学量及生物量等)经 常会发生各种各样的变化。例如，在测量某一液压系统 的压力时，压力值在一段时间内可能很稳定，而在另一 段时间内则可能有缓慢起伏，或者呈周期性的脉动变化， 甚至出现突变的尖峰压力。传感器主要通过其两个基本 特性—静态特性和动态特性，来反映被测量的这种变动 性。
4
举例：测量压力的电位器式压力传感器
1-弹簧管 2-电位器
5
弹性敏感元件（弹簧管）
敏感元件在传感器中直接感受被测量， 并转换成与被测量有确定关系、更易于转换 的非电量。
6
弹性敏感元件（弹簧管）
在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α
7
弹簧管放大图
当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿 条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生 角位移。
接地
11
测量转换电路的作用是将传感元件输出 的电参量转换成易于处理的电压、电流或频 率量。 在左图中，当电 位器的两端加上电源 后，电位器就组成分 压比电路，它的输出 量是与压力成一定关 系的电压Uo 。
12
二、传感器分类
传感器的种类名目繁多，分类不尽相 同。常用的分类方法有： １）按被测参数分类：可分为位移、力、 力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、 流量、流速等传感器。 2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、 电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红 外、光导纤维等传感器。
3 第四章 ：阻抗型传感器
图４－3-1 单一式自感传感器 1－线圈，2－铁心，3－衔铁
N 2 0 A N 2 0 A L0 L 2( 0 ) 2 (1 ) 1 0
0
0
图４－3－2 差动式自感传感器 (a)变隙型；(b)变截面型；(c)螺管型
L2 L1 L1 L2 0
L2 L1 a L1 L2 a0
rc 2 x ( r 1)( ) L2 L1 r l x L1 L2 1 ( 1)( rc ) 2 x0 x0 r r l
C1 C2 C1 C2 0
C AC0 CBC0
l r C0 0 Rr
图４－2－4 线位移式变介质型差动结构
C1 C2 1 r 2l C1 C2 1 r l
4.2.3 等效电路分析
图 4－2－5 电容传感器的等效电路
C C (1 2 LC ) Ce C
NTC型热敏电阻输入输出特性
R R0e
1 1 B( ) T T0
4.1.4 气 敏 电 阻
图4－1－11
半导体气敏电阻元件的结构
(a)烧结型元件；(b)薄膜型元件；(c)厚膜元件
图４－１－12 N型半导体气敏电阻的阻值变化
4.1.5 湿 敏 电 阻
图４－１－13
烧结型湿敏电阻结构
4.1.6 电阻传感器接口电路
第四章 阻抗型传感器
4.1 电阻式传感器
4.1.1 电位器式传感器
图 4－1－1 电位器式传感器工作原理
R R
x
AB
RAC f (x)
U U
x
AC
U
R
AB
U f ( x) f ( x) R
《测试技术》第四章传感器的基本类型及其工作原理解读
三、电位计式传感器
令 R / RL m， Rx / R x
(x 0时, Rx 0; x 1时,
UL
U
1
x mx(1
x)
Rx R)得
U L 与 x 呈非线性关系
电位计式传感器原理图
U Rx
x
R
a
RL UL
非线性相对误差 为：
b
(UL )m0 (UL )m0 100% [1 (UL )m0 ]100%
第一节. 概 述 传感器的组成
敏感元件
被测量
转换元件 辅助电源
基本转换电路
电量
敏感元件，是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关 系的 某一物理量的元件。
转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电 路参量。
基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电 路），便可转换成电量输出。
第四节. 电容式传感器
三、变介电常数型电容传感器
C 2 h11 2 (h h1)2
ln R
ln R
r
r
2 h2 2 h1(1 2)
ln R
ln R
r
r
容器内介质的介电常数 1
容器上面气体介质介电常数 2
输出电容C与液面高度成线性关系
第四节. 电容式传感器
三、变介电常数型电容传感器 — 应用
积变化 △AA ，电阻率的变化为 △ρ ，相应的电阻变化为 dRdR。对
式 R l 全微分得电阻变化率 dR//RR 为：
s
dR dl 2 dr d Rl r
上式中：dl l 为导体的轴向应变量 l ；dr / r 为导体的横向应变量 r
由材料力学得：l r
式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为 0.3～0.5 左右
第四章 汽车测试技术
4. 2 电阻应变片式传感器
•
敏感元件为半导体的应变片称为半导体应变片。半导体应变片由于 电阻率变化引起的λEξ远远大于几何尺寸变化引起的(1 + 2υ)二项，故 (4-3)可简化为
• 半导体应变片的灵敏度为 • 半导体应变片一般比金属丝电阻应变片的灵敏度大50 ~70倍。 • 以上分析表明，金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻的变化，而 半导体应变片则利用半导体电阻率变化引起电阻的变化
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4. 1 传感器的分类
•
• 2.根据工作原理分类 根据工作原理，传感器可为电阻式传感器、电容式传感器、电感 式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、光纤传感 器、超声波传感器及激光传感器等。 3.根据输出信号的性质分类 根据输出信号的性质，传感器可分为模拟式传感器和数字式传感器， 模拟式传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号，数字式传感器 将被测量的非电量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 4.根据能量转换原理分类 根据能量转换原理，传感器可分为有源传感器和无源传感器。有源 传感器将非电量转换为电能量，如压电式传感器、电磁式传感器、
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4. 2 电阻应变片式传感器
• (1)金属丝式应变片 • 金属丝式电阻应变片分为圆角线栅式和直角线栅式两种。图4一2 ( a)所示为圆角线栅式电阻应变片，是最常见的形式，它制造容易、 成本低，但横向效应较直角线栅式电阻应变片大，见图4一2(b) • (2)金属箔式应变片 • 金属箔式应变片的工作原理与金属丝式应变片相同。它的敏感元件 不是金属丝栅，而是将厚度为0.001~0. 010 mm的康铜箔或镍铬箔， 利用现代照相制版、光刻腐蚀技术，在绝缘基底上制成很薄的金属箔 栅。箔式应变片的结构如图4一3所示。图4一3 ( a)是普通的箔式应变 片;图4一3(b)是用来测量剪应变或转矩的箔式应变片;图4一3()c是用 来测量流体压力的液压传感器膜片上的特种箔式应变片，其线栅形状
第四章-电容式传感器
第四章 电容式传感器
电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换 成电容变化量的一种传感器。实际上，它本身（或和被测物） 就是一个可变电容器。
电容式传感器具有结构简单，动态响应快、易实现非接触 测量等优点。也存在易受干扰、分布电容等影响。
它广泛应用于压力、位移、加速度、液位及成分含量等的 测量。
6、 脉冲宽度调制电路
脉冲宽度调制电路如图所示。 图中C1、C2为差动式电 容传感器, 电阻R1=R2, A1、A2为比较器。当双稳态触发器处 于某一状态, Q=1, Q =0, A点高电位通过R1对C1充电, 时间常 数为τ1 = R1 C1, 直至F点电位高于参比电位Ur, 比较器A1输出
正跳变信号。与此同时, 因 Q= 0, 电容器C2上已充电流通过
在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采 用差动式结构。下图是变极距型差动平板电容传感器结构示意图。
在差动式平板电容器中, 当动极板位移Δd时, 电容器C1的间隙d1变
为d0－Δd, 电容器C2的间隙d2变为d0+Δd, 则
0
d1
C1
0
d2
C2
S
差动平板式电容传感器结构图
c1
c0 1
S——两平行板所覆盖的面积;
d——两平行板之间的距离。
真空
4.2 结构类型
改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数 ε；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两个极板 间的距离,而得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，这就成 了电容式传感器。
因此电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介电常数 型三种。
下图是二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源， 它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只 二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。
电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换 成电容变化量的一种传感器。实际上，它本身（或和被测物） 就是一个可变电容器。
电容式传感器具有结构简单，动态响应快、易实现非接触 测量等优点。也存在易受干扰、分布电容等影响。
它广泛应用于压力、位移、加速度、液位及成分含量等的 测量。
6、 脉冲宽度调制电路
脉冲宽度调制电路如图所示。 图中C1、C2为差动式电 容传感器, 电阻R1=R2, A1、A2为比较器。当双稳态触发器处 于某一状态, Q=1, Q =0, A点高电位通过R1对C1充电, 时间常 数为τ1 = R1 C1, 直至F点电位高于参比电位Ur, 比较器A1输出
正跳变信号。与此同时, 因 Q= 0, 电容器C2上已充电流通过
在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采 用差动式结构。下图是变极距型差动平板电容传感器结构示意图。
在差动式平板电容器中, 当动极板位移Δd时, 电容器C1的间隙d1变
为d0－Δd, 电容器C2的间隙d2变为d0+Δd, 则
0
d1
C1
0
d2
C2
S
差动平板式电容传感器结构图
c1
c0 1
S——两平行板所覆盖的面积;
d——两平行板之间的距离。
真空
4.2 结构类型
改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数 ε；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两个极板 间的距离,而得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，这就成 了电容式传感器。
因此电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介电常数 型三种。
下图是二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源， 它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只 二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。
传感器原理及应用-第4章 - 4.2 差动变压器式电感传感器
§4.2 差动变压器式电感传感器
二、变隙式差动变压器
2、变隙式差动变压器输出特性
在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗 忽略不计）、漏感以及变压器次级开 路（或负载阻抗足够大）的条件下的 等效电路。 不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响 时，变隙式差动变压器输出电压为
b a W2 U U 2 b a W1 1
M
基本种类
有变隙式、变面积式和螺线管式等。 应用最多的是螺线管式差动变压器。
初1 级 线 圈
3
次 级 线 圈
2
4
§4.2 差动变压器式电感传感器
一、螺线管式差动变压器
二、变隙式差动变压器
三、差动变压器式传感器测量电路
§4.2 差动变压器式电感传感器
一、螺线管式差动变压器
1、螺线管式差动变压器结构与原理
U2 r1 L1
2 2
§4.2 差动变压器式电感传感器
一、螺线管式差动变压器
2、螺线管式差动变压器输出特性
U2
M a M b U 1
r1 L1
2 2
§4.2 差动变压器式电感传感器
一、螺线管式差动变压器
二、变隙式差动变压器
三、差动变压器式传感器测量电路
根据电磁感应原理有
E E 2a 2b
变压器两次级绕组反 向串联，则差动变压器输 出电压为零。
§4.2 差动变压器式电感传感器
一、螺线管式差动变压器
2、螺线管式差动变压器输出特性
当次级两绕组反向串 联、次级开路时差动变压 器输出电压为 差动变压器输出电动势的大小和相 位可知道衔铁位移的大小和方向。
二、变隙式差动变压器
2、变隙式差动变压器输出特性
常用传感器原理及应用
小初始极距来提高灵敏度。由于电容量C与极距δ呈非线性关系，故
这将引起非线性误差。 实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范
围和克服外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量 精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。
第二十二页，编辑于星期一：十三点 三十七分。
2. 面积变化型电容式传感器
第二十页，编辑于星期一：十三点 三十七分。
1. 极距变化型电容式传感器
在电容器中，如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则电容量与极
距δ呈非线性关系。当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量
的变化为
dc
A 2
d
灵敏度
K
dc
d
A 2
第二十一页，编辑于星期一：十三点 三十七分。
灵敏度K与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减
（2）电容式转速传感器
当齿轮转动时，电容量发生周 期性变化，通过测量电路转换 为脉冲信号，则频率计显示的 频率代表转速大小。设齿数为
z,频率为f,则转速为:
第二十八页，编辑于星期一：十三点 三十七分。
4.5 压电式传感器
压电式传感器是以某些材料的压电效应为基础，在外力的作用下， 这些材料的表面产生电荷，从而实现非电量到电量的转换。
第四章 常用传感器原理及应用
4.1 概述 4.2 电阻应变式传感器 4.3 电感式传感器 4.4 电容式传感器
4.5 压电式传感器
4.6 磁敏传感器 4.7 光电式传感器 4.8 集成传感器
第一页，编辑于星期一：十三点 三十七分。
一、传感器的定义
4.1 概述
传感器（transducer/senor）是将被测量按一定规律转换成 便于应用的某种物理量的装置。通常将传感器看作是一个把被测 非电量转换成电量的装置。
这将引起非线性误差。 实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范
围和克服外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量 精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。
第二十二页，编辑于星期一：十三点 三十七分。
2. 面积变化型电容式传感器
第二十页，编辑于星期一：十三点 三十七分。
1. 极距变化型电容式传感器
在电容器中，如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则电容量与极
距δ呈非线性关系。当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量
的变化为
dc
A 2
d
灵敏度
K
dc
d
A 2
第二十一页，编辑于星期一：十三点 三十七分。
灵敏度K与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减
（2）电容式转速传感器
当齿轮转动时，电容量发生周 期性变化，通过测量电路转换 为脉冲信号，则频率计显示的 频率代表转速大小。设齿数为
z,频率为f,则转速为:
第二十八页，编辑于星期一：十三点 三十七分。
4.5 压电式传感器
压电式传感器是以某些材料的压电效应为基础，在外力的作用下， 这些材料的表面产生电荷，从而实现非电量到电量的转换。
第四章 常用传感器原理及应用
4.1 概述 4.2 电阻应变式传感器 4.3 电感式传感器 4.4 电容式传感器
4.5 压电式传感器
4.6 磁敏传感器 4.7 光电式传感器 4.8 集成传感器
第一页，编辑于星期一：十三点 三十七分。
一、传感器的定义
4.1 概述
传感器（transducer/senor）是将被测量按一定规律转换成 便于应用的某种物理量的装置。通常将传感器看作是一个把被测 非电量转换成电量的装置。
传感器及基本特性(第四章-)
25
迟滞:
➢ 传感器在输入量由小到大（正行程）及 输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输 出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说， 对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程 输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 传感器在全量程范围内最大的迟滞差值 与满H量ma程x 输出值之比称为迟滞误差，即
40
3） 二阶系统
二阶系统的微分方程为
a2
d
2 y(t) dt 2
a1
dy(t) dt
a0
y(t)
b0 x(t )
二阶系统的微分方程通常改写为
d
2 y(t) dt 2
2n
dy(t) dt
n2
y(t)
n2kx(t)
根据二阶微分方程特征方程根的性质不同， 二阶系统又可分为： ① 二阶惯性系统：其特点是特征方程的根为两个负实根，
21
直线拟合方法
a)理论拟合
b)过零旋转拟合
c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合 22
最小二乘法拟合
设拟合直线方程： y=kx+b
若实际校准测试点有n个，则第i 个校准数据与拟合直线上响应 值之间的残差为
y yi
y=kx+b
0
xI
最小二乘拟合法
Δi=yi-(kxi+b)
最小二乘法拟合直线的原理就是使 2i 为最小值，即
16
传感器的静态特性指标主要是通过校准试验来获取 的。所谓校准试验，就是在规定的试验条件下，给传 感器加上标准的输入量而测出其相应的输出量。在传 感器的研制过程中可以通过其已知的元部件的静特性， 采用图解法或解析法而求出传感器可能具有的静态特 性。
传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有 与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。
迟滞:
➢ 传感器在输入量由小到大（正行程）及 输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输 出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说， 对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程 输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 传感器在全量程范围内最大的迟滞差值 与满H量ma程x 输出值之比称为迟滞误差，即
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3） 二阶系统
二阶系统的微分方程为
a2
d
2 y(t) dt 2
a1
dy(t) dt
a0
y(t)
b0 x(t )
二阶系统的微分方程通常改写为
d
2 y(t) dt 2
2n
dy(t) dt
n2
y(t)
n2kx(t)
根据二阶微分方程特征方程根的性质不同， 二阶系统又可分为： ① 二阶惯性系统：其特点是特征方程的根为两个负实根，
21
直线拟合方法
a)理论拟合
b)过零旋转拟合
c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合 22
最小二乘法拟合
设拟合直线方程： y=kx+b
若实际校准测试点有n个，则第i 个校准数据与拟合直线上响应 值之间的残差为
y yi
y=kx+b
0
xI
最小二乘拟合法
Δi=yi-(kxi+b)
最小二乘法拟合直线的原理就是使 2i 为最小值，即
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传感器的静态特性指标主要是通过校准试验来获取 的。所谓校准试验，就是在规定的试验条件下，给传 感器加上标准的输入量而测出其相应的输出量。在传 感器的研制过程中可以通过其已知的元部件的静特性， 采用图解法或解析法而求出传感器可能具有的静态特 性。
传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有 与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。
现代传感器-第四章(压力传感器)
压电式传感器的测量电路（7 压电式传感器的测量电路（7）
电荷放大器
Cr
－A
q
Ca
Ce
Ci
uo
电荷放大器的等效电路
压电式传感器的测量电路（8 压电式传感器的测量电路（8）
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C 反馈电容CF和高增益运算放大器构成。 运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没 有分流，故可略去R 有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻：
压电材料
石英晶体， 压电陶瓷， 压电薄膜等
石英晶体的压电效应（1）
用三条互相垂直的轴来表示石英晶体的各方向。 其中， 纵向轴称为光轴(z轴)； 经过棱线并垂直于光轴的称为电 轴(x轴)； 与光轴、 电轴同时垂直的称为机械轴(y轴)。 如图4-1（b）所示。按照与z轴的不同夹角，多种切片可 形成一个系列家族，切片长边平行于y轴的称为X切族，平 行于x轴的称为Y切族。
1 q′ = q；U ′ = 2U；C ′ = C 2
压电传感器的等效电路（1 压电传感器的等效电路（1）
当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上 出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传 感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生 器。 其电荷容量为：
ε S ε rε 0 S Ca = = δ δ
压电式压力传感器的应用（5 压电式压力传感器的应用（5）
压电声传感器在超声速测量实验中的应用
示波器 S2 l S1 频率计
游标卡尺 超声速测量实验装置
信号发生器
压电式压力传感器的应用（6 压电式压力传感器的应用（6）
当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷 片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空 气中激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发 生器。 当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2 时，空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片 上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测 出该交变信号。所以，换能器S2是声频信号接收 器。
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金属导线的应变电阻效应：
当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减 小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即 长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。
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测试技术
第四章 常用传感器
dR (1 2 E ) S 推导 R
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12
测试技术
第四章 常用传感器
2、应变片的基本结构
盖层
1）电阻丝应变片用直径为0.025mm 具有高电阻率的电阻丝制成，为了 获得较高阻值，将电阻丝排列成栅 状，称为敏感栅。 2）敏感栅黏贴在绝缘基底上。 3）电阻丝两端焊接引线。 4）敏感栅上粘贴覆盖层。
基片
5）l称为栅长，b称为栅宽。 6）规格一般用面积和电阻值表示， 如3mm*20mm，120欧。
稳定性：稳定性是指长期使用后其输出特性不发生变化的性能。影 响传感器稳定性的因素主要是环境与时间 精度：传感器的精度表示传感器输出与被测量的对应成都。然而传 感器的精度并非越高越好，还要考虑经济性，因此要从实际出发来 选择。 还应了解测试目的和工作方式。
▲
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测试技术
第四章 常用传感器
汽车衡称重系统
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第四章 常用传感器
电子秤
远距离 显示
磅秤
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超市打印秤
测试技术
第四章 常用传感器
4.1 概
述
1. 传感器(Sensor)定义
传感器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。通常由敏感元件和 转换元件组成(GB766-87)。
狭义上，非电信号 电信号。
在非电量电测系统中的作用
敏感作用：感受并拾取被测对象的信号
变换作用： 被测信号转换成易于检测和处理 的电信号
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测试技术
第四章 常用传感器
应变式荷重传感器外形及受力位置
F
F
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第四章 常用传感器
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
F
F
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4
测试技术
第四章 常用传感器
3. 传感器的选用原则
灵敏度：灵敏度越高，可以感知越小的变化量，但是噪声也会被放 大，因此要求传感器有较大的信噪比。
响应特性：传感器的响应特性必须在所测频率范围内保持不是真。 实际传感器的相应总有一些延迟，但是延迟越短越好。
23
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(6).应变式电阻传感器的应用
第四章 常用传感器
立柱应力
桥梁应力
德国HBM电阻应变式传感器
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第四章 常用传感器
压力传感器
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第四章 常用传感器
荷重传感器原理演示 荷重 传感器上的 应变片在重 力作用下产 生变形。轴 向变短，径 向变长。
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汽车衡
第四章 常用传感器
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引线
敏感栅
粘贴剂
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第四章 常用传感器
3、电阻应变片分类
金属应变计有： 1、丝式 2、箔式 3、薄膜式 优点:稳定性和温度特性好。 缺点:灵敏度系数小。
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18
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第四章 常用传感器
3）测量 ：从 分开的端子处， 预先用万用表 测量应变片的 电阻，发现端 子折断和坏的 应变片。
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第四章 常用传感器
4）焊接： 将引
线和端子用烙铁焊
接起来，注意不要
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第四章 常用传感器
电子天平
电子天平的精度 可达十万分之一
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第四章 常用传感器
人体秤
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第四章 常用传感器
应变片在悬臂梁上的粘贴及变形
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第四章 常用传感器
应变式荷重传感器的外形及应
F
R1
变片的粘贴位置
R
4
R 2
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半导体应变计
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第四章 常用传感器
※ 在材料力学中，
称为电阻丝的轴向应变，
也称纵向应变，是量纲为1的数。当 为 0.000001时，在工程中常表示为110-6 或m/m。 在应变测量中，也常将之称为微应变(με)。
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第四章 常用传感器
2）贴片：在应变 片的表面和处理过 的粘贴表面上，各 涂一层均匀的粘贴 胶 ，用镊子将应 变片放上去，并调 好位置，然后盖上 塑料薄膜，用手指 揉和滚压，排出下 面的气泡 。
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3
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第四章 常用传感器
2. 传感器的分类
(1)按被测物理量分类 位移传感器,流量传感器,温度传感器等. (2)按传感器元件的变换原理分类 电阻式,电容式,电感式,压电式,光电式等. (3)按传感器的能量传递方式分类
能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. 例如:电阻应变片. 能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现 敏感检测. 例如:超声波发生器和接受器.
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第四章 常用传感器
4、应变片的粘贴：
1） 去污：采用手持 砂轮工具除去构件表 面的油污、漆、锈斑
等，并用细纱布交叉
打磨出细纹以增加粘 贴力 ，用浸有酒精或 丙酮的纱布片或脱脂 棉球擦洗。
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第四章 常用传感器
第四章
常用传感器
▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼
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4.1 概 述 4.2 电阻传感器 4.3 电容传感器 4.4 电感传感器 4.5 磁电传感器 4.6 压电传感器 4.7 磁敏传感器 4.8 传感器选用原则
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把端子扯断。
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第四章 常用传感器
5）固定： 焊
接后用胶布将
引线和被测对
象固定在一起，
防止损坏引线
和应变片。
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第四章 常用传感器
二.压阻式传感器
1、基本工作原理
半导体材料收到应力作用时，其电阻率会发生变 化，这种现象称为压阻效应。
dR dL dL d d 2 R L L dR (1 2 ) E E R
L L
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第四章 常用传感器
dR (1 2 E ) S R
<1> 金属应变片（不变）
dR (1 2 ) R S 1 .7 ~ 4 .6
<2> 半导体应变片（变化）
金属应变计
dR E R S 60 ~ 70
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