传感器的概念

传感器的概念：能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。

能把外界非电信号转换成电信号输出的装置。

输出与输入严格一一对应的器件或装置。

传感器又被称作检测器、换能器、变换器
构成：敏感元件、转换元件传感器的静态特性：传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时输入输出关系
静态特性包括：线性度，回差（滞后），重复性，灵敏度，分辨力，阈值，稳定性，漂移，静态误差（精度）
传感器的动态特性：反应传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。

电阻式传感器：通过电阻参数的变化来实现电测非电量目的的金属、半导体。

静态特性：指应变计感受试
件不随时间变化或变化缓
慢的应变时的输出特性。

包括：灵敏度系数（k）横
向效应及横向效应系数（H）
机械滞后（Zj）蠕变和零漂，
应变极限。

横向效应：应变计这种即敏
感纵向应变，又同时受横向
应变影响而使灵敏系数及
相对电阻比减小的现象。

蠕变：粘贴在试件上的应变
计，在恒温条件下，指示应
变量随时间单向变化的特
性。

零漂：当试件初始空载时，
应变计示值仍会随时间变
化的现象。

温度效应：单纯由温度变化
引起应变计电阻变化的现
象。

温度效应极其热输出的组
成：前部分为热阻效应所造
成，后部分为敏感栅与试件
热膨胀失配所引起。

热输出补偿方法：温度自补
偿法，桥路补偿法。

直流电桥及输出特性：
1.直流电桥为纯电阻，U为
供桥电源电压，RL为负载
内阻。

2.电桥平衡状态：
R1R3=R2R4
3.按负载的不同要求：输出
电压或电流，应变电桥可分
电压输出桥和功率输出桥。

4.电压输出桥的输出端接高
输入阻抗的放大器（负载
RL=无穷），电桥可视为开
路。

此时，电桥输出主要为
电压形式，输出电压
U0=(R1R3-R2R4)/[(R1+R
2)(R3+R4)]U
半导体应变计：采用半导体应变计时，由于非线性误差K而大增，必须采用补偿措施。

补偿措施：差动电桥补偿法、恒流源补偿法。

压阻效应：半导体单晶硅、锗等材料在外力作用下电阻率将发生变化的现象。

自感式传感器分类：变气隙式、变面积式、螺管式、差动式
差动式自感传感器由两单一式结构对称组合而成。

互感式传感器：是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器，其原理类似于变压器
不同的是前者是开磁路，初次级间的互感随衔铁移动而改变，且两个次级绕组按差动方式工作。

后者是闭磁路，初次级间的互感为常
数。

压力测量：在无压力作用
时，膜盒处于初始状态，固
连于膜盒中心的衔铁位于
差动变压器线圈的中部，输
出电压为零。

当被测压力经
接头输入膜盒后，推动衔
铁，由输出电压可以求出压
力大小。

电涡流式传感器：工作原
理：接入I1，线圈周围就会
产生一个交变磁场H1。

当
被测导体置于该磁场内，导
体内便产生电涡流I2，I2也
将产生一个新磁场H2，H2
与H1反向，力图削弱H1，
从而导致U1线圈的电感
量、阻抗和品质因数发生变
化。

这些参数的变化与导体的
几何形状、电导率、磁导率、
线圈的几何参数、电流的频
率以及线圈到被测导体间
的距离有关。

电容式传感器分类：变极距
型、变面积型、变介质型。

概念：将被测非电量的变化
转化为电容量变化的一种
传感器。

磁电式传感器：利用磁电应
原理，将输入运动速度或磁
量的变化变换成感应电动
势输出的传感器。

霍尔效应：由导电材料中电
流与外磁场相互作用而产
生电动势的物理现象。

磁电阻效应：将载流导体置
于外磁场中，不但产生霍尔
效应，同时其电阻也会随磁
场而变化。

压电效应：在这些电介质的
一定方向上施加机械力而
产生变形时，就会引起它内
部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面上出现符号相反的束缚电荷Q，且其电位移D与外应力张量T 成正比D=dT。

外应力消失，又恢复不带电状态；当外力变向，电荷极性也随之变化。

压电材料的主要特性参数：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。

热电式传感器：利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和温度有关的参量进行检测的装置。

热电偶（阻）传感器：将温度转换为热电势变化。

热电阻传感器：金属热电阻式、半导体热电阻式。

热电效应：将两种不同性质的导体AB组成闭合回路，
若节点处于不同温度时，两
者之间将产生热电势，在回
路中形成一定大小的电流
的现象。

中间导体定律：导体AB组
成的热电偶，当引入第三导
体时只要保持两端温度相
同，则对回路总热电势无影
响。

连接导体定律：回路的总热
电势等于热电偶电势
EAB(T,TN)与连接导线电
势EA`B`(TN,T0)之和。

作
用：工业上运用补偿导线进
行温度测量的理论基础。

中间温度定律：回路的总热
电势等于EAB(T,TN)与
EAB(T,T0)之和。

作用：为
制定分度表奠定了理论基
础。

光电式传感器：以光为测量
媒介，以光电器件为转换元
件的传感器。

光电效应：指物体吸收了光
能转换为该物体中某些电
子的能量而产生的效应。

可
分为：外光电效应和内光电
效应。

外光电效应光电器件：光电
管，光电倍增管。

内光电效应：半导体受到光
照时会产生光生电子--空穴
对，使导电性能增强，这种
光照后电阻率变化的现象。

器件：光敏电阻，光敏二极
管，光敏三极管。

光生伏特效应：光照引起
PN结两端产生电动势的效
应。

器件：光电池。

光电器件的特性：光照特
性、光谱特性、响应时间、
峰值探测率、温度特性、伏
安特性。

光电式传感器的应用:光电式数字转速表、光电式物位传感器。

光纤波导原理：空气中光线以入射脚θ0由纤端进入光纤，经折射后又以θ1由纤心射向包层时，入射光将发生折射和反射。

光线不折射进皮层，而在纤芯内产生连续向前的全反射，直到由终端射出。

光纤传感器：通过被测量对光纤内传输光进行调制，使传输光的特性发生变化，再通过被调制过的光进行检测，从而得出相应被测量的传感器。

分为：功能型传感器：利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件。

非功能型传感器：利用其他元件感受被测量变化，光纤作为传输介质用以传输光处光信号。

光电调制和解调可分为：强
度、相位、偏振、频率和波
长等形式。

为什么要分静态特性和动
态特性？由于传感器可能
用来检测静态量（即输入量
是不随时间变化的常量）、
准静态量或动态量（即输入
量是随时间变化的变量），
于是对应于输入信号的性
质，所以传感器的特性分为
静态特性和动态特性。

金属应变计与半导体工作
机理的异同？比较应变计
各种灵敏系数概念的不同
意义。

（1）相同点：它们都
是在外界力作用下产生机
械变形，从而导致材料的电
阻发生变化所；不同点：金
属材料的应变效应以机械
形变为主，材料的电阻率相
对变化为辅；而半导体材料
则正好相反，其应变效应以
机械形变导致的电阻率的
相对变化为主，而机械形变
为辅。

（2）对于金属材料，
灵敏系数Ko=Km=(1+2
μ)+C(1-2μ)。

前部分为受力
后金属几何尺寸变化，一般
μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；
后部分为电阻率随应变而
变的部分。

金属丝材的应变
电阻效应以结构尺寸变化
为主。

对于半导体材料，灵
敏系数Ko=Ks=(1+2μ)+ π
E。

前部分同样为尺寸变化，
后部分为半导体材料的压
阻效应所致，而πE 》(1+2
μ)，因此Ko=Ks=πE。

半导
体材料的应变电阻效应主
要基于压阻效应。

试述应变电桥产生非线性
的原因及消减非线性误差
的措施。

原因：式分母中含
ΔRi/Ri，是造成输出量的非
线性因素。

无论是输出电压
还是电流，实际上都与Δ
Ri/Ri呈非线性关系。

措施：
(1) 差动电桥补偿法：差动
电桥呈现相对臂“和”，相邻臂
“差”的特征，通过应变计合
理布片达到补偿目的。

常用
的有半桥差动电路和全桥
差动电路。

(2) 恒流源补偿
法：误差主要由于应变电阻
ΔRi的变化引起工作臂电流
的变化所致。

采用恒流源，
可减小误差。

比较差动式自感传感器和
差动变压器在结构上及工
作原理上的异同。

绝大多数
自感式传感器都运用与电
阻差动式类似的技术来改
善性能，由两单一式结构对
称组合，构成差动式自感传
感器。

采用差动式结构，除
了可以改善非线性、提高灵
敏度外，对电源电压与频率
的波动及温度变化等外界
影响也有补偿作用，从而提
高了传感器的稳定性。

互感
式传感器是一种线圈互感
随衔铁位移变化的变磁阻
式传感器，初、次级间的互
感随衔铁移动而变，且两个
次级绕组按差动方式工作，
因此又称为差动变压器。

差动式电感传感器为什么
常采用相敏检波电路？分
析原理。

原因：相敏检波电
路，它能有效地消除基波正
交分量与偶次谐波分量，减
小奇次谐波分量，使传感器
零位电压减至极小。

电涡流式传感器的原理及
应用 1.测位移 电涡流式
传感器的主要用途之一是
可用来测量金属件的静态
或动态位移，最大量程达数
百毫米，分辨率为0.1%。

2.测厚度金属板材厚度的
变化相当于线圈与金属表
面间距离的改变，根据输出
电压的变化即可知线圈与
金属表面间距离的变化，即
板厚的变化。

3.测温度若
保持电涡流式传感器的机、电、磁各参数不变，使传感器的输出只随被测导体电阻率而变，就可测得温度的变化。

利用霍尔效应可测量大电流、微气隙磁场、微位移、转速、加速度、振动、压力、流量和液位等；用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机、接近开关和计算元件等等。

磁敏电阻与磁敏二极管的特点？磁敏电阻：外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大的现象称磁阻效应。

载流导体置于磁场中除了产生霍尔效应外,导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转,载流子运动方向偏转使电流路径变化,起到了加大电阻的作用,磁场越强增大电阻的作用越强。

磁敏电阻主要运用于测位移。

磁敏二极管：输出电压随着磁场大小的方向而变化，特别是在弱磁场作用下，可获得较大输出电压变化，r区内外复合率差别越大，灵敏度越高。

当磁敏二极管反向偏置时，只有很少电流通过，二极管两端电压也不会因受到磁场的作用而有任何改变。

利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化这一特性可以制成漏磁探伤仪。

压电材料的主要特性参数有哪些？比较三类压电材料的应用特点。

主要特性：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强幅射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。

此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。

不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。

压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。

新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。

因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。

利用热电偶测温必须具备哪两个条件？（1）用两种不同材料作热电极（2）热电偶两端的温度不能相同什么是中间导体定律和连接导体定律？它们在利用热电偶测温时有什么实际意义？中间导体定律：导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持第三导体两端温度相同，则第三导体对回路总热电势无影响。

利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。

连接导体定律：回路的总电势等于热电偶电势EAB(T,To)与连接导线电势EA’B’(Tn,To)的代数和。

连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。

什么是中间温度定律？有什么实际意义？EAB(T,Tn,To)=EAB(T,Tn) +EAB(Tn,To)这是中间温度定律表达式，即回路的总热电势等于EAB(T,Tn)与EAB(Tn,To)的代数和。

Tn 为中间温度。

中间温度定律为制定分度表奠定了理论基础。

光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。

光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。

简述光电传感器的主要形式及其应用：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。

应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。