第3章传感器理论基础
传感器工作原理详解
传感器工作原理详解传感器是一种能够将特定的物理量或化学量转化为可测量的电信号或其他形式输出的装置。
它在现代科技中起着至关重要的作用，广泛应用于各个领域，如工业、农业、医疗、环境监测等。
本文将详细解析传感器的工作原理，以便更好地理解传感器的功能与应用。
一、传感器的基本原理传感器的基本原理是通过感知外界物理或化学量的变化，并将其转化为与之相对应的电信号。
以下将介绍几种常见的传感器工作原理。
1. 压阻式传感器压阻式传感器利用外界物理量对材料电阻的影响来进行测量。
它由敏感材料和电极组成，当外界物理量引起敏感材料的变形或压力变化时，敏感材料的电阻值也会相应改变，通过测量电阻值的变化来得到外界物理量的信息。
2. 光电传感器光电传感器基于光电效应，将光辐射能转化为电信号。
它由光敏元件和电子电路组成，当光源照射到光敏元件上时，光敏元件吸收光的能量并产生电荷。
通过电子电路的放大和处理，最终得到与光强度相关的电信号。
3. 磁敏传感器磁敏传感器利用磁场对材料磁性的影响来进行测量。
它包括感应式磁敏传感器和霍尔效应磁敏传感器等。
感应式磁敏传感器利用线圈中感应出的电动势来检测磁场变化；霍尔效应磁敏传感器则利用霍尔元件的磁场感应效应，通过测量输出电压或电流来获得磁场信息。
二、传感器应用案例传感器广泛应用于各个领域，下面将介绍几个常见的传感器应用案例。
1. 温度传感器温度传感器是以测量物体温度为目的的传感器，常见的应用有室内温度监测、电子设备温度控制等。
它一般采用热敏电阻、热电偶或半导体材料作为敏感元件，通过测量敏感元件的电阻、电势或电流来获得温度信息。
2. 湿度传感器湿度传感器用于测量空气中的湿度，常见应用有气象观测、农业温室环境调节等。
它一般使用湿度敏感材料或电容式湿度传感器作为敏感元件，通过测量敏感元件的电容或电阻值来获取湿度信息。
3. 加速度传感器加速度传感器用于测量物体在空间中的加速度，广泛应用于汽车安全、运动监测等领域。
202006 - 第3章 热电式传感器【传感器技术案例教程】
3.2.3 测温电桥电路
2. 不平衡电桥
常值电阻
R1 R2 R3 R0
初始温度感温电阻
Rt R0
温度变化后电桥不平衡输出
不平衡电桥电路原理图
Uout
Rt
2 2R0 Rt
U in
特点：快速、小范围线性、受电桥工作电压干扰
传感器技术案例教程
(第3章 热电式传感器)
3.2 热电阻温度传感器
3.3.4 热电偶的误差及补偿 3.3.5 热电偶的组成、分类及特点
传感器技术案例教程
3.3 热电偶
3.3.1 热电效应
接触热电动势：Peltie 效应
eAB T
KT e
ln
nA T nB T
K 1.38 10 23 J K
— 玻尔兹曼常数
e 1.6021019 C
— 电子电荷量
nA T ,nB T
自动平衡电桥电路原理图
温度变化，电桥不平衡，差分放大器 A 输出不为零，伺服电 机 SM 带动电位器 RP 电刷移动，直到电桥重新处于平衡
特点：负反馈，快速测量、线性范围大、抗干扰能力强等； 相对复杂、成本高
传感器技术案例教程
(第3章 热电式传感器)
3.3 热电偶
3.3.1 热电效应
3.3.2 热电偶的工作原理 3.3.3 热电偶的基本定律
传感器技术案例教程
3.2 热电阻温度传感器
3.2.1 金属热电阻 3.2.2 半导体热敏电阻 3.2.3 测温电桥电路
(第3章 热电式传感器)
传感器技术案例教程
(第3章 热电式传感器)
3.2 热电阻温度传感器
3.2.1 金属热电阻
基本原理：温度升高，自由电子动能增加，改变自由电子运动，使 之定向运动所需能量增加；多数金属电阻随温度升高而增加；可描 述为
传感器基础知识
酒精测试仪
呼气管
电子湿度计模块
封装后的外 形
1.2.2 测量方法
1) 直接测量、间接测量和组合测量 (又称联立 测量)。经过求解联立方程组，才能得到被测物 理量的最后结果，则称这样的测量为组合测量。
2020年08月27日
Thursday
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①主称——传感器代号C ②被测量—用一个或两个汉语拼音 的第一个大写字母标记。③转换原理——用一个或两个汉语 拼音的第一个大写字母标记。④序号——用一个阿拉伯数字 标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品 系列等。
例：应变式位移传感器： C WY-YB-20 光纤压力传感器：C Y-GQ-2
④+①超调量σ 传感器输出超过稳态值的最 大值。
④ +②衰减比d 衰减震荡的二阶传感器输 出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。
2. 频率响应特性
传感器对不同频率正弦输入信号的响应特性，称为 频率响应特性。
频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器 的动态特性。
（1）零阶传感器的频率特性 （2）一阶传感器的频率特性 （3） 二阶传感器的频率特性 （4）频率响应特性指标
检测技术主要研究被测量的测量原理、测量方
法、检测系统和数据处理等方面的内容。
不同性质的被测量要采用不同的原理去测量， 测量同一性质的被测量也可采用不同测量原 理。
2020年08月27日
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自动检测技术的重要性
（1）测试手段就是仪器仪表 在工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使 人们用电测的方法来研究非电量，即研究用电测 的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确 和快速地测得非电量的技术。
第三章 常用传感器的变换原理
根据电阻的定义式: 阻的相对变化为：
R l/A
如果电阻丝在外力作用下产生变化时，其电
dR d 1 2 x R
1 为电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。
dR ( 1 2 ) K x 0 x R
d 引起的。
是由于电阻丝几何尺寸变化引起的； 是由于受力后材料的电阻率发生变化而
蠕变:应力不变的条件下，应变随时间延 长而增加的现象。 横向效应：敏感栅的电阻变化一定小于 纯直线敏感栅的电阻变化的现象。 机械滞后：应变片贴在试件上以后，在 一定温度下，进行循环的加载和卸载，加载 和卸载时的输入-输出特性曲线不重合的现象。
2）箔式应变片 箔式应变片中的箔栅是金属箔（厚为 0.002~0.01mm）通过光刻、腐蚀等工艺制 成的。如图3-10中(d)、(f)、(h)、(k)。箔的 材料多为电阻率高、热稳定性好的康铜和 铜镍合金。
（二）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 ， 最后用浸有酒精或 丙酮的纱布片或脱 脂棉球擦洗。
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 。
dR d 1 2 x R
对于金属材料：
d 是个常数，往往很小，可以忽略。
因此，上式可写成为：
dR ( 1 2 ) E 应变-电阻效应 x 1 x R
K0为金属单丝灵敏系数，是单位应变所 引起的电阻相对变化。
对于半导体材料： 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷 而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理 现象称为半导体的压阻效应。 半导体应变片是根据压阻效应原理工作的。 当沿某一晶轴方向切下一小条半导体应变片， 若只沿其轴向受到应力，其电阻率的变化量可由下 式表示
传感器原理与应用技术全书电子教案
传感器原理与应用技术全书电子教案.一、教学内容本教案依据《传感器原理与应用技术》教材，涵盖第3章“传感器的工作原理”及第4章“传感器在实际工程中的应用”。
具体内容包括：传感器的基本概念、分类、工作原理；各类传感器的特性分析；温度、压力、湿度、光强等物理量的测量原理及其在实际工程中的应用案例。
二、教学目标1. 掌握传感器的基本概念、分类和工作原理，理解传感器在实际工程中的重要作用。
2. 学会分析各类传感器的特性，能根据实际需求选择合适的传感器。
3. 能运用所学知识解决实际工程问题，提高学生的实践能力和创新能力。
三、教学难点与重点1. 教学难点：传感器的工作原理及特性分析。
2. 教学重点：传感器的分类、选型及其在实际工程中的应用。
四、教具与学具准备1. 教具：PPT、投影仪、传感器实物模型。
2. 学具：教材、笔记本、计算器。
五、教学过程1. 引入：通过介绍传感器在日常生活中的应用，激发学生的学习兴趣。
2. 理论讲解：讲解传感器的基本概念、分类和工作原理，分析各类传感器的特性。
3. 实践操作：以温度传感器为例，进行现场演示，让学生直观地了解传感器的应用。
4. 例题讲解：讲解传感器选型和应用案例，引导学生运用所学知识解决实际问题。
5. 随堂练习：设计针对性的练习题，巩固所学知识。
六、板书设计1. 板书传感器原理与应用技术2. 板书内容：传感器基本概念、分类、工作原理传感器特性分析传感器在实际工程中的应用案例七、作业设计1. 作业题目：（1）简述传感器的基本概念、分类和工作原理。
（2）分析温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光强传感器的特性。
（3）根据实际需求，选择合适的传感器，并说明原因。
2. 答案：八、课后反思及拓展延伸1. 反思：本节课学生掌握情况较好，但在传感器特性分析方面还需加强练习。
2. 拓展延伸：了解新型传感器的发展趋势和应用领域。
结合实际工程项目，开展传感器选型与应用的实践研究。
重点和难点解析：1. 教学难点：传感器的工作原理及特性分析。
(完整版)传感器原理课后答案
第一章传感与检测技术的理论基础1．什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：某量值的测得值和真值之差称为绝对误差。
相对误差有实际相对误差和标称相对误差两种表示方法。
实际相对误差是绝对误差与被测量的真值之比；标称相对误差是绝对误差与测得值之比。
引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，也用相对误差表示，它是相对于仪表满量程的一种误差。
引用误差是绝对误差（在仪表中指的是某一刻度点的示值误差）与仪表的量程之比。
2．什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？答：测量误差是测得值与被测量的真值之差。
测量误差可用绝对误差和相对误差表示,引用误差也是相对误差的一种表示方法。
在实际测量中，有时要用到修正值，而修正值是与绝对误差大小相等符号相反的值。
在计算相对误差时也必须知道绝对误差的大小才能计算。
采用绝对误差难以评定测量精度的高低，而采用相对误差比较客观地反映测量精度。
引用误差是仪表中应用的一种相对误差，仪表的精度是用引用误差表示的。
3．用测量范围为-50～+150kPa的压力传感器测量140kPa压力时，传感器测得示值为142kPa，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：绝对误差2140142=-=∆kPa实际相对误差%43.1%100140140142=⨯-=δ标称相对误差%41.1%100142140142=⨯-=δ引用误差%1%10050150140142=⨯---=）（γ4．什么是随机误差？随机误差产生的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：在同一测量条件下，多次测量同一被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。
随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素（测量装置方面的因素、环境方面的因素、人员方面的因素），如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。
高二传感器知识点总结
高二传感器知识点总结一、传感器的基本概念传感器是一种能够感知周围环境并将感知到的信息转化为电信号或其他形式信号的器件。
传感器在工业自动化、智能家居、医疗设备、汽车工业等领域都有广泛的应用，对于提高生产效率、改善生活质量有着重要的作用。
二、传感器的分类1. 按照测量物理量分类传感器根据其测量的物理量不同可以分为温度传感器、压力传感器、光敏传感器、湿度传感器、力传感器、位移传感器等多种类型。
2. 按照传感原理分类传感器还可以按照其传感原理不同进行分类，常见的传感原理包括电阻传感器、电容传感器、电感传感器、霍尔传感器、红外线传感器、激光传感器等。
3. 按照传感器的工作原理分类按照传感器的工作原理可以分为接触式传感器和非接触式传感器两种。
接触式传感器需要直接接触被测物体，而非接触式传感器可以通过无线、光学或者声波等方式进行测量。
三、传感器的特点1. 灵敏度高传感器能够感知到微小的变化，具有高的灵敏度。
2. 可靠性高传感器具有良好的稳定性和可靠性，能够长时间稳定工作。
3. 多功能性强传感器可以感知多种物理量，具有多功能性。
4. 体积小、重量轻传感器通常体积小、重量轻，便于安装和携带。
5. 自动化程度高传感器可以实现自动检测和自动控制，有助于提高生产效率。
四、传感器的应用1. 工业自动化传感器在工业自动化领域有着广泛的应用，可以用于测量温度、压力、液位、流量等参数，实现设备的自动化控制。
2. 智能家居在智能家居领域，传感器可以应用于智能灯光控制、温湿度监测、门窗开关检测等方面，提高生活的便利性和舒适性。
3. 医疗设备在医疗设备领域，传感器可以用于心率监测、血压监测、血糖监测等，为医疗人员提供重要的生理参数。
4. 汽车工业在汽车工业中，传感器可以用于车速测量、车重检测、发动机温度检测等，提高车辆的性能和安全性。
五、传感器的未来发展趋势1. 多功能集成传感器未来发展趋势是实现多功能集成，将多种传感功能整合在一个器件中，提高传感器的智能化和多功能性。
传感器培训资料
传感器培训资料第一部分：传感器的基本概念传感器是一种能够感知环境中的各种物理量并将其转化为电信号的装置。
通过测量物理量，传感器可以帮助我们获得环境中各种数据，从而实现自动化控制和监测。
传感器的种类繁多，常见的传感器包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光电传感器等。
在不同的应用场景中，需要选择不同类型的传感器来完成具体的任务。
第二部分：传感器的工作原理传感器的工作原理通常通过物理效应来实现。
例如，温度传感器通常利用热敏电阻或热电偶来测量温度；压力传感器则利用压阻效应或压电效应来转换压力为电信号。
在传感器的内部，通常还会带有信号放大电路、模数转换器等元件，用来将感知到的物理量转化为标准的电信号输出。
第三部分：传感器的应用场景传感器广泛应用于工业控制、汽车领域、医疗设备等各个领域。
例如，温度传感器可以用于控制空调温度、汽车发动机的温度监测等；压力传感器可以用于测量液体或气体的压力、监测管道的泄漏等。
第四部分：传感器的选择和安装在选择传感器时，需要考虑其测量范围、精度、响应时间等指标，以及适用的工作环境，如温度、湿度等。
在安装传感器时，需要注意避免干扰源，保证传感器测量的准确性。
第五部分：传感器的维护和保养传感器作为自动化系统中的重要部件，需要进行定期的维护和保养。
对于一些易受环境影响的传感器，如湿度传感器、光电传感器等，需要保持其表面清洁，防止积灰或水汽影响测量精度。
第六部分：传感器的未来发展随着科技的不断进步，传感器的应用范围将会更加广泛，同时传感器本身的性能也将进一步提升。
例如，新型传感器可能会采用纳米技术制备，具有更高的灵敏度和更小的体积；同时，通过无线传输技术，传感器也有望实现无线监测和控制，大大提高其应用灵活性。
通过本次传感器培训，希望大家能够对传感器有更深入的了解，从而能够更好地应用传感器解决实际问题，提高工作效率和产品质量。
同时也希望大家能够关注传感器领域的最新发展，不断更新自己的知识，为行业的发展做出更大的贡献。
传感器原理与工程应用完整版习题参考答案
《传感器原理及工程应用》完整版习题答案第1章 传感与检测技术的理论基础（P26）1—1：测量的定义？答：测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。
所以, 测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较， 确定被测量对标准量的倍数。
1—2：什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？1－3 用测量范围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：已知： 真值L ＝140kPa 测量值x ＝142kPa 测量上限＝150kPa 测量下限＝－50kPa∴ 绝对误差 Δ＝x-L=142-140=2(kPa)实际相对误差 ％＝＝43.11402≈∆L δ标称相对误差％＝＝41.11422≈∆x δ引用误差％－－＝测量上限－测量下限＝1)50(1502≈∆γ1－10 对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm ）：120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。
答：绝对误差是测量结果与真值之差, 即: 绝对误差=测量值—真值 相对误差是绝对误差与被测量真值之比,常用绝对误差与测量值之比,以百分数表示 , 即: 相对误差=绝对误差/测量值 ×100% 引用误差是绝对误差与量程之比,以百分数表示, 即: 引用误差=绝对误差/量程 ×100%解：当n ＝15时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.41。
则 2072.410.03270.0788()0.104d G mm v σ=⨯=<=-，所以7d 为粗大误差数据，应当剔除。
传感器的原理
传感器的原理
传感器是一种能够感知外部环境并将感知到的信息转化为可用信号的设备。
它
在现代科技和工业生产中起着至关重要的作用，广泛应用于自动化控制、环境监测、医疗设备、智能手机等领域。
传感器的原理是基于一些基本的物理现象和工作原理，下面将介绍传感器的原理及其工作过程。
首先，传感器的原理基于物理现象，比如电磁感应、压阻效应、光电效应等。
这些物理现象能够使传感器感知到外部环境的变化，并将这些变化转化为电信号或其他形式的信号。
以光电传感器为例，它利用光电效应来感知光线的强弱，当光线强度发生变化时，光电传感器就能够将这种变化转化为电信号输出。
其次，传感器的原理还与传感器内部的传感元件和信号处理电路有关。
传感元
件是传感器的核心部件，它能够将外部环境的变化转化为电信号或其他形式的信号。
而信号处理电路则能够对传感元件输出的信号进行放大、滤波、数字化等处理，使得信号能够被准确地采集和处理。
此外，传感器的原理还与传感器的工作过程密切相关。
传感器的工作过程包括
感知、转换和输出三个基本步骤。
在感知阶段，传感器能够感知外部环境的变化，比如温度、湿度、压力、光线等。
在转换阶段，传感器能够将感知到的信息转化为电信号或其他形式的信号。
在输出阶段，传感器能够将转化后的信号输出到控制系统或显示设备中，以实现对外部环境的监测和控制。
总之，传感器的原理是基于物理现象、传感元件和信号处理电路的相互作用，
它能够将外部环境的变化转化为可用信号。
通过对传感器的原理及其工作过程的深入了解，我们能够更好地应用传感器技术，提高自动化控制系统的精度和可靠性，推动科技和工业的发展。
电大《传感器与检测技术》期末复习题及详细答案参考
电大《传感器与检测技术》期末复习题及详细答案参考传感器与检测技术复习题基础知识自测题第一章传感器的通常特性1.传感器是检测中首先感受，并将它转换成与有确定对应关系的的器件。
2.传感器的基本特性通常用其特性和特性去叙述。
当传感器转换的被测量处在动态时，测出的输入一输出关系称作特性。
3.传感器变换的被测量的数值处在稳定状态下，传感器输出与输入的关系称为传感器的特性，其主要技术指标有：、、和等。
4.传感器实际曲线与理论直线之间的称作传感器的非线性误差，其中的与输入满度值之比称作传感器的。
5.传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，变化量与化量的比值。
对传感器来说，其灵敏度是常数。
6.传感器的动态特性就是指传感器测量时，其输入对输出的特性。
7.传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成关系的其它量的元件称为元件。
8.只体会由敏感元件输入的，并且与成确认关系的另一种非电量，然后输入电量的元件，称作元件。
第二章电阻式传感器1.电阻应变片就是将被测试件上的转换成的传感元件。
2.电阻应变片由、、和等部分共同组成。
3.应变式传感器中的测量电路是将应变片转换成的变化，以便显示或记录被测非电量的大小。
4.金属电阻应变片脆弱栅的形式和材料很多，其中形式以式用的最少，材料Infreville的最为广为。
5.电阻应变片的工作原理就是依据快速反应效应创建与变形之间的量值关系而工作的。
6.当应变片主轴线与试件轴线方向一致，且受到一维形变时，应变片灵敏系数k就是应变片的与试件主应力的之比。
7.电阻应变片中，电阻丝的灵敏系数小于其灵敏系数的现象，称为应变片的横向效应。
8.电阻应变片的温度补偿中，若使用电桥补偿法测量应变片时，工作应变片粘贴在表面上，补偿应变片粘贴在与被测试件完全相同的上时，则补偿应变片不。
9.用弹性元件和及一些附件可以共同组成快速反应式传感器.10.应变式传感器按用途划分有：应变式传感器、应变式传感器、应变式传感器等。
11.电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以，同时还能起到的作用。
传感器基础知识
直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确 定关系的某一物理量的元件。
敏感元件是传感器的核心
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转换元件： 将敏感元件输出的物理量转换成 适于传输或测量电信号的元件。
2024/9/29
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测量电路： 将转换元件输出的电信号进行进 一步转换和处理的部分，如放大、滤波、线性 化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后 续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。
y
ΔLmax
x
②过零旋转拟合
曲线过零的传感器。拟合时，使
y
ΔL1 = ΔL2 = ΔLMax
ΔL1 ΔL2
x
③端点连线拟合
把输出曲线两端点的连线作为拟合直线
y
ΔLmax x
④端点连线平移拟合
在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离为
原先的一半 y
ΔL2 = ΔL1 = ΔL3 = ΔLMax
ΔL3
6
2．传感器的分类
（3）按照其结构分：
传感器可分为结构型、物性型和复合型传 感器。
A、物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性 质的变化来实现信号变换，如：水银温度计。
B、结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化实 现信号变换，如：电容式传感器。
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1.1.3 传感器基本特性
传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性， 即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测量） x(t)之间的关系，
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1.2 检测技术理论基础
1.2.1 检测技术
检测技术主要研究被测量的测量原理、测量方
法、检测系统和数据处理等方面的内容。
不同性质的被测量要采用不同的原理去测量， 测量同一性质的被测量也可采用不同测量原 理。
简述传感器的基本原理及组成
简述传感器的基本原理及组成
传感器是一种将物理量转换为电信号或其他可读取形式的装置，广泛应用于制造业、交通运输、环境保护、医疗卫生等领域。
其基本原理及组成如下：
1. 基本原理：传感器的基本原理是利用某种物理效应，将被测量的物理量转换成与之相关的电信号或其他可读取形式的信号。
常见的物理效应有压阻效应、电磁感应效应、霍尔效应、压电效应、光电效应等。
2. 组成：传感器由传感元件、信号处理电路和输出部分三大部分组成。
传感元件是将被测物理量转换成电信号的核心部分，信号处理电路用于对传感元件采集的信号进行放大、滤波、线性化等处理，使其符合特定的输入要求，输出部分则将处理后的信号输出到显示器或控制器等设备中。
3. 传感元件的分类：传感元件按照不同的物理效应可分为多种类型，如压阻传感器、磁敏传感器、电容传感器、光电传感器、超声波传感器、红外传感器等。
4. 信号处理电路的作用：信号处理电路的主要作用是将传感元件采集到的信号进行放大、滤波和线性化等处理，以获得符合特定输入要求的信号。
这样可以避免因传感元件输出信号过小或不稳定等问题导致的误差和干扰。
5. 输出部分的作用：输出部分主要将处理后的信号输出到显示器或控制器等设备中，以实现对被测物理量的监测、测量和控制。
总之，传感器的基本原理是利用物理效应将被测量的物理量转换成与之相关的电信号或其他可读取形式的信号，通常由传感元件、信号处理电路和输出部分三大部分组成。
通过对被测量的物理量进行转换和处理，传感器可以实现对物理量的监测、测量和控制。
现代传感技术与系统课后题及答案
特点：
(1)采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。其中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量作补偿用。
(2)两个敏感元件同时接到电桥的相邻两臂或反串。
(3)能消除环境和条件变化干扰的影响（如温度变化、电源电压波动）。
3.差动结构型
特点：
(1)采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响量和方向相反的被测量。
1.传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？
国家标准（GB7665-87）传感器的定义：能够感受规定的被测量并按照一定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。
2.传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？
共有10种分类形式。根据传感器的工作机理：基于物理效应、基于化学效应、基于生物效应；传感器的构成原理：结构型与物性型；能量转换情况：能量转换型和能量控制型；根据传感器的工作原理分类：可分为电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、气电式、应变式等；根据传感器使用的敏感材料分类：可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等；根据传感器输出信号为模拟信号或数字信号：可分为模拟量传感器和数字量（开关量）传感器；根据传感器使用电源与否：可分为有源传感器和无源传感器；根据传感器与被测对象的空间关系：可分为接触式传感器和非接触式传感器；根据与某种高新技术结合而得名的传感器：如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等；根据输入信息分类：可分为位移、速度、加速度、流速、力、压力、振动、温度、湿度、粘度、浓度等。
传感器通常由敏感元件和转换元件、转换电路组成。1、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物理量（包括电学量）。2、转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学量（包括电路参数量）。3、转换电路：将电路参数量（如电阻、电容、电感）转换成便于测量的电学量（如电压、电流、频率等）。
传感器课程设计
传感器 课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解传感器的定义、分类和基本工作原理；2. 使学生掌握不同传感器在生活中的应用及其特点；3. 帮助学生了解传感器在物联网技术中的作用。
技能目标：1. 培养学生运用传感器进行数据采集、处理和分析的能力；2. 提高学生设计简单传感器应用电路的能力；3. 培养学生通过查阅资料、开展实验等方式，解决实际问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对传感器技术的兴趣，培养其探究精神；2. 培养学生关注传感器技术在生活中的应用，增强其社会责任感；3. 引导学生认识到传感器技术在国家战略和发展中的重要地位，树立正确的价值观。
课程性质：本课程属于科学学科，以实践性和应用性为主，结合理论知识和实际操作。
学生特点：学生为初中生，具备一定的物理基础和动手能力，对新鲜事物充满好奇。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，以项目式教学引导学生主动参与，提高学生的实践能力和创新思维。
在教学过程中，关注学生的个体差异，鼓励学生提问、合作与交流，确保课程目标的实现。
通过分解课程目标为具体的学习成果，为后续教学设计和评估提供依据。
二、教学内容1. 传感器基础知识- 传感器的定义、分类和工作原理；- 常见传感器（如温度传感器、湿度传感器、光敏传感器等）的原理和特点。
2. 传感器在实际应用中的案例分析- 传感器在智能家电、环境监测、医疗设备等领域的应用；- 分析案例中传感器的选型和电路设计。
3. 传感器与物联网技术- 传感器在物联网数据采集中的作用；- 传感器与微控制器、网络通信技术的结合。
教学大纲安排：第一课时：传感器基础知识- 导入：介绍传感器的概念和作用；- 新课：讲解传感器的分类、工作原理及常见传感器；- 作业：搜集生活中传感器的应用实例。
第二课时：传感器在实际应用中的案例分析- 新课：分析各领域传感器应用案例，讨论其优缺点；- 活动：小组讨论，选择一个案例进行深入研究。
传感器基础教材（可编辑）
传感器基础教材总序我们所处的时代被称为信息时代信息科学与技术的迅速发展和广泛应用深深地改变着人类生产生活的各个方面人类社会生产力发展和人们生活质量的提高越来越得益于和依赖于信息科学与技术的发展自动化科学与技术涉及到信息的检测分析处理控制和应用等各个方面是信息科学与技术领域的重要组成部分在我国经济建设的进程中工业化是不可逾越的发展阶段面对全面建设小康社会的发展目标党和国家提出走新型工业化道路的战略决策这是一条我国当代工业化进程的必由之路实现新型工业化就是要坚持走科技含量高经济效益好资源消耗低环境污染少人力资源优势得到充分发挥的可持续发展的科学发展之路在这个过程中自动化科学与技术起着不可替代的重要作用高等学校的自动化学科肩负着人才培养和科学研究的光荣的历史使命我国高等教育中工科在校大学生数占在校大学生总数的 35～40 其中自动化类的学生是工科各专业中学生人数最多的专业之一在我国高等教育已走进大众化阶段的今天人才培养模式多样化已成为必然的趋势其中应用型人才是我国经济建设和社会发展需求最多的一大类人才为了促进自动化领域应用型人才培养发挥院校之间相互合作的优势北京大学出版社组织了此套《21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材》参加这一系列教材编写的基本上都是来自地方工科院校自动化学科的专家学者由此确定了教材的使用范围也为实用教材的定位找到了落脚点本系列教材具有如下特点1 注重实用性地方工科院校的人才培养规格大多定位在高级应用型对这一大类人才的培养要注重面向工程实践培养学生理论联系实际解决实际问题的能力从这一教学原则出发本系列教材注重实用性注意引用工程中的实例培养学生的工程意识和工程应用能力因此将更适合地方工科院校的教学要求2 体现新颖性更新教材内容跟进时代加入一些新的先进实用的知识同时淘汰一些陈旧过时的内容3 院校间合作交流的成果每一本教材都有几所院校的教师参加编写北大出版社事先在西安市和长春市召开了编写计划会和审纲会来自各院校的教师比较充分地交流了情况在相互借鉴取长补短的基础上形成了编写大纲确定了编写原则因此这一系列教材可以反映出各参编院校一些好的经验和做法4 这一系列教材几乎涵盖了自动化类专业从技术基础课到专业课的各门课程到目前为止列入计划的已有 30 多门教材门数多参与的院校多参加编写人员多前言现代化生产与自动控制系统是以计算机为核心以传感器为基础组成的传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节没有好的传感器就没有精确可靠的自动检测和控制系统近年来随着科学技术的发展各种类型的传感器已广泛应用到工业生产与控制的各个领域中要及时准确地获取各种信息解决工程生产及科研中遇到的各种具体的检测问题就必须了解和熟悉传感器同时也要学会合理选择和应用各种传感器及传感技术本书是自动化系列教材之一书中内容丰富全面原理描述由浅入深浅显易懂应用实例广泛实用全书以传统的典型传感器为主同时增加了新型的传感器主要介绍传感器的原理结构特点测量电路以及传感器在工业生产日常生活中的实际应用本书共分 12 章包括三个单元第一单元介绍传感器的基础知识第二单元介绍各种传感器的原理结构及应用第三单元介绍传感器的补偿和抗干扰技术书中每章内容具有独立性使用本教材时可根据不同专业的要求和特点有选择性地进行教学本书由北华大学赵玉刚长春工业大学邱东任主编长春大学曹昕燕武汉理工大学徐沪萍长春工业大学崔利娜任副主编赵玉刚编写第 4 章第 5 章和第 10 章邱东编写第 1 章第 2 章和第 11 章曹昕燕编写第 6 章和第 7 章徐沪萍编写第 3 章和第 9 章崔利娜编写第 8 章和第 12 章该书在编写过程中得到了许多同行的支持和帮助他们提出了许多宝贵意见同时也得到了北京大学出版社第六事业部和中国林业出版社编辑的指导和支持对他们的悉心指导和帮助表示真挚的谢意对本书参考文献中的有关作者致以衷心的感谢由于编者水平有限书中错误和不妥之处在所难免恳请广大读者批评指正提出宝贵意见编者2006 年 6 月目录第 1 章传感器理论基础 1 思考题与习题 6111 传感器基础 1 第 3 章电感式传感器 63com 传感器的概念 131 自感式传感器 63com 传感器的组成和分类 2com 工作原理 63com 传感器的基本特性 4com 电感计算及输出特性分析 65com 传感器的命名代号和图形com 测量电路 67符号 1032 差动变压器式传感器 70com 传感器的发展趋势 12 com 工作原理及特性 7012 检测技术理论基础 15com 测量电路 73com 检测技术 15com 零点残余电压及消除方法 74com 测量方法 1533 电涡流式传感器 76com 检测系统 17com 工作原理 76com 测量误差及数据处理 19 com 测量电路 79本章小结 3034 电感式传感器的应用 81思考题与习题 30com 自感式传感器的应用 81第 2 章电阻式传感器 32 com 差动变压器式传感器的应用 83com 电涡流式传感器的应用 8521 电位器式电阻传感器 32本章小结 87com 工作原理 32思考题与习题 88com 结构与材料 3722 应变式电阻传感器 39 第 4 章电容式传感器 89com 应变效应和工作原理 3941 工作原理和结构类型 89com 电阻应变片的种类材料com 工作原理 89及粘贴 41com 结构类型 89com 电阻应变片的主要特性 4442 转换电路 93com 电阻应变片的温度误差com 等效电路 93及补偿 47com 测量电路 93com 测量电路 4943 电容式传感器的主要性能特点 9823 压阻式传感器 53com 主要性能 98com 工作原理 53com 特点 100com 影响压阻系数的因素 54 44 电容式传感器的应用 100com 压阻式传感器的材料 55 com 电容式压力传感器 10024 电阻式传感器的应用 57com 电容式加速度传感器 102本章小结 61·VI · 传感器基础com 电容式测厚传感器103 com CCD 图像传感器 134com 电容式液位传感器103 com 图像传感器的应用 137com 电容式温度传感器104 本章小结 138本章小结 105 思考题与习题 138思考题与习题 105第 7 章光纤传感器 140第 5 章压电式传感器10771 光导纤维 14051 工作原理 107 com 光纤的结构 140com 压电效应及压电材料107 com 光纤的分类 140com 压电式传感器111 com 光纤的传光原理 14152 等效电路和测量电路112 72光纤传感器概述 143com 等效电路 112 com 光纤传感器的组成 143com 测量电路 113 com 光纤传感器的性能特点 14353 压电式传感器的应用115 com 光纤传感器的分类 143com 压电式测力传感器115 com 光纤传感器的工作原理 144com 压电式加速度传感器115 73 光纤传感器的应用 146com 压电式报警器116 com 光纤加速度传感器 146com 压电式测量均匀压力com 光纤速度传感器 146传感器 117 com 光纤压力传感器 147本章小结 117 com 光纤温度传感器 148思考题与习题 118 com 光纤声传感器148com 光纤光电传感器 149第 6 章光电式传感器119com 光纤图像传感器 15061 光电效应 119 本章小结 150com 外光电效应 119 思考题与习题150com 内光电效应119第 8 章热电式传感器 15162 外光电效应器件 121com 光电管 121 81 热电偶温度传感器151com 光电倍增管 122 com工作原理 151com 外光电效应器件的应用123 com 基本定律 15463 光电导器件 125 com 热电偶的材料结构及常用com 光敏电阻 125 热电偶 155com 光电导器件的应用126 com 热电偶冷端温度补偿 15864 光生伏特器件 129 82 热电阻温度传感器 160com 光敏二极管 129 com热电阻测温原理及类型 160com 光敏三极管 130 com热电阻的结构 161com 光电池 131 com 测量电路161com 光生伏特器件的应用132 83 热敏电阻温度传感器 16265 图像传感器134 com 热敏电阻测温原理 162·VI ·目录·VII ·com 结构与材料和特性162 com 红外传感器 208com 热敏电阻的应用165 com 核辐射式传感器 20984 集成温度传感器 166 com 辐射式传感器的应用 213com 工作原理 166 本章小结 214com 集成温度传感器的应用167 思考题与习题 215本章小结 169第 11 章智能传感器 216思考题与习题 170111 智能传感器概述 216第 9 章半导体式传感器171com 智能传感器的概念 21691 半导体气敏传感器 171 com智能传感器的功能 217com 半导体气敏传感器的分类171 com 智能传感器的特点 217com 电阻型半导体气敏传感器172 112 智能传感器的实现途径 218com 气敏传感器的应用174 com 非集成化实现 21892 半导体湿敏传感器 176 com集成化实现 219com 概述 176 com 混合实现 221com 湿敏电阻的类型及原理178 113 集成化智能传感器 222com 湿敏传感器的应用181 com 集成化智能传感器的几种93 半导体磁敏传感器182 形式 222com 磁敏电阻器 182 com 集成智能传感器实例 223com 霍耳式传感器186 114 智能传感器的发展方向 22594 离子敏传感器 192 本章小结 228com ISFET 传感器的结构和工作思考题与习题 229原理 192第 12 章传感器的补偿和抗干扰技术 230com ISFET 传感器的应用195本章小结 197 121 传感器的补偿技术 230思考题与习题 198 com 非线性误差及补偿230com 温度误差及补偿 232第 10 章波式和辐射式传感器199122 传感器的标定 233101 超声波传感器 199 123 抗干扰技术 235com 超声波的测量原理199 com 干扰的产生 235com 超声波传感器的应用201 com 干扰的类型 236102 微波传感器 204 com 干扰信号的耦合方式 236com 微波传感器的原理204 com 常用的抑制干扰的措施 239com 微波传感器的组成和分类205 本章小结 241com 微波传感器的应用206 思考题与习题 241103 辐射式传感器 208参考文献 242·VII ·第 1 章传感器理论基础在系统学习各类传感器之前首先应该掌握传感器的基本理论及检测技术的相关知识主要包括传感器的概念分类和基本特性检测系统的组成与功能基本测量方法测量误差及数据处理等内容为后续知识的学习打下基础11 传感器基础在当今的信息时代人们越来越迫切地希望能准确地掌握自然界和生产领域更多的各类信息而传感器则是人们获取这些信息的主要途径和手段因此传感器与人们的关系越来越密切传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节它对于提高生产的自动化程度促进现代科学技术的发展具有极其重要的作用com 传感器的概念关于传感器的概念我国国家标准 GB 7665 1987 规定传感器 sensor 是能感受规定的测量量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置也就是说传感器是一种按一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的便于应用的某种物理量的测量器件或装置用于满足系统信息传输存储显示记录及控制等要求①传感器首先是一种测量器件或装置它的作用体现在测量上例如我们常见的发电机它是一种可以将机械能转变成电能的转换装置从能量转换的角度看它是一种发电设备不能称之为传感器但从另一个角度看人们可以通过发电机发电量的大小来测量调速系统的机械转速这时发电机就可看成是一种用于测量转速的测量装置是一种速度传感器通常称之为测速发电机应用传感器的目的就是为了获得被测量的准确信息这也是本课程的学习目的②传感器定义中所谓可用输出信号是指便于传输转换及处理的信号主要包括气光和电等信号现在一般就是指电信号如电压电流电势及各种电参数等而规定的测量量一般是指非电量信号主要包括各种物理量化学量和生物量等在工程中常需要测量的非电量信号有力压力温度流量位移速度加速度转速浓度等正是由于这类非电量信号不能像电信号那样可由电工仪表和电子仪器直接测量所以就需要利用传感器技术实现由非电量到电量的转换③传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系并且应保证一定的精度④关于传感器这个词目前国外还有许多提法如变换器 transducer 转换器converter 检测器 detector 和变送器 transmitter 等而根据我们国家的规定传感器定名为 sensor 当传感器的输出信号为标准信号 1V ～5V 4mA ～20mA 时称为变送器transmitter 注意二者不要混淆·2 ·传感器基础com 传感器的组成和分类1 传感器的组成传感器的种类繁多其工作原理性能特点和应用领域各不相同所以结构组成差异很大但总的来说传感器通常由敏感元件转换元件及测量电路组成有时还加上辅助电源如图 11 所示图 11 传感器组成框图1 敏感元件 sensing element敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的变化并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件敏感元件是传感器的核也是研究设计和制作传感器的键如图 12所示是一气体压力传感器的示意图膜盒 2 的下半部与壳体 1 固定上半部通过连杆与磁芯 4 相连磁芯 4 置于两个电感线圈 3 中后者接入测量电路 5 这里的膜盒就是敏感元件其外部与大气压力 p a 相通内部感受被测压力 p 当p 变化时引起膜盒上半部移动即输出相应的位移量图 12 气体压力传感器1壳体2膜盒3电感线圈4磁芯5测量电路2 转换元件 transduction element转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部分在图 12 中转换元件是可变电感线圈 3它把输入的位移量转换成电感的变化需要指出的是并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两部分有的传感器转换元件不止一个需要经过若干次的转换有的则是二者合二为一3 测量电路 measuring circuit测量电路又称转换电路或信号调理电路它的作用是将转换元件输出的电信号进行进·2 ·第 1 章传感器理论基础·3 ·一步的转换和处理如放大滤波线性化补偿等以获得更好的品质特性便于后续电路实现显示记录处理及控制等功能测量电路的类型视传感器的工作原理和转换元件的类型而定一般有电桥电路阻抗变换电路振荡电路等2 传感器的分类通常一种传感器可以检测多种参数一种参数又可以用多种传感器测量所以传感器的分类方法也很多至今尚无统一规定归纳起来一般有以下几种1 按工作原理分类这是传感器最常见的分类方法这种分类方法将物理化学生物等学科的原理规律和效应作为分类的依据有利于对传感器工作原理的阐述和对传感器的深入研究与分析本书主要就是按这一分类方法作为编写体系介绍各种类型的传感器按照传感器工作原理的不同传感器可分为电参数式传感器包括电阻式电感式和电容式传感器压电式传感器光电式传感器包括一般光电式光纤式激光式和红外式传感器等热电式传感器半导体式传感器波式和辐射式传感器等这些类型的传感器大部分是分别基于其各自的物理效应原理命名的2 按被测量分类按被测量的性质进行分类有利于准确表达传感器的用途对人们系统地使用传感器很有帮助为更加直观清晰地表述各类传感器的用途将种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量见表 1-1对于各派生被测量的测量亦可通过对基本被测量的测量来实现表 1- 1 基本被测量和派生被测量基本被测量派生被测量线位移长度厚度应变振动磨损平面度位移角位移旋转角偏转角角振动线速度振动流量速度角速度转速角振动线加速度振动冲击质量加速度角加速度角振动转矩转动惯量力压力质量应力力矩时间频率周期计数光光通量与密度光谱温度热容湿度水汽含水量露点浓度气液体成分黏度3 按结构分类按传感器的结构构成可分为结构型物性型和复合型传感器结构型传感器是依靠传感器结构参数如形状尺寸等的变化利用某些物理规律·3 ··4 ·传感器基础实现信号的变换从而检测出被测量它是目前应用最多最普遍的传感器这类传感器的特点是其性能以传感器中元件相对结构位置的变化为基础而与其材料特性关系不大物性型传感器则是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测量直接转换成电量的传感器例如热电偶传感器就是利用金属导体材料的温差电动势效应和不同金属导体间的接触电动势效应实现对温度的测量的而利用压电晶体制成的压力传感器则是利用压电材料本身所具有的压电效应实现对压力的测量这类传感器的敏感元件就是材料本身无所谓结构变化因此通常具有响应速度快的特点而且易于实现小型化集成化和智能化复合型传感器则是结构型和物性型传感器的组合同时兼有二者的特征4 按能量转换关系分类按照传感器的能量转换情况传感器可分为能量控制型和能量转换型传感器两大类所谓能量控制型传感器是指其变换的能量是由外部电源供给的而外界的变化即传感器输入量的变化只起到控制的作用如电阻电感电容等电参数传感器霍耳传感器等都属于这一类传感器能量转换型传感器主要由能量变换元件构成它不需要外电源如基于压电效应热电效应光电效应等的传感器都属于此类传感器此外根据被测量的性质可以将传感器分成物理型化学型和生物型传感器三大类根据传感器的使用材料也可以将传感器分为半导体传感器陶瓷传感器金属材料传感器复合材料传感器高分子材料传感器等根据应用领域的不同还可分为工业用农用民用医用及军用等不同类型根据具体的使用目的又可分为测量用监视用检查用诊断用控制用和分析用传感器等com 传感器的基本特性为了更好地掌握和使用传感器必须充分地了解传感器的基本特性传感器的基本特性是指系统的输出输入关系特性即系统输出信号 y t 与输入信号被测量 x t 之间的系如图 13 所示图 13 传感器系统根据传感器输入信号 x t 是否随时间变化其基本特性分为静态特性和动态特性它们是系统对外呈现出的外部特性但与其内部参数密切相关不同的传感器内部参数不同因此其基本特性也表现出不同的特点一个高精度传感器必须具有良好的静态特性和动态特性才能保证信号无失真地按规律转换1 静态特性当传感器的输入信号是常量不随时间变化或变化极缓慢时其输出输入关系特性称为静态特性传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述·4 ·第 1 章传感器理论基础·5 ·1 测量范围 measuring range传感器所能测量到的最小输入量 xmin 与最大输入量 x 之间的范围称为传感器的测量范围2 量程 span传感器测量范围的上限值x 与下限值xmin 的代数差x xmin 称为量程3 精度 accuracy传感器的精度是指测量结果的可靠程度是测量中各类误差的综合反映测量误差越小传感器的精度越高传感器的精度用其量程范围内的最大基本误差与满量程输出之比的百分数表示其基本误差是传感器在规定的正常工作条件下所具有的测量误差由系统误差和随机误差两部分组成如用 S 表示传感器的精度则ΔS × 100 1-1y FS式中Δ测量范围内允许的最大基本误差y FS 满量程输出 FS 是英文 Full Scale 满量程的缩写工程技术中为简化传感器精度的表示方法引用了精度等级的概念精度等级以一系列标准百分比数值分档表示代表传感器测量的最大允许误差如果传感器的工作条件偏离正常工作条件还会带来附加误差温度附加误差就是最主要的附加误差4 线性度 linearity所谓传感器的线性度是指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度又称为非线性误差如不考虑迟滞蠕变等因素一般传感器的输出输入特性关系可用 n 次多项式表示为y a a x a x2 a xn 1-20 1 2 n式中x 为输入量 y 为输出量 a 为零输入时的输出也叫零位输出 a 为传感器线性1项系数也称为线性灵敏度 a2 a3 an 为非线性项系数在不考虑零位输出的情况下传感器的线性度可分为以下几种情况1 理想线性特性当式 1-2 中a 为常数而 a a a a 0 时即1 023 ny a x 1-31称为理想线性特性如图 14 a 所示这时传感器的线性最好也是我们最希望传感器所具有的特性具有该特性的传感器的灵敏度为直线y a x 的斜率即1yk a1 常数1-4x2 仅有偶次非线性项传感器的输出输入特性为y a a x 2 a x 4 a nx 2n n 0 1 2 1-50 2 4 2由于没有对称性此特性线性范围较窄线性度较差如图 14 b 所示一般传感器设计很少采用这种特性·5 ··6 · 传感器基础3 仅有奇次非线性项传感器的输出输入特性为y a a x 3 a x 5 a n x 2n1 n 0 1 2 1-61 3 52 1此传感器特性相对于坐标原点对称其线性范围较宽线性度较好如图 14 c 所示是比较接近于理想直线的非线性特性4 普遍情况一般情况下传感器的输出输入特性为y a x a x2 a x3 a x n 1-71 2 3 n如图 14 d 所示图 14 传感器的非线性在实际使用非线性传感器时如果非线性项的次数不高则在输入量变化范围不大的情况下可采用直线近似地代替实际输入输出特性曲线的某一段使传感器的非线性特性得到线性化处理这里所采用的直线称为拟合直线实际输入输出特性曲线与拟合直线的最大相对误差就是非线性误差用γ L 来表示即ΔLγL ± × 100 1-8y FS式中ΔL 非线性最大误差y FS 满量程输出值目前常用的拟合方法有理论拟合过零旋转拟合端点拟合端点平移拟合及最小二乘拟合等在图 15 a 中拟合直线为传感器的理论特性与实际测试值无关这种方法称为理论拟合应用十分简便但一般说来ΔL 很大图 15 b 为过零旋转拟合常用于校正特性曲线过零的传感器拟合时使ΔL ΔL1 2ΔL 这种方法也比较简单非线性误差比前一种小很多图 15 c 所示的端点拟合是把实际特性曲线两端点的连线作为拟合直线这种方法比较简便但ΔL 较大。
1.2传感器分类性能指标概述
第1章 传感器理论基础
2．传感器的分类 按工作原理分类：可分为电参数式 (电阻式传感器、电 感式传感器、电阻式传感器、压电式传感器、光电式传 感器、热电式传感器等、霍尔式传感器等。 优点：对传感器的工作原理表达的比较清楚，有利于专 业人员对传感器进行深入的研究。 缺点：另对传感器不够了解的人感到迷惑，使用不便。
第二课 传感器的性能指标
第1章 传感器理论基础
传感器标准定义：国家标准GB7665-2005 《传 感器通用术语》中，对传感器下的定义是：“能感 受（或响应）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。 传感器的作用：测量 有一定关系的电量。 非电学量，并转化成与其
第1章 传感器理论基础
第1章 传感器理论基础
1.3传感器技术指标
误差与准确度等级
1.绝对误差Δx； 相对误差：2.实际相对误差γA；
3.示值相对误差γx； 4.满度相对误差γm；
第1章 传感器理论基础
1.3传感器技术指标 误差于准确度等级
1.绝对误差Δx 绝对误差指测量值x与真实值A0之间的 差值，用公式表示为： Δx= x- A0
第1章 传感器理论基础
4) 灵敏度 灵敏度是指传感器输出增量 与输入增量比值，即
y k x
传感器的灵敏度
第1章 传感器理论基础
5) 分辨力和阈值
分辨力 传感器能检测到输入量最小变化量Δxmin的能力。
除以慢量程输入值后 以 百分数表示就变成了
当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。 阈值 是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输 入量值，即零点附近的分辨力。
8) 漂移 指：由于传感器内部因素或 外界的干扰，传感器输出量发 生与输入量无关的变化。 漂移包括：零点漂移和灵敏 度漂移等。 传感器的漂移
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第3章 传感器理论基础
3.1传感器的组成和分类 3.2传感器的基本特性
第3章 传感器理论基础
传感器的组成和分类
组成
分类 按被测参数 被测参数分：温度、压力、位移、速度等 被测参数 按工作原理 工作原理分：应变式、电容式、压电式、磁电式等 工作原理
第3章 传感器理论基础
3
A
5 1
重复性
重复性——传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变 化时，所得特性曲线不一致的程度。 数学表达式
∆Rmax γR = ± × 100% YFS
6
第3章 传感器理论基础
漂移
传感器的漂移——输入量不变的情况下，传感器输 出量随着时间变化。 产生的原因？（传感器自身结构参数；周围环境） 温度漂移
静态特性 动态特性
灵敏度 瞬态响应特性 线性度 频率响应特性 迟滞 重复性 漂移 2 n 传感器静态输入、输出关系一般可表示为： 传感器静态输入、输出关系一般可表示为 y = a 0 + a1 x + a 2 x + L + a n x
第3章 传感器理论基础
灵敏度
灵敏度——单位输入量的变化所引起传感器输出量 的变化。 ∆y S= ∆x
13
第3章 传感器理论基础
频率响应特性指标
通频带ω0.707 工作频带ω0.95 时间常数τ 固有频率ωn 相位误差 跟随角Φ0.707
第3章 传感器理论基础
传感器静态特性标定
传感器静态标定的过程如下： 1.将传感器全量程标准输入量分成若干个间断点，取各点的 值作为标准输入值。 2.由小到大一点一点地输入标准值，待输出稳定后记录与各 输入值相对应的输出值。 3.由大到小一点一点地输入标准值，待输出稳定后记录与各 输入值相对应的输出值。 4.按步骤2和3所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环 多次测试，将所得输入和输出数据用表格列出或画出曲线。 5.对测试数据进行必要的分析和处理，以确定该传感器的静 态特性指标。
第3章 传感器理论基础
量 程: 50 kN 输 出: 1.5 mV/V 非 线 性: 0.1 % F·S 滞 后: 0.1 % F·S : 重 复 性: 0.1 % F·S 温 漂: 0.01 % F·S/oC 零位输出: ≤2 % F·S 激励电压: 10V 工作温度: -20～80 oC 过载能力: 150% F·S
2
第3章 传感器理论基础
线性度
线性度是指？（输出与输入之间数量关系的线性程度） 关于拟合 ∆Lmax 数学表达式 γ L = ± Y × 100%
FS
第3章 传感器理论基础
ห้องสมุดไป่ตู้
图 2 - 4几种直线拟合方法 (a) 理论拟合； (b) 过零旋转拟合； (c) 端点连线拟合； (d) 端点平移拟合
2 4 T
B T0
图3－2 应变式加速度传感器 1－应变梁 2－质量块 3－应变片 4－壳体
第3章 传感器理论基础
传感器的基本特性
在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进 行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的 变化并不失真地变换成相应的电量——基本特性 传感器的基本特性通常分为静态特性和动态特性
第3章 传感器理论基础
迟滞
迟滞——传感器在输入量由小到大（正行程）及输 入量由大到小变化期间其输入输出特性曲线不重合 的现象。 ∆H max γH = ± ×100% 数学表达式 YFS 产生的原因？（传感器敏感元件材料的物理性质和机械零
部件的缺陷）
第3章 传感器理论基础
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第3章 传感器理论基础
dny d n −1 y dy d mx d m −1 x dx a n n + a n −1 n −1 + L + a1 + a 0 y = bm m + bm −1 m −1 + L + b1 + b0 x dt dt dt dt dt dt
零阶系统（又称比例系统）
y ( t ) = kx ( t )
第3章 传感器理论基础
瞬态响应特性（1）
一阶传感器的单位阶跃响应
对于一个阶跃输入： 0 t ≤ 0 x (t ) = 1 t > 0 得一阶传感器的单位阶跃响应 信号
x(t )
y (t )
y (t ) = 1 − e
−
t
τ
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传感器存在惯性， τ 值是一阶传感器重要的性能参数
第3章 传感器理论基础
第3章 传感器理论基础
频率响应特性
频率响应特性——传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性 一阶传感器的频率响应
幅频特性：
1 + (ωτ ) 2 相频特性：Φ (ω ) = − arctg (ωτ )
τ 值是一阶传感器频率响应的重要性能参数
A(ω ) =
1
第3章 传感器理论基础
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第3章 传感器理论基础
以输出的平均值求端 点连线拟合直线，问 灵敏度和线性度、迟 滞、重复性误差各是 多少？
y 下行程
0 4.75
15.25 20
第3章 传感器理论基础
传感器的动态特性
传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应 特性。 例：动态测温
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第3章 传感器理论基础
传感器基本动态特性方程
传感器的动态特性一般用下述微分方程来描述：
一阶系统（又称惯性系统）
τ
完全跟踪，无滞后
dy ( t ) + y ( t ) = kx ( t ) 二阶系统 2 dt d y (t ) dy ( t ) + 2ξω n + ω n2 y ( t ) = ω n2 x dt 2 dt
几个重要参数
k
τ
ξ
ωn
第3章 传感器理论基础
动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传 感器输入量的变化形式有关。也就是说，我们在研究 传感器动特性时， 通常是根据不同输入变化规律来 考察传感器的响应的。 瞬态响应特性——用得较多的标准输入信号有阶跃信号和脉冲信号 频域响应特性——输入为正弦信号
瞬态响应特性（2）
二阶传感器的单位阶跃响应
2 ωn 1 Y (S ) = 2 ⋅ 2 S + 2ξωn S + ωn S
过阻尼、欠阻尼、临界阻尼 二阶传感器对阶跃信号的响 应曲线在很大程度上取决于 阻尼比ξ和固有角频率ωn
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第3章 传感器理论基础
传感器的时域动态性能指标
时间常数τ 延迟时间td 上升时间tr 峰值时间tp 超调量σ
频率响应特性
二阶传感器的频率响应
幅频特性
A(ω ) = [1 − ( 1
ω 2 2 ω 2 ) ] + (2ξ ) ωn ωn
2ξ
相频特性
ω ωn Φ(ω ) = −arctg ω 1 − ( )2 ωn
第3章 传感器理论基础
二阶传感器的频率响应 特性好坏主要取决于传 感器的固有频率ωn和阻 尼比ξ。 当ξ<1, ωn»ω时, A（ω） ≈1, Φ（ω）很小, 此时, 传感器的输出y(t)再现了 输入x(t)的波形。通常固 有频率ωn至少应大于被 测信号频率ω的 3～5 倍, 即ωn≥（3～5）ω。
yt − y20 ξ= ∆t
第3章 传感器理论基础
课堂练习
有一位移测量系统，对位移在0～5mm的范围进行了 两个循环的测量，测量数据如下：
xi （mm） yi
mV） 上行程 下行程 上行程 0 0 0 0 0 0 1 5 4 5 5 5 2 10 9 10 10 11 10 3 15 14 16 15 16 4 20 20 21 19 20 5 25 25 25 25 25 25