07传感器及应用第4章
传感器原理及其应用(第二版)部分习题答案
24.875
精品
第1章 传感器的一般特性
4、何为传感器的静态特性？静态特性的主要技术指标有 哪些？ 答：传感器的静态特性是在稳态信号作用下的输入输出 特性。 衡量静态特性的重要指标有灵敏度、线性度、迟滞、重 复性、稳定性等。
精品
第1章 传感器的一般特性
5、何为传感器的动态特性？动态特性的主要技术指标有 哪些？ 答：传感器的动态特性是传感器在被测量随时间变化的 条件下输入输出关系。动态特性有分为瞬态响应和频率 响应。
第3章 电感式传感器及其应用
(2) 接成单臂电桥后的电桥输出电压值为： U 0 U 2 Z Z 1 2 Z Z 2 1 U 2 Z Z 0 0 Z Z 0 Z Z 0 U 2 2 Z Z 0 2 4 2 1 8 0 5 . 3 5 - 0 . 1 1 7 V
精品
第1章 传感器的一般特性
3、对某传感器进行特性测定所得到的一组输入—输出数 据如下：
输入x：0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 输出y；2.2 4.8 7.6 9.9 12.6 15.2 17.8 20.1 22.1 试计算该传感器的非线性度和灵敏度。
精品
第1章 传感器的一般特性
当衔铁移动Δδ时，单端式传感器的灵敏度△L/△δ为：
k L L 0 0 5 0 4 .5 1 1 0 0 2 3 m H 1 0 .8H /m 3 3 .9 1 2 H /m
若做成差动结构形式，根据差动的变隙式的灵敏度公式 有：
k 差 动 L 2 L 0 0 2 0 5 .5 4 1 0 1 0 2 m 3 H 2 1 .6H /m 6 7 .8 2 4 H /m
故将其做成差动结构后，灵敏精品度将提高一倍。
传感器原理及工程应用习题参考答案
《传感器原理及工程应用》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%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。
解：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。
然后重新计算平均值和标准偏差。
当n ＝14时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.37。
传感器技术与应用(第2版) 第4章 光电式传感器
I = F1（f ）
或
S = F2（f ）
称为频率特性。以光生伏打效应原理工作的
光敏元件（如光电池）频率特性较差，
以内光电效应原理工作的光敏元件（如 光敏电阻）频率特性更差。
图4 -11各种光敏元件的频率响应
(a)光敏电阻器；(b)光电池；(c)光敏三极管
5.温度特性
部分光敏器件输出受温度影响较大。
光敏电阻，当温度上升时，暗电流增大， 灵敏度下降。
光敏晶体管，由于温度变化对暗电流影响 非常大，并且是非线性的，给微光测量带来 较大误差。
光电池受温度的影响主要表现在开路电压 随温度增加而下降，短路电流随温度上升缓 慢增加。
第4章 光电式传感器
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8
光电效应 光电器件 红外线传感器 色彩传感器 CZG－GD－500系列紫外火焰传感器 光纤传感器 光传感器应用实例 实训
4.1 光电效应
4.1 光电效应
光电元件的理论基础是光电效应。
红外线传感器可以检测到这些物体发射出 的红外线，用于测量、成象或控制。
用红外线作为检测媒介，来测量某些非电 量，比可见光作为媒介的检测方法要好。其 优越性表现在：
(1) 红外线（指中、远红外线）不受周围可见 光的影响，故可在昼夜进行测量。
(2) 由于待测对象发射出红外线，故不必设光 源。
图 4 -14 热释电红外传感器等效电路
4.PVF2 热释电红外传感器 PVF2是聚偏二氟乙烯的缩写，是一种经
过特殊加工的塑料薄膜。
传感器原理与应用技术全书电子精品教案完整版精品课件
传感器原理与应用技术全书电子精品教案完整版精品课件一、教学内容本节课我们将深入探讨《传感器原理与应用技术》这本教材第三章“传感器工作原理”和第四章“传感器应用技术”。
具体内容包括传感器基本概念、传感器分类、各类传感器工作原理以及在实际工程中应用案例。
二、教学目标1. 理解传感器基本概念，掌握传感器分类和工作原理；2. 学会分析不同传感器性能特点，并能够根据实际需求选择合适传感器；3. 培养学生动手实践能力，使其能够运用所学知识解决实际问题。
三、教学难点与重点1. 教学难点：传感器工作原理及其在实际应用中性能分析；2. 教学重点：传感器分类、工作原理以及应用案例分析。
四、教具与学具准备1. 教具：传感器实物、PPT课件、投影仪；2. 学具：学习手册、笔、计算器。
五、教学过程1. 实践情景引入（5分钟）：通过展示传感器在生活中应用实例，引发学生对传感器好奇心和兴趣；2. 理论讲解（15分钟）：详细讲解传感器分类、工作原理，结合PPT课件和实物展示，让学生直观地理解传感器工作原理；3. 例题讲解（10分钟）：通过讲解典型例题，使学生学会分析传感器性能特点；4. 随堂练习（10分钟）：让学生独立完成练习题，巩固所学知识；5. 动手实践（15分钟）：分组进行传感器实验，培养学生动手实践能力；六、板书设计1. 板书内容：传感器分类、工作原理、应用案例；2. 板书布局：左侧为分类、工作原理，右侧为应用案例。
七、作业设计1. 作业题目：（1）简述传感器分类和工作原理；作业答案：1. （1）传感器分类：按工作原理可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器等；按输出信号可分为模拟传感器、数字传感器等。
传感器工作原理：利用一定物理、化学或生物效应，将被测量信息转换为可输出信号。
（2）应用案例1：温度传感器。
作用：实时监测环境温度；性能特点：精度高、响应速度快、线性度好。
八、课后反思及拓展延伸1. 课后反思：本节课通过理论讲解、例题讲解、随堂练习和动手实践，使学生全面掌握传感器工作原理和应用技术。
《传感器及其应用》第四章习题答案
第四章 思考题与习题1、简述磁电感应式传感器的工作原理。
磁电感应式传感器有哪几种类型？答：磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的，根据法拉第电磁感应定律可知，N 匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通量变化时，线圈中所产生的感应电动势e 的大小取决于穿过线圈的磁通φ的变化率，即：dtd Ne Φ-= 根据这个原理，可将磁电感应式传感器分为恒定磁通式和变磁通式两类。
2、某些磁电式速度传感器中线圈骨架为什么采用铝骨架？答：某些磁电式速度传感器中线圈采用铝骨架是因为线圈在磁路系统气隙中运动时，铝骨架中感应产生涡流，形成系统的电磁阻尼力，此阻尼起到衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。
3、何谓磁电式速度传感器的线圈磁场效应，如何补偿？答：线圈磁场效应是指磁电式速度传感器的线圈中感应电流产生的磁场对恒定磁场作用，而使其变化。
如公式v BlN e 0-=知，由于B 的变化而产生测量误差。
补偿方法通常是采用补偿线圈与工作线圈串接，来抵消线圈中感应电流磁场对恒定磁场的影响。
4、为什么磁电感应式传感器在工作频率较高时的灵敏度，会随频率增加而下降？ 答：由理论推到可得传感器灵敏度与频率关系是：42020220220)(1)(1)2()1()(ωωωωξωωξωωωω-===+-=NBl v e k v NBl e v 取 当振动频率低于传感器固有频率时，这种传感器的灵敏度是随振动频率变化；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。
5、变磁通式传感器有哪些优缺点？答：变磁通式传感器的优点是对环境条件要求不高，能在－150—+900C 的温度条件下工作，而不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。
缺点主要是它的工作频率下限较高，约为50Hz ，上限可达100kHz ，所以它只适用于动态量测量，不能测静态量。
传感器原理与应用第四章
课堂互动内容 根据课堂所学知识，讨论实际生活中电容传感器的应用情况？ 讨论其他处理寄生电容影响的方法？ 讨论差动式电容传感器的主要优缺点？
习 题
1．电容式传感器有什么特点？试举出你所知道的电容传感器的实例。 2． 试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容传感器的灵敏度？为了提高传感器的灵敏度可采 取什么措施并应注意什么问题？ 3．为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的？采取什么措施可改善其非线性特征。 4．变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图1所示。传感器的起始电容量 C_x0=20pF ，定动极板距离d_0=1.5mm ，C_0=10pF，运算放大器为理想放大器，R_f 极大，输入 电压u_i=5sinωt 。求当电容传感器动极板上输入一位移量∆x=0.15mm 使d_0 减小时，电路输出电 压u_0 为多少？ 5．如图2所示正方形平板电容器，极板长度a=4cm，极板间距离δ=0.2mm 。若用此变面积型传感器 测量位移 x ，试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线。极板间介质为空气，ε_0=8.85× 〖10〗^(-12) F/m。
4.4 电容式传感器的应用
4.4.1 差动式电容压力传感器
图 4-14 所示为差动式电容压力传感器的结 构图。图中所示为一个膜片动电极和两个 在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差 动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并使之产 生位移时，形成的两个电容器的电容量， 一个增大，一个减小。该电容值的变化经 测量电路转换成与压力或压力差相对应的 电流或电压的变化。
本章小结 本章主要介绍了电容式传感技术的理论基础，并在此基础之上介绍了电容传感器的三种分类 及各自的工作原理。介绍了电容式传感器的测量电路的构成，对电容传感器的优缺点进行了 总结，并对电容传感器进行了误差分析。章节的最后进行了电容式传感器的应用举例，通过 差动式电容压力传感器、加速度传感器、测厚传感器、料位传感器、液位传感器及物位传感 器的实际应用，进一步深化了电容式传感器的知识。
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
传感器原理与应用数据分析第6讲第4章 模数转换
4.1 ADC的主要技术指标
三、模数转换器的性能指标
2 动态性能 信噪比
信号杂波比(SNR) 是输入信号的功率均方根与噪声功率
均方根的比值 (排除谐波失真)，其大小以分贝(dB) 表示，方
程式（4-1-3）是信噪比的定义，这是预期噪声与测量信号的
比值。
（4-1-3）
4.1 ADC的主要技术指标
三、模数转换器的性能指标 2 动态性能 谐波失真
在最大输入电压一定时，输出位数愈多，分辨率愈高。 例如A/D转换器输出为8位二进制数，输入信号最大值为5V,那 么这个转换器应能区分出输入信号的最小电压为9.53mV。 输出10位，能区分出输入信号的最小电压为4.88mV。
4.1 ADC的主要技术指标
一、转换精度
(2) 转换误差 转换误差有多种形式，通常是以输出误差的最大值形式给出。
满刻度误差会造成转移函 数曲线的斜率改变。增益误差 是另一项类似规格，它也是用 来描述转移函数的非理想斜率 以及偏移误差为零时，最大编 码的变换点会出现在什么位置 。
满刻度误差包含实际和理想 转移函数之间的增益误差和偏 移误差。
4.1 ADC的主要技术指标
三、模数转换器的性能指标
1 直流精确度 差分非线性误差
A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关。其中并行比较 A/D转换器的转换速度最高，（8位二进制输出的单片集成A/D转换 器转换时间可达到50ns以内）逐次比较型A/D转换器次之，（转换时间 在10～50μs以内），间接A/D转换器的速度最慢，（如双积分A/D转换器的 转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间）。 在实际应用中，应从系统数据总的位数、精度要求、输入模 拟信号的范围以及输入信号极性等方面综合考虑A/D转换器的 选用。
传感器原理与应用习题第4章电容式传感器 (1)
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第4章 电容式传感器4-1 电容式传感器可分为哪几类？各自的主要用途是什么？答：（1）变极距型电容传感器：在微位移检测中应用最广。
（2）变面积型电容传感器：适合测量较大的直线位移和角位移。
（3）变介质型电容传感器：可用于非导电散材物料的物位测量。
4-2 试述变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及在设计中如何减小这一误差？答：原因：灵敏度S 与初始极距0δ的平方成反比，用减少0δ的办法来提高灵敏度，但0δ的减小会导致非线性误差增大。
采用差动式，可比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。
由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。
4-3 为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要？设计和应用中如何解决这些问题？答：电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小，属于小功率、高阻抗器，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没没有用信号而不能使用。
解决：驱动电缆法、整体屏蔽法、采用组合式与集成技术。
4-4 电容式传感器的测量电路主要有哪几种？各自的目的及特点是什么？使用这些测量电路时应注意哪些问题？4-5 为什么高频工作的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变动？答：因为连接电缆的变化会导致传感器的分布电容、等效电感都会发生变化，会使等效电容等参数会发生改变，最终导致了传感器的使用条件与标定条件发生了改变，从而改变了传感器的输入输出特性。
4-6 简述电容测厚仪的工作原理及测试步骤。
4-7 试计算图P4-1所示各电容传感元件的总电容表达式。
4-8如图P4-2所示，在压力比指示系统中采用差动式变极距电容传感器，已知原始极距1δ＝2δ＝0.25mm ，极板直径D ＝38.2mm ，采用电桥电路作为其转换电路，电容传感器的两个电容分别接R ＝5.1k Ω的电阻后作为电桥的两个桥臂，并接有效值为U1＝60V 的电源电压，其频率为f ＝400Hz ，电桥的另两桥臂为相同的固定电容C ＝0.001μF 。
第4章+应变式传感器(改)
1.自补偿法 1)选择自补偿——敏感栅材料与试件材料 2)组合式自补偿
第4章 应变式传感器
(5)电阻应变片的温度补偿方法
1)选择自补偿——利用自身具有温度自补偿作用应变
片
R0
t
R0 K0
0
K0
(g
s )t
当被测试件的线膨胀系数βg已知时, 如果合理选择敏感栅材 料, 即选择其电阻温度系数α0、灵敏系数K0和线膨胀系数βs, 使式α0/K0+(βg-βs)=0成立, 则不论温度如何变化, 均有 ΔRt/ R0=0, 从而达到温度自补偿的目的。
注：应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数， 这是因为栅端圆弧部分存在横向效应。
第4章 应变式传感器
(4)横向效应
4-3
横向效应——栅状结构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。 产生原因： ①应变片的纵向应与测量的形变方向一致； ②圆弧部分产生了一个负的电阻变化降低了应变片的灵敏度系数
电阻丝的电阻R为
图4-1 金属丝应变效应
求R的
R L 全微分 R L S
S
R LS
L S 2r 2 L 2
L
Sr
L
R (1 2)
R
对于金属和半导体材料，上两项的不同 ？
第4章 应变式传感器
4.1 应变式传感器的工作原理
电阻变化
电阻丝几何尺寸变化引起的 电阻丝电阻率变化引起的
2)电桥的和差特性 全桥接法：4桥臂均为工作应变片
相邻桥臂:应变极性相同时,电桥输出电压与两应变差有关；应变极性 相反时,电桥输出电压与两应变和有关。
相对桥臂:输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反。
绪论 《传感器技术与应用》课件
热敏电阻
2020/7/7
15
LED、LCD的特点：
LED亮度高、耐振动；LCD耗电省、集成度高， 但不利于夜间观察。
2020/7/7
16
图像显示
特点—— 能显示复杂的 图形和曲线， 但价格昂贵。
2020/7/7
17
记录仪
主要 用来记录 被检测对 象的动态 变化过程。
本书的章节目录
第1章 传感器理论基础 第2章 电阻式传感器 第3章 电感式传感器 第4章 电容式传感器 第5章 压电式传感器 第6章 热电式传感器 第7章 光电式传感器 第8章 霍尔传感器 第9章 波式传感器 第10章 传感器在工业中的应用
2020/7/7
1
检测技术
信息科学的一个重要分支，与计算机技 术、自动控制技术和通信技术构成了信 息技术的完整学科。
2020/7/7
28
提高可靠性 承受剧烈振动
2020/7/7
29
应用新技术和新的物理效应，扩大检 测领域
2020/7/7
月球车
30
鉴于传感器与信号调理电路分开，微弱的传感器信号 在通过电缆传输的过程中容易受到各种电磁干扰信号 的影响，各种传感器输出信号形式众多，使检测仪器 与传感器的接口电路无法统一和标准化，实施起来颇 为不便。随着大规模集成电路技术与产业的迅猛发展， 采用贴片封装方式、体积大大缩小的通用和专用集成 电路愈来愈普遍；因此，目前已有不少传感器实现了 敏感元件与信号调理电路的集成和一体化，对外直接 输出标准的4～20 mA电流信号；成为名符其实的变 送器。这对检测仪器整机研发与系统集成提供了很大 的方便，从而亦使得这类传感器身价倍增。其次，一 些厂商把两种或两种以上的敏感元件集成于一体，而 成为可实现多种功能新型组合式传感器。例如，将热 敏元件和湿敏元件和信号调理电路集成在一起，一个 传感器可同时完成温度和湿度的测量。
传感器原理及应用课后习题答案吴建平机械工业出版
传感器原理及应用课后习题答案（吴建平）郭朝晖机械工业出版2010-07-06习题集及答案第1章概述1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。
1.3 简述传感器主要发展趋势，并说明现代检测系统的特征。
1.4 传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。
1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。
如果没有传感器，应该出现哪种状况。
1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案1.1答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。
我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。
从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。
我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“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和装置”。
定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。
按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。
1.2答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。
传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
1.3答：（略）答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。
按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。
传感器-第4章(电阻式)
第2章
电阻式传感器 3
3、半导体和金属的电阻率与温度关系的区别？ 金属是由金属原子组成的晶格和自由电子组成的， 实际参与导电的是自由电子。晶格是一直振动的， 和分子的热运动相关。金属之所以有电阻是由于 晶格对自由电子的定向移动的阻碍。而且由于温 度越高，晶格震动越强烈，所以它的阻碍效应就 越明显，这是金属电阻随温度升高而变大的原因。 对于半导体，它的电子基本都被束缚在原子核上。 所以它需要一定的温度或者光来激发，是它的电 子获得足够的能量，摆脱原子核的束缚，从而成 为能够参与导电的粒子。所以温度升高，能够参 与导电的粒子就越多，电阻就越小。
第2章
电阻式传感器 1
压阻式传感器应变片工作原理：压阻式传感器是 利用半导体的压阻效应制成的。半导体材料受到 应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称 为压阻效应。其灵敏系数为
R R K πL E ε
压阻式传感器的优点是：灵敏度高，测量元件尺 寸小，频率响应高，横向效应小。但它的温度稳 定性差，在较大的应变下，灵敏度的非线性误差 大。所以用压阻式传感器进行测量的时候，必须 要采取温度补偿，以消除温度对测量结果的影响。
电阻式传感器 4
4、请分析右图中的台式称重传感器的应变片该怎
么粘贴？并分析其变形情况。
第2章
电阻式传感器 5
5、请分析右图中的应变式荷重传感器的应变片该
怎么粘贴？并分析其变形情况。
F
R1 R 2
R4
第2章
电阻式传感器 5
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。
荷重传感器原理演示
(4)焊接：将引线和端子用 烙铁焊接起来，注意不要把 端子扯断。
第2章
电阻式传感器 1
传感器与检测技术-温度量传感器及应用
v【例4-1】 已知铂铑30-铂热电偶的EAC（ 1084.5,0）=13.937(mV)，铂铑6-铂热电 偶的EBC（1084.5,0）=8.354(mV)。求铂 铑30-铂铑6在相同温度条件下的热电动势。
v解：由标准电极定律可知，EAB(T,T0) = EAC(T,T0) - EBC (T,T0)
3.热电阻的测量电路
热电阻三线制接法测量桥路
热电阻测温电路的四线制接法
4.热电阻的应用 v①温度测量
②流量测量
4.2.2 热敏电阻和集成温 度传感器
v1.热敏电阻结构 v大部分半导体热敏电阻是由各种氧化物按一定比
例混合，经高温烧结而成。如图4-7所示。多数 热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时， 其电阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原 因，限制了它在高温下的使用。
惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。 v 国产钨铼3-钨铼25、钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围在300～
2000℃，分度精度为1％。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等 场合。 v ③金铁—镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在2～273K范围内使用， 灵敏度约为10μV／℃。 v ④钯—铂铱15热电偶 v 是一种高输出性能的热电偶，在1398℃时的热电势为47.255mV， 比铂铑10—铂热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵 敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。
v（4）如果使冷端温度Ｔ0保持不变，则热电动势 便成为热端温度Ｔ的单一函数。用实验方法求取
这个函数关系。
2. 热电偶的基本定律
v(1) 均质导体定律 v由一种均质导体组成的闭合回路中, 不论导体的截
面和长度如何以及各处的温度分布如何, 都不能 产生热电势。 v该定律说明：（1）热电偶必须采用两种不用材料 的导体组成；（2）热电偶必须由均质材料构成， 如果热电偶的热电极是非均质导体，在不均匀温 度场中测温时将造成测量误差。因此该定律有助 于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均 匀性。
无线传感器网络原理及应用第4章 定位技术
第4章 定位技术
4.2.2 基于TDOA的定位 TDOA测距技术被广泛应用在WSN定位方案中。一般是
在节点上安装超声波收发器和RF收发器。测距时，在发射 端两种收发器同时发射信号，利用声波与电磁波在空气中传 播速度的巨大差异，在接收端通过记录两种不同信号到达时 间的差异，基于已知信号传播速度，则可以直接把时间转化 为距离。该技术的测距精度较RSSI高，可达到厘米级，但 受限于超声波传播距离有限和非视距(NLOS)问题对超声波 信号的传播影响。
第4章 定位技术
来确定自身位置。在如图4-1所示的传感网络中，M代表信 标节点，S代表未知节点。S节点通过与邻近M节点或已经得 到位置信息的S节点之间的通信，根据一定的定位算法计算 出自身的位置。
第4章 定位技术
图4-1 传感器网络中信标节点和未知节点
第4章 定位技术
2．节点位置计算的常见方法 传感器节点定位过程中，未知节点在获得对于邻近信标 节点的距离，或者获得邻近的信标节点与未知节点之间的相 对角度后，通常使用下列方法计算自己的位置。
第4章 定位技术
图4-2 三边测量定位法
第4章 定位技术
21
3
(x x1)2 (y y1)2 (x x2)2 (y y2)2 (x x3)2 (y y3)2
(4-1)
由公式(4-1)即可解出节点D的坐标(x，y)：
x y 2 2 ( (x x 1 2 x x 3 3 ) )2 2 ( (y y 1 2 y y 3 3 ) ) 1 x x 1 2 2 2 x x 3 3 2 2 y y 1 2 2 2 y y 3 3 2 3 3 2 3 2 1 2 2 2
第4章 定位技术
基于距离的定位算法通过获取电波信号的参数，如接收 信号强度(RSSI)、信号传输时间(TOA)、信号到达时间差 (TDOA)、信号到达角度(AOA)等，再通过合适的定位算法 来计算节点或目标的位置。 4.2.1 基于TOA的定位
第四章 常用传感器原理及应用
Ca
Cc
R0
★ 由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压 电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无 法保持不变，从而造成测量误差。因此，不宜利用压电 式传感器测量静态或准静态信号，而适宜做动态测量。
★ 压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往 是两片或多片进行串联或并联。
+
并联：适于测缓变信号和以电荷为 输出量的场合
3、介电常数变化型 此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。
两圆筒间的电容为：空气的介
21 L C ln(R r )
外电极 内半径
电常数
电极 长度
内电极 内半径
如果电极的一部分被非导电性液 体所浸没时，则会有电容量的增 量∆C产生：
2 ( 2 1 )l C ln(R r )
线圈
铁芯
衔铁
由于 δ 很小，可认为气隙磁场是均匀的 ，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为：
线圈 铁芯
衔铁
l 2 Rm A 0 A0
由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略
2 Rm 0 A0
N 0 A0 L 2
传感器灵敏度： K
2
dL
N 2 0 A0 2
2
d
N 2 0 A0 2 2
这种传感器适用于较小位移 的测量，测量范围约在 0.001~1mm左右。
2、变面积式 原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相 对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致 线圈的电感量发生变化。 特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏 度为一常数，因而线性度较好，量程范围可 取大些，自由行程可按需要安排，制造装配 也较方便，因而应用较为广泛。 3、螺管式 原理：衔铁随被测对象移动，线圈 磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈 电感量也因此而变化。 特点：灵敏度更低，但测量范围大 ，线性也较好，同时自由行程可任意 安排，制造装配方便，应用较广泛。
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07传感器及应用第4章讲稿
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（3）分辨力
• 分辨力是传感器检测微小变化的能力 • 对电位器传感器来说，电位器所能反映
的输入量最小变化（ 线径d）就是分辨力
• 线径越细，分辨率就越好 • 要提高传感器的精度（d/Xmax），就要减
少绕线的直径
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3.非线性电位器
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• 铁心与衔铁的
初始距为，线
圈的匝数为N
• 由电感定义可 得
L=N/I
N为匝数
为磁通
L为电感
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• 磁通的表示式为：
I
n
Rmi
i 1
Rmi
li
i Ai
• 电感表示式为：
L
n
Rmi
i 1
N2 n li
i1 i Ai
• A阻i为，各li为段第导i段磁的材平料均的长截度面，积，i为Rm第i为i段第的i段磁的导磁率，
• 当 s1互感增大， s2互感减小，因而感生电动势 E s1大于E s2，输出差动电压。在量程内，移动 距离越大，输出电压越大
• 如果衔铁向次级绕组s2一边移动时情况类似， 不过差动电压相反。根据输出电压的大小和相 位，可知衔铁位移的大小和方向
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2.差动变压器式传感器的类型
n为磁路的段数
• 当线圈的匝数一定时，磁路的几何尺寸发生变 化导致电感的改变，这就是设计传感器的依据
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2.类型
• 自感式传感器有三种：
变间隙型；变面积型和螺旋插铁型
• 变间隙型传感器灵敏度最高，灵敏随气隙的增 大而减小，非线性误差大。为了增加灵敏度减 小非线性，量程必需做得很小（间隙的1/5)，因 此制作比较困难
• 主要缺点有： – 灵敏度、线性度和测量范围相互制约； – 自身频率响应低，不适于快速动态测量
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• 图4.11是间隙电感式 气压传感器示意图。
•由膜盒、铁心、 衔铁及线圈行组 成。衔铁与膜盒 上端连在一起
•压力引起膜盒位 移，其大小与压 力成比例，衔铁 的移动使系统电 感变化，于是线 圈上感生出与压 力成比例的电流
• 在测控技术方面有广泛应用
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4.3.1电涡流式传感器的工作原理
• 如图4.14，一个通有交变 电流I1的线圈，在线圈的 周围将产生一个交变磁场 H1，当导体置于该磁场范 围之内时，导体体内会产 生会电感涡生流 一个I2 。新此磁电场涡H2流，也与 方向相反，因而抵消部分 原磁场，从而导致线圈的 电感、阻抗和品质因素Q 发生变化
Rm a x
Ux
x xm a x
U
m
ax
• 若是转动角度，则
R
max
Rm a x
U max Umax
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2.电位器传感器的特性
（1）灵敏度 • 对于如下结构的电位器计算其灵敏度：
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• 电位器的输入量是电刷的位移x，输出量
（3）调相电路
其基本原理是传感器L的变化会引起输出 电压相位的变化
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4.2.2互感式传感器
1.工作原理
• 通过线圈间的互感量M的变化，将非电 量转换成电量
• 根据变压器的原理制作故又称变压器式 传感器
• 由两个或多个带铁心的电感线圈组成， 初、次线圈之间的耦合随衔铁或两个线 圈这间的相对移动而改变
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• 图4.12为差动变压器加速度传感器 示意图和测 振电路方框图。
• 测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须 是振动频率的10倍以上，才能得到精确的结果
• 这种传感器可测的振幅为0.1~5mm，振动频率 为0~150Hz
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• 常用的电路有： （1）调幅电路
变压器电路（用电桥），相敏和谐振电 路等
（2）调频电路 其基本原理是将传感器电感线圈和固定 电容接入一振荡电路中
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其振荡频率为
f 1
2 LC
当L变化时频率f也随之变化，根据f变化 的大小可确定L变化的大小，从而测量到 非电信号的大小和变化
• 缺点是： – 精度不高 – 动态响应较差 不适于 测量快速变化量
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4.2电感式传感器
• 将被测量变化转换成线圈自感或互感的 变化来测量非电量的一种装置
4.2.1 自感式传感器
1.工作原理
• 图4.7为自感式传感器
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（1）螺管式差动变压器
• 螺管式差动传感器按绕组排列方式有一节式、 二节式、三节式、四节式和五节式
• 一节式灵敏度较高，三节式的零点误差较小
• 螺管式差动变压器由线圈绕组、可移动衔铁和 导磁外壳三部分组成
• 线圈绕组由初、次级线圈和骨架组成。线圈由 高强度漆包线绕制。骨架加工精度要高，尺寸 和形状要求严格对称。骨架材料要求高频耗损 小、膨胀系数小抗湿性能好的绝缘材料
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5.非线绕式电位器传感器
• 大多数电位器式传感器大都采用线绕式，优点 是比较稳定、易于实现所要求的变换特性；缺 点是存在阶梯误差和分辨率低、耐磨性差，寿 命短和功耗大
• 非线绕电位器有合成膜、金属膜、导电塑料和 导电玻璃釉电位器，具有分辨率高，耐磨、寿 命长、校准容易的优点；缺点是受温度、湿度 变化影响大，较难实现高精度
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• 传感器线圈的阻抗、电感等变化与被测 导体的几何形状、电导率、磁导率等有 关外，也与线圈的几何参数、电流频率 及线圈到导体间距离有关
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• 图4.4是推杆式 位移传感器，
电位器的阻值 1500，可测 量5~299mm位 移，使用温度 为50º，湿度 98%RH和频 率300Hz以内， 300m/s2的振动 加速度条件下， 精度为2%
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2.电位移式压力传感器
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4.1.2 电位器式传感器的应用
• 主要测量位移，通过其它敏感元件（膜 片、膜盒、弹簧管等）转换也可测量压 力、加速度等
1.电位器式位移传感器
• 利用位移（转角）与电压间的关系，将 非电信息转换成电压，就可能测量距离 或转角
• 电位器式传感器可以测量几米到几十米 的位移或几乎到360º角度
• 指在空载时其输出电压（电阻）与电行程间是特 定函数关系（如指数、对数、三角函数或其它）
• 这是为满足特定的测控系统要求而设计的
4.结构与材料
• 电位器传感器的灵敏度、稳定性和寿命等与传感 器的结构、选用材料和工艺是密不可分的
• 不同需要会采用不用材料。常用的线绕电位器由 电阻率温度系数很小的、稳定性好的电阻丝绕成
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• 将被测的位移转换为传感器的互感变化，而 输出电压变化值
• 图4.8是变压器式传感器的原理示意图
• 目前应用得比较多的是次级用两个绕组，形 成一种差动结构，如图b, c
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• 差动结构的变压器当衔铁在中间位置时，两个 次级绕组的互感相同。两个次级绕组s1、s2反 向串接，输出电压为零
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• 图4.13为微压力变送器，它是由差动变压器和 弹性敏感元件相结合而成
• 接头感受外力使膜片移动，带动衔铁 在差动变 压器中移动，由输出电压测定外界压力
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4.3涡流式传感器
• 利用电涡流效应原理制作 • 可以实现非接触方式来测量导体
• 具有结构简单、频响宽（从零到几百 Hz），灵敏度高，测量线性范围大 （300m~1000mm)，抗干扰能力强，体 积小等特点
• 惯性块在加速度的作用下，使片状弹簧产生 正比于加速度的位移，引起电刷在电阻体上 滑动，输出一个与加速度成比例的电压信号
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• 电位器式加速度传感器优点： – 结构简单，价格低廉 – 性能稳定，能承受恶劣环境条件 – 输出信号大 因此目前在火箭上仍被采用
（3）旋转变压器式传感器
• 这种传感器不仅可以测量线位移还可以 测量角位移
• 旋转式变压器传感器常用于测量角位移
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4.2.3电感式传感器的应用
• 利用电磁感应原理将被测非电量转换成 线圈自感量或互感量的变化，进而由测 量电路转换为电压或电流的变化量
• 有自感式、互感式二种
• 电位器是一种可变电阻，有两个固定端， 和一个滑动端（电刷）
• 电刷在电阻体表面滑动引起电阻改变
• 将非电量的变化转变成电量（电压或电 流）的变化
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