传感器的主要知识点

绪论一、传感器的定义、组成、分类、发展趋势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构成。

如果传感器信号经信号调理后，输出信号为规定的标准信号（0~10mA,4~20mA;0~2V,1~5V;…），通常称为变送器，分类：按照工作原理分，可分为：物理型、化学型与生物型三大类。

物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。

按照输入量信息：按照应用范围：传感器技术: 是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术.发展趋势: 一是开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化、多功能化与智能化。

1．发现新现象；2．发明新材料；3．采用微细加工技术；4．智能传感器；5．多功能传感器；6．仿生传感器。

二、信息技术的三大支柱现在信息科学（技术）的三大支柱是信息的采集、传输与处理技术，即传感器技术、通信技术和计算机技术。

课后习题1、什么叫传感器，它由哪几部分组成？它们的作用与相互关系？传感器(transducer/sensor)：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（国标GB7665—2005）。

通常由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被测量并输出与被测量成确定关系的其他量(一般为非电量)部分。

转换元件：指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号(一般为电信号)部分。

信号调理电路(Transduction circuit) ：由于传感器输出电信号一般较微弱，而且存在非线性和各种误差，为了便于信号处理，需配以适当的信号调理电路，将传感器输出电信号转换成便于传输、处理、显示、记录和控制的有用信号。

第一章 传感器的一般特性 1. 传感器的基本特性动态特性 静态特性 2. 衡量传感器静态特性的性能指标 （1） 测量范围、量程 （2） 线性度 %100max⨯∆±=⋅SF L y δ 传感器静态特性曲线及其获得的方法传感器的静态特性曲线是在静态标准条件下进行校准的。

静态标准条件（传感器校准时，包括零点在内的压力校准点数K 不应少于6 点，校准的循环次数R 不应少于3 次。

校准点数和校准循环数的多少取决于被校传感器的精度和使用要求，通常K=6～11，R=3～5。

每次校准共可获得2RK 个校准数据。

正行程校准曲线、反行程校准曲线，传感器的校准曲线。

∑==R j Cij Ci Y R Y 11 ∑==R j fij fi Y R Y 11 )(21fi Ci i Y Y Y +=经校准的传感器，应给出特性方程、线性、迟滞、重复性以及精度值。

） 1）最小二乘法拟合直线22222)()(,)()(,∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑--=--=+-=∆+=i i i i i i i i ii i i i i i i x x n y x x y x b x x n y x y x n k b kx y b kx y2）端点法拟合直线00101,)(,kx y b x x y y k b kx y b kx y i i i -=--=+-=∆+=（3） 灵敏度 dxdyS n ==输入量的变化量输出量的变化量（4） 分辨率、分辨力 （5） 迟滞 %100max⨯∆±=⋅SF H y δ （6） 重复性1）%100max⨯∆±=⋅SF R y δ2）%100)3~2(⨯±=⋅SF H y δδ 1)(12--=∑=n y yni iδ（7） 精度R H L SF y δδδδ++=⨯∆±=⋅%100max精度等级思考题与习题1、传感器的定义、组成、分类、发展趋势。

2、何为传感器的基本特性3、传感器的静态特性是如何定义的，其主要技术指标由哪些？如何测出它们的数据？4、某传感器的给定精度为2%F.S 。

11、某压力传感器的校准数据如表1-5所示。

线性度、重复性、迟滞按照书中公式计算即可。

主要习题：第一章1、2、3、5，11第二章 1、2、5、6、7、10、11 第三章 1、3 第四章 1、2第五章 1、3、12、13、14第七章 1 、2、3、5、6、9、11、13、14、16、21、24第2章 电阻应变式传感器 工作原理：电阻应变式传感器的基本原理是将被测非电量转换成与之有确定对应关系的电阻值，再通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。

2.1 金属电阻应变式传感器1. 电阻—应变效应当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化，这种现象称为金属导体的电阻—应变效应。

概念：轴向应变、径向应变、微应变（με） 应变灵敏系数ερρμε/)21(///∆++=∆=∆∆=R R l l R R K εK R R =∆/ 金属导体的灵敏系数与半导体的灵敏系数的区别。

2. 应变片概念：应力 应力与应变的关系εδE = E 试件材料的弹性模量。

应变片金属电阻应变片由敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂组成。

根据敏感栅材料形状和制造工业的不同，应变片的结构形式有金属丝式、箔式和金属薄膜式三种类型。

3. 金属电阻应变片的主要特征 （1）应变片的电阻值，已标准化。

（2）绝缘电阻 （3）灵敏系数 （4）允许电流（5）横向效应与横向灵敏系数 （6）机械滞后 （7）应变极限 （8）零漂和蠕变 （9）动态特性1sin -=λππλσo o l l 4. 温度误差及补偿（1）引起温度误差的主要因素 （2）温度补偿的方法5. 测量电路对于等臂电桥)(4)4(44321321εεεε+--=∆+∆-∆-∆=k UU R R R R R R R R U U i o i o （2-36，37） 单臂桥的非线性误差εδK 2≈6．金属电阻应变片的应用——电阻应变式传感器 （1）电阻应变式力传感器 柱（筒）式力传感器SEFE l l ==∆=δε 悬臂梁式力传感器 等截面悬臂梁 E bh Fl Exx 26==δε 等强度悬臂梁 Eh b FlEo x 26==δε薄壁圆环式力传感器 轮辐式力传感器 轴剪切力传感器（2）电阻应变式压力传感器 筒式压力传感器 膜片式压力传感器))(1(83)3)(1(8322222222r R Eh pr R Eh p t r --=--=μεμε组合式压力传感器（3）电阻应变式加速度传感器 （4）电阻应变式加速传感器应用示例 2.2 半导体应变片及压阻式传感器半导体片压阻效应 半导体晶体材料的电阻率随作用应力而变化的“压阻效应” (piezoresistive effct) 。

半导体应变片有两种制作方法： （1） 体型半导体应变片 （2） 扩散硅应变片 压阻式传感器压阻式传感器依然是基于半导体材料的压阻效应，在半导体材料底片上选择一定的晶向位置，利用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感器元件，基片直接作为测量敏感元件（甚至有的可包括某些信号调理电路），也称为扩散型压阻式传感器或固态压阻式传感器。

（1） 压阻式压力传感器])31()1[(83])3()1[(8322022202r r Eh pr r Eh p t r μμεμμε+-+=+-+=h=50~500m μ,mm r 10~8.10=,30.0~01.00=r h （2） 压阻式加速度传感器为了保证输出线性度，悬臂梁根部的应变不要超过400~500με。

应用示例 2.3 电位计式传感器2.4 思考题与习题1. 何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？2. 什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？3. 用应变片测量时，为什么必须采取温度不成措施？有何种温度补偿方法？4. 一个应变片的电阻值Ω=1200R ，K=2.05，用作应变800με的传感原件。

（1） 求R ∆与R R /∆；εK R R =∆/=2.05*800*10-6=31064.1-⨯R ∆=31064.1-⨯⨯R=31064.1-⨯⨯120Ω =Ω197.0（2） 若电源电压V U i 3=，求其惠斯通电桥的非平衡输出电压。

mV R R U U i o 23.11064.14343=⨯⨯=∆=-5. 一试件的轴向应变为0.0015，表示多大微应变？该试件的轴向相对伸长率为百分之几？6. 假设惠斯通直流电桥的桥臂1是一个120Ω的金属电阻应变片（K=2.00，检测用），桥臂1的邻臂3是用于补偿的同类批次的应变片，桥臂2和桥臂4是120欧姆的固定电阻。

流过应变片的最大电流为30mA.（1） 画出该电桥电路，并计算最大直流供电电压。

U im =（120+120）⨯30⨯10-3=7.2V（2） 若粘在钢梁（E=2.1⨯1011N/m 2）上，而电桥由5V 电源供电，是问当外加负载3/70cm kg =δ时，电桥的输出电压时多少？EK U K U R R U U i i i o δε444==∆=（3） 假定校准电阻与桥臂1上未加负荷的应变片并联，试计算为了产生于钢梁加载相同输出电压所需要的标准电阻值。

第3章 电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量转换成线圈自感或互感的变化量，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种装置。

被测量 → 自感L(互感M) → Uo(Io)电感式传感器分类：（1）自感式传感器(电感式传感器)：气隙型、螺管型两种结构; （2）互感式传感器：差动变压器式传感器、 （3）电涡流式传感器 3.1.1 气隙型电感式传感器δμμδμμS W S S l S l W R W L m020*******2≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++== （3-4）)(111r L L L K δμδδ+=∆∆= （3-12）差动变隙式电感传感器的优点:(1)差动式电感传感器的灵敏度比单线圈电感传感器提高一倍；(2)差动式电感传感器的非线性失真小。

3.1.2 螺管式电感传感器()()222202202220c c r c c c r c c r l lr l W r W l l l l l r r W l l l L μπμπμμπμ+=⎪⎭⎫ ⎝⎛--++⎪⎭⎫ ⎝⎛=（3-25）电感灵敏度：2220c r c Lr l W l L K μπμ=∆∆= （3-30）差动结构：当品质因数较大时， L L E U o ∆⋅=••2 （3-49） 阻抗： 22)(L R Z ω+=3.1.3 电感线圈的等效电路()PP s P L j R LC L j LC R Z ωωωω+=-+-=22211（3-36）第四章 电容式传感器电容式传感器：以各种类型的电容器作为传感元件，将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。