传感器课件

传感器：

广义：

传感器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。狭义：

能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

国家标准：

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。

按使用的场合不同传感器又称为:

变换器、换能器、探测器

传感器的组成：

敏感元件、转换元件、基本电路，

敏感元件感受被测量;

转换元件将响应的被测量转换成电参量（电阻、电容、电感）;

基本电路把电参量接入电路转换成电量;

核心部分是转换元件,决定传感器的工作原理。

测量仪器一般由信号检出器件和信号处理两部分组成。

按传感器检测的范畴分类物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器、

按传感器的输出信号分类模拟传感器、数字传感器

按传感器的结构分类结构型传感器、物性型传感器、复合型传感器

按传感器的功能分类单功能传感器、多功能传感器、智能传感器

按传感器的转换原理分类机—电传感器、光—电传感器、热—电电传感器、磁—电传感器、电化学传感器按传感器的能源分类有源传感器无源传感器

物理量、化学量、生物类传感器三大门类；

国标GB/T14479-93规定传感器图用图形符号表示方法：

正方形表示转换元件；

三角形表示敏感元件；

X 表示被测量符号；

* 表示转换原理。

国标GB7666规定，一种传感器的代号应包括以下四部分：

主称（传感器）、被测量、转换元件、序号；

第二章

传感器的静态特性、动态特性

慢变信号——输入为静态或变化极缓慢的信号时（环境温度），我们

讨论研究传感器静态特性，即不随时间变化的特性;

快变信号——输入量随时间（t）较快变化时（如振动），我们考虑

输出的传感器动态特性，即随时间变化的特性；

静态特性主要包括：线性度、灵敏度、稳定性、重复性…

线性度是表征实际特性与拟合直线不吻合的程度

动态特性：输入输出之间的差异就是动态与时间常数(t ) 角速度（w）阻尼比（ξ）有关

灵敏度：在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值

对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S = Δy/Δx

对非线性传感器灵敏度为一变量：S = dy/dx

稳定性：表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力

H(s)表示输入拉氏变换和传递函数求出输出拉氏变换

根据阻尼比ξ大小可分四种情况：

1.ξ=0,零阻尼,等幅振荡，产生自激永远达不到稳定；

2.ξ<1,欠阻尼,衰减振荡,达到稳定时间随ξ下降加长；

3.ξ=1,临界阻尼，响应时间最短；

4.ξ>1,过阻尼，稳定时间较长

传感器动态特性

②延迟时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间。

③ 上升时间tr ：传感器输出由稳态值的10%~90%所用的时间。

④ 峰值时间tp ：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间。

⑤ 超调量(过冲量)σ：二阶传感器输出超过稳态值的最大值。

⑥ 衰减比d ：衰减振荡的输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。

影响传感器动态特性的主要参数：

时间常数 τ，τ 越小响应越快，频带越宽；

传感器固有频率ωn ，选择在（3～5）ω（信号）；

阻尼比 ξ，选择在 0.6～0.8，原则是过冲不太大，稳定时间不太长。

第三章

电阻应变式传感器也是应用最广泛的传感器，传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转换电路变换成电量输出

应变式传感器特征：

优点，结构简单、精度高、范围大体积小。

缺点，电阻、半导体会随温度变化。

金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应

金属丝受力后主要引起两个方面的变化：

材料几何尺寸变化（1+2μ）；

材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε

半导体材料在某一方向受到作用力时，它的电阻率会发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。半导体电阻应变片是一种利用半导体材料压阻效应的电阻型传

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感器 全桥：将电桥四个桥臂按照 对臂同性、邻臂异性原则连接

四个工作片ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4

全桥输出电压灵敏度是单桥的4倍,没有非线性误差。

直流电桥

优点：电源稳定、平衡电路简单，仍是主要测量电路；

缺点：直流放大器较复杂，存在零漂和工频干扰。

交流电桥

优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定传感器 带来方便；

缺点：需专用测量仪器或电路，不易取得高精度

例1. 已知一等强度梁测力系统采用阻值R1=120的单应变片，该应变片灵

敏系数K=2.05。当试件受力F 时，应变片承受平均应变 =8

10-4， 求：(1) 应变片电阻变化量ΔR1和电阻相对变化量ΔR1/ R1。

(2) 将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V ，求电桥输出电压及电桥非线性误差。

解: (1)应变片电阻的相对变化为

电阻变化

(2) 单臂电桥的输出电压为

(3)

(4) 电桥非线性误差为

(5)

%164.010805.2411=⨯⨯==∆-εK R R Ω=⨯=∆20.0120%164.01R 1.23mV V 00123.0%164.043411==⨯=∆⋅=R R U U s %08.0%164.02

12111-=⨯-=∆⋅-=R R δ