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222222ωωωξωω+⋅++==s s s s X s H s Y n n n )()()(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 =810-4， 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%164.0212111-=⨯-=∆⋅-=R R δ(6) 例2. 已知：有四个性能完全相同的金属丝应变片（应变灵敏系数）, 将其粘贴在梁式测力弹性元件上，如图所示。

在距梁端处应变计算公式为设力F=100N ，l0=100mm ，h=5mm ，b=20mm ，E=2×105N/mm2。

求：①说明是一种什么形式的梁。

在梁式测力弹性元件距梁端处画出四个应变片粘贴位置，并画出相应的测量桥路原理图；②求出各应变片电阻相对变化量；③当桥路电源电压为6V 时，负载电阻为无穷大，求桥路输出电压U0是多少？ 解：①梁为一种等截面悬臂梁；应变片沿梁的方向上下平行各粘贴两个；第四章电容式传感器的特点是：电容器容量小(几十～几百微法),输出阻抗高;极板静电引力小, 工作所需作用力很小；可动质量小,固有频率高,动态响应特性好;功率小，本身发热影响小；可以进行非接触测量。

电容试传感器三种形式：变面积电容式传感器 测角度：变极距型电容式传感器 测小位移：变极板介质电容传感器 测液位差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍；非线性误差减小。

测量电路1电容式传感器等效电路2电桥电路3差动脉冲调宽b Eh Fl 206=ε电路4运算放大器式电路硅电容式集成传感器主要由压力敏感电容器、转换电路和辅助电路三部分组成 例: 已知：圆盘形电容极板直径D=50mm ，间距0=0.2mm ，在电极间置一块厚0.1mm 的云母片（r=7）。

求：①无云母片及有云母片两种情况下电容值C1及C2是多少？②当间距变化=0.025mm 时，电容相对变化量C1/C1及C2/C2是多少？ （注:空气 r=1 ） 解：1）无云母片时有云母片时第五章 电感式传感器是一种机电转换装置，在自动控制设备中广泛应用按结构原理电感式传感器可分为： 自感式 互感式 电涡流式差动变压器输出电压与互感的差值成正比理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零，而实际输出U0≠0，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压产生零点残余电压的原因是：1.由于两个次级线圈绕组电气参数（互感M 、电感L 、内阻R ）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同，2.电源中高次谐波，线圈寄生电容的存在等，使实际的特性曲线0r d d δδε=-+′ 2）令 ，则 101000.0250.1430.20.0251C C δδδδδδδ∆∆∆====∆-∆--220.0250.2800.11430.0251C C δδδδδδδ∆∆∆====∆-∆--′′′总有最小输出。

零点残余电压主要成分是频率、幅度不同的基波、谐波，零点残余电压过大会使灵敏度下降，非线性误差增大，放大器末级饱和，因此是直接影响传感器质量的参数。

消除零点残余电压方法：串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；加反馈支路：初、次级间反馈，减小谐波分量；相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。

差动整流电路的特点：结构简单，可以不考虑相位调整和零点残余电压的影响,分布电容影响小，便于远距离传输。

一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应, 根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器电涡流传感器能够测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。

电涡流式传感器最大的特点：能够对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等被测量进行非接触式测量。

电涡流传感器的应用主要是通过位移变化测量其他各种物理量（1）测厚：低频透射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器（2）测转速；（3）测位移、测振动；（4）电涡流探伤；（5）金属零件计数、尺寸检测、光洁度检测。

例1. 某线性差动变压器式传感器在频率为200Hz ，峰-峰值为8V 的电压激励下，若衔铁运动频率为20Hz 的正弦波，它的位移幅值为1.5mm ，已知传感器的灵敏度为2V/mm ，试画出激励电压、输入位移和输出电压的波形。

解: 激励电压为周期Ti=1/200=0.005s=5ms, 幅度为4V 的正弦波。

衔铁作周期为T=1/20=0.05s=50ms, 幅度为1.5mm 的正弦振动，其输入位移波形如图。

第六章磁电式传感器是利用电磁感应原理，通过检测磁场的变化将运动的速度、位移、振动等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。

磁电式传感器也可利用某些材料的磁电效应做成，如霍尔元件、磁阻元件、磁敏二极管、磁敏三极管等，它们除用于磁场的检测外，还广泛用于位移、振动、速度、转速、压力等多种非电量的测量霍尔传感器是一种磁敏元件，它把磁学物理量转换成电信号，主要用于磁场检测。

特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。

把一个导体（半导体薄片）两端通以电流，在垂直方向施加磁感强度B 的磁场，在导体薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I 和磁场强度B 的乘积成比例的电动势UH ，这种现象称霍尔效应 霍尔元件特点：体积小、外围电路简单、动态特性好、灵敏度高、频带宽。

ui(t)=4sin400t (V)(t)=1.5sin40t (mm)磁敏传感器主要有：磁敏电阻；磁敏二极管；磁敏三极管；霍尔式磁敏传感器。

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磁阻元件的电阻率与几何尺寸有关磁敏电阻与霍尔元件属同一类,都是磁电转换元件,本质不同是磁敏电阻没有判断极性的能力,只有与辅助材料(磁铁)并用才具有识别磁极的能力.第七章当外力去掉后又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变; 这种现象称压电效应压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷、高分子乙烯、半导体压电式传感器不适宜做静态信号的测量压电元件内阻很高，需要前置电路有高的输入阻抗。