传感器的概述

第一章 传感器的概述

1. 传感器的定义能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出

信号的器件或装置叫做传感器。

2.传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量（位移、速度、加速度、力等）转换成

电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。

3. 传感器的组成：传感器由有敏感元件、转换元件、信号调理电路、

辅助电源组成。传感器基本组成有敏感元件和

转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。

第二章 传感器的基本特性

1. 传感器的基本特性：静态特性、动态特性。

2.衡量传感器静态特性的主要指标有：线性度 、灵敏度 、分辨率迟滞、重复性 、漂移。

3.迟滞产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等。

4.产生漂移的原因：①传感器自身结构参数老化；②测试过程中环境发生变化。

5.例题：

1．用某一阶环节传感器测量100Hz的正弦信号，如要求幅值误差限制在±5%以内，时间常数应取多少？如果用该传感器测量50Hz的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少？

解：一阶传感器的频率响应特性：

幅频特性：

2.在某二阶传感器的频率特性测试中发现，谐振发生在频率为216Hz 处，并得到最大福祉比为1.4比1，试估算该传感器的阻尼比和固有频率的大小。

3. 玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传给水银，可用一阶微分方程

来表示。现已知某玻璃水银温度计特性的微分方程是 ，y代表水银柱的高度，x代表输入温度（℃）。求该温度计的时间常数及灵敏度。

解：原微分方程等价于：

所以：时间常数T=2S, 灵敏度Sn=10-3

第三章 电阻式传感

1. 应变式电阻传感器的特点：

1）优点：

①结构简单，尺寸小，质量小，使用方便，性能稳定可靠；

②分辨力高，能测出极微小的应变；③灵敏度

高，测量范围广，测量速度快，适合静、动态测量；④易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距离

测量和遥测；⑤价格便宜，品种多样，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量多种物理量。

2）缺点：①具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；

②只能测量一点或应变栅范围内的平均效应，不能显示应力场中应力梯度的变化；

③不能用于过高温度场合下的测量。

2.应变式电阻传感器灵敏度系数K受两个因素影响：

①应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ；

②应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（∆ρ/ρ）/ε。

3.常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片 、半导体应变片

4.产生电阻应变片温度误差的主要因素：电阻温度系数的影响和试件材料与电阻丝材料的线膨胀系数的影响。

5.电阻应变片的温度误差补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两种。其中电桥补偿是最常用且效果较好的电阻应

变片温度误差补偿方法。

6.例题

1、如果将100Ω的应变片贴在弹性试件上，若试件截面积S=0.5×10-4m2，弹性模量E=2×1011N/m2，若由5×104N拉力引起的应变片电阻变化1Ω，试求该应变片的灵敏系数？

2、如图所示，设负载电阻为无穷大（开路），图中E=4V，

R1=R2=R3=R4=100Ω。

（1）R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量△R1=1.0Ω时，试求电桥的输出电压UO；

（2）R1，R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，试求电桥的输出电压UO；（3）R1，R2都是应变片，且批号相同，感应应变的大小为△R1=△R2=1.0Ω，但极性相反，其余为外接电阻，试求电桥的输出电压UO。

第四章 电感式传感器

1.根据工作原理电感式传感器可以分为：变磁阻式（自感式）、变压器式、涡流式（互感式）等。

2.变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。

3.变磁阻式传感器可以分为：变气隙厚度传感器和变气隙面积传感器。

4.电感式传感器的测量电路有交流电桥式、 变压器式交流电桥以及谐振式等。

5.差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器， 它

可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。

6.变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。

7.零点残余误差产生的原因：①传感器的两个二次绕组的电气参数与几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电动势幅

值不等、相位不同，构成了零点残余电压的基波；②由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞），产生了零

点残余电压的高次谐波（主要是三次谐波）；③励磁电压本身含高次谐波。

8.零点残余电压产生原因：主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和

几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引

起的。

9. 零点残余电压的消除方法：①尽可能保证传感器的几何尺寸、绕组

线圈电气参数和磁路的对称；

②采用适当的测量电路，如相敏整流电路。

例题：

已知变气隙厚度电传感器的铁心截面积,磁路长度L=20cm,相对磁导率Ur=5000，气隙

求单线圈式传感器的灵敏度

。若将其做成差动结构，灵敏度将如何变化？

第五章 电容式传感器

1.电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。

2.电容式传感器的特点：①结构简单、体积小、分辨率高；②可实现非接触式测量；③动态响应好；④能在高温、

辐射和强振动等恶劣条件下工作；⑤电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。

3. 电容式传感器的调频测量电路的特点：①灵敏度高，可测量

0.01μm级位移变化量；②抗干扰能力强 ③性能稳定；

④能取得高电平的直流信号（伏特级），易于数字仪器测量和与计算机接口。

4.根据电容式传感器工作时变换参数的不同，可以将电容式传感器分