1、緒論 一、傳感器的定義、組成、分類、發(fā)展趨勢 能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置， 通常由敏感 元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成。 如果傳感器信號經(jīng)信號調(diào)理后，輸出信號為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號 (010mA,420mA;02V ,15V;)，通常稱為變送器， 分類： 按照工作原理分，可分為：物理型、 化學(xué)型與生物型三大類。 物理型傳感器又可分為物 性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器。 按照輸入量信息： 按照應(yīng)用范圍： 傳感器技術(shù) : 是關(guān)于傳感器的研究、設(shè)計、試制、生產(chǎn)、檢測和應(yīng)用的綜合技術(shù). 發(fā)展趨勢 : 一是開展基礎(chǔ)研究，探索新理論，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工 藝；二是實現(xiàn)傳感器的

2、集成化、多功能化與智能化。 1 發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象； 2發(fā)明新材料； 3采用微細(xì)加工技術(shù)； 4智能傳感器； 5多功能傳感器； 6仿生傳感器。 二、信息技術(shù)的三大支柱 現(xiàn)在信息科學(xué)(技術(shù))的三大支柱是信息的采集、傳輸與處理技術(shù)，即傳感器技術(shù)、通 信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)。 課后習(xí)題 1 、什么叫傳感器，它由哪幾部分組成？它們的作用與相互關(guān)系？ 傳感器 (transducer/sensor) ：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的 器件或裝置(國標(biāo) GB7665 2005)。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 敏感元件：指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量并輸出與被測量成確定關(guān)系的其他量(一般 為非電

3、量 ) 部分。 轉(zhuǎn)換元件 ：指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的可用輸出 信號 (一般為電信號 )部分。 信號調(diào)理電路 (Transduction circuit) ：由于傳感器輸出電信號一般較微弱， 而且存在非線性 和各種誤差， 為了便于信號處理， 需配以適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理電路， 將傳感器輸出電信號轉(zhuǎn)換成 便于傳輸、處理、顯示、記錄和控制的有用信號。 第一章 傳感器的一般特性 1. 傳感器的基本特性 動態(tài)特性 靜態(tài)特性 2. 衡量傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo) ( 1 )測量范圍、量程 ( 2)線性度 Lmax100% yF S 傳感器靜態(tài)特性曲線及其獲得的方法 傳感器的靜態(tài)

4、特性曲線是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行校準(zhǔn)的。 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件 (傳感器校準(zhǔn)時，包括零點在內(nèi)的壓力校準(zhǔn)點數(shù)K不應(yīng)少于6點，校準(zhǔn)的循環(huán)次數(shù) R不應(yīng) 少于3次。校準(zhǔn)點數(shù)和校準(zhǔn)循環(huán)數(shù)的多少取決于被校傳感器的精度和使用要求，通常K=6 11, R=35。每次校準(zhǔn)共可獲得 2RK個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。 正行程校準(zhǔn)曲線、反行程校準(zhǔn)曲線，傳感器的校準(zhǔn)曲線。 1 R1 R1 丫。 二 Ycj丫打 二 丫可 Yi -(Yci 丫訂 R j 1R j 12 經(jīng)校準(zhǔn)的傳感器，應(yīng)給出特性方程、線性、遲滯、重復(fù)性以及精度值。) 1)最小二乘法擬合直線 kx b, iyi (kXi b) nXi yiXiyi 22 ,b nXi ( Xi)

5、 / 2 (x y 2 n 為 XiXi yi) 2 (Xi) 2 )端點法擬合直線 ykxb, iyi(kXib) k土y,bykx0 X1X0 (3) 靈敏度 Sn 輸出量的變化量dy 輸入量的變化量dx (4) 分辨率、分辨力 (5) 遲滯 max y F S 100% (6) 重復(fù)性 1) R100% y f s 2) H (23) 100% n_ (yi y)2 （7）精度 100% L H R yF S 精度等級 思考題與習(xí)題 1、傳感器的定義、組成、分類、發(fā)展趨勢。 2、何為傳感器的基本特性 3、傳感器的靜態(tài)特性是如何定義的，其主要技術(shù)指標(biāo)由哪些？如何測出它們的數(shù)據(jù)? 4、 某傳

6、感器的給定精度為2%F.S。 11、某壓力傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1-5所示。 壓力/Mpa 第一次循環(huán)（mV 第二次循環(huán)（mV 第三次循環(huán)（mV 第一正 第一反 第二正 第二反 第三正 第三反 0 -2.73 -2.71 -2.71 -2.68 -2.68 -2.69 0.02 0.56 0.66 0.61 0.68 0.64 0.69 0.04 3.96 4.06 3.99 4.09 4.03 4.11 0.06 7.4 7.49 7.43 7.53 7.45 7.52 0.08 10.88 10.95 10.89 10.93 10.94 10.99 0.1 14.42 14.42 14.47

7、 14.47 14.46 14.46 線性度、重復(fù)性、遲滯按照書中公式計算即可。 主要習(xí)題： 第一章 1、2、3、5，11 第二章 第三章 第四章 第五章 第七章 1、2、5、6、7、10、11 1、3 1、2 1、3、12、13、14 1 、 2、 3、 5、 6、 9、 11、 13、 14、 16、 21、 24 第2章 電阻應(yīng)變式傳感器 工作原理： 電阻應(yīng)變式傳感器的基本原理是將被測非電量轉(zhuǎn)換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電阻值, 再通過測量此電阻值達(dá)到測量非電量的目的。 2.1金屬電阻應(yīng)變式傳感器 1. 電阻一應(yīng)變效應(yīng) 當(dāng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值將相應(yīng)地發(fā)生變化，這種現(xiàn)象

8、稱為金屬導(dǎo)體的電阻一應(yīng)變效應(yīng)。 概念：軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、微應(yīng)變() 應(yīng)變靈敏系數(shù) R/R T/T R/R (1 2 ) R/R K 金屬導(dǎo)體的靈敏系數(shù)與半導(dǎo)體的靈敏系數(shù)的區(qū)別。 2. 應(yīng)變片 概念：應(yīng)力 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系 E 應(yīng)變片 E試件材料的彈性模量。 金屬電阻應(yīng)變片由敏感柵、基底、蓋片、弓I線和粘結(jié)劑組成。 根據(jù)敏感柵材料形狀和制造工業(yè)的不同，應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式有金屬絲式、箔式和金屬 薄膜式三種類型。 3. 金屬電阻應(yīng)變片的主要特征 (1) 應(yīng)變片的電阻值，已標(biāo)準(zhǔn)化。 (2) 絕緣電阻 (3) 靈敏系數(shù) (4) 允許電流 (5) 橫向效應(yīng)與橫向靈敏系數(shù) (6) 機(jī)械滯后 (7) 應(yīng)變極限

9、 (8) 零漂和蠕變 (9) 動態(tài)特性 lo sin10 4. 溫度誤差及補(bǔ)償 (1) 引起溫度誤差的主要因素 (2) 溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?5. 測量電路 I Ui / R R2 R3 R4 Uo ( ) 4 R R R R Ui Uo k( 1 23 4) 4 對于等臂電橋 1 單臂橋的非線性誤差-K 2 (2-36，37) 6. 金屬電阻應(yīng)變片的應(yīng)用一一電阻應(yīng)變式傳感器 （1）電阻應(yīng)變式力傳感器 柱（筒）式力傳感器 lF l E SE 懸臂梁式力傳感器 等截面懸臂梁 6FI E bh2E 等強(qiáng)度懸臂梁 6FI boh2E 薄壁圓環(huán)式力傳感器 輪輻式力傳感器 軸剪切力傳感器 （2）電阻應(yīng)變式壓力

10、傳感器 筒式壓力傳感器 膜片式壓力傳感器 -37-(1 8h E 2)(R2 3r2) 2 2 2 )(R r ) 組合式壓力傳感器 （3）電阻應(yīng)變式加速度傳感器 （4）電阻應(yīng)變式加速傳感器應(yīng)用示例 2.2半導(dǎo)體應(yīng)變片及壓阻式傳感器 半導(dǎo)體片 壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體晶體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化的“壓阻效應(yīng) （piezoresistive effct）。 半導(dǎo)體應(yīng)變片有兩種制作方法: （1）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片 （2）擴(kuò)散硅應(yīng)變片 壓阻式傳感器 壓阻式傳感器依然是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，在半導(dǎo)體材料底片上選擇一定的晶向 位置，利用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，作為測量傳感器元件， 基片直接作為測量敏感

11、元件（甚至有的可包括某些信號調(diào)理電路），也稱為擴(kuò)散型壓阻式傳感器或固態(tài)壓阻式 傳感器。 （1） 壓阻式壓力傳感器 2 2 )ro(3 )r 2 2 )ro (1 3 )r 0.01 0.30 h=50500 m, ro1.8 10mm, h r ）壓阻式加速度傳感器 為了保證輸出線性度，懸臂梁根部的應(yīng)變不要超過400500 應(yīng)用示例 2.3電位計式傳感器 2.4思考題與習(xí)題 1. 何為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種效應(yīng)制成應(yīng)變片？ 2. 什么是應(yīng)變片的靈敏系數(shù)？它與電阻絲的靈敏系數(shù)有何不同？為什么？ 3. 用應(yīng)變片測量時，為什么必須采取溫度不成措施？有何種溫度補(bǔ)償方法？ 4. 一個應(yīng)變片的電

12、阻值 R0 120 ，K=2.05，用作應(yīng)變800的傳感原件。 (1) R/R =2.05*800*10 -6 R/R ； = 1.64 10 R = 1.64 10 3 R=1.64 10 3 120=0.197 （2）若電源電壓Ui 3V，求其惠斯通電橋的非平衡輸出電壓。 Uo Ul-R - 1.64 10 31.23mV 4 R 4 5.一試件的軸向應(yīng)變?yōu)?0.0015，表示多大微應(yīng)變？該試件的軸向相對伸長率為百分之幾? 6. 假設(shè)惠斯通直流電橋的橋臂1是一個120Q的金屬電阻應(yīng)變片 （K=2.00 ,檢測用），橋臂 1的鄰臂3是用于補(bǔ)償?shù)耐惻蔚膽?yīng)變片，橋臂2和橋臂4是120歐姆的固

13、定電阻。 流過應(yīng)變片的最大電流為30mA. (1) 畫出該電橋電路，并計算最大直流供電電壓。 Uim=( 120+120)30 10-3=7.2V (2) 若粘在鋼梁(E=2.1 1011N/m2)上，而電橋由 5V電源供電，是問當(dāng)外加負(fù)載 3 70kg / cm 時，電橋的輸出電壓時多少？ Ui Ui (3) 假定校準(zhǔn)電阻與橋臂 1上未加負(fù)荷的應(yīng)變片并聯(lián)，試計算為了產(chǎn)生于鋼梁加載 相同輸出電壓所需要的標(biāo)準(zhǔn)電阻值。 第3章電感式傳感器 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測非電量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化 量，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的一種裝置。 被測量t自感L(互感M) t

14、Uo(lo) 電感式傳感器分類: (1) 自感式傳感器(電感式傳感器)：氣隙型、螺管型兩種結(jié)構(gòu) (2) 互感式傳感器：差動變壓器式傳感器、 (3) 電渦流式傳感器 3.1.1氣隙型電感式傳感器 W2 l 2 S2 0S w2 0S (3-4) Kl L L 1 11( r) (3-12) 2 2 0 差動變隙式電感傳感器的優(yōu)點： (1) 差動式電感傳感器的靈敏度比單線圈電感傳感器提高一倍; (2) 差動式電感傳感器的非線性失真小。 3.1.2螺管式電感傳感器 lc -W 2 r rc lc *W 0 W2 V lr2 (3-25) 電感靈敏度: K L L lc 0 W 2 2 r r c (

15、3-30) l2 差動結(jié)構(gòu)： 當(dāng)品質(zhì)因數(shù)較大時， ? ? E L U o 2 L (3-49) 阻抗： Z ； R2 (L)2 3.1.3電感線圈的等效電路 Rs L Zp 2 2 j2 rpJ Lp 1 2lc 1 LC (3-36) 第四章電容式傳感器 電容式傳感器：以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容 量變化的一種傳感器。 被測量d, S,e) C C 1.平行板電容器： oS C d 1 d d C0 d C d C0 d K C/C。 1 d d（ 2. 電容式傳感器的基本類型：即變間隙（d）型、變面積（S）型和變介電常數(shù)（則 R20 B 1365ln R100

16、標(biāo)稱電阻值Rh: (25 0.2C)時的電阻值，又稱冷電阻。 7.2 PN結(jié)型溫度傳感器 1. 二極管溫度傳感器 IS(eqU/kT 1) I SeqU /kT UkTln 丄 q Is 2. 晶體管溫度傳感器 3. 集成溫度傳感器 分類：按輸出信號分為: (1) 電壓型：三線制, (2) 電流型，兩線制, (3) 數(shù)字型 18B20 ku=10mV/ C, LM34/35 , kI = 1 卩 A/K ,AD590/592 , LM135/235 , TMP35/36。 LM134/234。 7.3熱電偶 熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電式傳感器。用于測量1001300 C范圍內(nèi) 的溫度

17、。 7.3.1熱電效應(yīng)：將兩種不同的導(dǎo)體(金屬或合金)A和B組成一個閉合回路(稱 為熱電偶)，若兩接觸點溫度(T、T。)不同，則回路中有一定大小電流，表明回路中有電 勢產(chǎn)生，該現(xiàn)象稱為熱電動勢效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)?；芈分械碾妱莘Q為熱電勢或塞貝克電 勢，用Eab (T , T0)表示。導(dǎo)體A、B稱熱電極，一個接點為測量端(熱端或工作端)： 放入被測溫度T中，另一個接點為參考端(冷端或自由端)，置于某一恒定溫度 T0中。 溫差越大，熱電勢越大。 熱電勢由兩部分組成：接觸電勢，溫差電勢 7.3.2 熱電偶的基本定律 1. 均質(zhì)導(dǎo)體定律 要求熱電極材質(zhì)均勻，避免熱電極上各點溫度不同產(chǎn)生附加電勢。 2. 中

18、間導(dǎo)體定律 熱偶回路斷開接入第三種勻質(zhì)導(dǎo)體C,若C兩端溫度相同，則回路熱電勢不變。 這為熱電勢的測量(接入儀表)奠定理論基礎(chǔ)。 3. 中間溫度定律 EAB(T,T0) EAB (T,Tn ) E AB (Tn, T0 ) 4. 標(biāo)準(zhǔn)(參考) 電極定律：用于確定各種材料熱電勢 EAB(T,T0) EAC (T,T0)EBC (T,T0) 7.3.3 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu) 國際電工委員會 (IEC )向世界各國推薦 8 種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 , 所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 , 它 已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中 , 具有統(tǒng)一的分度表。我國從 1988 年開始采用 IEC 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn) 熱電偶。 分度表 熱電偶的結(jié)構(gòu)： (1)

19、普通型熱電偶 一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。 (2) 鎧裝型熱電偶 由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體。它可以 做得很細(xì)很長 ,使用中隨需要能任意彎曲。 主要優(yōu)點是測溫端熱容量小 ,動態(tài)響應(yīng)快 ,機(jī)械 強(qiáng)度高 ,撓性好 ,可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。 (3) 薄膜熱電偶 7.3.4 熱電偶的冷端處理及補(bǔ)償 延長導(dǎo)線 利用補(bǔ)償導(dǎo)線代替熱電極，引到溫度較穩(wěn)定的T0 端測試。使冷端遠(yuǎn)離熱端。要求： 在一定的溫度范圍內(nèi)，補(bǔ)償導(dǎo)線與配對的熱電偶具有相同或相近的熱電特性。 冷端補(bǔ)償，其補(bǔ)償方法： 1.0C恒溫法 將熱電偶冷端置于冰水混合物的0 C恒溫器內(nèi)，使其工作與分

20、度狀態(tài)達(dá)到一致。 冷端溫度修正法 (1 )熱電勢修正法 利用中間溫度定律 (2)溫度修正法 由實測熱電勢Eab (T, Tn),查表得T為儀表指示溫度。 3. 冷端溫度自動補(bǔ)償法 ( 1 )電橋補(bǔ)償法 ( 2) PN 結(jié)冷端補(bǔ)償 ( 3) AD590 冷端溫度補(bǔ)償法 第八章 光電式傳感器 光電式傳感器是一種將被測量通過光量的變化再轉(zhuǎn)換成電量的傳感器,它的物理基礎(chǔ)是 光電效應(yīng) .光電式傳感器一般由光源、光學(xué)元件和光電元件三部分組成,光源發(fā)射出一定光 通量的光線,由光電元件接收, 在檢測時,被測量使光源發(fā)出的光通量變化,因而使接受光 通量的光電元件的輸出電量也做相應(yīng)的變化，最后用光用電量來表示被測

21、量的大小。其輸出 的電量可以是模擬量也可以是數(shù)字量。 8.1光電效應(yīng) 光電效應(yīng)：指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。 包括外光電效應(yīng)(External Photo electric effect )、內(nèi)光電效應(yīng)(internal Photo-electric effect )。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電 導(dǎo)效應(yīng)(Photoconduction effect )、光生伏特效應(yīng)(Photo-voltaic effect ) 8.1.1外光電效應(yīng) 在光線的作用下，使物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，向外發(fā)射的電 子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管、光電

22、倍增管等。 1 2 h 一 m 0Ag 2 E h h普朗克常數(shù)，6.626 X 10-34J s；v光的頻率(s-1) 光電子能否產(chǎn)生，取決于入射光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A。不同 的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。 光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光， 光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有 光電子射出。 紅限頻率 半，紅限波長0 he Ao 8.1.2內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率p發(fā)生變化， 或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電

23、 效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。 根據(jù)工作原理的不同， 內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特 效應(yīng)兩類。 1. 光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化， 這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。 為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即 一 hc 1.24 h Eg 2. 光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、三極管。 光生伏特效應(yīng)有兩種： 結(jié)光電效應(yīng)(也稱為勢壘效應(yīng))和橫向光電效應(yīng)(也稱為側(cè)向光電效 應(yīng))。 8.2光電器件 8.2.1光電管 光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時間、峰值探測率和溫度 特性來描述。 8.2.2光電倍增管 8.2.3光敏電阻 8.2.4光敏二極管和光敏三極管 825光電池 826