1、1、 傳感器的定義：傳感器是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受（或響應）與檢出功能，并使之按照一定規律換成與之對應的有用輸出信號的元器件或裝置。2從功能出發：所謂傳感器是指那些能夠取代甚至超出人的“五官”，具有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等功能的元器件或裝置3傳感器的組成：（1）敏感元件：是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件，（2）轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉換成電路參量（3）基本轉換電路：上述電路參數接入基本轉換電路（簡稱轉換電路），便可轉換成電量輸出。4傳感器的分類：（1）按傳感器的工作機理，可分為結構型、物性型與復合型。 （2）按被測量分

2、類：分為物理量傳感器、化學量傳感器、生物量傳感器等（3）按敏感材料分類：半導體傳感器、陶瓷傳感器、光導纖維傳感器、高分子材料傳感器、金屬傳感器等（4）按能量的關系分類：根據傳感器的能量轉換情況，可分為有源傳感器和能無緣傳感器第五節靜態模型：在靜態小號情況下，描述傳感器輸出與輸入量之間的一種函數關系。動態模型：在準動態信號或動態信號作用下，描述其輸出與輸入信號之間的一種數學關系。動態特性是對輸入激勵的輸出響應問題 頻率響應 幅頻特性 相頻特性 傳感器的輸出輸入關系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩定性等因素的情況下，其靜態特性可用下列多項式代數方程表示：y=a0+a1x+a2x2+a

3、3x3+anxn傳感器靜態特性：1、線性度：傳感器的輸入量與輸出量之間的實際關系曲線（校準曲線）偏離直線（擬合直線）的程度。線性度又稱為非線性誤差。 Ef=±(max/YFS)×100%2靈敏度與靈敏度誤差：傳感器在穩定狀態下，輸出的變化量 y與引起該變化量的輸入變化量 x之比即為其靜態靈敏度，其表達式為：K=y/x3重復性：重復性是指傳感器在輸入量按同一方向連續全程多次變動時所得特性曲線不一致的程度。重復性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即 Ex=max/YFS)×100%4遲滯: 傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。5分辨

4、率與閾值：分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。6穩定性：穩定性是指傳感器在相當長時間內保持其性能的能力。即在室溫下，長時間工作輸出量發生的變化。7溫度穩定性：溫度穩定性又稱為溫度漂移，是指傳感器在外界溫度下輸出量發生的變化。二、動態模型動態模型是指傳感器在準動態信號或動態信號作用下，輸出和輸入信號之間的一種數學關系。有三類：微分方程（求解y(t)），代數方程（傳遞函數），頻率響應函數第二章 電阻式傳感器：電阻式傳感器與相應的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等測試系統。電位器式電阻傳感器一、線繞式電位器傳感器：1、工作原理：（1）空載時 RL 對應電阻的變化

5、即其中 為線繞電位器的電阻靈敏度。它表示電刷單位位移所能引起的輸出電阻的變化量其中 為線繞電位器的電壓靈敏度。它表示電刷單位位移所能引起的輸出電壓的變化量。SR、SV均為常數。（2）有載時RL 且RL0，172、線繞式電位器傳感器輸出特性（1）階梯特性電刷每移動一匝線圈輸出電壓產生一次跳動，其階躍值為：當電刷叢m-1匝移動到匝m時，電刷瞬間使兩相鄰匝線短路，在每一個電壓階躍中產生一次小階躍（2）電壓分辨率：線繞式電位器的電壓分辨率是指在電刷行程內電位器輸出電壓階梯的最大值與最大輸出電壓之比的百分數（3）階梯誤差：階梯特性曲線圍繞理論特型直線上下波動，從而產生偏差，這種偏差成為階梯誤差第二節 應

6、變式電阻傳感器電阻應變片：是利用電阻應變效應原理制成的、應用最為廣泛的電阻式傳感器，主要用于機械量的檢測中，如力、力矩、壓力、加速度、質量等物理量的檢測。應變效應：當金屬絲（或半導體）在外力作用下發生機械變形時，其電阻值將發生變化，這種現象稱為金屬（或半導體）的電阻應變效應。金屬絲式應變片性能中最重要一項技術，指標為靈敏系數，單位應變所能引起的電阻相對變化。金屬電阻應變片分為：金屬絲繞式應變片和金屬箔式應變片半導體應變片有以下幾種類型： （1）體型半導體應變片2）薄膜型半導體應變片 3）擴散型半導體應變片半導體應變片：是用半導體材料，采用與絲式應變片相同方法制成的應變片，其工作原理：是基于半導

7、體材料的壓阻式效應。壓阻效應：是指材料的某一軸向受外力作用時，其電阻率發生變化的現象半導體應變片的優點：體積小、靈敏度高、頻率響應范圍寬，輸出幅度大，可直接與記錄儀連接。 缺點：溫度系數大，非線性嚴重直流電橋優點：電源穩定、電路簡單，仍是主要測量電路；缺點：直流放大器比較復雜，存在零漂、工頻干擾。由一片半導體應變片組成的電橋測量電路，其非線性誤差較大，對其作特殊處理：（1）提高橋臂比 2）采用差動電橋 3）采用高內阻的恒流電橋 采用高內阻的恒流電橋 好處：供橋電壓越高，電橋電壓靈敏度越高 壞處：供橋電壓的提高，受到應變片允許功耗的限制。三、電阻應變片的測量電路應變片將應變的變化轉換成電阻相對變

8、化R/R，還要把電阻的變化再轉換為電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。通常采用電橋電路實現微小阻值變化的轉換。（一）直流電橋 1、平衡條件電橋平衡,IL=0,UO=0,則 R1R4=R2R3 或 R1/R2=R3/R4 2、電橋電壓靈敏度二）交流電橋的調平方法 a)串聯電阻調平 b)并聯電阻調平 c)差動電容調平 d)阻容調平方法4、應變傳感器在衡器中的應用 1、稱重傳感器 2、調零電橋 3、測量儀表電橋2（補償電橋）串接在應變片傳感器的輸出和測量儀表之間，通過調節補償電橋中的電位器W，改變其輸出電壓U02，用U02來抵消傳感器的零點偏移輸出電壓U01，因此調節W可使傳感器在空載時輸出電

9、壓Uo為零。5、應變式加速度傳感器 由端部固定并帶有慣性質量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應變片、基座及外殼等組成。是一種慣性式傳感器。 測量時，根據所測振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向時，懸臂梁自由端受慣性力F=ma的作用，質量塊向箭頭a相反的方向相對于基座運動，使梁發生彎曲變形，應變片電阻也發生變化，產生輸出信號，輸出信號大小與加速度成正比。 第三章  電容式傳感器優點：測量范圍大、靈敏度高、結構簡單、適應性強、動態響應時間短、易實現非接觸測量等。由于材料、工藝，特別是測量電路及半導體集成技術等方面已達到了相當高的水平，因此寄生電容的影響

10、得到較好地解決，使電容式傳感器的優點得以充分發揮。應用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。一、 工作原理 用兩塊金屬平板作電極可構成電容器，當忽略邊緣效應時，其電容C為 A極板相對覆蓋面積；d極板間距離；r相對介電常數；0 真空介電常數， 電容極板間介質的介電常數。 d、A和r中的某一項或幾項有變化時，就改變了電容C0，d或A的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；r的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。 變極距型電容式傳感器原理：改變平行板間距來進行測量，常設計成d在極小范圍內變化；變極板面積型電容式傳感器：變面積型電容傳感器

11、中，平板形結構對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結構受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結構電容式角位移傳感器原理：當動極板有一個角位移時，與定極板的遮蓋面積改變，從而改變了兩極板間的電容量 圓柱形電容式傳感器原理：初始位置，動、定極板相互覆蓋，動極板發生位移后，電容量即發生變化 變介質型電容傳感器原理：介質發生位移改變電容量第三節 電容式傳感器的測量電路三、二極管雙T形電路供電電壓是幅值為±Ui、周期為T、占空比為50的方波。若將二極管理想化，則當電源為正半周時，電路等效為典型的一階電路，如圖(b)。其中當電源為正半周期時，二極管D1導通、D2截止，電容C1被

12、以極其短的時間充電，電容C2通過R2、RL放電。 （b）當電源為負半周時，其中二極管D2導通、 D1 截止，電容C2 被以極其短的時間充電，電容C1 通過R1、RL放電。電路等效為圖(b)。如果二極管具有相同的特性，且令C1=C2，R1=R2=R，則正半周和負半周流過負載的電流大小相等，方向相反，即一個周期內流過負載的平均電流為零。如果C1C2, 輸出電壓的平均值為其f中為電源頻率。輸出電壓不僅與電源的頻率和幅值有關，而且與電容的差值有關。四、差動脈沖調寬電路 又稱脈沖寬度調制電路，利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對應被測量變化的直流信號

13、。圖中C1、C2為差動式傳感器的兩個電容，若用單組式，則其中一個為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。第四章 電感式傳感器1.變磁阻式傳感器屬自感式傳感器 結構：線圈，銜鐵和鐵芯組成 原理：當銜鐵移動時，氣隙厚度發生變化，從而使磁路中的磁阻發生變化，導致電感線圈的電感值發生變化，可以用來辨別被測量的位移大小。第一項為鐵芯磁阻，第二項為銜鐵的磁阻，第三項為氣隙磁阻。因為第三項遠遠大于前兩項，可把前兩項忽略。2.差動自感傳感器：結構：利用兩只完全對稱的單個電感傳感器合用一個活動銜鐵傳感器的兩只電感線圈結成交流電橋的相鄰橋臂，另兩只橋臂有電阻組成。原理

14、：初始狀態時，銜鐵位于中間位置，兩邊空隙相等，電橋處于平衡狀態，當銜鐵偏離中間位置向上或向下移動時，造成兩邊氣隙不一樣，使兩只電感線圈的電感量一增一減。電橋不平衡，電橋輸出電壓與銜鐵移動大小成正比例，其相位則與銜鐵移動量的方向有關，若向下移動，輸出電壓為正，若向上移動，輸出電壓為負。2、輸出特性忽略高次項時，差動電橋靈敏度差動電感傳感器輸出特互感式傳感器互感式傳感器（差動變壓式傳感器） 結構：由初級線圈P、兩個次級線圈S1、S2和插入線圈中央的圓柱形鐵芯組成（三段式） 初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊，而次級線圈由結構尺寸和參數相同的兩個線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。原

15、理：當初級線圈P加上某一頻率的正弦交流電壓后，次級線圈產生感應電壓，當鐵芯位于線圈中心位置，則U1=U2，當鐵芯向上移動時，M1>M2。鐵芯向下移動時，M1<M2，當鐵芯偏離中心位置時，則輸出電壓U0隨鐵芯偏離中心位置程度，使、逐漸增大，但相位相差180o。2、測量電路差動變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向，因此常采用差動整流電路和相敏檢波電路進行測量。1、差動整流電路 根據半導體二級管單向導通原理進行解調的。如傳感器的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性，在f點為“”，e點為“”，則電流路徑是fgabhe。反之

16、，如f點為“”，e點為“”，則電流路徑是ehabgf。可見，無論次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，通過電阻R的電流總是從a到b。同理可分析另一個次級線圈的輸出情況。 輸出的電壓值為Uo=UabUcd。 2、二極管相敏檢波電路圖中電壓U1和U2同頻，且滿足U1 < U2 。當U1=0時,只有U2起作用，U2正半周時D3、D4導通，i3 、i4以不同方向流過電表M, 只要電路對稱，電表的電流就為零。當U2負半周時， D1、D2導通， i1 、i2相反，輸出電流為零。當U10時,電壓U1和U2同相。由于U1 < U2 。正半周時D3、D4導通，i3 <i4,iM為正。 負半周時， D

17、1、D2導通， i1 增加i2減少， iM為正。當電壓U1和U2反相時。iM為負。 第四節 電感式傳感器應用舉例 L1 、 L2 、 C1 、 C2組成電橋，、D1D2 、 R1R4組成相敏整流器，R5調零電位器， R6用來調節電流表滿刻度值。L1 = L2，電流表無電流。L1 > L2，d點電位高于c點電位，指針偏向一個方向。L1 < L2， c點電位高于d點電位，指針偏向另一個方向。第五章 熱電式傳感器 一、兩種不同的導體或半導體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導體A和B的連接處溫度不同（設TT0），則在此閉合回路中就有電流產生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現象叫做熱電效應

18、A、 B稱為熱電極，溫度高的接點稱為熱端，溫度低的稱為冷端。熱電勢Eab分組成，即溫差電勢和接觸電勢。 接觸電勢：由金屬A擴散到金屬B的自由電子與金屬B擴散到金屬A的自由電子相等時，該過程便處于動態平衡，在這種平衡狀態下，A和B的金屬之間便產生一定大小的接觸電勢。它的數值取決于兩金屬的性質和接觸點的溫度。 k =1.38×10-23 J/K ；e =1.6×10-19C溫差電勢：對于任意一個金屬，當其兩端溫度不同時，兩端自由電子濃度也不同，高溫端的自由電子向低溫端擴散，最后同樣達到平衡狀態，高溫端失去電子帶正電，低溫端得到電子帶負電，從而在兩端形成溫差電勢。二、熱電偶基本定

19、律1、只有用不同性質的導體(或半導體)才能組合成熱電偶。熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關；與熱電偶的長度、粗細無關。2、相同材料不會產生熱電勢，因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。3、化學成分不同的兩種材料組成的熱電偶，若兩個接觸點的溫度相同，回路中的總熱電勢也為零。只有當熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導體材料不同時才能有熱電勢產生。4、在熱電偶中插入第三種材料，只要插入材料兩端的溫度相同，對熱電偶的總熱電勢沒有影響。三、測量電路1、測量單點溫度的基本測溫線路A、B為熱電偶，C、D為補償導線。四、常用熱電阻：1. 鉑電阻 鉑

20、是一種貴金屬，其主要優點是物理化學性能極為穩定，并且有良好的工藝性，易于提純，可以制成極細的鉑絲（直徑可達到0.02mm或更細）或極薄的鉑箔。它的缺點是電阻溫度系數較小2. 銅熱電阻 銅僅用來制造 -50 180范圍內的工業用電阻溫度計，它的主要特點是在上述使用溫度范圍內，其電阻與溫度的關系是線性的；而且它的電阻溫度系數比鉑高，但它的電阻率低。在溫度不高、測溫元件尺寸沒有特殊限制時，可以使用銅電阻溫度計。3.其它熱電阻（近年來，一些新穎的、測量低溫領域的熱電阻材料相繼出現。）銦電阻適宜在 -269 -258溫度范圍內使用，測溫精度高，靈敏度是鉑電阻的10倍，但復現性差。錳電阻適宜在 -271

21、-210溫度范圍內使用，靈敏度高，但質脆易損壞。碳電阻適宜在 -273 -268.5溫度范圍內使用，熱容量小，靈敏度高，價格低廉，但熱穩定性較差。4、熱敏電阻的結構與分類熱敏電阻主要由熱敏探頭2、引線3、殼體1構成，如圖5-16所示。熱敏電阻一般做成二端器件，但也有構成三端或四端的。二端和三端器件為直熱式，即直接由電路中獲得功率。四端器件則是旁熱式的。根據不同的要求，可以把熱電阻做成不同的形狀結構，其典型結構如圖5-16所示。熱敏電阻的分類 熱敏電阻的種類很多，分類方法也不相同。按熱敏電阻的阻值與溫度關系這一重要特性可分為：1正溫度系數熱敏電阻器（PTC） 2負溫度系數熱敏電阻器（NTC） 3

22、突變型負溫度系數熱敏電阻器（CTR）第六章  壓電式傳感器一、壓電效應正壓電效應（順壓電效應）：某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現象，同時在它的一定表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態的現象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應（電致伸縮效應）：當在電介質的極化方向施加電場，這些電介質就在一定方向上產生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現象。石英晶體的壓電特性：石英晶體各個方向的特性是不同的。三維直角坐標系中，縱向軸Z稱為光軸，垂直于光軸的X軸稱為電軸，與X軸和Z軸同時垂直的Y軸稱為機械軸。沿電軸

23、X方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，而把沿機械軸Y方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”，沿光軸Z方向受力則不產生壓電效應。石英晶體的壓電方程 i=1、2、3 j=1、2、3（1、2、3分別表示x軸y軸z軸）作用力、壓電系數.壓電晶片的連接方式 由并聯和串聯兩種 并聯接法適用于測量慢變化信號 串聯接法適用于測量快變化信號第七章    光電式傳感器光電效應分為外光電效應和內光電效應兩大類一、外光電效應 在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象稱為外光電效應。向外發射的電子叫做光電子。基于外光電效應的光電器件有光電管、光

24、電倍增管等。二、內光電效應 當光照射在物體上，使物體的電阻率發生變化，或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應，它多發生于半導體內。根據工作原理的不同，內光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類：（1） 光電導效應在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電導率的變化，這種現象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻。（2） 光生伏特效應 在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象叫做光生伏特效應。 基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。 勢壘效應（結光電效應）接觸的半導體和PN結中，當光線照射其接觸區域時，便引起光電動勢，這就是結光電效應。以PN

25、結為例，光線照射PN結時，設光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導帶，而產生電子空穴對，在阻擋層內電場的作用下，被光激發的電子移向N區外側，被光激發的空穴移向P區外側，從而使P區帶正電，N區帶負電，形成光電動勢。 側向光電效應。當半導體光電器件受光照不均勻時，則載流子濃度梯度將會產生光電勢，稱這種現象為側向光電效應。當光照部分吸收入射光子的能量產生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被

26、光照部分產生光電動勢三、 外光電效應器件（一）光電管及其基本特性1. 結構與工作原理 光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結構相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。2. 主要性能光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應時間、峰值探測率和溫度特性來描述。（1） 光電管的伏安特性在一定的光照射下，對光電器件的陽極所加電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖所示。它是應用光電傳感器參數的主要依據。

27、（2） 光電管的光照特性 通常指當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示銀氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。 （3）光電管光譜特性即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性(二)光電倍增管及其基本特性當入射光很微弱時，普通光電管產生的光電流很小，只有零點幾A，很不容易探測。這時常用光電倍增管對電流進行放大，下圖為其內部結構示意圖。1. 結構和工作原理由光

28、陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹的襯底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達30級；陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數是陰極發射電子數的105106倍。即光電倍增管的放大倍數可達幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產生很大的光電流。四、內光電效應器件利用物質在光的照射下電導性能改變或產生電動勢的光電器件稱內光電效應器件，常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。一、光敏電阻 光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。優點：靈敏