《传感器原理及应用》程德福版,资料.doc

第一章第一章 概述概述 第一节第一节 传感器的基本概念传感器的基本概念 传感器的定义传感器的定义：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或装置它是一种以一 定的精确度把被测量（包含被测对象信息）转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量 装置或器件 传感器的组成传感器的组成：传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成 1、敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件 2、转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量 3、基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路） ，便可转换成电量输出 第二节第二节 传感器的分类传感器的分类 传感器的分类传感器的分类：主要按工作原理和被测量来分类 一、按工作原理分类：传感器按其敏感的工作原理，一般可分为物理型、化学型、生物型三大类 1、物理型传感器物理型传感器：物理型传感器是利用某些敏感元件的物理性质或某些功能材料的特殊物理性能制成的 传感器应变式传感器；压阻式传感器；电容式传感器；简单电感式、差动变压器式传感器；压电式传感 器 物理型传感器又可以分为结构型传感器和物性型传感器。

a、结构型传感器：是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用某些物理规律来感受（敏感）被测量，并 将其转换为电信号实现测量的 b、物性型传感器：就是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应感受（敏感）被测量，并转换成 可用电信号的传感器 2、化学传感器化学传感器：化学传感器一般是利用电化学反应原理，把无机或有机化学的物质成分、含量等转换为 电信号的传感器 3、生物传感器生物传感器：生物传感器是利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物质的传感器由两大部 分组成，其一是功能识别物质（酶、抗原、抗体、微生物及细胞等） ，其二是电、光信号转换装置 二、按被测量分类：可分为力学量、温度、磁学量、光学量、流量、湿度、气体成分等传感器 三、其他分类：按传感器的输出信号分类，可分为模拟传感器和数字传感器；依据可变电参量进行分类； 按传感器的能量来源分类，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器 第三节第三节 传感器的特性与主要性能指标（传感器的特性与主要性能指标（P6）） 传感器的特性主要是指输入 x（被测量）与输出 y 之间的关系当输入量为常量，或变化极慢时，这一关 系就称为静态特性；当输入量随时间较快地变化时，这一关系就称为动态特性。

常用的拟合方法：1、理论了拟合；2、过零旋转拟合；3、端点连线拟合；4、端点连线平移拟合；5、最 小二乘拟合；6、最小包容拟合 精密度精密度：他说明传感器输出值的分散性，是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小 准确度准确度：他说明传感器输出值与真值的偏离程度，是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小 精确度精确度：它是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高 第二章第二章力传感器力传感器 第一节第一节 应变式传感器应变式传感器 金属应变式传感器：核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变转换成电阻变化 金属丝式应变片：他的工作基础是应变效应 应变效应：指金属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对 变化与轴向应变成正比 应变片的组成：敏感栅、基底和盖片、粘接剂、引线 特点特点：a、精度高，测量范围广；b、频率响应特性较好；c、应变片结构简单、尺寸小、重量轻；d、可在 高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作；e、易于实现小型 化、整体化；f、价格低廉，品种多样，便于选择 第二节第二节 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器电感式传感器：是利用线圈自感或互感的变化实现非电量测量的一种装置，用于测量位移、振动、压力、 应变、流量、密度等物理量。

特点特点：a、结构简单、可靠、测量力小；b、分辨力高；c、传感器的输出信号强；d、重复性好；缺点是存 在交流零位信号，不宜于高频动态测量 差动变压器式传感器差动变压器式传感器：应用非常广泛，凡是与位移有关的物理量均可经过它转换成电量输出，常用于测量 振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量用于测定振动物体的频率和振幅时，其激磁频率必须是 振动频率的十倍以上将差动变压式传感器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成 各种形式的压力传感器 第三节第三节 电容式传感器（电容式传感器（P70）） 电容式传感器电容式传感器：将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质就是一个具有可变参数的电容器具 有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等优点，广泛应用于压力、位移、加速度、液位机械量测量， 也可用于测量成分含量、湿度、温度等参数 基本类型（三种）：变极距（变间隙） （d）型、变面积（S）型和变介电常数（ε）型又可按位移的形 式分为线位移和角位移两种，每一种又依据传感器极板形状分成平板或圆板行和圆柱（圆筒）形，其中差 动式优于单组（单边）式的传感器 特点特点：a、受温度影响极小；b、机构简单，适用于多种场合，具有平均效应；c、响应速度快。

缺点是负 载能力差；寄生电容影响大；输出特性非线性 第四节第四节压电式传感器压电式传感器 压电式传感器压电式传感器：是一种典型的有源传感器（或发电式传感器、双向传感器） ，是力敏感元件，它以某些电 介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现对非电量测量的目的 特点特点：具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、机构简单、工作可靠、重量轻等特点；缺点是无静态输出， 输出阻抗高、需用低电容的低噪声电缆 压电响应压电响应：某些电介质材料，当沿着一定方向受到压力或拉力作用而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称为正压 电效应当作用力方向改变时，一定表面上产生的电荷极性也随着改变当在电介质的极化方向施加磁场， 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失， 这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应） 第三章第三章 温度传感器温度传感器 第一节第一节热电偶温度传感器热电偶温度传感器 特点特点：结构简单、测量范围宽、准确度高、热惯性小、输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外， 还能测量流体、固体及固体壁面“点”的温度。

热电效应：两种不同性质的导体可组合成闭合回路，若两种导体 A 和 B 的连接点温度不同，则在此闭合 回路中有电流产生，也就是说回路中有电动势存在热电偶回路中产生的电动势，通常叫热电动势（接触 电动势和温差电动势组成） 冷端处理及补偿（温度补偿办法）冷端处理及补偿（温度补偿办法）：a、冰点槽法；b、计算修正法（P115） ；c、补正系数法；d、零点迁 移法；e、冷端补偿器法；f、软件处理法 第二节第二节 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器 特点：a、电阻温度系数的范围甚宽；b、材料加工容易、性能好；c、阻值在 1O——10MO 之间可供自由 选择；d、稳定性好；e、抗干扰能力强 分类：正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻、突变型负温度系数热敏电阻 第四章第四章 磁传感器磁传感器 磁传感器是对磁场参量敏感的元器件或装置，具有把磁学物理量转换为电信号的功能 第一节第一节概述概述 磁敏传感器的种类：主要有质子旋进式磁敏传感器、光泵式磁敏传感器、超导量子干涉器（SQUID）式磁 敏传感器、磁通门式磁敏传感器、感应式磁敏传感器、半导体磁敏传感器（霍耳、磁敏二极管、磁敏晶体 管、磁敏电阻） 、机械式磁敏传感器 磁力磁敏传感器磁力磁敏传感器：利用磁性体与被测磁场的相互作用原理检测磁场，有两种类型（悬丝式和刃口式） 。

悬 丝式测力仪是按重力矩、扭力矩、和磁力矩相平衡的原理设计的；刃口式的仪器是按重力矩和磁力矩相平 衡的原理设计 电磁感应磁敏传感器电磁感应磁敏传感器：采用线圈感应被测磁场，两种类型（感应式和磁饱和式） 感应式传感器是以法拉 第电磁感应定律为基础测量磁场的一种经典方法；磁饱和式传感器是基于磁调制原理，即利用被测磁场中 铁磁性材料磁心在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的线性关系来测量磁场的一种方法 磁电效应式磁敏传感器磁电效应式磁敏传感器：是根据磁场作用在金属或半导体材料后，使材料的电参量发生变化，通过检测材 料电参量的变化来测量磁场，主要类型有霍耳传感器、磁敏电阻、磁敏二极管、磁慜晶体管 磁共振式磁敏传感器磁共振式磁敏传感器：是利用物质量子状态变化而测量磁场的一种方法，主要有核磁共振法、光泵磁共振 法等，对应的传感器有质子旋进式磁敏传感器、光泵式磁敏传感器等 超导式磁敏传感器超导式磁敏传感器：是利用具有超导结的超导体中超导电流与外部被测磁场的关系来测量磁场的一类磁敏 传感器，也是目前最灵敏的一种磁敏传感器，有两种形式（直流超导量子干涉器件（DC SQUID）和射频 超导量子干涉器件（RF SQUID） ） 。

磁光效应类磁敏传感器磁光效应类磁敏传感器：利用传光物质在磁场作用下，引起光的振幅、相位、或偏振态发生变化进行磁场 的测量，有三种类型（法拉第磁光效应型、磁致伸缩型、磁力作用型） 第二节第二节 霍耳磁敏传感器（霍耳磁敏传感器（P147）） 霍耳元件：结构为矩形金属或半导体薄片，是四端器件，有两个电流控制极和输出极 霍耳效应：当电流垂直于外磁场方向通过导体或半导体薄片时，在垂直于电流和磁场方向的两侧产生电动 势差的现象 第八节第八节 SQUID 磁敏传感器磁敏传感器 应用：磁通锁定式 SQUID 磁力仪、计数式 SQUID 磁力仪、RF SQUID SGM—330X 型磁力仪 第五章第五章 光传感器光传感器 光传感器是将光信号（红外、可见及紫外光辐射）的参量（强度、波长、相位、偏振等）转换为电信号的 一类元器件 分类：成像传感器及非成像传感器、光子传感器（光电发射传感器和半导体光敏传感器）及热传感器（红 外传感器） 第一节第一节 概述概述 激光器：具有光的受激辐射放大功能的器件，是高亮度光源优点是单色性好、方向性强、亮度高 光敏传感器：是一种将光参量的变化转化为电量变化的传感器，物理基础是光电效应。

光电效应（光电效应（P216））：a、外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象；b、 内光电效应：当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的效应，分为光电导效应 和光生伏特效应 第六节第六节 光纤传感器光纤传感器 光纤传感器（光纤传感器（P246））：是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置，由光发射器、敏感元件（光纤 或非光纤的） 、光接收器、信号处理系统以及光纤构成用光而不用电来作为敏感信息的载体，用光纤而 不用导线来作为传递敏感信息的媒质 特点特点：a、电绝缘；b、抗电磁干扰；c、非侵入性；d、高灵敏度；e、容易实现对被测信号的远距离监控光纤分类：按折射率变化可分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按传输模式可分为单模光纤和多模光纤；按传 感器用途可分为闪烁光纤、被覆光纤、光谱光纤、图像传输光纤、保护光纤 光纤传感器分类光纤传感器分类：按作用有 a、功能型（全光纤型）光纤传感器 b、非功能型（或称传光型）光纤传感器 c、拾光型光纤传感器；按调制形式有 a、强度调制型光纤传感器 b、偏振调制光纤传感器 c、频率调制光 纤传感器 d、相位调制传感器。