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

1

)(1

)(+=

ωτωj j H )(11

)(ωτω+=

A s rad f n n /135********

.014.121)(A )(4)(1)(A n max n 21

2

22=?=======??

????+??????-=-ππωωξξωωωωωξωωω所以，时共振，则当解：二阶系统

程是

x y dt

dy

310224

-?=+ ，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：x y dt dy

3102-=+ 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 。

210

51/100

R/R K 10

5102101E E N/m 101N/m 100.51050A F 100

1

R R 1R R/R

K 3

-3

11

929

24

-3=?=?=?=??===?=??===?∴

=??=

-εσεεσσε

所以得由Ω，已知解：

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2

5.1cm s =,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？

R 1

R 2

R 4

R 3

A

C

B

E

D I o

R L

U o ＋

－

20mV 0.02V V)2

1

-20099(

4]

R R R -)R (R )R (R R R E[U R R 20mV 0.02V V)2

1

-200101(

4]

R R R -)R -(R )R (R R R E[U R R (3)0

]R R R -)R (R )R (R R R E[(2)U 0.01V

0.00995V )V 2

1-201101(4]

R R R -R )R (R R R E[

U 14

3322111

1O 214

3322111

1O 2143322111

1O 4

332111

1O -=-=?=+?++?-?-===?=+?+?+?+==+?±+?±?±=≈≈?=++?+?+=受拉应变时：受压应变，当受压应变时：受拉应变，当）解：（

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为：

①变极板间距离的变极距型：特点：电容改变量ΔC与极板间距的改变量Δd为近似线性关系。

②改变极板面积的变面积型：特点：A线位移变面积型的电容改变量ΔC与水平位移Δx成线性系。

B角位移变面积型的电容改变量与角位移呈线性关系。

③改变介质介电常数的变介质型：特点：电容增量与被测液位的高度成线性关系。

4.二极管双T形测量电路的特点：

①电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地，线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线，减小了分布电容的影响；②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；③输出阻抗与R1、R2和RL的阻值有关，而与电容无关，只要适当选择电阻，可使输出阻抗控制在1~100kΩ之间，克服了电容式传感器高内阻的特点；④输出电压较高。

第六章压电式传感器

1.压电式传感器的定义：是以某些介质的压电效应作为工作基础，利用逆压电效应可以制成电激励的制动器（执行器）；

基于正压电效应可以制成机械能得敏感器（检测器），即为压电式传感器。其科技名词定义为：将被测量的变化转换成由于材料受机械力产生的静电荷或电压变化的传感器。

2.压电式传感器的特点：

①结构简单、体积小、重量轻；工作频带宽；②灵敏度高；信噪比高；③工作可靠；测量范围广等。

3.压电式传感器的用途：主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把

加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。

4.前置放大器的两种形式是电荷放大器和电压放大器。

5.压电式传感器的敏感元件——压电元件受力时将发生形变，按其受力及变形方式的不同，一般可分为厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。目前最常用的是厚度变形和厚度剪切变形两种。

第七章磁敏式传感器

1.磁敏式传感器分为磁电感应式传感器和霍尔式传感器。

2.磁电式传感器只用于测量动态量,可以直接测量振动物体的线速度或旋转体的角速度，加入积分或者微分电路后，可以测量位移和加速度。

3.霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果。

4.霍尔元件的基本结构比较简单，它由霍尔片、4根引线和壳体三部分组成。

第八章 热电式传感器

1.热电偶特点：结构简单、制作容易、精度高、温度测量范围宽、动态响应特性好、输出信号便于远传、 使用方便。

2.热电偶回路有四个电动势：两个接触电动势、两个温差电动势。

3.热偶电阻的冷端温度补偿方法：①补偿导线法，②冷端恒温法，③冷端温度校正法，④自动补偿法。 3.目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。

4.铂热电阻的特点：精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。缺点：价格高。

5.铜热电阻的特点：电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。

6.热敏电阻的优缺点：

优点：①具有电阻值和电阻温度系数大、灵敏度高；②体积小、结构简单；③热惯性小、响应速度快；④使用 方便；⑤寿命长；⑥易于实现远距离测量。

缺点：①互换性较差，同一型号的产品特性参数有较大区别；②稳定性较差；③非线性严重，不能在高温下使用。 7.例题：▲▲

1.用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30℃，测得热电势eAB （t ，t0）为39.17mV, 求加热炉温度。

解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得： eAB （30，0）=1.203 mV 可得 ：

ebb （t ，0）= eAB (t,t 0)+eAB (t 0,0)=39.17+1.203=40.373mV

再从表中查得E(970,0)=40.096mV ，E(980,0)=40.488mV 可得加热炉温度为：

第十章 辐射与波式传感器

8.超声波传感器按其工作原理，可分为压电式、磁致伸缩式和电磁式等。

9.超声波探伤法可分为：穿透法探伤及反射法探伤，反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同。它又可分为 一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。▲▲ 第十一章 化学传感器

1.气敏传感器按工作原理可分为半导体式气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器等不同类型。从材料、结构和应用范围 来看，目前仍以半导体式气敏传感器居多，这类传感器一半多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使 用方便的优点。▲▲

2.电阻式气敏传感器按其结构可分为：烧结型气敏器件、薄膜型气敏器件和厚膜型气敏器件 ，其中烧结型气敏器件 又可分为直热式和旁热式两种。▲▲

3.电阻式气敏传感器的特点：▲▲

C

C t ?=?-?--+

=977)]970980(096

.40488.40096

.40373.40970[

（1）优点：工艺简单，价格便宜，使用方便；气体浓度发生变化时响应迅速；即使是在低浓度下，灵敏度也较高。（2）缺点：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特性差异大等。

4.湿敏传感器就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置，主要由湿敏元件和转换电路两个部分组成，除此之外还包括一些辅助元件，如辅助电源、温度补偿、输出显示设备等。▲▲

5.湿度传感器的分类▲▲

①按输出电容量分为：电阻式、电容式；

②按探测功能分为：绝对温度型、相对温度型、洁露型；

③按感湿材料分为：陶瓷式、高分子式、电解质式。

2.氯化锂湿敏电阻的特点：▲▲

①优点：滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±５%

②缺点：耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短

1 气敏传感器有哪几种类型？简述电阻式气敏传感器的工作原理。

气敏传感器包括电阻型气敏器件和非电阻型气敏器件

2 为什么大多数气敏器件都装有加热器？气体中或多或少的会含有水分，当冬季来临，气温降低，水分会冷凝并结冰，从而造成传感器失效，故有些会安装加热器。使传感器在一个干燥切恒温的条件下灵敏的工作!

3 气敏传感器一般应用于哪些方面？试举例说明，并阐述其基本原理。

(1)可燃性气体气敏元件传感器, 目前大量应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机; ( 2)一氧化碳气敏元件传感器, 可用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃烧检测报警; (3)氧传感器, 在环保、医疗、冶金、交通等领域需求量很大; (4)毒性气体传感器, 主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体。

原理：是利用半导体气敏元件同被测气体接触后，造成半导体性质的变化，以此来检测待定气体的成分或浓度的传感器的总称。实际测量时，可用气敏传感器把各种气体的成分或浓度等参数转换成电阻、电压或电流的变化量，并通过相应测量电路在终端仪器上显示。

4 试述电阻式湿敏传感器的基本原理、主要类型及各自特点。

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿度传感器，分为电阻式和电容式两种；