第2章 传感器基本原理

L 由Rx与位移X的关系，可得出I与X的关系。 Rx与位移Βιβλιοθήκη 的关系，可得出I 与位移X 的关系。
Rx x
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• 电位计式: 电位计式: •L-变阻器总长; L 变阻器总长; •x-电刷移动量. x 电刷移动量. •R-总电阻; R 总电阻;
U1
Rx x 电位计式
U2
U2=U1 /R *Rx
与位移X呈线性关系 又Rx与位移 呈线性关系： R=K*L 与位移 呈线性关系：
式中△ 式中△
0 迟滞特性
x
γ H = ±(1 / 2)(∆ H max / y FS )×100%
正反行程间输出的最大差值。 正反行程间输出的最大差值 Hmax—正反行程间输出的最大差值。
迟滞误差的另一名称叫回程误差。 迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝 对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。 对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。 对应于每一输入信号， 对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出 12 信号差值的最大者即为回程误差 回程误差。 信号差值的最大者即为回程误差。
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• 串联可变电阻式: 串联可变电阻式: •电流I与位移存在一定关系，I=f（x）,可把电表 电流I与位移存在一定关系，I=f（ 电流 读数转换成位移。 读数转换成位移。 x
电源电压E； 电源内阻为R i； RA电流表内阻；
Rx E I
E I= RX + Ri + RA
忽略R i、RA； 可得I ≈ E / Rx
有后级负载电阻的等效电路
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则输出电压UL：
Rx RL Rx + RL UL = U1 Rx RL + ( R − Rx ) Rx + RL
RL Rx UL = U1 RL R + Rx ( R − Rx )
m = R / RL n = Rx / R
同除以RL·R：
Rx / R UL = U1 Rx R (1 − Rx / R ) 1+ RL R
– – – – – – – – – 灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系； 灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系； 噪声小，并且具有抗外部噪声的性能； 噪声小，并且具有抗外部噪声的性能； 滞后、漂移误差小； 滞后、漂移误差小； 动态特性良好； 动态特性良好； 在接入测量系统时，对被测量不产生影响； 在接入测量系统时，对被测量不产生影响； 功耗小，复现性好，有互换性； 功耗小，复现性好，有互换性； 防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用； 防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用； 结构简单，容易维修和校正； 结构简单，容易维修和校正； 低成本、通用性强； 低成本、通用性强；
第二章 传感器基本原理
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 传感器基础知识 电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器 压电式传感器 磁电式传感器 霍尔效应传感器
1
2.1 传感器基础知识 2.1.1 传感器的分类
1)按被测物理量分类 1)按被测物理量分类 常见的被测物理量 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 流量; 声压,噪声. 声: 声压,噪声. 磁通,磁场. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩 亮度，
x
s
y1
1
s
y2
2
s
y0
3
串联系统示意图
9
2.分辨率
分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量 的最小变化的能力。 的最小变化的能力。 输入量从某个任意值(非零值 缓慢增加 输入量从某个任意值 非零值)缓慢增加，直到 非零值 缓慢增加， 可以测量到输出的变化为止， 可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是 分辨率。它可以用绝对值， 分辨率。它可以用绝对值，也可以用量程的百分 数来表示。它说明了检测仪表响应与分辨输入量 数来表示。它说明了检测仪表响应与分辨输入量 微小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率愈好。 微小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率愈好。 一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分 格值的一半。 格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位的 一个字。 一个字。
令
n UL = U1 1 + mn(1 − n)
当负载电阻RL»R时，m接近于0：
Rx UL ≈ n U1 ≈ U1 R
负载电阻RL相对R越大，非 线性误差就越小。 一般情况下，测量的非线性误差要求在1～2％之内时， 一般情况下，测量的非线性误差要求在1 之内时， >10～20R。误差要求高时， RL>10～20R。误差要求高时，可采用非线性可变电阻器补偿的 21 方法。 方法。
4
4)按传感器工作机理分类: 4)按传感器工作机理分类: 按传感器工作机理分类 物性型: 物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换. 水银温度计. 实现信号变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器. 例如:电容式和电感式传感器.
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2.2 电阻式传感器
• 电阻式传感器是把被测量转换为相应电阻变化的 电阻式传感器是把被测量转换为相应电阻变化的 一种传感器,按工作的原理可分为:变阻式、 一种传感器,按工作的原理可分为:变阻式、电阻 应变式、热敏式、光敏式、电敏式. 应变式、热敏式、光敏式、电敏式 • 物理学原理： L R =ρ S
2
2)按传感器工作原理分类: 2)按传感器工作原理分类: 按传感器工作原理分类 这种方法表明了传感器的工作原 如电感式传感器、 理，如电感式传感器、电容式传 感器等。 感器等。
电感式传感器
电容式水温水位传感器
3
3)按传感器转换能量的情况: 3)按传感器转换能量的情况: 按传感器转换能量的情况 分为：能量转换型和能量控制型. 分为：能量转换型和能量控制型. 能量转换型:又称发电型， 能量转换型:又称发电型，直接由被测对象输入能 量使其工作.例如:热电偶温度计, 量使其工作.例如:热电偶温度计,压电 式加速度计. 式加速度计. 能量控制型:又称参量型， 能量控制型:又称参量型，从外部供给能量并由被 测量控制外部供给能量的变化.例如: 测量控制外部供给能量的变化.例如: 电阻应变片. 电阻应变片.
0 检测系统灵敏度
它是输入与输出特性曲线的斜率。 它是输入与输出特性曲线的斜率。 输入与输出特性曲线的斜率
x
如果系统的输出和输入之间有线性关系， 如果系统的输出和输入之间有线性关系，则灵敏 度是一个常数。否则，它将随输入量的大小而变化。 度是一个常数。否则，它将随输入量的大小而变化。 一般希望灵敏度s在整个测量范围内保持为常数 。 一般希望灵敏度 在整个测量范围内保持为常数。 在整个测量范围内保持为常数 这样，可得均匀刻度的标尺，使读数方便， 这样，可得均匀刻度的标尺，使读数方便，也便于分 析和处理测量结果。 析和处理测量结果。
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2.1.2 传感器的特性
传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。 传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。 主要技术指标： 主要技术指标： 1.灵敏度 灵敏度是指传感器或检测系统在稳 态下输出量变化和引起此变化的输入量 变化的比值。可表示为 变化的比值
s= ∆y dy 或 s= ∆x dx
y
dy dx
L x
=
R Rx
=
U1 U2
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U2 =（ U1 / L ） •x = K•x （
K——电位器的电压灵敏度。
U2 =f（x） =f（
U1
U2
0
x
L
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考虑后级负载电阻时： 考虑后级负载电阻时： 负载电阻
R-Rx
U1
Rx RL UL
有后级负载电阻的电位计式电路
R-Rx
U1
R并 UL
Rx RL R并 = Rx + RL
• 电桥式
R3
B
负载RL
R4
初始电桥平衡： 初始电桥平衡：
R1 R3 = R2 R4
U BD = 0
A
R1
D
0
R2
x
C
假定：负载电阻极大； 假定：负载电阻极大；且
U0
R1 = R2 = R3 = R4 = R
当D点有位移X 点有位移X
∆R
U BD
∆R = U0 2R
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代入Δ 与位移x的关系， 代入ΔR与位移x的关系，即可得到输出电压与位移 的转换关系。 的转换关系。
Ef =
∆m YFS
×100%
Ef——非线性误差(线性度)； |∆m|——输出平均值与拟合直线间的最大偏差绝对值； YFS——满量程输出。F．S．是英文Full Scale(满量程)的缩写。
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4. 迟 滞
y yFS ⊿Hmax
传感器在正(输入量增大) 传感器在正(输入量增大) 输入量减小） 反（输入量减小）行程中输 出输入曲线不重合称为迟滞。 出输入曲线不重合称为迟滞。 迟滞特性如图所示， 迟滞特性如图所示，它一 般是由实验方法测得。 般是由实验方法测得。迟滞 误差一般以满量程输出的百 分数表示,即
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传感器命名与代号 （1） 传感器的命名： ） 传感器的命名：
由主题词加四级修饰语构成。 由主题词加四级修饰语构成。 I. 主题词 主题词——传感器； 传感器； 传感器 II. 第一级修饰语 第一级修饰语——被测量； 被测量； 被测量 III. 第二级修饰语 第二级修饰语——转换原理； 转换原理； 转换原理 IV. 第三级修饰语 第三级修饰语——特征描述； 特征描述； 特征描述 V. 第四级修饰语——主要技术指标。 第四级修饰语 主要技术指标。 主要技术指标