第3章传感器理论基础
传感器工作原理详解
传感器工作原理详解传感器是一种能够将特定的物理量或化学量转化为可测量的电信号或其他形式输出的装置。
它在现代科技中起着至关重要的作用，广泛应用于各个领域，如工业、农业、医疗、环境监测等。
本文将详细解析传感器的工作原理，以便更好地理解传感器的功能与应用。
一、传感器的基本原理传感器的基本原理是通过感知外界物理或化学量的变化，并将其转化为与之相对应的电信号。
以下将介绍几种常见的传感器工作原理。
1. 压阻式传感器压阻式传感器利用外界物理量对材料电阻的影响来进行测量。
它由敏感材料和电极组成，当外界物理量引起敏感材料的变形或压力变化时，敏感材料的电阻值也会相应改变，通过测量电阻值的变化来得到外界物理量的信息。
2. 光电传感器光电传感器基于光电效应，将光辐射能转化为电信号。
它由光敏元件和电子电路组成，当光源照射到光敏元件上时，光敏元件吸收光的能量并产生电荷。
通过电子电路的放大和处理，最终得到与光强度相关的电信号。
3. 磁敏传感器磁敏传感器利用磁场对材料磁性的影响来进行测量。
它包括感应式磁敏传感器和霍尔效应磁敏传感器等。
感应式磁敏传感器利用线圈中感应出的电动势来检测磁场变化；霍尔效应磁敏传感器则利用霍尔元件的磁场感应效应，通过测量输出电压或电流来获得磁场信息。
二、传感器应用案例传感器广泛应用于各个领域，下面将介绍几个常见的传感器应用案例。
1. 温度传感器温度传感器是以测量物体温度为目的的传感器，常见的应用有室内温度监测、电子设备温度控制等。
它一般采用热敏电阻、热电偶或半导体材料作为敏感元件，通过测量敏感元件的电阻、电势或电流来获得温度信息。
2. 湿度传感器湿度传感器用于测量空气中的湿度，常见应用有气象观测、农业温室环境调节等。
它一般使用湿度敏感材料或电容式湿度传感器作为敏感元件，通过测量敏感元件的电容或电阻值来获取湿度信息。
3. 加速度传感器加速度传感器用于测量物体在空间中的加速度，广泛应用于汽车安全、运动监测等领域。
202006 - 第3章 热电式传感器【传感器技术案例教程】
3.2.3 测温电桥电路
2. 不平衡电桥
常值电阻
R1 R2 R3 R0
初始温度感温电阻
Rt R0
温度变化后电桥不平衡输出
不平衡电桥电路原理图
Uout
Rt
2 2R0 Rt
U in
特点：快速、小范围线性、受电桥工作电压干扰
传感器技术案例教程
(第3章 热电式传感器)
3.2 热电阻温度传感器
3.3.4 热电偶的误差及补偿 3.3.5 热电偶的组成、分类及特点
传感器技术案例教程
3.3 热电偶
3.3.1 热电效应
接触热电动势：Peltie 效应
eAB T
KT e
ln
nA T nB T
K 1.38 10 23 J K
— 玻尔兹曼常数
e 1.6021019 C
— 电子电荷量
nA T ,nB T
自动平衡电桥电路原理图
温度变化，电桥不平衡，差分放大器 A 输出不为零，伺服电 机 SM 带动电位器 RP 电刷移动，直到电桥重新处于平衡
特点：负反馈，快速测量、线性范围大、抗干扰能力强等； 相对复杂、成本高
传感器技术案例教程
(第3章 热电式传感器)
3.3 热电偶
3.3.1 热电效应
3.3.2 热电偶的工作原理 3.3.3 热电偶的基本定律
传感器技术案例教程
3.2 热电阻温度传感器
3.2.1 金属热电阻 3.2.2 半导体热敏电阻 3.2.3 测温电桥电路
(第3章 热电式传感器)
传感器技术案例教程
(第3章 热电式传感器)
3.2 热电阻温度传感器
3.2.1 金属热电阻
基本原理：温度升高，自由电子动能增加，改变自由电子运动，使 之定向运动所需能量增加；多数金属电阻随温度升高而增加；可描 述为
传感器基础知识
酒精测试仪
呼气管
电子湿度计模块
封装后的外 形
1.2.2 测量方法
1) 直接测量、间接测量和组合测量 (又称联立 测量)。经过求解联立方程组，才能得到被测物 理量的最后结果，则称这样的测量为组合测量。
2020年08月27日
Thursday
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①主称——传感器代号C ②被测量—用一个或两个汉语拼音 的第一个大写字母标记。③转换原理——用一个或两个汉语 拼音的第一个大写字母标记。④序号——用一个阿拉伯数字 标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品 系列等。
例：应变式位移传感器： C WY-YB-20 光纤压力传感器：C Y-GQ-2
④+①超调量σ 传感器输出超过稳态值的最 大值。
④ +②衰减比d 衰减震荡的二阶传感器输 出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。
2. 频率响应特性
传感器对不同频率正弦输入信号的响应特性，称为 频率响应特性。
频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器 的动态特性。
（1）零阶传感器的频率特性 （2）一阶传感器的频率特性 （3） 二阶传感器的频率特性 （4）频率响应特性指标
检测技术主要研究被测量的测量原理、测量方
法、检测系统和数据处理等方面的内容。
不同性质的被测量要采用不同的原理去测量， 测量同一性质的被测量也可采用不同测量原 理。
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自动检测技术的重要性
（1）测试手段就是仪器仪表 在工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使 人们用电测的方法来研究非电量，即研究用电测 的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确 和快速地测得非电量的技术。
第三章 常用传感器的变换原理
根据电阻的定义式: 阻的相对变化为：
R l/A
如果电阻丝在外力作用下产生变化时，其电
dR d 1 2 x R
1 为电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。
dR ( 1 2 ) K x 0 x R
d 引起的。
是由于电阻丝几何尺寸变化引起的； 是由于受力后材料的电阻率发生变化而
蠕变:应力不变的条件下，应变随时间延 长而增加的现象。 横向效应：敏感栅的电阻变化一定小于 纯直线敏感栅的电阻变化的现象。 机械滞后：应变片贴在试件上以后，在 一定温度下，进行循环的加载和卸载，加载 和卸载时的输入-输出特性曲线不重合的现象。
2）箔式应变片 箔式应变片中的箔栅是金属箔（厚为 0.002~0.01mm）通过光刻、腐蚀等工艺制 成的。如图3-10中(d)、(f)、(h)、(k)。箔的 材料多为电阻率高、热稳定性好的康铜和 铜镍合金。
（二）应变片的粘贴 1. 去污：采用 手持砂轮工具除去 构件表面的油污、 漆、锈斑等，并用 细纱布交叉打磨出 细纹以增加粘贴力 ， 最后用浸有酒精或 丙酮的纱布片或脱 脂棉球擦洗。
2. 贴片：在应 变片的表面和处理 过的粘贴表面上， 各涂一层均匀的粘 贴胶 ，用镊子将应 变片放上去，并调 好位置，然后盖上 塑料薄膜，用手指 揉和滚压，排出下 面的气泡 。
dR d 1 2 x R
对于金属材料：
d 是个常数，往往很小，可以忽略。
因此，上式可写成为：
dR ( 1 2 ) E 应变-电阻效应 x 1 x R
K0为金属单丝灵敏系数，是单位应变所 引起的电阻相对变化。
对于半导体材料： 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷 而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理 现象称为半导体的压阻效应。 半导体应变片是根据压阻效应原理工作的。 当沿某一晶轴方向切下一小条半导体应变片， 若只沿其轴向受到应力，其电阻率的变化量可由下 式表示
传感器原理与应用技术全书电子教案
传感器原理与应用技术全书电子教案.一、教学内容本教案依据《传感器原理与应用技术》教材，涵盖第3章“传感器的工作原理”及第4章“传感器在实际工程中的应用”。
具体内容包括：传感器的基本概念、分类、工作原理；各类传感器的特性分析；温度、压力、湿度、光强等物理量的测量原理及其在实际工程中的应用案例。
二、教学目标1. 掌握传感器的基本概念、分类和工作原理，理解传感器在实际工程中的重要作用。
2. 学会分析各类传感器的特性，能根据实际需求选择合适的传感器。
3. 能运用所学知识解决实际工程问题，提高学生的实践能力和创新能力。
三、教学难点与重点1. 教学难点：传感器的工作原理及特性分析。
2. 教学重点：传感器的分类、选型及其在实际工程中的应用。
四、教具与学具准备1. 教具：PPT、投影仪、传感器实物模型。
2. 学具：教材、笔记本、计算器。
五、教学过程1. 引入：通过介绍传感器在日常生活中的应用，激发学生的学习兴趣。
2. 理论讲解：讲解传感器的基本概念、分类和工作原理，分析各类传感器的特性。
3. 实践操作：以温度传感器为例，进行现场演示，让学生直观地了解传感器的应用。
4. 例题讲解：讲解传感器选型和应用案例，引导学生运用所学知识解决实际问题。
5. 随堂练习：设计针对性的练习题，巩固所学知识。
六、板书设计1. 板书传感器原理与应用技术2. 板书内容：传感器基本概念、分类、工作原理传感器特性分析传感器在实际工程中的应用案例七、作业设计1. 作业题目：（1）简述传感器的基本概念、分类和工作原理。
（2）分析温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光强传感器的特性。
（3）根据实际需求，选择合适的传感器，并说明原因。
2. 答案：八、课后反思及拓展延伸1. 反思：本节课学生掌握情况较好，但在传感器特性分析方面还需加强练习。
2. 拓展延伸：了解新型传感器的发展趋势和应用领域。
结合实际工程项目，开展传感器选型与应用的实践研究。
重点和难点解析：1. 教学难点：传感器的工作原理及特性分析。
(完整版)传感器原理课后答案
第一章传感与检测技术的理论基础1．什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：某量值的测得值和真值之差称为绝对误差。
相对误差有实际相对误差和标称相对误差两种表示方法。
实际相对误差是绝对误差与被测量的真值之比；标称相对误差是绝对误差与测得值之比。
引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，也用相对误差表示，它是相对于仪表满量程的一种误差。
引用误差是绝对误差（在仪表中指的是某一刻度点的示值误差）与仪表的量程之比。
2．什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？答：测量误差是测得值与被测量的真值之差。
测量误差可用绝对误差和相对误差表示,引用误差也是相对误差的一种表示方法。
在实际测量中，有时要用到修正值，而修正值是与绝对误差大小相等符号相反的值。
在计算相对误差时也必须知道绝对误差的大小才能计算。
采用绝对误差难以评定测量精度的高低，而采用相对误差比较客观地反映测量精度。
引用误差是仪表中应用的一种相对误差，仪表的精度是用引用误差表示的。
3．用测量范围为-50～+150kPa的压力传感器测量140kPa压力时，传感器测得示值为142kPa，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：绝对误差2140142=-=∆kPa实际相对误差%43.1%100140140142=⨯-=δ标称相对误差%41.1%100142140142=⨯-=δ引用误差%1%10050150140142=⨯---=）（γ4．什么是随机误差？随机误差产生的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：在同一测量条件下，多次测量同一被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。
随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素（测量装置方面的因素、环境方面的因素、人员方面的因素），如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。
高二传感器知识点总结
高二传感器知识点总结一、传感器的基本概念传感器是一种能够感知周围环境并将感知到的信息转化为电信号或其他形式信号的器件。
传感器在工业自动化、智能家居、医疗设备、汽车工业等领域都有广泛的应用，对于提高生产效率、改善生活质量有着重要的作用。
二、传感器的分类1. 按照测量物理量分类传感器根据其测量的物理量不同可以分为温度传感器、压力传感器、光敏传感器、湿度传感器、力传感器、位移传感器等多种类型。
2. 按照传感原理分类传感器还可以按照其传感原理不同进行分类，常见的传感原理包括电阻传感器、电容传感器、电感传感器、霍尔传感器、红外线传感器、激光传感器等。
3. 按照传感器的工作原理分类按照传感器的工作原理可以分为接触式传感器和非接触式传感器两种。
接触式传感器需要直接接触被测物体，而非接触式传感器可以通过无线、光学或者声波等方式进行测量。
三、传感器的特点1. 灵敏度高传感器能够感知到微小的变化，具有高的灵敏度。
2. 可靠性高传感器具有良好的稳定性和可靠性，能够长时间稳定工作。
3. 多功能性强传感器可以感知多种物理量，具有多功能性。
4. 体积小、重量轻传感器通常体积小、重量轻，便于安装和携带。
5. 自动化程度高传感器可以实现自动检测和自动控制，有助于提高生产效率。
四、传感器的应用1. 工业自动化传感器在工业自动化领域有着广泛的应用，可以用于测量温度、压力、液位、流量等参数，实现设备的自动化控制。
2. 智能家居在智能家居领域，传感器可以应用于智能灯光控制、温湿度监测、门窗开关检测等方面，提高生活的便利性和舒适性。
3. 医疗设备在医疗设备领域，传感器可以用于心率监测、血压监测、血糖监测等，为医疗人员提供重要的生理参数。
4. 汽车工业在汽车工业中，传感器可以用于车速测量、车重检测、发动机温度检测等，提高车辆的性能和安全性。
五、传感器的未来发展趋势1. 多功能集成传感器未来发展趋势是实现多功能集成，将多种传感功能整合在一个器件中，提高传感器的智能化和多功能性。
传感器培训资料
传感器培训资料第一部分：传感器的基本概念传感器是一种能够感知环境中的各种物理量并将其转化为电信号的装置。
通过测量物理量，传感器可以帮助我们获得环境中各种数据，从而实现自动化控制和监测。
传感器的种类繁多，常见的传感器包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光电传感器等。
在不同的应用场景中，需要选择不同类型的传感器来完成具体的任务。
第二部分：传感器的工作原理传感器的工作原理通常通过物理效应来实现。
例如，温度传感器通常利用热敏电阻或热电偶来测量温度；压力传感器则利用压阻效应或压电效应来转换压力为电信号。
在传感器的内部，通常还会带有信号放大电路、模数转换器等元件，用来将感知到的物理量转化为标准的电信号输出。
第三部分：传感器的应用场景传感器广泛应用于工业控制、汽车领域、医疗设备等各个领域。
例如，温度传感器可以用于控制空调温度、汽车发动机的温度监测等；压力传感器可以用于测量液体或气体的压力、监测管道的泄漏等。
第四部分：传感器的选择和安装在选择传感器时，需要考虑其测量范围、精度、响应时间等指标，以及适用的工作环境，如温度、湿度等。
在安装传感器时，需要注意避免干扰源，保证传感器测量的准确性。
第五部分：传感器的维护和保养传感器作为自动化系统中的重要部件，需要进行定期的维护和保养。
对于一些易受环境影响的传感器，如湿度传感器、光电传感器等，需要保持其表面清洁，防止积灰或水汽影响测量精度。
第六部分：传感器的未来发展随着科技的不断进步，传感器的应用范围将会更加广泛，同时传感器本身的性能也将进一步提升。
例如，新型传感器可能会采用纳米技术制备，具有更高的灵敏度和更小的体积；同时，通过无线传输技术，传感器也有望实现无线监测和控制，大大提高其应用灵活性。
通过本次传感器培训，希望大家能够对传感器有更深入的了解，从而能够更好地应用传感器解决实际问题，提高工作效率和产品质量。
同时也希望大家能够关注传感器领域的最新发展，不断更新自己的知识，为行业的发展做出更大的贡献。
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第3章 传感器理论基础
3.1传感器的组成和分类 3.2传感器的基本特性
第3章 传感器理论基础
传感器的组成和分类
组成
分类 按被测参数 被测参数分：温度、压力、位移、速度等 被测参数 按工作原理 工作原理分：应变式、电容式、压电式、磁电式等 工作原理
第3章 传感器理论基础
3
A
5 1
重复性
重复性——传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变 化时，所得特性曲线不一致的程度。 数学表达式
∆Rmax γR = ± × 100% YFS
6
第3章 传感器理论基础
漂移
传感器的漂移——输入量不变的情况下，传感器输 出量随着时间变化。 产生的原因？（传感器自身结构参数；周围环境） 温度漂移
静态特性 动态特性
灵敏度 瞬态响应特性 线性度 频率响应特性 迟滞 重复性 漂移 2 n 传感器静态输入、输出关系一般可表示为： 传感器静态输入、输出关系一般可表示为 y = a 0 + a1 x + a 2 x + L + a n x
第3章 传感器理论基础
灵敏度
灵敏度——单位输入量的变化所引起传感器输出量 的变化。 ∆y S= ∆x
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第3章 传感器理论基础
频率响应特性指标
通频带ω0.707 工作频带ω0.95 时间常数τ 固有频率ωn 相位误差 跟随角Φ0.707
第3章 传感器理论基础
传感器静态特性标定
传感器静态标定的过程如下： 1.将传感器全量程标准输入量分成若干个间断点，取各点的 值作为标准输入值。 2.由小到大一点一点地输入标准值，待输出稳定后记录与各 输入值相对应的输出值。 3.由大到小一点一点地输入标准值，待输出稳定后记录与各 输入值相对应的输出值。 4.按步骤2和3所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环 多次测试，将所得输入和输出数据用表格列出或画出曲线。 5.对测试数据进行必要的分析和处理，以确定该传感器的静 态特性指标。
第3章 传感器理论基础
量 程: 50 kN 输 出: 1.5 mV/V 非 线 性: 0.1 % F·S 滞 后: 0.1 % F·S : 重 复 性: 0.1 % F·S 温 漂: 0.01 % F·S/oC 零位输出: ≤2 % F·S 激励电压: 10V 工作温度: -20～80 oC 过载能力: 150% F·S
2
第3章 传感器理论基础
线性度
线性度是指？（输出与输入之间数量关系的线性程度） 关于拟合 ∆Lmax 数学表达式 γ L = ± Y × 100%
FS
第3章 传感器理论基础
ห้องสมุดไป่ตู้
图 2 - 4几种直线拟合方法 (a) 理论拟合； (b) 过零旋转拟合； (c) 端点连线拟合； (d) 端点平移拟合
2 4 T
B T0
图3－2 应变式加速度传感器 1－应变梁 2－质量块 3－应变片 4－壳体
第3章 传感器理论基础
传感器的基本特性
在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进 行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的 变化并不失真地变换成相应的电量——基本特性 传感器的基本特性通常分为静态特性和动态特性
第3章 传感器理论基础
迟滞
迟滞——传感器在输入量由小到大（正行程）及输 入量由大到小变化期间其输入输出特性曲线不重合 的现象。 ∆H max γH = ± ×100% 数学表达式 YFS 产生的原因？（传感器敏感元件材料的物理性质和机械零
部件的缺陷）
第3章 传感器理论基础
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第3章 传感器理论基础
dny d n −1 y dy d mx d m −1 x dx a n n + a n −1 n −1 + L + a1 + a 0 y = bm m + bm −1 m −1 + L + b1 + b0 x dt dt dt dt dt dt
零阶系统（又称比例系统）
y ( t ) = kx ( t )
第3章 传感器理论基础
瞬态响应特性（1）
一阶传感器的单位阶跃响应
对于一个阶跃输入： 0 t ≤ 0 x (t ) = 1 t > 0 得一阶传感器的单位阶跃响应 信号
x(t )
y (t )
y (t ) = 1 − e
−
t
τ
8
传感器存在惯性， τ 值是一阶传感器重要的性能参数
第3章 传感器理论基础
第3章 传感器理论基础
频率响应特性
频率响应特性——传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性 一阶传感器的频率响应
幅频特性：
1 + (ωτ ) 2 相频特性：Φ (ω ) = − arctg (ωτ )
τ 值是一阶传感器频率响应的重要性能参数
A(ω ) =
1
第3章 传感器理论基础
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第3章 传感器理论基础
以输出的平均值求端 点连线拟合直线，问 灵敏度和线性度、迟 滞、重复性误差各是 多少？
y 下行程
0 4.75
15.25 20
第3章 传感器理论基础
传感器的动态特性
传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应 特性。 例：动态测温
6
第3章 传感器理论基础
传感器基本动态特性方程
传感器的动态特性一般用下述微分方程来描述：
一阶系统（又称惯性系统）
τ
完全跟踪，无滞后
dy ( t ) + y ( t ) = kx ( t ) 二阶系统 2 dt d y (t ) dy ( t ) + 2ξω n + ω n2 y ( t ) = ω n2 x dt 2 dt
几个重要参数
k
τ
ξ
ωn
第3章 传感器理论基础
动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传 感器输入量的变化形式有关。也就是说，我们在研究 传感器动特性时， 通常是根据不同输入变化规律来 考察传感器的响应的。 瞬态响应特性——用得较多的标准输入信号有阶跃信号和脉冲信号 频域响应特性——输入为正弦信号
瞬态响应特性（2）
二阶传感器的单位阶跃响应
2 ωn 1 Y (S ) = 2 ⋅ 2 S + 2ξωn S + ωn S
过阻尼、欠阻尼、临界阻尼 二阶传感器对阶跃信号的响 应曲线在很大程度上取决于 阻尼比ξ和固有角频率ωn
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第3章 传感器理论基础
传感器的时域动态性能指标
时间常数τ 延迟时间td 上升时间tr 峰值时间tp 超调量σ
频率响应特性
二阶传感器的频率响应
幅频特性
A(ω ) = [1 − ( 1
ω 2 2 ω 2 ) ] + (2ξ ) ωn ωn
2ξ
相频特性
ω ωn Φ(ω ) = −arctg ω 1 − ( )2 ωn
第3章 传感器理论基础
二阶传感器的频率响应 特性好坏主要取决于传 感器的固有频率ωn和阻 尼比ξ。 当ξ<1, ωn»ω时, A（ω） ≈1, Φ（ω）很小, 此时, 传感器的输出y(t)再现了 输入x(t)的波形。通常固 有频率ωn至少应大于被 测信号频率ω的 3～5 倍, 即ωn≥（3～5）ω。
yt − y20 ξ= ∆t
第3章 传感器理论基础
课堂练习
有一位移测量系统，对位移在0～5mm的范围进行了 两个循环的测量，测量数据如下：
xi （mm） yi
mV） 上行程 下行程 上行程 0 0 0 0 0 0 1 5 4 5 5 5 2 10 9 10 10 11 10 3 15 14 16 15 16 4 20 20 21 19 20 5 25 25 25 25 25 25