传感器原理与测量电路
传感器原理及检测技术
传感器原理及检测技术传感器是一种能够将物理量或化学量转换成可测量信号的设备。
它在现代科技中发挥着重要作用，广泛应用于工业、农业、医疗等领域。
本文将介绍传感器的原理、种类以及常见的检测技术。
一、传感器的原理传感器的原理基于物理量与电信号之间的相互转换。
一般来说，传感器由灵敏元件、信号处理电路和输出装置组成。
灵敏元件是传感器的核心。
它能够将物理变量转换成电信号。
常见的灵敏元件有电阻、电容、电势、磁阻、磁感应等，它们的变化都可以通过电路检测到。
信号处理电路用于对传感器输出的信号进行放大、滤波等处理，以确保信号的准确性和稳定性。
它可以是模拟电路或数字电路，根据具体应用需求选择。
输出装置将经过信号处理的电信号转换成可供外部系统读取或显示的形式，如数字显示器、计算机接口等。
二、传感器的种类传感器按照测量物理量的不同可以分为多种类型，包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光传感器等。
以下是其中几种常见传感器的简要介绍：1. 温度传感器：用于测量物体的温度，常见的有热电偶、热电阻等。
2. 压力传感器：用于测量气体或液体的压力，广泛应用于工业自动化、航空航天等领域。
3. 湿度传感器：用于测量空气中的湿度，常见的有电容式湿度传感器、电阻式湿度传感器等。
4. 光传感器：用于测量环境光强度或接收光信号，包括光电二极管、光敏电阻和光电导。
三、传感器的检测技术传感器的检测技术包括校准、线性化和误差补偿等。
这些技术能够提高传感器的精确度和可靠性。
1. 校准：通过与标准样品进行比较，调整传感器的输出，使之达到准确的测量结果。
2. 线性化：对于非线性传感器，通过数学模型进行线性化处理，使输出信号与被测量的物理量成线性关系。
3. 误差补偿：传感器在工作过程中可能会出现一些误差，例如零点漂移、温度影响等。
合理的误差补偿技术能够提高传感器的精度和稳定性。
四、传感器的应用传感器在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个示例：1. 工业领域：传感器在工业自动化、机器人控制、生产线监测等方面发挥重要作用，能够实现实时监测和控制。
常用传感器的工作原理及应用
常用传感器的工作原理及应用3.1.1电阻式传感器的工作原理应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变弹性元件：具有弹性应变特性的物体3.1.3电阻应变式传感器电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。
工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。
输出的电量大小反映被测量的大小。
结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。
应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。
1．电阻应变效应○电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。
2．电阻应变片的结构基片bl电阻丝式敏感栅金属电阻应变片的结构4．电阻应变式传感器的应用（1）应变式力传感器被测物理量：荷重或力一二主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。
力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等（2）应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。
（3）应变式容器内液体重量传感器感压膜感受上面液体的压力。
（4）应变式加速度传感器用于物体加速度的测量。
依据：a =F/m 。
3.2电容式传感器3.2.1电容式传感器的工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时，电容量C 也随之变化。
dS C ε=三 如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。
电容传感器的测量电路
D2 D1 ±Ui
R2
R1
R1 ＋
R2
C2
iC1 + C1
iC2 +C (a) RL
2
UE +C1 iC1 RL
Ｕｏ －
(b)
iC2 +
当电源为负半周时，其中二极管D2导通、 D1 截止，电容C2 被以极其短的时间充电， 电容C1 通过R1、RL放电。电路等效为图(b)。
D2 D1 ±Ui iC1 + C1 R2 R1 iC2 +C (a) RL
特点：①高频交流正弦波供电； ②电桥输出调幅波，要求其电源电压波 动极小，需采用稳幅、稳频等措施； ③通常处于不平衡工作状态，所以传感 器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性 增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡 电桥； ④输出阻抗很高(几MΩ 至几十MΩ )，输 出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数 的处理电路。
T1 T2 T1 T2 U0 U A U B U1 U1 U1 T1 T2 T1 T2 T1 T2
UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 —分别为C1和C2的充电时间； U1—触发器输出的高电位。 Ur—触发器的参考电压。
U1 T1 R1C1 ln U1 U r
uA U1 0
uA U1 0 t t
uB U1
0 uAB U1 0 -U1 U F T1 Ur 0 UG Ur 0 (a)
uB U1
0 uAB U1 0 -U1 UF Ur 0 UG Ur 0 (b) T1
t
t U0 t
t
t
T2 t
T2
t
t
差动脉冲调宽电路各点电压波形图
传感器的工作原理输出特性差动整流电路和相敏检波电路PPT课件
变隙差动变压器电感式传感器的等 效电路
第34页/共81页
当r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中
的磁阻影响，可得变隙式差动变压器输出电压Uo的表达
式，即
Uo
b a b a
N2 N1
Ui
分析：当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δ0， 则Uo=0。但是 如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动Δδ（假设向上移动为正） 时，则有δa=δ0-Δδ， δb=δ0+Δδ，代入上式可得
0 A0 2 A2
（4-4）
则式（4-3）可写为
Rm
2 0 A0
（4-5）
联立式（4-1）、 式（4-2）及式（4-5）， 可得
L N 2 N 20 A0
Rm
2
（4-6）
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L N 2 N 20 A0
Rm
2
上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁
路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化，因 此变磁阻电感式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器
II
（4-1）
根据磁路欧姆定律： IN
Rm
（4-2）
式中, Rm为磁路总磁阻。
气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略磁 路磁损， 则磁路总磁阻为
Rm
L1
1 A1
L2
2 A2
2 0 A0
（4-3）
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通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即
2 0 A0
l1
1 A1
2
l2
电感测微仪是用于测量微小尺寸变化很普遍的一种工具，常用于测量 位移、零件的尺寸等，也用于产品的分选和自动检测。
第七章 光电型传感器与测量电路
2．光生伏特效应及器件 光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。 当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着 内建结电场，其方向是从N区指向P区，如图7-12所示。 当光照射到结区时，光照 产生的电子一空穴对在结电场 作用下，电子推向N区，空穴推 向P区；电子在N区积累和空穴 在P区积累使PN结两边的电位 发生变化，PN结两端出现一个 因光照而产生的电动势，这一 现象称为光生伏特效应。由于 它可以像电池那样为外电路提 供能量，因此常称为光电池。
图7-8 金属封装的CdS光敏电阻
图7-9 光电二极管原理图
(2) 光敏二极管PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特 效应工作。如图7-9所示，处于反向偏置的PN结，在无光照时 具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子一 空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动， 形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈 大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此 光照时的反向电流基本上与光强成正比。
图7-3 光电管
光电倍增管的结构如图7-4 所示。在玻璃管内除装有光电 阴极和光电阳极外，尚装有若 干个光电倍增极。光电倍增极 上涂有在电子轰击下能发射更 多电子的材料。光电倍增极的 形状及位置设置得正好能使前 一级倍增极发射的电子继续轰 击后一级倍增极。在每个倍增 极间均，依次增大加速电压。 光电倍增管的主要特点是： 光电流大，灵敏度高，其倍增 率为N=δn，其中δ为单极倍增 率(3～6)，n为倍增极数(4～14)。
7.3常用光电器件
光电器件是光电传感器的重要组成部分，对传感器的性能 影响很大。光电器件是基于光电效应工作的，种类很多。所谓 光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的 能量而产生的电效应。一般地，光电效应分为外光电效应和内 光电效应两类。因此，光电器件也随之分为外光电器件和内光 电器件两类。 7.3.1 外光电效应及器件 在光的照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射的现 象称为外光电效应。 根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。 因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量ε大于该 物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A， 因此对某特定材料而言，将有一个频率限νo(或波长限λ0)，称 为“红限”，不同金属光电效应的红限见表7-2。
传感器原理与测量电路
传感器原理与测量电路传感器是指将待测量转换成易于测量的电信号或其他形式输出的装置，其原理和测量电路是传感器技术的核心。
传感器原理和测量电路的研究和应用广泛存在于各个领域，如工业自动化、环境监测、医疗诊断等。
温度传感器是最常用的传感器之一，其原理是利用物质在不同温度下的特性变化来实现温度的测量。
常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻和半导体温度传感器等。
热电偶是利用两种不同金属的接触产生的热电效应来测量温度的传感器。
热电偶由两个不同材料的导线焊接在一起形成一个回路，当热电偶的两端温度不一致时，就会产生一种电动势。
通过测量电动势的大小，可以计算出温度的值。
热电偶具有响应快、测量范围广的特点，在工业过程中广泛应用。
热敏电阻是利用材料电阻随温度变化的特性来测量温度的传感器。
在常见的热敏电阻材料中，铂电阻和镍电阻是应用最为广泛的两种。
热敏电阻的基本原理是随温度的升高，电阻的值也会增大，利用这个性质可以通过测量电阻值的变化来计算温度。
半导体温度传感器是利用半导体材料的禁带宽度随温度变化的特性来测量温度的传感器。
常见的半导体温度传感器有热电偶温度传感器和集成式温度传感器。
热电偶温度传感器的原理类似于热电偶，集成式温度传感器则是利用半导体材料的电属性来实现温度测量。
无论是哪种温度传感器，都需要将其输出的电信号进行放大、滤波和数据处理等步骤，才能得到最终的温度值。
测量电路起到了关键的作用，它由放大器、滤波器、模数转换器等组成。
放大器将传感器输出的微弱电信号放大到合适的范围，以便后续的处理。
滤波器用于去除噪声信号，提高测量的精度和稳定性。
模数转换器将模拟信号转换成数字信号，便于计算机进行处理和分析。
霍尔传感器的测量电路原理
霍尔传感器的测量电路原理霍尔传感器是一种利用霍尔效应进行测量的传感器。
霍尔效应是指当磁场与通过有电流的导体垂直时，会在导体两侧产生电势差的现象。
霍尔传感器利用这种电势差来测量磁场的强度。
霍尔传感器的测量电路主要由霍尔元件、电流源和信号处理电路组成。
首先是霍尔元件，它是整个测量电路的核心部分，通常是一块薄薄的半导体晶片。
霍尔元件中有一个主要的活动区域，也就是霍尔平面，平行于元件表面，一般也是矩形的。
在霍尔平面内，有一个连续的电子气带。
当通过霍尔平面的电流受到垂直磁场影响时，电子将受到洛伦兹力的作用，使得电子在平面内形成一个电势差，这就是霍尔效应。
接下来是电流源，它主要用于提供通过霍尔元件的电流。
电流源通常是一个恒定电流源，可以保持通过霍尔元件的电流稳定。
这样就能确保在有磁场作用下得到相应的电势差信号。
最后是信号处理电路，它负责将霍尔元件输出的电势差信号进行放大和处理，最终输出一个与磁场强度相关的电压或电流信号。
信号处理电路通常包括放大电路、滤波电路和线性化电路等。
放大电路用于放大霍尔元件输出的微弱电势差信号，以保证它能够被后续的电路准确测量。
滤波电路则用于去除高频噪声，提高信号的稳定性和准确度。
线性化电路则用于使得输出信号与磁场强度之间保持线性关系，以便更容易进行准确的测量。
总结起来，霍尔传感器的测量电路原理可以概括为：通过电流源，将恒定电流引入霍尔元件，当磁场作用于霍尔元件时，通过霍尔效应产生电势差信号。
这个信号经过信号处理电路的放大、滤波和线性化处理后，最终输出与磁场强度相关的电压或电流信号。
霍尔传感器广泛应用于各个领域，如电动机控制、汽车电子、磁记录、磁传感、磁卡读写、地磁测量等。
它具有灵敏度高、响应速度快、体积小、功耗低等特点，成为现代电子设备中不可或缺的重要元件。
传感器技术 电容式、测量电路
① 驱动电缆法
☻ 原理：驱动电缆法是一种等电位屏蔽法。使用电缆屏蔽 层电位跟踪与电缆相连的传感器电容极板电位，使两电 位的幅值和相位均相同，从而消除电缆分布电容的影响。
11
介质变化型电容传感器
☻ 原理：利用极板间介质的介电常数变化将被测量转换成电
容变化的传感器称为介质变化型电容传感器。 以电介质插
入式为例， C C1 C2
0a
[ r1(
L
x
)
r2x
]
x
L
☻
S dC
应用特性： dx
0a
(
r2
r1
)
① 变介质型电容传感器可用来测量电介质的液位或某些材 料的温度、湿度和厚度等。
② 介质变化型电容传感器常用于非导电液体液位的测量， 其灵敏度与介电常数的差值(ε2-ε1)的值成正比，(ε2-ε1)值 越大灵敏度越高。
2020/6/30
12
应用中存在的问题和改进措施
(1) 等效电路(Equivalent circuit)
☎ 考虑电容传感器在高温、高
湿及高频激励的条件下工作，
而不可忽视其附加损耗和电 效应影响时，其等效电路如
C—传感器电容；RP—低频损耗并联电 阻； RS—串联损耗电阻；L—电容器及
图。
引线电感；CP—寄生电容
☎ 在实际应用中高频激励时，每当改变激励频率或者更换 传输线缆时，会使传感器有效电阻和有效灵敏度都发生 变化，因此必须对测量系统重新进行标定。
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应用中存在的问题和改进措施
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应变测量电路 （P344）
1
2 （一）直流电桥 它由连接成菱形的四个桥臂电阻 直流电桥的结构如图 3 R1R3 R2 R4 R1 、 R2 、 R1 R4 U ( )E E R3 和 R 组成。其中， A CR 两端接入直流 R R3 R4 (、 R1 4 1 R2 2 )(R3 R4 ) 4 电源E，而B、D两端为信号输出端，当输 R1R3 R2 R4 当 电桥输出 U=0 称电桥平衡 出端接入高阻抗负载时，电桥的输出端可 5 视为开路，其输出电压 （ 2）电桥电压灵敏度 图6-2 半导体应变片 通常电桥的连接方法有三种如图示： 1— 胶膜衬底 2—P-Si 3— 内引线 4—焊接板 5—外引线 半桥单臂、半桥双臂和全桥 取 R1=R2=R3=R4 =R 由此可得
分析以上公式。可以看出：电阻的相对全增量由两部分构成， 对于某些半导体材料，受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这 一部分是形变效应而引起，另一部分是电阻率发生变化而引起的。 种现象被称为压阻效应。电阻变化是率形变效应几十倍甚至上百倍，因此 对金属来说，电阻变化率较小,可忽略不计，因此 ： 引起半导体材料电阻相对变化的主要因素是压阻效应，利用这类半导体材 料制成的应变式传感器，称为压阻式应变式传感器，电阻的相对全增量为
R L A
电阻丝有效长度 图6-1 金属丝应变片结构 电阻丝式敏感栅
dR、dA dL 和dA d dL dR d 当每一可变因素分别有一变化量dL dρ 时，电阻的全增量为： 2 电阻的相对全增量为： L dLA dA d L L R R R R
dL L dr r
U
R E 4R
U
1 R E 2 R
U
R E R
半桥单臂
半桥双臂
全桥
（二）交流电桥
供桥电压采用交流电源的电桥称为交流电桥，四个桥臂可以是电阻，电容 或电感组成（如图10-9），a).b).c)所示。
a) 电容电桥
b)电感电桥
c)电阻电桥
桥臂不再是直流电桥中的“纯电阻”，而是呈复阻抗特性。分别用Z1 、 Z2 、Z3 、Z4表示四个桥臂的电抗，分别代替桥臂电阻R1 、R2 、R3 、R4， 则直流电桥的平衡关系式也可适用于交流电桥的平衡关系式。故有： Z1 Z3=Z2Z4 Z01· Z03= Z02· Z04 φ 1+φ 3=φ 2+φ 4 (10-16)
dL dA d R( ) dL A L A 是纵向应变 L dr dL 为横向应变 r L dR L
d
电阻率相对变化量，其值与材料在轴向所受的应力有关。
d
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
L L E
dR dR π dL dA d dL dR d (1 2 L E ) K 0 L为材料的压阻系数 2 R R E L为材料的弹性横量，因此，式（ A L L 6-1）又可写为
６.２
电阻应变式传感器
由于应变与被测对象所受的载荷、运动状况（速度、加速度、位移） 电阻应变式传感器是通过电阻丝或电阻片随被测对象发生的应变而的 ６ .２ . １ 金属应变片式传感器 变形情况密切相关，因此，用这类传感器能够测应变、应力、力、位移、 改变电阻丝或电阻片电阻值的传感器。传感器由在弹性元件上粘贴电阻应 速度、加速度、扭矩等参数，有很广泛的应用。 金属应变片式传感器的核心元件是金属电阻应变片，如图所示 变敏感元件构成。当被测量作用在弹性元件上，弹性元件的变形引起应变 值的变化，通过转换电路转换成电量输出，则电量变化的大小反映了被测 它能将被测试件的应变变化转换成电阻应变片电阻的变化。 量的大小。 基片 覆盖层 引线 1．工作原理 由物理学可知：电阻丝的电阻：
第六章 传感器原理与测量电路
第一节 概 述
传感器是将不同物理特性的信号转换为电信号的转换装置。 在机械测试中，传感器一般由转换机构和敏感元件两部分组成，前 传感器输出的电信号分为两类，一类是电压、电荷及电流，另一类 传感器是测量装置与被测量之间的接口，处于测量系统的输入端， 由于传感器和前置放大器或测量电路的这种不可分性，要求我们在 者将一种机械量转变为另一种机械量，后者则将机械量转换为电量，有 是电阻、电感和电感等电参数。通常情况下传感器输出的电信号比较微 其性能直接影响着整个测量系统，对测量精确度起着主要的作用。在选 学习传感器的原理的同时必须留意配套的前置放大器或相关测量电路 些结构简单的传感器则只有敏感元件部分。 择和使用传感器时还应该注意以下几点： 弱和不适合直接分析处理。因此传感器往往与配套的前置放大器连接或 者与其它电子元件组成专用的测量电路， 传感器首先必须在它的工作频率范围内满足不失真测试的条件 （1）适当的灵敏度 （2）足够的精确度 （3）高度的可靠性 （4）对被测对象的影响小 灵敏度高意味着传感器能检测微小的信号，当被测量稍有变化，传 可靠性是传感器和一切测量仪器的生命，可靠性高的传感器能长期 传感器的精确度表示其输出电量与被测量的真值的一致程度。然而 传感器的工作方式有接触和非接触两种。接触式传感器工作时必须 感器就有较大的输出。但高灵敏度的传感器测量范围也较窄，较容易受 完成它的功能并保持其性能参数。为了保证传感器使用中的高度可靠性， 精确度越高，其价格也越高，对测量环境的要求也越高。因此应当从实 可靠地与被测对象接触或固定在被测对象上，这时要求传感器与被测物 噪声的干扰。所以同一种传感器常常做成一个序列，有高灵敏度测量范 除了选用设计合理，制作精良的产品外，还应该了解工作环境对传感器 际出发选择能满足测量需要的足够精确度的传感器，不应一味地追求高 之间的相互作用要小，其质量要尽可能的小，以减少传感器对被测对象 的影响。在机械工程中 ，传感器有时是在相当恶劣的的条件下工作，包 围较小的，也有测量范围宽灵敏度较低的，在使用时要根据被测量的变 精度。 运行状态的影响。非接触式传感器则无此缺点，特别适用于旋转和往复 化范围（动态范围）并留有足够的余量来选择灵敏度适当的传感器。 括灰尘、高温、潮湿、油污、辐射和振动等，这时传感器的稳定性和可 机件的在线检测。 靠性就显得特别重要。