第五章讲义压变式传感器
《传感器》 讲义
《传感器》讲义一、什么是传感器在我们生活的这个科技飞速发展的时代，传感器扮演着至关重要的角色。
简单来说，传感器就是一种能够感知和检测各种物理量、化学量或生物量，并将其转换成可测量和可处理的电信号或其他形式信号的装置。
传感器就像是我们人体的感觉器官，能够“感受”到周围环境的变化。
比如，我们的眼睛能看到光，耳朵能听到声音，皮肤能感受到温度和压力。
而传感器则可以像这些感觉器官一样，感知温度、湿度、光照、声音、压力、位置、速度等各种各样的信息。
传感器的应用范围极其广泛，从我们日常使用的智能手机、智能家居设备，到工业生产中的自动化控制系统、医疗领域的医疗器械，再到航空航天、交通运输等众多领域，都离不开传感器的身影。
二、传感器的工作原理要理解传感器是如何工作的，我们首先需要了解一些基本的物理和化学原理。
大多数传感器都是基于某些特定的物理效应或化学反应来工作的。
比如，温度传感器通常利用热敏电阻、热电偶或半导体材料的温度特性来测量温度。
当温度发生变化时，这些材料的电阻、电势差或其他电学特性也会相应地发生改变，通过测量这些电学特性的变化，就可以确定温度的数值。
压力传感器则常常基于应变片的原理工作。
当受到压力作用时，应变片会发生形变，从而导致其电阻值发生变化。
通过测量电阻的变化，就能够计算出所施加的压力大小。
而在化学传感器中，例如气体传感器，可能会利用某些化学物质与特定气体发生反应时产生的电学、光学或其他性质的变化来检测气体的浓度。
三、传感器的分类由于传感器能够检测的物理量和化学量种类繁多，因此传感器也有许多不同的类型。
按照被测量的物理量分类，传感器可以分为温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光照传感器、声音传感器、位置传感器、速度传感器等等。
如果按照工作原理来分类，传感器则可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电式传感器、磁电式传感器等等。
此外，还有按照输出信号类型分类的，比如模拟式传感器和数字式传感器；按照使用场景分类的，如工业用传感器、家用传感器、医疗用传感器等等。
压力传感器 ppt课件
5.4 液体压力传感器
机油压力传感器 发动机机油液面传感器
制动主缸油压传感器
蓄压器压力传感器
燃油压力传感器
共轨燃油压力 （ 柴油机用 ） 传感器 制冷剂 （ 空调 ） 压力传感器
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一、 机油压力传感器
１. 发动机机油压力传感器的结构和原理
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２. 发动机机油压力传感器的检测方法
检测时拔下机油压力传感器的插头 ， 在发动机熄火后 ， 用欧姆表检测机油压力传感器接头与搭铁线之间 的电阻值 ； 在发动机启动后 ， 油压达到 20ｋＰａ 以 上时 ， 再测上 述电阻值 ，其阻值应变小 ， 否则应更换机油压力传感器 。
电容量的变化量与 弹性膜片的 位移成正比 ， 而弹性膜片的位 移取决于上 、 下两个气体空腔 的 压力 ，只要弹性膜片上部的 空腔为绝对真空 ， 下部空腔通 进气管 ， 则可通过检测电容量 的变化来检测进气歧管的绝对 压力 。
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电容式进气压力传感器的检测方法
① 检查真空软管的连接状态 ，以确保无老化破裂现象 。 ② 打开点 火开 关 ， 检 查 ＥＣＵ 的 ２６ 端子 （ 橘 ／ 黑 ） 与搭铁间的电压值 ， 应为 ５Ｖ 。 ③ 检测 ４６ 端子信号电路 （ 黑 ／ 白 ） 电压 ， 应为 ０Ｖ ， 接地电阻不大于0.5 Ω 。 ④ 检测进气压力信号线 （ 蓝 ／ 黄 ）， 拆下传感器连接器接 头 ， 测量 ４５ 端子处的电压 ， 在点火开关接通时为 0.5Ｖ 。
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二 、 增压压力传感器
机械增压器
废气增压器
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机械增压器
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罗茨增压器的驱动单独由一套皮带机构进行
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超链接
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传感器技术(第3版)期末考试复习重点
18103317第0章 绪论1．什么是传感器？（传感器定义）2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？3．了解传感器的分类方法。
第1章 传感器技术基础1 衡量传感器静态特性的主要指标有哪些?说明它们的含义。
2 计算传感器线性度的方法有哪几种？3 什么是传感器的静态特性和动态特性?为什么要把传感器的特性分为静态特性和动态特性?第2章 电阻应变式传感器1 金属应变计与半导体应变计在工作机理上有何异同?试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。
2 金属应变计的结构、类型和组成？3 简述电阻应变计产生热输出(温度误差)的原因及其补偿方法。
4 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。
增．比较电阻应变片组成的单桥、半桥、全桥电路的输出灵敏度和线性度。
8 一试件受力后的应变为3102-⨯；丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值120Ω，温度系数为/10506-⨯-℃，线膨胀系数为/10146-⨯℃；试件的线膨胀系数为/10126-⨯℃。
试求：温度升高20C 时，应变计输出的相对误差。
第3章 变磁阻式传感器1比较差动式自感传感器和差动变压器在结构上及工作原理上的异同之处。
4变间隙式、变截面式和螺管式三种电感式传感器各适用于什么场合?它们各有什么优缺点? 6 差动式电感传感器测量电路为什么经常采用相敏检波3－15（a ）(或差动整流（3－27（b ）)电路?试分析其原理。
13 用反射式电涡流传感器测量位移(或振幅)时对被测体要考虑哪些因素?为什么?增1. 什么是电涡流效应？涡流的分布范围。
电涡流传感器可以进行哪些非电量参数测量？第4章 电容式传感器1 电容式传感器可分为哪几类?各自的主要用途是什么?4 电容式传感器的测量电路主要有哪几种?各自的目的及特点是什么?使用这些测量电路时应注意哪些问题?7 试计算图P4-1所示各电容传感元件的总电容表达式。
9 变间隙(极距)式电容传感元件如图P4-3所示。
若初始极板距离mm 10=δ，当电容C 的线性度规定分别为0.1％、1.0％、2.0％时，求允许的间隙最大变化量?max =∆δ10 有一台变极距非接触式电容测微仪，其极板间的极限半径r=4mm，假设与被测工件的初始间隙δ0=0.3mm，试求：1)若极板与工件的间隙变化量Δδ=±10μm时，电容变化量为多少?2)若测量电路的灵敏度K0=100mV／pF，则在Δδ=±1μm时的输出电压为多少?第5章磁电式传感器（磁电感应式、霍尔式、磁敏元件）1 阐明磁电式振动速度传感器的工作原理，并说明引起其输出特性非线性的原因。
传感器原理及应用教程专用学习教案
传感器原理及应用教程专用学习教案教案内容：一、教学内容：本节课主要讲解传感器原理及应用，教材章节为第五章第一节《传感器的基本原理与分类》。
内容包括：传感器的定义、分类、基本原理，以及常见传感器的特点与应用。
二、教学目标：1. 让学生了解传感器的定义和分类，掌握传感器的基本原理。
2. 使学生熟悉常见传感器的特点和应用，提高实际操作能力。
3. 培养学生的创新意识和团队协作能力。
三、教学难点与重点：重点：传感器的基本原理，常见传感器的特点与应用。
难点：传感器的工作原理和实际应用中的问题解决。
四、教具与学具准备：教具：多媒体教学设备、传感器实验装置。
学具：实验手册、笔记本、测量工具。
五、教学过程：1. 实践情景引入：通过展示一辆智能汽车，让学生思考汽车是如何感知周围环境的。
2. 理论知识讲解：（1）传感器的定义：传感器是一种能够感受非电学量并将其转换为电学量的装置。
（2）传感器的分类：按工作原理可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器等。
（3）传感器的基本原理：传感器的工作原理主要包括转换原理、检测原理和处理原理。
3. 例题讲解：以温度传感器为例，讲解其工作原理、特点和应用。
4. 随堂练习：让学生分析不同类型的传感器在实际应用中的优缺点。
5. 实验操作：分组进行传感器实验，让学生亲身体验传感器的工作原理和应用。
6. 课堂讨论：让学生分享实验心得，讨论传感器在实际应用中可能遇到的问题及解决方法。
六、板书设计：传感器的基本原理与分类1. 传感器的定义2. 传感器的分类3. 传感器的基本原理转换原理检测原理处理原理4. 常见传感器的特点与应用七、作业设计：1. 请列举三种常见的物理传感器，并简要介绍其工作原理和应用。
答案：温度传感器、压力传感器、光敏传感器。
2. 请分析一只智能家居系统中，湿度传感器和光照传感器的作用。
答案：湿度传感器用于监测室内湿度，光照传感器用于监测室内光照强度，以调节家居设备的工作状态，提高生活质量。
常见压力传感器原理PPT课件
常见压力传感器原理
清醒于事前，防范于未然，绳子总在磨损地方折断，事故常在薄弱环节出现。
开始啦！请将手机调成静音，如有疑问可以随时打断我！
前言
随着自动化技术的进步，在工业设备中，除了液柱 式压力计、弹性式压力表外，目前更多的是采用可 将压力转换成电信号的压力变送器和传感器。那么 这些压力变送器和传感器是如何将压力信号转换为 电信号的呢？不同的转换方式又有什么特点呢？今 天仪控君为大家汇总了目前常见的几种压力传感器 的测量原理，希望能对大家有所帮助。
三电容式压力传感器
电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力 传感器。这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极， 当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路 即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器 ，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。
二压阻压力传感器
压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯体没有外加压力作用，电 桥处于平衡状态（称为零位），当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡。 若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器 的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化，经过放大后，再 经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非线性校正环路的补偿 ，即产生了输入电压成线性对应关系的4～20mA的标准输出信号。 为减小温度变化对芯体电阻值的影响，提高测量精度，压力传感器都采用温度补偿措施 使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。
一压电压力传感器
《传感器与检测专业技术》第二版部分计算题解答
-《传感器与检测技术》第二版部分计算题解答————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：第一章 传感器与检测技术概论作业与思考题1．某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm 变到5.0mm 时，位移测量仪的输出电压由3.5V 减至2.5V ，求该仪器的灵敏度。
依题意：已知X 1=4.5mm ； X 2=5.5mm ； Y 1=3.5V ； Y 2=2.5V求：S ；解：根据式（1-3） 有：15.45.55.35.21212-=--=--=∆∆=X X Y Y X Y S V/mm 答：该仪器的灵敏度为-1V/mm 。
2．某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器：0.35Ω/℃；电桥：0.01V/Ω；放大器：100（放大倍数）；笔式记录仪：0.1cm/V求：（1）测温系统的总灵敏度；（2）纪录仪笔尖位移4cm 时。
所对应的温度变化值。
依题意：已知S 1=0.35Ω/℃； S 2=0.01V/Ω； S 3=100； S 4=0.1cm/V ； ΔT=4cm求：S ；ΔT解：检测系统的方框图如下：ΔT ΔR ΔU 1 ΔU 2 ΔL（3分）（1）S=S 1×S 2×S 3×S 4=0.35×0.01×100×0.1=0.035（cm/℃） （2）因为：TL S ∆∆=所以：29.114035.04==∆=∆S L T （℃） 答：该测温系统总的灵敏度为0.035cm/℃；记录笔尖位移4cm 时，对应温度变化114.29℃。
3．有三台测温仪表，量程均为0_600℃，引用误差分别为2.5%、2.0%和1.5%，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？依题意，已知：R=600℃； δ1=2.5%； δ2=2.0%； δ3=1.5%； L=500℃； γM =2.5% 求：γM1 γM2 γM3解：铂电电桥放大记录（1）根据公式（1-21）%100⨯∆=Rδ 这三台仪表的最大绝对误差为：0.15%5.26001=⨯=∆m ℃0.12%0.26002=⨯=∆m ℃0.9%5.16003=⨯=∆m ℃（2）根据公式（1-19）%100L 0⨯∆=γ 该三台仪表在500℃时的最大相对误差为：%75.2%10050015%10011=⨯=⨯∆=L m m γ %4.2%10050012%10012=⨯=⨯∆=L m m γ %25.2%1005009%10013=⨯=⨯∆=L m m γ 可见，使用2.0级的仪表最合理。
《应变式压力传感器》PPT课件
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5 应变片粘贴
传感器与检测技术教程
(1) 准备：
① 试件——在粘贴部位的表面，用砂布在与轴 向成45°的方向交叉打磨至Ra为6.3μm→清洗 净打磨面→划线，确定贴片坐标线→均匀涂一 薄层粘结剂作底；
② 应变计——外表和阻值检查→刻划轴向标记 →清洗。
(2) 涂胶：
在准备好的试件表面和应变计基底上均匀涂一薄 层粘结剂。
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3 金属箔式应变片
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它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～ 0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也 称为应变花。如图。
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优点： ① 可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅
长l可做到0.2mm，以适应不同的测量要求； ② 与被测件粘贴结面积大； ③ 散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度； ④ 横向效应小。 ⑤ 蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长
R K
R
K R
R
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K 为金属应变片的灵敏系数。注意，K 是在试 件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一 致，且试件材料的泊松比为 0.285 的钢材时测得的。
第5章-压电式传感器课件
荷会通过放大器输入电阻和传感器本身的漏电阻漏掉，
所以压电传感器不能用于静态测量。
当3＞ ＞1，即3＞ > 1 时，前置放大器输入电
压 随频率增加而渐渐减缓.
>3 时, 可近似认为输入电压与作用力的频率 无关。即说明压电传感器的高频响应比较好，所以它用 于高频交变力的测量，而且相当理想。
一般电压放大器采用高输入阻抗的前级放大器, 一般在集成运放出现以前多采用MOS场效应管和分 离元件来实现,但由于调试周期长,抗干扰能力较弱,所 以目前多采用集成运放来作为前级的放大.一般采用
2 微型化：随着微加工技术和纳米技术的进步，
生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器
的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检 测食品成为可能。
3、智能化与集成化：未来的生物传感器必定与计
算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、 更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙,形 成检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多地 进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。
要注意的是，这两种放大器电路的输入端都应加过 载保护电路；否则，在传感器过载时会产生过高的输 出电压。
第五节 压电式传感器的应用
广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的 各种传感器，都可称为压电式传感器、它们已经广泛 地应用在工业、军事和民用等领域。表5—2给出了其 主要应用类型。在这些应用类型中力敏类型应用最多。 可直接利用压电传感器测量力、压力、加速度、位移 等物理量。
第二节 压电传感器的连接方式
一、压电晶片的连接方式:
由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电 荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存．因此需要测 量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能 的，所以压电传感器不宜作静态测量．只能在其上加 交变力电荷才能不断得到补充．可以供给测量电路一 定的电流．故压电传感器只宜作动态测量。
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陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度
有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。
二、压电式传感器测量电路
1．压电式传感器测量特点
（1）测量对象 压电是传感器主要测量力及力的派生物理量（压力、位移、
（P1+P2+P3)x>0。在Y、Z方向上的分量为零，可见，在X轴的正向出现正电 荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。
3）当晶体受到沿y轴方向的压力fy作用时，P1增大，P2、P3减小，即：
（P1+P2+P3)x<0。在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴
方向上不出现电荷。当作用力fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。
①无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线 性关系；
②晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；
③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。
2．压电陶瓷
（1）压电陶瓷的极化
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电 材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。
在自然界中许多物质具有压电效应和你压电效应，常见的 有石英晶体、压电陶瓷等。
2．石英晶体 石英晶体化学式为SiO2,是一个正六面体。
英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴， 经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴，与x和z轴 同时垂直的轴y称为机械轴。
通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 “纵向压电效应”；而把沿机械轴y方向的作用下产生电 荷的压电效应称为“横向压电效应”；而沿光轴z方向受
一、压电传感器工作原理
1．压电效应 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其
内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号 相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态， 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象 称压电效应。又叫顺压电效应）。
反之，当在电介质的极化方向施加电场，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。这个现象叫做逆压电效应， 又叫电致伸缩效应。
（1）石英晶体的压电效应
“⊕”代表Si4+离子，
“ ”代表氧离子O2
（a）不受力时 （b）x轴方向受力时 （c）y轴方向受力时
1）石英晶体未受外力作用，此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零， P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。
2）当石英晶体受到沿x轴方向的压力fx作用时，X轴P1减精品jing
第五章 压变式传感器
5.1 压电式传感器 5.2 压磁式传感器
第一节 压电式传感器
压电式传感元件是力敏感元件，所以它能测 量最终能变换为力的那些物理量，例如力、 压力、加速度等各种动态力、机械冲击与振 动的测量。
压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、 信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等 优点
加速度等）。 1）宜用于动态测量：只能施加交变力，电荷才能得到不断
的补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做动态测量 2）接高阻前置放大器：减少晶片的漏电流以减少测量误差
前置放大器要有相当高的输入阻抗 ，保证较大的时间常数
（2）压电元件的联接形式 在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于
4）如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同， 所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加 作用力，晶体不会产生压电效应。
（2）压电效应参数的分析
1、从石英晶体上沿y方向切下一块，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴。并在垂 直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。
理想等效电路
实际等效电路 ：
考虑连接电缆的等效电容Cc， 放大器的输入电Ri， 输入电容Ci以及 压电传感器的泄漏电阻Ra。
（a）电压源
（b）电荷源
（a）电压源； （b）电荷源
3．压电式传感器的测量电路
压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的 测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作 用为：
2、若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力FY 极间电荷：
1、 qx d11Fx
a
2、
qy
b
d11Fy
1：在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX改为 拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。
2、仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qY 但产生的电荷的符号是不同的 。 结论：
原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向
于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈 强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时 ，在陶 瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。
（2）压电陶瓷的压电效应
3）结论：
压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。
这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极 化强度。
如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷 就出现压电效应。
（2）压电效应分析 压电效应产生的电荷量的大小与外力成正比关系：
q d33F
1）正压电效应：
施加力
陶瓷片压缩形变
极化强度变小
释放电荷
力撤消
充电
由机械效应转为电效应，或由机械能转为电能的现象，就是正压电效应。
2）逆压电效应：
陶瓷片加与电场
极化强度变化
陶瓷片形变
外加电场与极化方向相同，沿极化方向伸长，反之，产生缩短形变 。 由电效应而转为机械效应或由电能转为机械能的现象，就是逆压电效应。
压电材料是有极性的，因此接法也有两种。
（a）并联；（b）串联
并联：输出电荷量，本身电容大，因此时间常数也大，通常 适用于测量慢速信号，并以电荷量作为输出的场合。
串联：输出电压高，本身电容小，因此时间常数也小，通常 适用于测量快速信号，并以电压量作为输出，且测量 电路输入阻抗很高的场合。
2．压电式传感器的等效电路