传感器概论
第1章概论
一传感器的概念与发展
1．1 传感器基本概念
传感器（transducer/sensor）的定义是：能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件（sensing element）是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件（transducer element）是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号以及其它某种可用信号的部分。传感器狭义地定义为：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。可以预料，当人类跨入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念将随之发展成为：能把外界信息转换成光信号输出的器件。
传感器的任务就是感知与测量。在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。在18世纪产业革命以前，传感技术由人的感官实现：人观天象而仕农耕，察火色以冶铜铁。从18世纪产业革命以来，特别是在20世纪信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官，即工程传感器来实现。目前，工程传感器应用如此广泛，以至可以说任何机械电气系统都离不开它。现代工业、现代科学探索、特别是现代军事都要依靠传感器技术。一个大国如果没有自身传感技术的不断进步，必将处处被动。
现代技术的发展，创造了多种多样的工程传感器。工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知的量，如紫外线、红外线、超声波、磁场等。从这个意义上讲，工程传感器超过人的感官能力。有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测，但工程传感器测量得更快、更精确。例如虽然人眼和光传感器都能检测可见光，进行物体识别与测距，但是人眼的视觉残留约为0．1s，而光晶体管的响应时间可短到纳秒以下；人眼的角分辨率为1ˊ，而光栅测距的精确度可达1"；激光定位的精度在月球距离3×104km范围内可达10cm以下；工程传感器可以把人所不能看到的物体通过数据处理变为视觉图像。CT技术就是一个例子，它把人体的内部形貌用断层图像显示出来，其他的例子还有遥感技术。
但是目前工程传感器在以下几方面还远比不上人类的感官：多维信息感知、多方面功能信息的感知功能、对信息变化的微分功能、信息的选择功能、学习功能、对信息的联想功能、对模糊量的处理能力以及处理全局和局部关系的能力。这正是今后传感器智能化的一些发展方向。随着信息科学与微电子技术，特别是微型计算机与通信技术的迅猛发展，近期传感器的发展走上了与微处理器内微型计算机相结合的必由之路，智能（化）传感器的概念应运而生。
传感器技术，则是涉及传感（检测）原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术，因此传感器技术涉及多学科交叉研究。
1．2 传感器的构成与分类
传感器一般由敏感元件、转换元件、调理电路组成。
敏感元件是构成传感器的核心，是指能直接感测或响应被测量的部件。
转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这种输出信号以电量的形式出现。
调理电路是把传感元件输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信
号所涉及的有关电路。图1-1 为传感器组成框图：
图1-1 传感器组成框图
传感器主要按其工作原理和被测量来分类。传感器按其工作原理，一般可分为物理型、化学型和生物型三大类；按被测量——输入信号分类，一般可以分为温度、压力、流量、物位、加速度、速度、位移、转速、力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。传感器按其工作原理分类便于学习研究，把握本质与共性；按被测量来分类，能很方便地表示传感器的功能，便于选用。本书的编排主要是按其工作原理分类，最后安排一章参数检测内容从被测量角度讨论传感器原理应用。
物理型传感器又可分为结构型传感器和物性型传感器。物性传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应感受被测量，并转换成电信号的传感器。在物性传感器中，敏感元件与转换元件合为一体，一次完成“被测非电量一有用电量”的直接转换。结构型传感器是以结构为基础，利用某些物理规律来感受被测量，并将其转换成电信号的传感器。这里需要加入转换元件，实现“被测非电量→有用非电量→有用电量”的间接转换。
按照敏感元件输出能量的来源又可以把传感器分成如下三类：
（1）自源型为仅含有转换元件的最简单、最基本的传感器构成型式。此型式的特点是，不需外能源；其转换元件具有从被测对象直接吸取能量，并转换成电量的电效应；但输出能量较弱，如热电偶、压电器件等。
（2）带激励源型它是转换元件外加辅助能源的构成型式。这里的辅助能源起激励作用，它可以是电源，也可以是磁源。如某些磁电式和霍尔等电磁感应式传感器即属此型。特点是：不需要变换（测量）电路即可有较大的电量输出。
（3）外源型由利用被测量实现阻抗变化的转换元件构成，它必须通过外电源经过测量电路在转换元件上加入电压或电流，在才能获得电量输出。这些电路又称“信号调理与转换电路”。常用的如电桥。放大器。振荡器、阻抗变换器和脉冲调宽电路等。
自源型和带激励源型，由于其转换元件起着能量转换的作用，故谓“能量转换型传感器”，外源型又称能量控制型。
能量转换型传感器中用到的物理效应有：压电效应、磁致伸缩效应、热释电效应、光电动势效应、光电放射效应、热电效应、光子滞后效应、热磁效应、热电磁效应、电离效应等等。
能量转换型传感器中用到的物理效应有：应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电阻效应、霍尔效应、约瑟夫逊效应以及阻抗（电阻、电容、电感）几何尺寸的控制等等。
对传感器的基本要求如下：
（1）足够的容量——传感器的工作范围或量程足够大；具有一定过载能力。
（2）灵敏度高，精度适当——即要求其输出信号与被测输人信号成确定关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。
（3）响应速度快，工作稳定、可靠性好。
（4）适用性和适应性强——体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；
内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。
（5）使用经济——成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。
表1 传感器的分类
1．3 传感器技术的发展趋势
（一）传感器的集成化和微型化
所谓集成化，就是在同一芯片上，或将众多同类型的单个传感器件集成为一维、二维阵列型传感器，或将传感器件与调理、补偿等处理电路集成一体化。前一种集成化使传感器在可见光图像传感器、电容指纹传感器中已经实现，并正在向更高密度发展。目前,在红外成像信号检测领域,世界各国都热衷于二维混合红外焦平面阵列IRFPAs(Infrared Focal-Plane Arrays), 结构如图1-2所示。后一种集成化传感器将处理电路集成一体化，极大地方便了使用。目前市场上已有多种中低精度的产品，但高精度集成化传感器仍有待研发。
图1-2 二维混合红外焦平面阵列
（二）传感器的数字化与智能化
为了使传感器与计算机直接相连接，发展数字化传感器是很重要的。数字技术是信息技术的基础，数字化又是智能化的前提，智能式传感器离不开传感器的数字化。
所谓智能化传感器（Smart Sensors）是以专用微处理器控制的、具有双向通信功能的传感器系统。它不仅具有信号检测、转换和处理功能，同时还具有存储、记忆、自补偿、自诊断等多种功能。按构成模式，智能式传感器有分立模块式和集成一体式之分。
预计未来的10年，传感器智能化将首先发展成由硅微传感器、微处理器、微执行器和接口电路等多片模块组成的闭环传感器系统。如果通过集成技术进一步将上述多片相关模块全部制作在一个芯片上形成单片集成，就可形成更高级的智能传感器了。
还有两点要特别指出：
第一，固态功能材料（如半导体、电介质、超导体等）的进一步开发，以及集成技术、微机械加工技术的不断完善，为传感器的集成化、微型化和智能化开辟了广阔的前景。如今，传感器的发展有一股强劲的势头，这就是正在摆脱传统的结构设计与生产，而转向优先选用硅材料，以微机械加工技术为基础，以仿真程序为工具的微结构设计，来研制各种敏感机理的集成化、阵列化、智能化硅微传感器。这一现代传感器技术国外称之为“专用集成微型传感器技术”ASIM（Application specific integrated microtransducer）。这种硅微传感器一旦付诸实用，将对众多高科技领域——特别是航空航天、遥感遥测、环境保护、生物医学和工业自动化领域有着重大的影响。
第二，微传感器网络正在研究。随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注.这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽而准确的信息,传送到需要这些信息的用户。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。传感器网络作为一个全新的研究领域,在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。
（三）开发新型传感器
鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。其中利用量子力学诸效应研制的高灵敏阈传感器，用来检测极微弱信号，是传感器技术发展的新趋势之一。例如：利用核磁共振吸收效应的磁敏传感器，可将检测限扩展到地磁强度的10－2；利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测量10－6K的超低温；以及由于光子滞后效应的利用，出现了响应速度极快的红外传感器，等等。
利用化学效应和生物效应开发的可供实用的生物传感器正在引起关注。生物传感器对信息的高选择性和灵敏度吸引众多科学人员从多方面开展研究。
传感器今后的研发工作主要在开展基础研究、扩大传感器的功能与应用范围两个大方面。
二传感器技术基础
2．1 传感器的特性与指标
2．1．1 传感器的静态特性
静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出——输入关系，研究静态特性主要考虑其非线性、滞后、重复、灵敏度、分辨力等方面。
1 线性度
线性度又称非线性，是表征传感器输出——输入校准曲线与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。通常用相对误差来表示线性度或非线性误差，即
%100.
.m a x
?±
=?y
L e
S F L
(1-1)
式中 ΔL max ——输出平均值与拟合直线间的最大偏差；
y F 。S 。——理论满量程输出值。
传感器的输出——输入关系或多或少地存在非线性问题，在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静特性可用下列多项式代数方程表示：
n n x a x a x a x a a y +++++= 332210 （1-2）
式中 y — 输出量；
x — 输入量； 0a — 零点输出；
1a — 理论灵敏度；
n a a a ,,32 — 非线性项系数
各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。静态特性曲线可实际测试获得，在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的方法来线性化。显然，选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差，并考虑使用与计算方便。下面介绍几种目前常用的拟合方法：
（1）理论直线法 以传感器的理论特性线作为拟合直线，它与实际测试值无关。优点是简单、方便，但通常ΔL max 很大。
（2）端点线法 以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。其方程式为
kx b y += （1-3）
式中 b 和k ——分别为截距和斜率，这种方法也很简便，但通常ΔL max 也很大。 （3）“最佳直线”法 这种方法以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正、负偏差相等并且最小，由此所得的线性度称为“独立线性度”。显然，这种方法的拟合精度最高。通常情况下，“最佳直线”只能用图解法或通过计算机解算来获得。 （4）最小二乘法 这种方法按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。
最小二乘法的拟合精度很高，但校准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最小，最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。
几种不同的拟合方法如图1-3所示
图1－3 几种不同的拟合方法
（a ）理论直线法；（b ）端点线法；（c ）“最佳直线”法
2 回差（滞后）（Hysteresis ）
回差是反映传感器在正（输人量增大）反（输入量减小）行程过程中输出——输入曲线的不重合程度的指标。通常用正反行程输出的最大差值ΔH max 计算，并以相对值表示（见 图1-4）。
%100.
.max
?=
?y
H
e
S F H
式（2-4）
图1－4 回差（滞后）特性
3 重复性（Repeatability ）
重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性越好。
重复性误差反映的是校准数据的离散程度，属随机误差，因此应根据标准偏差计算，即
%100..max
?±
=y
a e
S
F R
σ 式（2-5）
式中 σ
max
——各校准点正行程与反行程输出值的标准偏差中之最大值；
a ——置信系数，通常取 2或3，a=2时，置信概率为95.4％；a=3时，置信概率为99.73％。
标准偏差按贝塞尔公式法计算：
1
1
2
)
(-=
∑-=n i i n
i y y σ 式（1-6）
式中 y
i
——某校准点之输出值；
y
i
——输出值的算术平均值；
n ——测量次数。
按上述方法计算所得重复性误差不仅反映了某一传感器输出的一致程度，而且还代表了在一定置信概率下的随机误差极限值。 4 灵敏度（Sensitivity ）
灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比，线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即 x y K ??=，非线性传感器的灵敏度不是常数，应以 dx dy 表示。 实用上由于外源传感器的输出量与供给传感器的电源电压有关，其灵敏度的表达往往需要包含电源电压的因素。例如某位移传感器，当电源电压为1V 时，每1mm 位移变化引起输出电压变化100 mV ，其灵敏度可表示为 100（V mm mV ?）。
5 分辨力（Resolution ）
分辨力是传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。有时用该值相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。
6 阈值（Threshold ）
阈值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”，则将死区的大小作为阈值；更多情况下阈值主要取决于传感器的噪声大小，因而有的传感器只给出噪声电平。
7 稳定性（Stability ） 又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过一规定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。 8 漂移（Drift)
漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。
零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移（时漂）和温度漂移（温漂）。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂为周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。 9 静态误差（精度）（Precision ）
这是评价传感器静态性能的综合性指标，指传感器在满量程内任一点输出值相对其理论值的可能偏离（逼近）程度。它表示采用该传感器进行静态测量时所得数值的不确定度。 静态误差的计算是将非线性、回差、重复性误差按几何法综合，即
（1-7）
若仍用相对误差表示静态误差，则有
()%1003~2.
.?±
=y
e
S F S
σ
（1-8）
2．1．2 传感器的动态特性
动态特性是反映传感器随时间变化的输入量的响应特性。用传感器测试动态量时，希望它的输出量随时间变化的关系与输入量随时问变化的关系尽可能一致，但实际并不尽然，因
此需要研究它的动态特性——分析其动态误差。它包括两部分：1）输出量达到稳定状态以后与理想输出量之间的差别；2）当输入量发生跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之间的过渡状态中的误差、由于实际测试时输入量是千变万化的，且往往事先并不知道，故工程上通常采用输入“标准”信号函数的方法进行分析，并据此确立若干评定动态特性的指标。常用的“标准”信号函数是正弦函数与阶跃函数。本节将分析传感器对正弦输入的响应（频率响应）和阶跃输入的响应（阶跃响应）特性及性能指标。
在不考虑各种静态误差的条件下，可以用常系数线性微分方程描述单输入x 、单输出y 传感器动态特性，以下为其动态数学模型：
x
dt
dx x
x
y dt
dy
y
y
b
b dt
a b
dt
a b a
a
dt
d a
dt
d a m m m m
m
m
n m n n
m
n
1
1
1
1
1
1
1
1
+
+++
=
+
+
++
------ 式（2-9）
设x(t)、y(t)的初始条件为零，对上式两边逐项进行拉氏变换，可得：
222
R H L s e e e e ++±=
()()()()
()()()()
s X s sX s X s X s Y s sY s Y s Y b b s b s
b a a
s
a s
a m m m
m
n n n
n
011
10
1
1
1
+++++
+
++
----= （1-10）
由此得传递函数：
()()
()a
a s
a s a b
b s b s b s s s X s Y s H n n n
n m m m
m
1
1
1
111
+++++
++
=
=
---- (1-11)
传递函数是拉氏变换算子S 的有理分式，所有系数都是实数，这是由传感器的结构参数决定的。分子的阶次m 不能大于分母的阶次n ，这是由物理条件决定的。分母的阶次用来代表传感器的特征：
n ＝0时，称为零阶；
n ＝1时，称一阶； n ＝2时，为二阶； n 更大时，为高阶。
分析方法完全借鉴于电路分析课程或控制原理课程中的相应内容，只不过输入量为非电量。
2．1．2．1 传感器的频率响应特性
将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，其输出信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应特性。
设输入幅值为x 、角频率为ω的正弦量
t X x ωsin =
则获得的输出量为
()?ω+=t Y y sin
式中Y 、?分别为输出量的幅值和初相角。
在传递函数式（2-11）中令s=j ω，代入得：
()()
()()()()()
()a
a j a j a
b
b j b j b
j j j X j Y n n n
n
m m m
m
1
1
1
1
1
1
++
++++
++=
----ωωωωωωωω (1-12)
式（2-12）将传感器的动态响应从时域转换到频域，表示输出信号与输入信号之间的关系随着信号频率而变化的特性，故称之为传感器的频率响应特性，简称频率特性或频响特性。其物理意义是：当正弦信号作用于传感器时，在稳定状态下的输出量与输入量之复数比。在形式上它相当于将传递函数式（2-11）中之s 置换成(ωj )而得，因而又称为频率传递函数，其指数形式为
()()
()
e
e
e
j t
j t j X
Y X
Y
j X j Y ?
ω?ωωω=
=+ （1-13）
由此可得频率特性的模
()()()
X
Y j X j Y A ==
ωωω （1-14）
称为传感器的动态灵敏度（或称增益）。A （ω）表示输出,输入的幅值比随ω而变，故又称为幅频特性。以()()??????ωωj X j Y Re 和()()??
????ωωj X j Y Im 分别表示A （ω）的实部和虚部，得到频率特
性的相位角
()()()()()???
?
???
???????????????????=ωωωωω?j X j Y j X j Y Re Im arctan （1-15）
称之为相频特性。对传感器而言，通常为负值，即输出滞后于输入。 2．1．2．2 传感器的阶跃响应特性
当给静止的传感器输入一个单位阶跃信号
0 t<0
u （t ）= （1-16） 1 t>0 时，其输出信号称为阶跃响应,可参见图1-5
图1－5阶跃响应曲线
（a ）一阶系统；（b ）二阶系统
衡量阶跃响应的指标有：
（1）时间常数τ 传感器输出值上升到稳态值y c 的63.2％所需的时间。
（2）上升时间T r 传感器输出值由稳态值的10％上升到90％所需的时间，但有时也规定其他百分数。
（3）响应时间T s 输出值达到允许误差范围2％所经历的时间，或明确为“百分之二响应时间”。
（4）超调量a 1 响应曲线第一次超过稳态值之峰高，即a 1 =y max +y c ，或用相对值a=﹝（y max - y c ）/ y c ﹞×100％表示。
（5）衰减率φ 指相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数：φ=﹝（a n －a n ＋2）/ a n ﹞×100％。 （6）稳态误差e ss 系无限长时间后传感器的稳态输出值与目标值之间偏差ζss 的相对值： e ss =（ζss / y c ）×100％。
2．1．2．3 传感器典型环节的动态响应
常见的传感器通常可以看成是零阶、一阶或二阶环节，或者是由L 述环节组合而成的系统。下面将着重介绍零阶、一阶、二阶环节的动态响应特性 1．零阶环节
零阶环节的微分方程和传递函数分别为
Kx x y a
b ==
0 （1-17）
()
()K s X s Y a
b ==
0 （1-18）
式中K ——静态灵敏度。
可见零阶环节的输入量无论随时间怎么变化，输出量的幅值总与输入量成确定的比例关系，在时间上也无滞后。它是一种与频率无关的环节，故又称比例环节或无惯性环节。 在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高的情况下，都可以近似看作零阶环节。
2．一阶环节
一阶环节的微分方程为
x y dt
dy
b
a
a
1
=
+
(1-19)
令 τ= a l ／a 0——时间常数； K= b 0／a 0——静态灵敏度。 则式(1-19)变成
()Kx y s =+1τ （1-20） 其传递函数和频率特性分别为
()()1
+=
s K
s X s Y τ (1-21)
()()
1
+=
ωτωωj K
j X j Y (1-22)
幅频特性和相频特性分别为
()()12
+=ωτωK
A (1-23)
()()ωτω?-=arctan (1-24)
图1-6 一阶传感器对数幅频图 A （ω）与φ（ω）如图1-6所示，图中坐标为对数坐标。
动态相对误差：
e
e
r
t
r
t
KA
KA KA --=
??
? ?
?--=
1γ (1-25)
一阶环节输入阶跃信号后在ｔ>5τ之后采样，其动态误差可以忽略，可认为输出已接近稳态。反过来，若已知允许的相对误差值γ计算出稳定时间：
γ
τωln =t (1-26)
τ为一阶环节的时间常数，τ越小阶跃响应越迅速，频率响应的上截止频率越高。τ的大小表示惯性的大小，故一阶环节又称为惯性环节。 3．二阶环节
二阶环节的微分方程为
x y dt
dy
y b
a
a dt
d a 0
1
2
2
2
=
+
+ (1-27)
令 a
b K 0
= ——静态灵敏
a
a 0
2=
τ ——时间常数
a
a
2
1
=
=
τ
ω
——固有频率
a
a a
2
1
2
=
ξ ——阻尼比
式（2-26）可写成
Kx y s n
n
s
=???
?
?
??++
121
2
2ω
ωξ
(1-28)
其传递函数和频率响应分别为
()()()
1
22
2++
=
=
s n
K
s X s Y s H n
s
ω
ωξ
(1-29)
幅频特性和相频特性分别为
()()[]
()
ωξωωωωn n
K
A 212
2
2+
=
- (1-30)
()()ωωωξω
ω?n
n
2
12arctan
--= (1-31)
图 1-7 二阶环节的幅频特性与相频特性
二阶环节的幅频特性与相频特性如图1-7所示。由图可见，当ω/ωn ≤1时，A （ω）≈K ，φ（ω）/ω≈0，近似于零阶环节。在无阻尼固有频率附近(ω/ωn =1），系统发生谐振。
为了避免这种情况，可增大ξ值，当ξ＞0.707时，谐振就不会发生了。当 ξ=0.7时,幅频特性的平坦段最宽，而且相频特性接近于一条斜直线。
若对二阶环节输入一阶跃信号，式（2-25）就变成
KA y s n
n
s
=???
?
?
??++
121
2
2ω
ωξ
（1-32）
特征方程及其两根分别为
0121
2
2
=++
s n
n
s
ω
ωξ
（1-33）
ωξ
ξn r
??
?
??
-+-=12
1
ωξ
ξn r
??
?
?
?
-+-=12
2
（1-34） 当ξ＞l （过阻尼）时
?????
?????
?
?-??
? ??--+
-??
? ??-+-
=???
?
?
?
---???
? ?
?
-+-e
e
t n
n
KA y ωξξωξ
ξξξξ
ξξ
ξ12
2
12
2
22
1
2
11
2
11 （1-35） 当ξ＝1（临界阻尼）时
()[
]
?ω
+-=n
KA y sin
1 式（1-36）
()[
]e t
n n
t KA y ω
ω-
+-=11 （1-37）
当ξ＜1（欠阻尼）时
????
????
?
???? ?
?
+---
=-?ω
ωξξ
ξ
t KA y n
t
e
n
2
2
1sin 11 （1-38） 式中ξ
?2
1arcsin
-=－一衰减振荡相位差。
将上述三种情况绘成曲线，可得图1-8所示二阶环节的阶跃响应曲线簇。由图可知，固有频率ωn 越高，则响应曲线上升越快，即响应速度越高；反之ωn 越小，则响应速度越低。而阻尼比ξ越大，则过冲现象减弱越快。ξ＞1时完全没有过冲，也不产生振荡；ξ＜1时，将产生衰减振荡。为使接近稳态值的时间缩短，设计时常取ξ=0.6～0.8。
当ξ=0时，式（2-37）变成([1sin()])n y K A ω?=-+，形成等幅振荡，这时振荡频率就是二阶环节的振动角频率ωn ，称为“固有频率”。
图1－8 二阶环节的阶跃响应
图1－9 二节环节实例
图1-9所示由弹簧（k ）、阻尼（c ）和质量（m ）组成的机械系统是二阶环节在传感器中的应用实例。在外力F 作用下，其运动微分方程为
F ky dt
dy c
y m
dt
d =++2
2
（1-39）
2．1．3 传感器的性能指标一览
由于传感器的类型五花八门，使用要求千差万别，要列出可用来全面衡量传感器质量优劣的统一指标极其困难；迄今为止，国内外还是采用罗列若干基本参数和比较重要的环境参数指标的方法来作为检验、使用和评价传感器的依据。表1-1列出了传感器的一些常用指标，可供读者参考。
表1－1
2．2 传感器设计中的共性技术
2．2．1 差动技术
在使用中，通常要求传感器输出—输入关系成线性，但实际难于做到。如果输入量变化范围不大，而且非线性项的方次不高时，在对多项式进行分析后，找到了一种切实可行的减小非线性的方法——差动技术。这种技术也已广泛用于消除或减小由于结构原因引起的共模误差（如温度误差）方面。其原理如下： 设有一传感器，其输出为
++
+
++
=
x
a x
a x
a a a
y
x 4
4
3
3
2
2
10
1
用另一相同的传感器，但使其输入量符号相反（例如位移传感器使之反向移动），则它的输出为
-+
-
+-=
x
a x
a x
a a a y
x 4
4
3
3
2
2
102
使二者输出相减，即
()
++=-
=
?x
a a
y
y
x y 3
3
1
2
1
2
（1-40）
于是，总输出消除了零位输出和偶次非线性项，得到了对称于原点的相当宽的近似线性范围，
减小了非线性，而且使灵敏度提高了一倍，抵消了共模误差。在传感器中，外界被检测量的满量程往往只引起单个敏感元件的少量变化，为了取出这种少量变化，去除不变部分，需要在敏感部分采取差动技术，如各种测量桥路（不平衡电桥）。 差动技术已在电阻应变式、电感式、电容式等传感器中得到广泛应用。在干涉光学传感器技术中光路光程差、谐振传感器中频率差等方法技术也源于动差动技。本书在相关章节将重点介绍该技术。
2．2．2 零示法、微差法与闭环技术
设计或应用传感器时，零示法、微差法与闭环技术可用以消除或削弱系统误差。 零示法可消除指示仪表不准而造成的误差。采用这种方法时，被测量对指示仪表的作用与已知的标准量对它的作用相互平衡，使指示仪表示零，这时被测量就等于已知的标准量。机械天平是零示法的例子。零示法在传感器技术中应用的实例是平衡电桥。
微差法是在零示法的基础上发展起来的。由于零示法要求标准量与被测量完全相等，因而要求标准量连续可变，这往往不易做到。人们发现如果标准量与被测量的差别减小到一定程度，那么由于它们相互抵消的作用就能使指示仪表的误差影响大大削弱，这就是微差法的原理。
几何量测量中广泛采用的测微仪检测工件尺寸的方法，就是微差法测量的实例。用该法测量时，标准量可由量块或标准工件提供，测量精度大大提高。
当要求测试系统具有大的动态范围、高的灵敏度、分辨力与精度，以及优良的稳定性、重复性和可靠性时，开环测试系统往往不能满足要求，于是出现了在零示法基础上发展而成
的闭环式传感器系统。现多采用具有深度负反馈的力平衡方式，这里被测力与反馈力对于高灵敏检测元件相平衡（有微量差）。微量差被检测放大，放大器输出的电量产生反馈力，输出电量与测量力有一个良好的线性关系。闭环式传感器在过程参数检测传感器技术中被广泛采用，在微机械电容加速度传感器中常使用静电力平衡的方法。
跟踪技术也属于闭环技术思想。除对平衡点的跟踪外，还可以跟踪某些特定值点（往往是极值点）以及综合指标参数，产生反馈作用的量有一维或多维。跟踪技术有着广泛的应用，如恒星跟踪、雷达多目标跟踪、导航惯性平台的跟踪等等。
2．2．3 平均技术
常用的平均技术有误差平均效应和数据平均处理。误差平均效应的原理是，利用n个传感器单元同时感受被测量，因而其输出将是这些单元输出的总和。假如将每一个单元可能带来的误差、均看作随机误差，根据误差理论，总的误差将减小为
δ±=?（1-41）
n
n
例如n＝10时，误差减小为31.6％；n＝500时，误差减小为4.5％，
误差平均效应在容栅、光栅、感应同步器、编码器等栅状传感器中都取得明显的效果。在其他一些传感器中，误差平均效应对某些工艺性缺陷造成的误差同样起到弥补作用。
按照同样的道理，如果我们将相同条件下的测量重复。次或进行n次采样，然后进行数
据平均处理，因此，凡被测对象允许进行多次重复测量（或采样），
都可采用上述方法减小随机误差。
对于周期信号，可以在周期相关时刻对信号采样累加就构成了相敏检波、同步积分等传感器信号调理电路。对于目标（被测量）相对静止，传感器空间移动的系统，可以对传感器信息延时累加，由此构成谓之“合成孔径”信息处理方法。
2．2．4 分段与细分技术
对于大尺寸高精度的几何测量问题，需要采取分段测量的方案。首先确定被测量在哪个分段区间，然后在该段内进行局部细分。这项技术要求在工艺经济的条件下，尽量密地把标尺等分成若干段，这种分段的边界精度（或小范围平均精度）达到了总体最终精度要求。测量过程从零位开始，记录下所经段数，然后在段内用模拟方法细分。常用两支传感器完成段计数、模拟细分和分辨运动方向的功能两只传感器之间的距离减去分段整倍数后相差1/4分段，即运动测量时两支传感器分别发出正弦和余弦信号。段内用模拟方法细分一般只有
1/10～1/100精度。
在激光干涉测长、感应同步器、光栅、磁栅、容栅等传感器技术采用了分段与细分技术，用CCD光敏阵列测量光点位置也属于这项共性技术。这项技术也可以认为是微差法的特殊应用。这项技术中，往往使用多只敏感元件，覆盖多个分段，用空间平均方法提高测量精度。
当测量两点之间的位移时，可以用某匀速移动的物质（或能量）到达两点的时差来度量。这种匀速移动的物质（或能量）可以是物体，或声场、电磁波、旋转磁场等等。技术上用时间分段，即对周期性脉冲计数的方法测量时间。超声、雷达、激光等脉冲测距都是这种共性技术的应用。当这种匀速移动的物质（或能量）被调制（幅度、相位或编码等）还可以实现周期计数间的进一步的细分测量。
2．2．5 补偿与校正
有时传感器或测试系统的系统误差的变化规律过于复杂，采取了一定的技术措施后仍难
满足要求；或虽可满足要求，但因价格昂贵或技术过分复杂而无现实意义。这时，可以找出误差的方向和数值，采用修正的方法（包括修正曲线或公式加以补偿或校正。例如，传感器存在非线性．可以先测出其特性曲线，然后加以校正；又如存在温度误差，可在不同温度进行多次测量，找出温度对测量值影响的规律，然后在实际测量时进行补偿。上述方法在传感器或测试系统中已被采用。
补偿与校正，可以利用电子技术通过线路（硬件）来解决；也可以采用微型计算机（通常采用单片微机）通过软件来实现。在测量电路中设置一个或多个基准信号元，通过测量信号与基准信号的切换比较，可以实现自（动）校正的目的。
2．2．6 解耦技术
在测量中往往有多个关心的被测量，这些被测量同时作用在多个或多种传感器上，或一个组合传感器上，这些被测量对传感器的输出产生交互影响。从传感器的输出量中解算出各自独立的被测量的技术称之解耦技术，解耦可以用模拟加减方法，但更多地是用软件计算方法来实现。
与以上所谈解耦技术接近的技术是所谓的盲源分离技术，就是研究在未知系统的传递函数、源信号的混合系数及其概率分布的情况下，从混合信号中分离出独立源信号的技术。通常是利用一定数目的传感器对几个源同时进行测量，每个传感器所测量的都是这几个声源的混合信号，但是并不知道他们的混合矩阵。在这种情况下，希望能够把每个声源的信号单独拿出来，进行分析，这种情况在实际当中经常遇到。由于系统的传递矩阵未知，信号源也是未知的，问题是多解的，一般方法无能为力，这时盲源分离技术就应运而生了。所有的盲源分离算法都依赖于一个基本假设,即传感观测信号数必须大于或等于系统中的独立源数。在解决振动混响问题时会遇到这项技术。
本书在多维力的测量传感器技术中涉及到了静态的线性解耦问题。
2．3．7 图示化技术
这里图示化技术指传感信息图形化表示。传感器是“能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。“可用”与表现形式有关，不能仅限于一维，有时多维形式更容易被人脑理解，找出共性与规律。
用可见光图像传感器把被测物反射能力的空间分布转换成一维时间序列电信号，然后经显示器转换成二维平面分布光强信号，人眼就可以找出被测物边界、颜色、灰度等等多方面特征信息。医用B型超声传感器把人体对内部组织对超声波的反射、透射能力的空间分布转换成一维时间序列电信号，然后经显示器转换成二维平面分布光强信号，人眼就可以找出被测物边界、密度等等多方面特征信息。X光CT技术是通过运算，解耦出物体内部各细分单元对于X射线的透射能力，然后图示表现。我们还可以举出众多例子，如表达速度、温度、磁场、重力等等的空间分布的传感技术。物体被测量的空间分布形式与物质的空间分布形式紧密相关，人眼和脑就能理解这些图像，这是上述各种传感的基础。
把传感器信息通过运算转换成另一种形式，然后图示化表现，是另一种图示化技术。傅立叶变换、小波变换等等都是运算方法，某些变换的图形表示可能更利于人来理解或计算机识别。
对于噪声中的微弱信息的探测，人发现二维空间相关规律的能力强于一维空间，更强于一维时间。例如，相邻点测温有1℃的波动，但在遥感中一个地区大面积升高0.1℃就可以判断为异常。从通过小波变换后的微波反射图像中可以发现电子干扰所掩盖的运动物体的蛛丝马迹，以及地下核试验所引起的电离层异常。
本书所涉及的磁敏、光电、超声等等传感器技术都可以用于某种分布的测量。
(完整word版)传感器原理及应用复习题.docx
《传感器原理及应用》复习题 1.静态特性指标其中的线性度的定义是指 2．传感器的差动测量方法的优点是减小了非线性误差、提高了测量灵敏度。 3.对于等臂半桥电路为了减小或消除非线性误差的方法可以采用提高桥臂 比，采用差动电桥的方法。 4.高频反射式电涡流传感器实际是由线圈和被测体或导体两个部分组成的系统，两者之间通过电磁感应相互作用，因此，在能够构成电涡 流传感器的应用场合中必须存在金属材料。 5.霍尔元件需要进行温度补偿的原因是因为其霍尔系数和材料电阻 受温度影响大。使用霍尔传感器测量位移时，需要构造一个磁场。 6.热电阻最常用的材料是铂和铜，工业上被广泛用来测量中低温 区的温度，在测量温度要求不高且温度较低的场合，铜热电阻得 到了广泛应用。 7.现有霍尔式、电涡流式和光电式三种传感器，设计传送带上塑料零件的计数 系统时，应选其中的光电传感器。需要测量某设备的外壳温度，已知其 范围是300~400℃，要求实现高精度测量，应该在铂铑- 铂热电偶、铂电阻和热 敏电阻中选择铂电阻。 8.一个二进制光学码盘式传感器，为了达到1″左右的分辨力，需要采用 或位码盘。一个刻划直径为400 mm的 20 位码盘，其外圈分别间隔 为稍大于μm。 9.非功能型光纤传感器中的光纤仅仅起传输光信息的作用，功能型光纤传感器 是把光纤作为敏感元件。光纤的 NA 值大表明集光能力强。 11.光照使半导体电阻率变化的现象称为内光电效应，基于此效应的器件除光敏 电阻外还有处于反向偏置工作状态的光敏二极管。光敏器件的灵敏度可 用光照特性表征，它反映光电器件的输入光量与输出光电流(电压 )之间 的关系。选择光电传感器的光源与光敏器件时主要依据器件的光谱特性。 12. 传感器一般由敏感元件 _ 、转换元件 ___ 、测量电路及辅助电 源四个部分组成。 13．传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出变化量与输入变化 量的比值。对线性传感器来说，其灵敏度是一常数。
传感器复习资料概论
《传感器原理与应用》习题训练1 一填空 1.通常传感器由（敏感元件、转换元件、基本转换电路）三部分组成，是能把外界（非电量）转换成（电量）的器件和装置。 2.金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称（应变）效应；半导体或固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称（压阻）效应。直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度K下降了，这种现象称为（横向）效应。 3.螺线管式差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上差动变压器输出电压不为零，我们把这个不为零的电压称为（零点残余电压）；利用差动变压器测量位移时如果要求区别位移方向（或正负）可采用（相敏检波）电路。 4.把一导体（或半导体）两端通以控制电流I，在垂直方向施加磁场B，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称（霍尔）效应，这个电动势称为（霍尔）电势。外加磁场使半导体（导体）的电阻值随磁场变化的现象称（磁阻）效应。 5.某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为（正压电）效应；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称（逆压电）效应。 6.在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称（外光电）效应；入射光强改变物质导电率的现象称（光电导）效应；半导体材料吸收光能后在PN结上产生电动势的效应称（光生伏特）效应。 7、块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，利用该原理制作的传感器称（电涡流）传感器；这种传感器只能测量（金属）物体。 8、不同的金属两端分别连在一起构成闭合回路，如果两端温度不同，电路中会产生电动势，这种现象称（热电）效应；若两金属类型相同两端温度不同，加热一端时电路中电动势（E =0）。9．测量系统的静态特性指标主要有（线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等）。 10．霍尔元件灵敏度的物理意义是（表示在单位磁感应强度相对于单位控制电流时的霍尔电势的大小）。
(整理)4第四章传感器的使用.
第四章传感器使用基础 1、振动传感器 现场振动测试采用的传感器一般有非接触式电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器和复合传感器（它是由一个非接触式传感器和一个惯性传感器组成）四种。每一种传感器都有它们固有频响特性，其决定了各自的工作范围。如果采用的传感器在超出其线性频响区域工作时，测量得到的读数会产生较大的偏差。下表列出了振动测量中常用的一些传感器的性能和适用范围及优、缺点等。 表1—1 常用的振动传感器及其性能和适应范围 1.1、振动传感器的构成及工作原理 振动传感器是将机械振动量转换为成比例的模拟电气量的机电转换装置。
传感器至少有 机械量的接收和 机电量的转换二 个单元构成。机械 接收单元感受机 械振动，但只接收 位移、速度、加速 度中的一个量；机 电转换单元将接收到的机械量转换成模拟电气量，如电荷、电动势、电阻、电感、电容等；另外，还配有检测放大电路或放大器，将模拟电气量转换、放大为后续分析仪器所需要的电压信号，振动监测中的所有振动信息均来自于此电压信号。 1.2、振动传感器的类型 振动传感器的种类很多，且有不同的分类方法。按工作原理的不同，可分为电涡流式、磁电式（电动式）、压电式；按参考坐标的不同，可分为相对式与绝对式（惯性式）；按是否与被测物体接触，可分为接触式与非接触式；按测量的振动参数的不同，可分为位移、速度、加速度传感器；以及由电涡流式传感器和惯性式传感器组合而成的复合式传感器，等等。 在现场实际振动检测中，常用的传感器有磁电式速度传感器（其中又以绝对式应用较多）、压电式加速度传感器和电涡流式位移传感器。其中，加速度传感器应用最广，而大型旋转机械转子振动的测量几乎都是涡流式传感器。 2．电动力式振动速度传感器的工作原理 固定在壳体内部的永久磁铁，随着外壳与振动物体一起振动，同时，由于内部由弹簧固
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 b l 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。 d S C ε=
传感器技术知识点
1-1衡量传感器静态特性的主要指标。说明含义。 1、线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。 2、回差（滞后）—反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。 3、重复性——衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致 程度。各条特性曲线越靠近，重复性越好。 4、灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。 5、分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。 6、阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。 7、稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。 8、漂移——在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。 9、静态误差（精度）——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。 1-2计算传感器线性度的方法，差别。 1、理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。 2、端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。 3、“最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等 并且最小。这种方法的拟合精度最高。 4、最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。 1-3什么是传感器的静态特性和动态特性？为什么要分静和动？ （1）静态特性：表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。 动态特性：反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。 （2）由于传感器可能用来检测静态量（即输入量是不随时间变化的常量）、准静态量或动态量（即输入量是随时间变化的变量），于是对应于输入信号的性质，所以传感器的特性分为静态特性和动态特性。 1—4 传感器有哪些组成部分？在检测过程中各起什么作用？ 答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。 各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。测量转换电路可将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电量信号。 1-5传感器有哪些分类方法？各有哪些传感器？ 答：按工作原理分有参量传感器、发电传感器、数字传感器和特殊传感器；按被测量性质分有机械量传感器、热工量传感器、成分量传感器、状态量传感器、探伤传感器等；按输出量形类分有模拟式、数字式和开关式；按传感器的结构分有直接式传感器、差分式传感器和补偿式传感器。 1-6 测量误差是如何分类的？ 答：按表示方法分有绝对误差和相对误差；按误差出现的规律分有系统误差、随机误差和粗大误差按误差来源分有工具误差和方法误差按被测量随时间变化的速度分有静态误差和动态误差按使用条件分有基本误差和附加误差按误差与被测量的关系分有定值误差和积累误差。 1-7 弹性敏感元件在传感器中起什么作用？ 答：弹性敏感元件在传感器技术中占有很重要的地位，是检测系统的基本元件，它能直接感受被测物理量（如力、位移、速度、压力等）的变化，进而将其转化为本身的应变或位移，然后再由各种不同形式的传感元件将这些量变换成电量。 1-8. 弹性敏感元件有哪几种基本形式？各有什么用途和特点？ 答：弹性敏感元件形式上基本分成两大类，即将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件和将压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。 变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁和扭转轴等。实心等截面轴在力的作用下其位移很小，因此常用它的应变作为输出量。它的主要优点是结构简单、加工方便、测量范围宽、可承受极大的载荷、缺点是灵敏度低。空心圆柱体的灵敏度相对实心轴要高许多，在同样的截面积下，轴的直径可加大数倍，这样可提高轴的抗弯能力，但其过载能力相对弱，载荷较大时会产生较明显的桶形形变，使输出应变复杂而影响精度。环状敏感元件一般为等截面圆环结构，圆环受力后容易变形，所以它的灵敏度较高，多用于测量较小的力，缺点是圆环加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变)大，灵敏度高，所以常用于较小力的测量。扭转轴式弹性敏感元件用于测量力矩和转矩。 变换压力的弹性敏感元件通常有弹簧管、波纹管、等截面薄板、波纹膜片和膜盒、薄壁圆筒和薄壁半球等。弹簧管可以把压力变换成位移，且弹簧管的自由端的位移量、中心角的变化量与压力p成正比，其刚度较大，灵敏度较小，但过载能力强，常用于测量较大压力。波纹管的线性特性易被破坏，因此它主要用于测量较小压力或压差测量中。 Z-1 分析改善传感器性能的技术途径和措施。
传感器应用电路设计.
传感器应用电路设计 电子温度计 学校：贵州航天职业技术学院 班级：2011级应用电子技术 指导老师： 姓名： 组员：
摘要 传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计。在件方面介绍单片机温度控制系统的设计,对硬件原理图做简洁的描述。系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序。软硬件分别调试完成以后，将程序下载入单片机中，电路板接上电源，电源指示灯亮，按下开关按钮，数码管显示当前温度。由于采用了智能温度传感器DS18B20，所以本文所介绍的数字温度计与传统的温度计相比它的转换速率极快，进行读、写操作非常简便。它具有数字化输出，可测量远距离的点温度。系统具有微型化、微功耗、测量精度高、功能强大等特点，加之DS18B20内部的差错检验，所以它的抗干扰能力强，性能可靠，结构简单。 随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。 测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：①传统的分立式温度传感器②模拟集成温度传感器③智能集成温度传感器。 目前的智能温度传感器(亦称数字温度传器)是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。社会的发展使人们对
检测技术第4章部分练习答案
第四章电涡流传感器思考题与习题答案 1. 单项选择题 1）欲测量镀层厚度，电涡流线圈的激励源频率约为___D___。而用于测量小位移的螺线管式自感传感器以及差动变压器线圈的激励源频率通常约为___B___。 A. 50~100Hz B. 1~10kHz C.10~50kHz D. 50kHz~1MHz 2）可以利用电涡流接近开关原理检测出___C___的靠近程度。 A. 人体 B. 水 C. 黑色金属零件 D. 塑料零件 3）电涡流探头的外壳用___B___制作。 A.不锈钢 B.塑料 C.黄铜 D.玻璃 4）当电涡流线圈靠近非磁性导体（铜）板材后，线圈的等效电感L___C___，调频转换电路的输出频率f___B___。 A. 不变 B. 增大 C. 减小 5）欲探测埋藏在地下的金银财宝，应选择直径为___D___左右的电涡流探头。欲测量油管表面和细小裂纹，应选择直径为___B___左右的探头。 A. 0.1mm B. 5mm C. 50mm D. 500mm 6）用下图的电涡流方法测量齿数Z=60的齿轮的转速，测得f=400Hz，则该齿轮的转速n等于___A___r/min。 A. 400 B. 3600 C. 24000 D. 60 两种测量转速的方法 a）电感b）磁电式（电磁感应式） 1－被测旋转体（钢质齿轮）2－导磁铁心3－绕组4－永久磁铁5－汽车发动机曲轴转子 z－齿数T－传感器输出脉冲的周期 2. 用一电涡流式测振仪测量某机器主轴的轴向窜动，已知传感器的灵敏度为25mV/mm。最大线性范围（优于2.5%）为5mm。现将传感器安装在主轴的右侧，如图a 所示。使用计算机记录仪记录下的振动波形如图b所示。问： 电涡流式测振仪测量示意图 1）轴向振动a m sin t的振幅a m为____A____。 A. 1.6mm B. 3.2mm C. 8.0mm D. 4.0mm 2）主轴振动的基频f是____A____Hz。
各种温度传感器分类及其原理.
各种温度传感器分类及其原理.
各种温度传感器分类及其原理 温度传感器是检测温度的器件,其种类最多,应用最广,发展最快。众所周知,日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化, 在此我们暂时介绍最常用的热电阻和热电偶两类产品。 1. 热电偶的工作原理 当有两种不同的导体和半导体 A 和 B 组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为 T ,称为工作端或热端,另一端温度为 TO ,称为自由端 (也称参考端 或冷端,则回路中就有电流产生,如图 2-1(a所示,即回路中存在的电动势称为热电 动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。 与塞贝克有关的效应有两个:其一, 当有电流流过两个不同导体的连接处时, 此处便吸收或放出热量 (取决于电流的方向 , 称为珀尔帖效应;其二,当有电流流过存在温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量(取决 于电流相对于温度梯度的方向 ,称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势 EAB(T, T0 是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同 的导体或半导体在接触处产生的电势, 此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。 温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势, 此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关, 而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。 无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势, 热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时,在断开处 a , b 之间便有一电动势差△ V ,其极性和大小与回路中的热电势一致,如图 2-1(b所示。并规定在冷端,当电流由 A 流向 B 时, 称 A 为正极, B 为负极。实验表明,当△ V 很小时,△ V 与△ T 成正比关系。定义△ V 对△ T
传感器概述
第一章传感器概述 1．1 传感器的组成与分类 1．1．1 传感器的定义 ?传感器是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。通常 由敏感元件和转换元件组成。敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。 ?传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器 的原理确定。 1．1．2 传感器的组成 ?一般讲传感器由敏感元件和转换元件组成。但由于传感器输出信号一般都很微弱，需要 有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。因此调节信号与转换电路及所需电源都应作为传感器组成的一部分。如图1-1所示。 传感器组成方块图 ?常见的调节信号与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，他们分别与相应 的传感器相配合。 1．1．3 传感器的分类 ?表1-1 按输入量分类、按工作原理分类、按物理现象分类、按能量关系分类和按输出 信号分类。 1．2 传感器在科技发展中的重要性 1．2．1 传感器的作用与地位 将计算机比喻人的大脑，传感器比喻为人的感觉器官。功能正常完美的感觉器官，迅速准确地采集与转换获得的外界信息，使大脑发挥应有的作用。自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。 1．2．2 传感器技术是信息技术的基础与支柱 现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，它们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。传感器在信息采集系统中处于前端，它的性能将影响整个系统的工作状态和质量。 1．2．3 科学技术的发展与传感器有密切关系 传感器的重要性还体现在已经广泛应用于各个学科领域。如工业自动化、农业现代化、军事工程、航天技术、机器人技术、资源探测、海洋开发、环境监测、安全保卫、医疗诊断、家用电器等领域。 1．3 传感器技术的发展动向 ?传感器技术共性是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将非电量转换成电量。 ?传感器技术的主要发展方向一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新 工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。 ?利用物理现象、化学反应和生物效应是各种传感器工作的基本原理，所以发现新现象与 新效应是发展传感器的重要工作，是研究新型传感器的重要基础，意义深远。
传感器原理及工程应用设计
传感器原理及工程应用设计
传感器原理及工程应用设计（论文） 压电传感器在动平衡测量系统中的设计与应用 学生姓名：李梦娇 学号：20094073231 所在学院：信息技术学院 专业：电气工程及其自动化（2）班 中国·大庆 2011年12月
摘要 传感器是动平衡测量系统中的重要元件之一, 是一种将不平衡量产生的振动信号不失真地转变成电信号的装置。利用压电式力传感器作为动平衡测量系统中的敏感元件来测量不平衡质量引起的振动。重点阐述了该压电式力传感器的结构设计、安装位置设计及振动信号检测中的关键问题。同时, 详细分析了该传感器的信号调理电路特点。现场实验结果表明, 设计的压电式力传感器在动平衡测量中的性能良好。动平衡处理是旋转部件必须采取的工艺措施之一, 以单片机为核心的动平衡测量系统将逐步取代常规动平衡仪。 关键词：动平衡振动信号压电式力传感器调理电路测量系统单片机
ABSTRACT As one of the important elements in the dynamic balancing measurement system, transducer is the device that converts the vibration signal caused by the mi balance into electrical signal without distortion. The piezoelectric pressure transducer is app lied to dynamic balancing measurement system formeasuring the vibration caused by mi balanced mass. The structure design and the installation location of the piezoelectric force transducer and the critical issues in vibration signal detection are expounded. The characteristics of the signal conditioning circuit of this transducer are analyzed in detail. The experimental results show that the performance of the piezoelectric pressure transducer offers excellent performance in dynamic balancing measurement. The dynamic equilibration measurement is one of the main technological steps to betaken for all the swiveling part s. T he conventional dynamic equilibration measurement system is being replaced by a new o ne based on a monolithic computer. Keyword:dynamic balance vibration signal Piezoelectric force transducer Conditioning circuit Measurement system Monolithic computer
传感器概论
第1章概论 一传感器的概念与发展 1．1 传感器基本概念 传感器（transducer/sensor）的定义是：能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件（sensing element）是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件（transducer element）是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号以及其它某种可用信号的部分。传感器狭义地定义为：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。可以预料，当人类跨入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念将随之发展成为：能把外界信息转换成光信号输出的器件。 传感器的任务就是感知与测量。在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。在18世纪产业革命以前，传感技术由人的感官实现：人观天象而仕农耕，察火色以冶铜铁。从18世纪产业革命以来，特别是在20世纪信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官，即工程传感器来实现。目前，工程传感器应用如此广泛，以至可以说任何机械电气系统都离不开它。现代工业、现代科学探索、特别是现代军事都要依靠传感器技术。一个大国如果没有自身传感技术的不断进步，必将处处被动。 现代技术的发展，创造了多种多样的工程传感器。工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知的量，如紫外线、红外线、超声波、磁场等。从这个意义上讲，工程传感器超过人的感官能力。有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测，但工程传感器测量得更快、更精确。例如虽然人眼和光传感器都能检测可见光，进行物体识别与测距，但是人眼的视觉残留约为0．1s，而光晶体管的响应时间可短到纳秒以下；人眼的角分辨率为1ˊ，而光栅测距的精确度可达1"；激光定位的精度在月球距离3×104km范围内可达10cm以下；工程传感器可以把人所不能看到的物体通过数据处理变为视觉图像。CT技术就是一个例子，它把人体的内部形貌用断层图像显示出来，其他的例子还有遥感技术。 但是目前工程传感器在以下几方面还远比不上人类的感官：多维信息感知、多方面功能信息的感知功能、对信息变化的微分功能、信息的选择功能、学习功能、对信息的联想功能、对模糊量的处理能力以及处理全局和局部关系的能力。这正是今后传感器智能化的一些发展方向。随着信息科学与微电子技术，特别是微型计算机与通信技术的迅猛发展，近期传感器的发展走上了与微处理器内微型计算机相结合的必由之路，智能（化）传感器的概念应运而生。 传感器技术，则是涉及传感（检测）原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术，因此传感器技术涉及多学科交叉研究。 1．2 传感器的构成与分类 传感器一般由敏感元件、转换元件、调理电路组成。 敏感元件是构成传感器的核心，是指能直接感测或响应被测量的部件。 转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这种输出信号以电量的形式出现。 调理电路是把传感元件输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信
传感器原理及典型应用
传感器（原理及典型应用） 编稿：张金虎审稿：李勇康 【学习目标】 1．知道什么是传感器，常见的传感器有哪些。 2．了解一些传感器的工作原理和实际应用。 3．了解传感器的应用模式，能够运用这一模式去理解传感器的实际运用。 4．了解传感器在生活、科技中的运用和发挥的巨大作用。 【要点梳理】 要点一、传感器 1．现代技术中，传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。 2．传感器原理 传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作。传感器原理如下图所示。 3．传感器的分类 常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的。根据测量目的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类。 物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质（如电阻、电压、电容、磁场等）发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等。 化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的。 生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等。 要点二、光敏电阻 光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量，一般随光照的增强电阻值减小。 要点诠释：光敏电阻是用半导体材料制成的，硫化镉在无光时，载流子（导电电荷）极少，导电性能不好，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。 要点三、热敏电阻和金属热电阻 1．热敏电阻 热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显。如图为某一热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
光电传感器电路
光电传感器电路设计 1、设计要求 利用光电传感器（光电对管）将机械旋转转化为电脉冲，光电对管实物如图1所示。 图1 光电对管实物图 2、电路设计 电路原理图如图2所示。 图2 光电传感器电路原理图 电路由四部分组成。 光电对管U1、电阻R1、电阻R2构成发射接收电路；比较器U2A、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6构成反相输入的滞回比较器；比较器U2B、电阻R7、电阻R8构成反相器；发光二极管D1、电阻R9构成输出电路。 3、电路测试 测试电路如图3所示。 由变频器带动电机工作，将光电对管对准旋转的电机（电机上贴有反光带），处理电路由12V直流电源供电。
图3 测试电路 测试波形如图4所示（测试距离为4cm）。 (a)发射接收电路的输出信号(b)滞回比较器比较电压波形 (c)滞回比较器输出波形(d)反相器输出波形 图4 测试波形 4、PCB板绘制（板子大小限定为62mm*18mm） PCB图如图5所示。其中电阻采用0805封装，LM358采用DIP8封装。
图5 光电传感器电路PCB图 5、完成实物图 实物图如图6所示。 (a)未焊接的PCB板 (b)焊接好的PCB板 (c)板子的外加塑料壳 图6 实物图 6、小结 在本次电路设计中，主要的难点有两个。 一是参数的整定，主要是滞回比较器上下门限的选择。滞回比较器上下门限的选择跟发射接收电路的输出波形有关，而光电对管与旋转面的距离、旋转面的反光度、反光带所在位置、可能遇到的干扰等都会影响输出波形。 二是PCB板的绘制。本次绘制采用的是Altium Designer Summer 09软件（Protel99SE的升级版）。首先画好原理图，然后再导入到PCB中，没有的元件
传感器分类及常见传感器的应用
机电一体化技术常用传感器及其原理 班级：机械设计制造及其自动化姓名： 学号：
一、传感器的分类 传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。按被测物理量划分的传感器，常见的有：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。 按工作原理可划分为： 1．电学式传感器 电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。 电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。 电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成。主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。 电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。 磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。主要用于流量、转速和位移等参数的测量。 电涡流式传感器是利用金屑在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。 2．磁学式传感器 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的
测量。 3．光电式传感器 光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。 4．电势型传感器 电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。 5．电荷传感器 电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。 6．半导体传感器 半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。 7．谐振式传感器 谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用来测量压力。 8．电化学式传感器 电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。 另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电
传感器的目前现状与发展趋势综述
传感器的目前现状与发展趋势 吴伟 1106032008 材控2班 摘要：传感器是高度自动化系统乃至现代尖端技术必不可少的一个关键组成部分。传感器技术是世界各国竞相发展的高新技术，也是进入21 世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，其研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。本文首先介绍了传感器的基本知识和传感器技术的发展历史。之后，综述了近几年高端前沿的光电传感器技术和生物传感器技术的主要研究状况。最后，展望了现代传感器技术的发展和应用前景。 关键词：传感器技术；传感器；研究现状；趋势 引言 当今社会的发展，是信息化社会的发展。在信息时代，人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统。它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的“大脑”，把通信系统比喻为传递信息的“神经系统”，那么传感器就是感知和获取信息的“感觉器官”。 传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置。现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。 1 传感器的基本知识
1.1 传感器的定义和组成 广义地说，传感器是指将被测量转化为可感知或定量认识的信号的传感器。从狭义方面讲，感受被测量，并按一定规律将其转化为同种或别种性质的输出信号的装置。传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分组成，其中敏感元件和转换元件可能合二为一，而有的传感器不需要辅助电源。 1.2 传感器技术的基本特性 在测试过程中，要求传感器能感受到被测量的变化并将其不失真地转换成容易测量的量。被测量有两种形式：一种是稳定的，称为静态信号；一种是随着时间变化的，称为动态信号。由于输入量的状态不同，传感器的输入特性也不同，因此，传感器的基本特性一般用静态特性和动态特性来描述。衡量传感器的静态特性指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和漂移等。影响传感器的动态特性主要是传感器的固有因素，如温度传感器的热惯性等，动态特性还与传感器输入量的变化形式有关。 2 传感器技术的发展历史与回顾 传感器技术是在20世纪的中期才刚刚问世的。在那时，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段，并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究。然而，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。 我国从20世纪60年代开始传感技术的研究与开发，经过从“六五”到“九五”的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器、信号
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程是 ，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： 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。
传感器原理及应用
《传感器原理及应用》三级项目报告书 基于PLC的物料分拣系统设计 学院：机械工程学院 班级：13-1机械电子工程（卓越） 组员：响夏中岩轩赫 贡献率：响程序设计，优化 40% 夏中岩资料整理，编辑 30% 轩赫 PPT设计编写 30% 指导教师：边辉 完成日期：2016.05
目录 摘要.................................................................. - 2 - 1 物料分拣系统简述.................................................... - 3 - 2 物料分拣系统中的传感器.............................................. - 3 - 2.1 电机起停控制传感器............................................ - 3 - 2.2 物料计数用传感器.............................................. - 5 - 2.3 定位及速度控制传感器.......................................... - 5 - 2.3.1 增量编码器.............................................. - 5 - 2.3.2 固态继电器.............................................. - 6 - 2.4 物料分类用传感器.............................................. - 6 - 2.4.1色标传感器............................................... - 6 - 2.4.2 电涡流式传感器.......................................... - 7 - 2.4.3 磁簧管.................................................. - 7 - 3 控制系统设计....................................................... - 7 - 3.1 硬件连接..................................................... - 8 - 3.2 程序编译...................................................... - 8 - 4 传感器前景展望..................................................... - 12 - 4.1 传感器在科技发展中的重要性................................... - 12 - 4.2 先进传感器的发展趋势......................................... - 12 - 5 反思与收获......................................................... - 12 -参考文献............................................................. - 13 -