传感器与检测技术总结

《传感器与检测技术》总结

：王婷婷

学号：14032329

班级：14-11

传感器与检测技术

这学期通过学习《传感器与检测技术》，懂得了很多，以下是我对这本书的总结。

第一章 概 述

传感器的作用是：传感器是各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件，具有不可替代的重要作用。

传感器的定义：能够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。

传感器的组成：被测量量---敏感元件---转换元件----基本转换电路----电量输出 传感器的分类：按被测量对象分类（部系统状态的部信息传感器{位置、速度、力、力矩、温度、导演变化}、外部环境状态的外部信息传感器{接触式[触觉、滑动觉、压觉]、非接触式[视觉、超声测距、激光测距）；按工作机理分类（结构型{电容式、电感式}、物性型{霍尔式、压电式}）；按是否有能量转换分类（能量控制型[有源型]、能量转换型[无源型]）；按输出信号的性质分类（开关型[二值型]{接触型[微动、行程、接触开关]、非接触式[光电、接近开关]}、模拟型{电阻型[电位器、电阻应变片]，电压、电流型[热电偶、光电电池]，电感、电容型[电感、电容式位置传感器]}、数字型{计数型[脉冲或方波信号+计数器]、代码型[回转编码器、磁尺]}）。

传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系。当输入量为常量，或变化极慢时，称为静态特性；输出量对于随时间变化的输入量的响应特性，这一关系称为动态特性，这一特性取决于传感器本身及输入信号的形式。可以分为接触式环节（以刚性接触形式传递信息）、模拟环节（多数是非刚性传递信息）、数字环节。动态测量输入信号的形式通常采用正弦周期（在频域）信号和阶跃信号(在时域)。

传感器的静态特性：线性度（以一定的拟合直线作基准与校准曲线比较%

100max

??=Y L L δ）、迟滞、重复性、灵敏度（K0=△Y/△X=输出变化量/输入变化量

=k1k2···kn ）和灵敏度误差（rs=△K0/K0×100%、稳定性、静态测量不确定性、其他性能参数：温度稳定性、抗干扰稳定性。

传感器的动态特性：传递函数、频率特性（幅频特性、相频特性）、过渡函数。

0阶系统：静态灵敏度；一阶系统：静态灵敏度，时间常数；二阶系统：静态灵敏度，时间常数，阻尼比。

传感器的标定：通过各种试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系，确定传感器在不同使用条件下的误差关系。国家标准测力机允许误差±0.001%，省、部一级计量站允许误差±0.01%，市、企业计量站允许误差±0.1%，三等标准测力机、传感器允许误差±（0.3～0.5）%，工程测试、试验装置、测试用力传感器允许误差±1%。分为静态标定和动态标定。

第二章 位 移 检 测 传 感 器

测量位移常用的传感器有电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步器式、磁栅式、光电式。参量位移传感器是将被测物理量转化为电参数，即电阻、电容或电感等。发电型位移传感器是将被测物理量转换为电源性参量，如电动势、电荷等。属于能量转换型传感器，这类传感器有磁电型、压电型等。

电位计的电阻元件通常有线绕电阻、薄膜电阻、导塑料（即有机实心电位计）等。电位计结构简单，输出信号大，性能稳定，并容易实现任意函数关系。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间有干摩擦，容易磨损，产生噪声干扰。 线性电位计的空载特性：x K x l R R R x ==

，KR----电位计的电阻灵敏度（Ω/m ）。

电位计输出空载电压为x K x l U U u i ==

0 ，Ku------电位计的电压灵敏度（V/m ）。 电容式传感器的基本原理：δεεδεS S C o r ==

δ、S 和εr 中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0，δ或S 的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr 的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。ε0=8.85×10-12F/m 。

a.变极距型电容位移传感器的灵敏度为00δδεδ?=??=

S C K ，00δδ?=?C C ；b.变极板面积型电容位移传感器l x C C R R x l C A B 00/ln )(2-=-=

πε, πθ==?l x C C 0 ； c.变介质型电容式位移传感

器 r d S C εδδε/0+-=

，其中ε0为真空介电常数（空气介电常数ε1=ε0）εr 为介质的相对介电常数，0/εεε=r ，ε为介质的介电常数； d.容栅式电容位移传感器 δεαδε2)(max r r R R n ab n C ?-?==，其中n 为可动容栅的栅极数，a 、b 分别为栅极的宽度宽度和长度，α为每条栅极所对应的圆心角，R 、r 分别为栅极外半径和半径。特点分辨力高、精度高、量程大，刻划精度和安装精度要求有所降低。

电容式传感器的转换电路：电桥电路、二极管双T 形电路、差动脉冲调宽电路、运算放大器式电路、调频电路。

电容式传感器的特点：优点：温度特性好，结构简单、适应性强，动态响应好，可以实现非接触测量、具有平均效应。缺点：输出阻抗高、负载能力差，寄生电容影响大。

电感式位移传感器：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重。种类有：根据转换原理：分自感式和互感式两种；根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。

电感式传感器的转换电路：调幅电路；调频电路；调相电路。

自感式电感受位移传感器：Li N m =Φ ； m m R Ni =Φ ；m R N N L ?= ；002S S l R m μδμ+=；其中l----铁心与衔铁中的导磁长度；μ---铁心与衔铁的磁导率（H/m ）；S---铁心与衔铁中的导磁面积；δ---气隙厚度；μ0---真空磁导率；S0---气隙导磁横截面积。

互感式位移传感器：将被测物理量的变化转换成互感系数的变化。常接成差动形式，故也称差动变压器式位移传感器，属于螺管型。则总输出电动势dt di M M E E E 1

12210)(-=-=

互感式位移传感器的误差因素：零点残余电压（当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值

（从零点几mV 到数十mV ）存在，称为零点残余电压。

电涡流式传感器：电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，称之为电涡流。电涡流式传感器是以电涡流效应为基础，由一个线圈和与线圈邻近的金属体组成，当线圈通入交变电流I 时，在线圈的周围产生一交变磁场H1，处于该磁场中的金属体上产生感应电动势，并形成涡流。金属体上流动的电涡流也将产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反，对线圈磁场H1起抵消作用，从而引起线圈等效阻抗Z 或等效电感L 或品质因素相应变化。金属体上的电涡流越大，这些参数的变化亦越大。如图如式：

涡流位移传感器主要分为高频反射和低频透射两类。电涡流式传感器的转换电路：电桥电路法、谐振电路法、正反馈法。其特点是涡流式传感器结构简单，易于进行非接触测量，灵敏度高，应用广泛，可测位移、厚度、振动等。

霍尔效应的定义：磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势，霍尔效应的大小：BI k U ned BI U H H H =→=/

霍尔式传感器的误差因素：元件几何误差以及电极焊点的大小造成的影响；不等位电势的影响；寄生直流电势的影响；感应电势的影响；温度误差的影响（恒流源供电和输入回路并联电阻；合理选取负载电阻；恒压源和输入回路串联电阻；采用温度裣元件。）

光栅式位移传感器：长光栅（测量线位移）、圆光栅（测量角位移）。长光栅：是根据莫尔条纹效应设计的。两个莫尔条纹的间距θθW W B H ≈=

2/sin 2。光栅条纹密度有25条/mm ，50条/mm ，100条/mm 或更密，栅线长度一般为6～12mm 。其测长精度可达0.5～3μ

m(3000mm 围），分辨力可达0.1μm 。圆光栅：圆光栅同心放置时，条纹间距21r r WR B H +=

；偏心放置时，e WR B H =

，测量精度可达到0.15"，分辨力可达0.1"。W ：光栅栅距。R ：圆的半径。R1、R2:分别为切线圆半径。e :偏心量。

光栅可以制成透射光栅和反射光栅,透射光栅的栅线刻制在透明村料上,要求较高时,可以采用光学玻璃；而指示光栅最好采用光学玻璃，反射光栅的栅线刻制在具有反射率很高

的金属或镀以金属膜的玻璃上。

感应同步器：利用电磁感应原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。根据用途可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量线位移和角位移。

激光式位移传感器：由激光器、光学元件、光电转换元件构成的将测位移量转换成电信号。常用的激光干涉测长传感器分为单频激光干涉传感器和双频激光干涉传感器。

第三章力、扭矩和压力传感器

测力传感器：用于测力的传感器多为电气式。电气式测力传感器根据转换方式不同又分为参量型和发电型。参量型测力传感器有电阻应变式、电容式、电感式等。发电测力传感器有压电式、压磁式等。

电阻应变式测力传感器:将力作用在弹性元件上,弹性元件在力作用下产生应变,利用贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻的变化。然后利用电桥将电阻变化转换成电压（或电流）的变化，再送入测量放大电路测量。最后利用标定的电压（或电流）和力之间的对应关系，可测出力的大小或经换算得到被测力。

应变片：

ε

π

μ

ε

ε

π

με

ε

ρ

ρ

E

E

d

S

dS

L

dL

R

dR

L

L+

+

=

+

+

=

+

-

=)

2

1(

2

；其中μ：电阻

丝的泊松系数；σ：电阻丝受到的应力（Pa)；E：电阻丝的弹性模量；πL：电阻丝材料的

纵向压阻系数。对于金属丝，（1+2μ）ε?πLEε，则

ε

ε

μK

R

dR

=

+

≈)

2

1(

；其中K：金

属电阻丝灵敏系数，K约在1.7～3.6之间。常用金属丝材料在200℃～300℃以下工作可选用康铜丝应变丝，在300℃以上工作可选用镍铬合金应变片、铂铱合金应变片等。

半导体应变片：其工作原理是基于压阻效应。压阻效应：是指当半导体受到应力作用时，由于截流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。表达电阻丝电阻应变效应的公

式也适用于半导体电阻材料。其应变灵敏系数为：

E

R

dR

K Lπ

ε

=

=

/

，半导体应变片的缺

点是应变灵敏系数的离散性大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大。

应变片的布置和接桥方式：则电桥的输出电压为：

i

U

R

R

R

R

R

R

R

R

U

)

)(

(4

3

2

1

4

2

3

1

+

+

-

=

，当

R1=R2=R3=R4=R ，

)

4

3

2

1

(

4

R

R

R

R

R

R

R

R

Ui

U

?

-

?

+

?

-

?

=

，应变仪电桥式作方式有：单臂、

双臂、四臂。应变片在弹性元件上典型的布片和接桥方式有：柱型、环形、悬臂梁式、两端固定梁、轴。

压电式力传感器：是基于压电元件的压电效应而工作的。正压电效应：当某些晶体沿一定方向受到外力作用而变形时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，电荷的极性取决于变形的形式。逆压电效应：在某些晶体的极化方向（受力能产生电荷的方向）施加外电场，晶体本身将产生机械变形，当外电场撤去后，变形也随之消失。

压电元件及其晶片连接方式有：单片式、两片串联式、两片并联式、剪切式、扭转式。

压磁式力传感器：在机械力作用下，铁磁材料部产生应力或应力变化，使磁导率发生变化，磁阻相应也发生变化的现象。外力是拉力时，在作用方向铁磁材料磁导率提高，垂直作用力方向磁导率降低；作用力为压力时，则反之。常用的铁磁材料有硅钢片和坡莫合金。

第四章速度、加速度传感器

直流测速发电机：按定子磁极的励磁方式不同，可分为电磁式、永磁式两类；若按电枢的结构形式不同，可分为无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢、圆盘印刷绕组等。电枢感应电动势为n C n K E e e s =Φ=，其中Ke ：感应系数；Φ：磁通；n ：转速；Ce:感应电动势与转速的比例系数。空载时：Is=0 ,则有直流测速发电机的输出电压和电枢感应电动势相等，因而输出电压与转速成正比。有负载时，直流测速发电机的输出电压为s s s CF r I E V -=，rS ：

电枢回路的总电阻。电枢电流为L CF S R V I =

，RL ：测速发电机的负载电阻。则可得Cn n R r C V L s e CF =+=/1

直流测速发电机在工作中，其输出电压与转速之间不能保持比例关系，原因和改进方法：一是有负载时，电枢反映去磁作用的影响，使输出电压不再与转速成正比（在定子磁极上安装补偿绕组，或使负载电阻大于规定值）。二是电刷接触压降的影响（应采用接触压降较小的铜-石墨电极或铜电极，并在它与换向器相接触的表面上镀银）。三是温度的影响（在直流测速发电机的绕组回路中串联一个电阻值较大的附加电阻，再接到励磁电源上）。

交流测速发电机：可分为永磁式、感应式、脉冲式三种。永磁式并流测速发电机实质上是单向永磁转子同步发电机,定子绕组感应的交变电动势的大小和频率都随输入信号而变

化:60pn f =

； Kn n NK p fNK E m w m w =Φ=Φ=604.4444.4 ；其中K ：常系数，

m w NK p K Φ=6044

.4 ；p ：电机极对数；N ：定子绕组每相匝数；KW ：定子绕组基波绕组系数；Φm：电机每极基波磁通的幅值。通常此电机只做指示式转速计使用。感应式测速发电机与脉冲式测速发电机的工作原理基本相同，都是利用定子、转子齿槽相互位置的变化，使输出绕组中的磁通产生脉动，从而感应出电动势，也称为感应子式发电机原理。输出电动势的频率为Hz n Z f r 60=

，其中Zr ：转子齿数；n ：电动机转速（r/min)

线振动速度传感器：当一个绕有N 匝的线圈作垂直于磁场方向相对运动时，线圈切割磁力线，由法拉第电磁感应定律可知，线圈产生感应电动势NBlv E =，其中B ：线圈所在磁场的磁感应强度（T ）；l ：每匝线圈的平均长度；v ：线圈磁场的运动速度。

变磁通式：开磁路式：测量时，齿轮随被测旋转体一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通亦变化一次，因此线圈产生感应电动势的变化频率等于齿轮的齿数与转速的乘积。闭磁路式：测量转速时，磁能周期变化，线圈产生感应电动势的频率与转速成正比。z f n /60= ； )/()/2(s rad f z w π=

陀螺式角速度传感器：包括转子陀螺、压电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺。

半导体硅流速传感器是一种可测流速、流动方向的传感器。其工作原理是依据发热体与放置发热体的流体介质的热导率λ与流体流速相关原理制成的。))(()(2121T T v B A T T Q t -+=-=λ ，Q ：流体介质从温度T1流向温度T2的热量；λ：热导率；vt:流体介质流速；B ：常数，A 为vt=0时的热导率，A 与B 均由由流体介质性质和