传感器（不全的，需自行补）

一、序章

1传感器定义：能感受规定的被测量（物理、化学、生物）按一定规律转换成可用信号输

出的器件和装置。

狭义: 非电信息转换成电信号输出的器件。

2、组成： 敏感元件 、 转换元件 和 基本转换电路

3、分类： 按构成原理： 结构型（基于场的定律） 、 物性型 （物质定律）。 力场和电磁场 虎克、欧姆定律 能量转换的方式：能量控制性型 （需要外电源）、 能量转换型。 工作机理：物理、化学、生物

二、 一般特性：输入与输出的关系-----用微分方程来描述（微分项为零时）

1、静态特性（稳定状态下）

?Lmaxr???100%线性度： 相对误差表示 LYFS迟滞（回程误差）：γH =±（1/2）(△H max / y Fs)x 100% 重复性:

灵敏度： S=Δy/Δx

分辨力和阀值、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性 2、传感器的动态特性： 输入量随时间变化时输出和输入的关系

1）传感器动态特性主要有：

时间常数τ；固有频率ωn；阻尼比ξ。

2）含义：

? τ值是一阶传感器重要的性能参数。时间常数τ越小, 响应速度越快

? 二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比ξ和固有频率ωn。 ? 传感器的频率响应特性的好坏主要取决于传感器的固有频率ωn和阻尼比ξ。为了

减小动态误差和扩大频率响应范围, 一般是提高传感器固有频率ωn。

三、电阻式传感器

1. 应变式:

优点：尺寸小 、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度块 组成：弹性元件、电阻应变片

原理： 应变效应(金属弹性元件)：在导体产生机械变形时, 它的电阻值相应发生变

化。

应变片：是利用金属的电阻应变效应，将金属丝绕成栅形，称为敏感栅。并将其粘

贴在绝缘基片上制成。把金属丝绕成栅形相当于多段金属丝的串联是为增大应变片电阻，提高灵敏度，

金属电阻应变片的敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。

2、什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？ 答：（1）应变片的灵敏系数是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作

用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。

k??R/R?

（2）实验表明，电阻应变片的灵敏系数恒小于电阻丝的灵敏系数其原因除了粘贴层传递变形失真外，还存在有恒向效应。

3、对于箔式应变片，为什么增加两端各电阻条的截面积便能减小横向灵敏度？

答：对于箔式应变片，增加两端圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多（圆弧部分截面积大），其电阻值较小，因而电阻变化量也较小。所以其横向灵敏度便减小。

4、 一应变片的电阻 R=120Ω， k=2.05。用作应变为800μm/m的传感元件。 ①求△

R和△R/R；②若电源电压U=3V，求初始平衡时惠斯登电桥的输出电压U0。 已知：R=120Ω， k=2.05，ε=800μm/m； 求：①△R=？，△R/R=？②U=3V时，U0=？

解①： ∵ k??R/R?

∴

?R/R?k??2.05?800?1.64?10?3?R?k?R?2.05?800?120?0.1968?

解②：初始时电桥平衡（等臂电桥）

∵ U0?1?R??U 4R1?R1?U??1.64?10?3?3?1.23mV ∴ U0??4R4

（半导体膜片）压阻效应：半导体材料的电阻率ρ随作用应力的变化而发生变化的现象 金属应变片的工作原理：金属应变片在外力的作用下，应变片的几何尺寸（长度和截面积）发生变化（机械形变）而引起应变片的电阻改变，运用它们的对应关系实现测量目的。其灵敏系数（k≈1+2μ）主要是材料几何尺寸变化引起的。

半导体应变片的工作原理是：半导体应变片受到作用力后，应变片的电阻率ρ发生变化而

引起应变片的电阻值改变。其灵敏系数（k=△ρ/ρε）主要是半导体材料的电阻率随应变变化引起的。

补充：康铜是目前应用最为广泛的应变丝材料

目前应变片的电阻值(标称值)也有一个系列，如60、120、350、600、1000Ω等，其中以120Ω最为常用。

电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。线路补偿法测量应变时, 工作应变片R1粘贴在被测试件表面上, 补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上, 且仅工作应变片承受应变。

第三章、电感式传感器

电感式传感器：电感式传感器是利用电磁感应原理将被测量转换成线圈自感量或互感量的

换，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种装置。它是基于电磁感应原理进行检测的。

优点： 缺点： 气隙、截面、螺管

互感式传感器：把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器

自感式传感器：是利用线圈自感量的变化来测量的，由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。又称

为磁阻传感器

自感式电感传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积Ｓ0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。

变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。

为了减小非线性误差, 实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。

自感式电感传感器的测量电路有交流电桥式、 变压器式以及谐振式等几种形式。 对于变压器式由于输入电压是交流电压, 输出指示无法判断位移方向, 必须配合相敏检波电路来解决

零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成，零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区，限制了分辨率的提高。

差动变压器结构形式较多, 有变隙式、 变面积式和螺线管式等，差动变压器输出的是交流电压, 为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的, 实际测量时, 常常采用差动整流电路和相敏检波电路。

2、减小零残电压的有效措施有哪些？ 答：（1）尽量使两个线圈对称

设计时应使上下磁路对称，制造时应使上下磁性材料特性一致，磁筒、磁盖、磁芯要配套挑选，线圈排列要均匀，松紧要一致，最好每层的匝数都相等。

（2）减小磁化曲线的非线性

由于磁化曲线的非线性产生零残电压的高次谐波成分，所以选用磁化曲线为线性的磁芯材料或调整工作点，使磁化过程在磁化曲线的线性区。 （3）使振荡变压器二次侧对称，两个二次电压的相位相同

在一次侧线圈上并联一个电容，并调整电容大小使两个二次电压的相位相同。

3、涡流式传感器有何特点?它有哪些应用：

答：涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适应性强。它的应用有四个方面：

（1）利用位移为变换量，可做成测量位移、厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；

（2）利用材料的电阻率作为变换量，可做成测量温度、材质判别等传感器； （3）利用磁导率作为变换量，可做成测量应力、硬度等传感器； （4）利用三个变换量的综合影响，可做成探伤装置。 4、试比较涡流传感器的几种应用电路的优缺点？

答：交流电桥电路：线性好、温度稳定性高，但存在零点残余电压问题及测量范围较小；谐振电路：电路简单，灵敏度高，但线性度差及范围更小； 正反馈电路：测量范围较大，是电桥的2至3倍，但电路复杂。

第四章、 电容式传感器

定义： 特点:

一、 原理

二、 类型 1. 变距型

2. 变面积型

3.变介电常数

三、转换电路 1.等效电路

2. 电桥电流

3.二极管双T形电路

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