第四章 常用传感器原理与参数测试
• 1 概述 • 2 电阻式传感器 • 3 电容式传感器 • 4 热电式传感器 • 5 光电式传感器 • 6 半导体磁效应传感器霍尔传感器
西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术
1 概述
传感器定义：传感器是一种能将特定的被测信息（物理量、化学量、 生物量等），按一定规律转换成某种可用输出信号的器件。
智能传感器：传感器与微处理器相结合所形成的不仅具有信号检测 功能，而且具有信息处理功能的传感器系统
分类： 按输入量：温度、压力、流量、位移等 按输出量：电压、电流、电荷、电阻、电感、电容等
考虑传感器的输入-输出对应关系： • 静态特性：静态输入信号 • 动态特性：动态输入信号
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（4）迟滞差
• 输入逐渐增加到某一值，与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相 等，叫迟滞现象。迟滞差表示这种不相等的程度。其值以满量程的输出 的百分数表示。
et
max YFS
100%
(5)稳定性 稳定性表示传感器在一个较长的时间内保
持其性能参数的能力。
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j1 N
j1
N
x
2 j
(
xj )2
j1
j1
N
N
N
N
xjy j
xj
yj
k
j1
j1
j1
N
N
N
xj2 (
xj )2
j1
j1
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一般来说，输入小到某种程度，输出就不再 变化了，这时的输入叫做灵敏度界限。
传感器静态特性
（1）灵敏度与信噪比 灵敏度：传感器输出量的变化值与相应被测量(输入量)的变化值之比
k(x)
输出量的变化值＝ y 输入量的变化值 x
描述传感器的输出量(一般为电学量)对输入量(一般为非电学量)敏
感程度
传感器校准曲线的斜率即为灵敏度。对线性传感器来说，灵敏度 是一个常数；非线性传感器的灵敏度则随输入量变化
上的相应值的偏差为Lj kxj +b yj ，最小二乘法拟和直线的原则
就是使N个点的均方差
1 N
N
L2j
j1
1 N
N j1
kxj + b yj
2
为最小值，即一阶偏导等于零 f = 0, f = 0 可得到b和k的值。 b k
N
N
N
N
x
2 j
yj
xj
xjy j
b j1
j1 N
l
r
r 则为电
阻丝径向相对伸长，即径向应变。两者的比例系数即为泊松系
数 ，且力的方向相反(以负号表示)，即
•
r l
r
l
S 2
S
R (1 2)
R
(1 2)
R (1 2)
R
金属线材的电阻相对变化与轴向应变成正比
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应变式电阻传感器的种类及选用 （1）电阻丝式应变片：增大阻值制成栅状 （2）箔式应变片：光刻、腐蚀等工艺制成，很薄 厚度0.003-0.01mm之间。面积大、散热好允许通过 较大电流。应力与实际接近。 （3）半导体式应变片：单晶硅施加一定载荷其电阻 率变化。灵敏度高（金属式的50倍）温度系数大， 灵敏系数非线性严重。 电阻应变片主要参数： （1）电阻值：未安装、不受外力、室温时测的电阻值 标准化，60、120、350、600、1000。 （2）绝缘电阻：敏感栅与基地间的电阻值。 （3）灵敏系数k：轴线方向施加应力，阻值相对变化与应变之比。关键参数，
• 金属应变效应是指金属导体的电阻随着它所受机械变形(伸长或缩 短)的大小而发生变化的现象。
R l
s
R R R l R S l l l S
l S
S
S
S2
R l S R lS
S r2
S 2 rr
S 2 r
S
r
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•
令 l 为电阻丝轴向相对伸长，即轴向应变；而
ef
max 100% YFS
非线性误差大小是以一拟合直线或理 想直线作为基准直线计算出来的，基 准直线不同，所得出的线性度就不一 样 ，最常用的是最小二乘法线性度
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最小二乘法原理：
设拟和的直线为 y = kx+b ，第j个测量点的输出 y j 与拟和直线
2 电阻式传感器
• 电阻式传感器是一种将非电量参数(如压力、拉力、扭力、位移
等)的变化转变为电阻值变化的传感器。 • 按工作原理可分为电位器式电阻传感器、应变式电阻传感器、热
敏电阻传感器和气敏电阻传感器。
原料
比较
重 量 设 定
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应变式电阻传感器：
• 是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。 电阻应变片的工作原理基于金属的应变效应。
灵敏度高的传感器不一定是最好的传感器。这是因为它易受噪声 的影响。
S／N小，信号与噪声就难以分清。
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（2）线性度
• 传感器的输出—输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器 满量程输出之比，也称“非线性误差”、 “非线性度”。通常用相对误
差表示其大小：
尽量大且稳定。 （4）允许工作电流：不影响测量准确度的最大工作电流。25mA。
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• （5）应变极限：一定温度时指示应变与实际应变值之差不超过允许值 （如10%）时的最大真实应变数值。
• （6）机械滞后：温度一定，增加和减小机械应变过程中同一应变量指示 应变最大差值。
传感器的动态特性
放大器
高压液压源
电磁阀
T1
负载
T2
记录仪
放大器
研究传感器动态特性的方法是： 当输入信号是阶跃函数时，用瞬态响应法，即用时域范围内，响 应曲线的上升时间、响应时间、过调量等参数作为评定指标； 当输入信号是正弦函数时，用频率响应法，其重要指标是频带宽 度（带宽）。
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• （7）零点漂移：温度一定，无应变时，指示应变随时间的变化。 • （8）蠕变：温度一定，承受一定的应变时指示应变随时间的变化。
• 选择和使用应变片的注意事项： • （1）应变片适合阻值变化较小的场合。灵敏度高。阻值较大时刻选用电
位器式电阻传感器。 • （2）尽量选用灵敏度大的应变片，且k尽量为常数。 • （3）温度系数小。 • （4）黏合剂的选择和粘贴技术：处理表面（打磨、酒精擦洗）、502、