压电式、磁电式传感器等。
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＊按工作机理分类
▽物性型：依靠敏感元件本身的物理化学性质的变 化实现信号变换。如压阻式传感器、压电式传感器 等。
▽结构型：依靠传感器结构参量的变化实现信号转 换。如电容式、电感式传感器等。 ＊按基本效应分类
▽物理型：利用某些变换元件的物理性质或某些功 能材料的特殊性能制成的传感器。如PN温度传感器。
传感检测技术 及其应用
郑州大学机械工程学院 机电一体化研究所 刘武发
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本课程的主要内容
1.传感检测技术基础 2.常用传感器原理 3.传感器信号处理电路 4.典型传感器应用
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第1－3章 传感检测技术基础
一、传感器测技术概念
1.传感检测技术作用（意义、重要性） 在自然界、社会生活、生产实践、科学实验等
活动中，存在各种各样的量，需要知道他们的存在 和大小。有些量大到能够被人们感知，有些量较小， 不能被人们感知。要测出人们感兴趣量的大小，就 要用到对这些量敏感的传感器，信号处理（调理）
电路，检测技术等…
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2.传感器的概念
＊传感器是人体五官—耳、眼、鼻、舌、皮肤的 工程模拟物。
＊传感器广义概念是一种以一定的精确度将被测量转 换为与之有确定对应关系的、易于精确处理 和测量 的某种物理量的测量部件或装置。
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三、传感器数学模型（描述方法）
传感器作为感受被测量信息的器件，总希望它 能按照一定的规律输出有用信号，因此，需要研究 其输出-输入关系及特性。最有效的描述方法是传 感器的数学模型。
由于传感器可以测量时不变信号和时变信号， 所以应该以带随机变量的非线性微分方程作为数学 模型。这样在数学上有困难，所以，实际上把传感 器的静态特性和动态特性分开考虑，从而有静态模 型和动态模型。
换电路
例如：悬臂梁机速度传感器
b
R1
I1 a
I2
R2
c
uo
R4
R3
d
ui
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d V
敏感元件：悬臂梁把加速度转化为悬臂梁的应变 。 转换元件：电阻应变片把应变转换为电阻变化。 基本转换电路：电桥把电阻变化转化为电压输出。
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二、传感器的工作机理和分类
1.传感器工作机理 传感器的工作机理是基于各种物理、化学和生
▽能量控制型（有源型、被动型传感器）
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需要外加电源才能将被测信号转化为电量，能量控 制型传感器本身参数的改变（如电阻、电容、电感） 不起换能作用。
＊按输出信号的形式分类
▽模拟式：传感器输出模拟信号。大多传感器如此
▽数字式：传感器输出数字信号。如编码器式传感 器。
工程习惯上常根据工作原理和被测量命名传感 器，电感式位移传感器，电容式加速度传感器等。
＊传感器狭义概念是能把外界非电信号转换为电信号 输出的器件或装置。
＊随着科学技术的进步，传感器的“可用信号”内涵 也会随之改变，如人们跨入光子时代，光信号将成 为更便于快速、高效处理与传输的“可用信号”了。
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3.传感器的组成
被测量 敏感 元件
物理量
转换 电路参数 基本转
2.动态数学模型
传感器的动态数学模型是指传感器在受到时变 输入量作用时，其输出－输入之间的关系，通常称 为响应特性。
有些传感器虽然有良好的静态特性，但由于传 感器总存在着弹性、惯性、阻尼等因素，使传感器 的输出量不仅与输入量有关，而且还与输入量的变 化速度等有关，所以将导致严重的动态误差，这就 必须认真研究传感器的动态响应特性，为此建立的 数学模型称为动态模型。常用的动态方程有：微分 方程、传递函数、频率响应函数。
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1.静态数学模型
指在静态信号作用下（即输入量对时间t的各阶导 数等于0）得到的数学模型。其静态数学模型为
y a0 a1 x a2 x 2 an x n 式中x 输入量；
y 输出量； a0 传感器零位输出； a1 传 感 器 的 灵 敏 度 ； a1 an 非 线 性 项 待 定 常 数 。
物效应等，并受相应的定律和法则支配。了解这些 定律和法则有助于对传感器本质的理解和对新效应 传感器的开发。
＊守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。
＊场的定律：如重力场、静电场、磁场等。遵守场定 律的传感器可称为“结构型传感器”
＊物质定律：表示物质本身内在性质的定律。遵守物 质定律的传感器称为“物性型传感器”
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（1）微分方程（时域内）
an
dny dt n
an1
d n1 y dt n1
...
a1
dy dt
a0
y
bm
dmx dt m
bm 1
d m1 x dt m1
...
b1
dx dt
b0 x
优点：通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态 响应。通解仅与传感器本身特性及初始条件有关 ；特解不仅与传感器的特性有关，而且还与输入 量有关。 缺点：求解麻烦，尤其是通过增减环节来改善传 感器的特性时显得更不方便。
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▽化学型：利用电化学反应原理把有机和无机的化 学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器 。 如接触燃烧气敏传感器等。
▽生物型：利用生物功能物质作识别器件制成的传 感器。如酸度计传感器等。
＊按能量转换关系分类
▽能量转换型（无源型、发电型或主动型传感器） 不需要外加电源而将被测量转化为电量输出，但其 负载能力有限，应用时需要注意。如热电偶、压电 式传感器等。
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y
o
x
y
o x
y
o x
y
o x
y (a)
(a) y a1 x
(b)
(c)
(d)
(b) y a1 x a3 x3 a5 x5
(c) y a1 x a2 x2 a4 x4
(d) y a1 x a2 x 2 a3 x 3
表示输出与输入量之间的关系曲线称为特性曲线
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＊统计法则：把微观系统与宏观系统联系起来的法则。 2.传感器的分类
＊按被测量分类
该分类法明确了传感器的用途，便于使用者选 择传感器，如位移传感器、力传感器、温度传感器、 压力传感器、流量传感器、速度传感器等。 ＊按工作原理分类
该分类法清楚地 表明了传感器的工作原理，有 利于传感器的设计和应用，如电阻式、电感式、电容式、