0
( x / 0) 1 Cx C 0(1 x ) 0 1 1 容抗 xc C S ，容抗与 成正比
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电容式传感器的特点：
• • • • • （1）需要的动作能量或力极小。在移动过程中，没有摩擦和几乎没有反 作用力，特别适宜用来解决输入能量低的条件下的测量问题。 （2）有良好的动态响应特性。作用能量极小，有较小的可动质量，有较 高的固有频率。能在几兆赫的频率下工作，有良好的动态响应能力。 (3)灵敏度高，分辨力强。能感受或分辨0.01微米甚至更小的位移。 (4)零点漂移很小。本身几乎不存在发热问题，不存在由本身发热而引 起的零点漂移。 (5)能实现无接触测量。
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。 • 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 R l l l S l 2 S l S S S S
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
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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
E ABC (T , T0 ) eAB (T0 ) eBC (T ) eCA (T0 ) A dT B (T,T0 ) BdT
T0 T T T0

T2 kT0 N C N (ln ln B ) eAB (T ) ( A - B )dT T1 e NA NC T2 kT0 N B ln eAB (T ) ( A - B )dT T1 e NA T2
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• 变磁阻式传感器
N2 L Rm
Rm RF R
RF R
R
2 0 S
N 2 N 2 0 S L R 2
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• 磁电式传感器
d E N dt
E NBS d dt
A (T,T0 ) T A dT
0
T
B (T,T0 ) T B dT
• 在和两个导体组成的热电偶回路中，总的热电势为
0
T
EAB (T1 , T2 ) eAB (T1 ) eAB (T2 ) B (T1 , T2 ) A (T1 , T2 ) k NA T2 (T1 T2 )ln ( B - A )dT e NB T1
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接触电势产生的原理：不同的导体具有不同的自由，结果在界面附近一方失去电子，带 正电；另一方得到电子带负电，在两导体的接触面上形成 电位差。达到动平衡时形成接触电势。
eAB
kT N A ln e NB
et
max 100% YFS
(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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传感器的动态特性
放大器
电磁阀 高压液压源
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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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 上的相应值的偏差为L j kxj +b yj ，最小二乘法拟和直线的原则 2 就是使N个点的均方差 1 N 1 N 2
N
L
j1
j

N
kx +b y
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压电式传感器
• 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且 内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态， 这种现象称为压电效应。
压力变送器
而产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要 测量回路具有无限大的输入阻抗。但在实际线路中，电 荷将会逐渐泄漏。因此，压电传感器不能用于静态测量。 故压电传感器应在动态测量中使用。
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：
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
j1 j j
为最小值，即一阶偏导等于零 f
b
b
= 0,
N
f 可得到b和k的值。 =0 k
N j1
x y
2 j1 j j1 N j1 N
N
N
j 2
xj xj y j ( x j ) 2
j1 N N j1 N
N xj
k
N xj y j xj y j
R (1 2 ) R
l 为电阻丝轴向相对伸长，即轴向应变；而 l
r 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， 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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热电式传感器
工作原理：基于热电效应 将两种材料不同的导体的两个端点焊接在一起，构成一 个闭合回路。如果两连接点1和2温度不同，回路中就 会有一个电动势，并在闭合回路中产生电流。这个电 势和电流与两种导体的性质和两个接点间的温度差有 关。这种现象就称为热电效应或塞贝克效应。 T1>T2，接点1称热端或称工作端，接点2称冷端，热电 势是由接触电势(又称珀尔帖电势)和单一导 体的温差电势(又称汤姆逊电势)组成。
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电容式传感器：
• 工作原理：将被测量的变化转化为电容量变化
S C
• • • • • 变间隙式：测量微小的线性位移 变面积式：—般用来测角位移(一度至几十度)或较大的线位移； 变介电常数式：常用于固体或液体的物位测量，也用于测定各种介质的 温度、密度等状态参数。 后两者呈正比，第一个是非线性关系。 S S 1 x x Cx ( ) C 0[1 ( )2 ...] 0 x 0 1 x 0 0
j1
N xj
j1
N
2
( x j ) 2
j1
j1 N
j1
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（3）灵敏度界限(阈值) • 输入变小，输出也变小。但一般来说，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。 （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。
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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) y 输出量的变化值 ＝ 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 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。
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• 温差电势：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。由 于两端温度不同，导体内自由电子的运动速度不同，高温端的电子 运动速度比低温端的电子运动速度要大。因此，电子将从速度大的 区域向速度小的区域扩散，结果高端失去电子而带正电，低端得到 电子而带负电，从而在导体的两端形成温差电势。
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•
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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。 （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、 焊接引线、检查绝缘、704保护 （5）温度补偿