绪论 第一章 传感器的基本特性 传感器的概念以及传感器的基本特性是本章重点。 讲授 1.1 传感器的定义 关于传感器的定义，至今尚无一个比较全面的定义。不过，对以下提法，学者们似乎不持异议。 国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。 根据中华人民共和国国家标准（GB7665——87），传感器（Transducer/Sensor) 的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 所谓传感器，是指那些能够取代甚至超出人的“五官”，具有视觉、听觉、触发、嗅觉和味觉等功能的元器件或装置。 1.2 传感器的组成 传感器是由敏感元件、转换元件及信号调节电路三部分组成的。 敏感元件是指传感器中能直接感受(或响应)与检出被测对象的待测信息(非电量)的部分， 转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受(或响应)出的信息直接转换成电信号的部分。 信号调节转换电路是能把转换元件输出的电信号转换为电压、电流或频率量便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。辅助电路通常包括电源，即交、直流供电系统。 1.3 传感器的分类 可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。 传感器种类繁多 按被测量分类 按测量原理分类 按输出型式分类 按电源型式分类 目前常用的分类有两种：一种是以被测量来分，另一种是以传感器的原理来分。 1.4 传感器的技术特点 传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测与应用。它已逐渐形成了一门相 对独立的专门学科。与其他学科相比，它具有如下技术特点： 1. 内容范围广且离散 2. 知识密集程度高、边缘学科色彩浓 3. 制造技术复杂、工艺要求高 4. 功能优良、精度高、可靠性好 5. 现代传感器品种繁多、应用广泛 1.5 传感器的数学模型概述 1. 系统概论 无论系统复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。 2. 静态模型 静态模型是指在静态信号(输入信号不随时间变化的量)情况下，描述传感器输出与输入量间的一种函数关系。如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示： y=a0+a1x+a2x2+···+anxn 3. 动态模型 动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号(输入信号随时间而变化的量)作用下，描述其输出和输人信号的一种数学关系。动态模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。 1.6 传感器的基本特性 1. 静态特性 1) 灵敏度 2) 重复性 3) 分辨力： 6) 稳定性 2动态响应特性 1）阶跃响应 2）频率响应特性 第二章电阻式传感器 电位器 应变式 弹性元件以及应变式传感器的应用 应变式传感器的测量电路直流电桥 讲授 2.1 电位器式电阻传感器 电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为具有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。所以它是一个机电传感元件。 1. 变阻器式传感器的分类 2 变阻器式传感器的性能参数: 3. 非线绕电位器式传感器 1).合成膜电位器 2).金属膜电位器 3). 导电塑料电位器 4). 光电电位器式传感器 2.2 电位器式电阻传感器的应用 2.3 电阻应变式传感器 1.应变效应 导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。下面我们以金属丝应变片为例分析这种效应。 2．半导体应变片 3.应变片的工艺及材料 4.应变片粘贴 5.常用应变片的型号与参数 2.4 电阻应变片的测量电路 1.直流电桥平衡条件 2．.交流电桥的调平方法 2.5 电阻式传感器应用举例 根据不同的要求，应变电桥有不同的工作方式。下面我们讨论几种较为典型的工作方式： 1. 测量转换电路 1).全桥工作方式: 2)双臂半桥工作方式 3)单臂半桥工作方式 2.应用举例 1). 单臂半桥测量 2). 全桥电路测量 3) . 应变式力传感器 4)．应变式荷重传感器 例 采用4片相同的金属丝应变片（K=2)，将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。如图所示，力F=1000kgf，圆柱断面半径r=1cm，弹性膜量E=2*107N/cm2,泊松比μ=0.3 。 求① 画出应变片在圆柱上粘贴位置及相应测量桥路原理图；② 各应变片的应变ε= ？ 电阻相对变化量ΔR/R ；③ 若供电桥压U=6V ， 求桥路输出电压U0=?;④ 此种测量方式能否补偿环境温度对测量的影响？ 解：①采用4个相同的应变片，粘贴位置如图。其中R1、R3沿轴向粘贴，产生正应变，R2、R4沿圆周方向粘贴产生负应变。测量电桥如图。 ② ε1= ε3=F/AE=1000*9.8/(3.14*12*2*107)=156 μ ε ε2= ε4=- μ F/AE=-0.3*1000*9.8/(3.14*12*2*107)=-47 μ ε Δ R1/R1= Δ R3/R3 =k ε1=3.12*10-4 Δ R2/R2= Δ R4/R4 =-k ε2=-0.94*10-4 ③U0=(Δ R1/R1+ Δ R3/R3 -Δ R2/R2- Δ R4/R4)U/4 =1.22mv ④ 可以补偿环境温度的影响。4 个相同的应变片在同一个环境中，感受温度变化产生电阻相对变化量相同，在全桥电路中不影响输出值。 Δ R1t/R1= Δ R3t/R3 =Δ R2t/R2= Δ R4t/R4= Δ Rt/R Δ Ut=(Δ R1t/R1+ Δ R3t/R3 -Δ R2t/R2- Δ R4t/R4)U/4 =0 5).汽车衡称重系统 6)．应变式加速度传感器
第三章 电容式传感器 电容传感器的工作原理以及测量电路 测量电路中的脉冲调制电路是难点 3.1 电容式传感器的工作原理和结构 2.变极距式电容传感器 空气介质变极距式电容传感器的工作原理一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量⊿d。 3.变极板面积型电容式传感器 被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。图是一个角位移式传感器的结构,设两极板完全遮盖时，遮盖角度θo=π，初始电容C。=εAo／d。，极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移θ度时，两极板的遮盖面积A就减小,因而电容量也随之减小. 4.变介质型电容传感器 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数式电容传感器.此类传感器可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、气体、液体、木材或煤等非导电固体物质的湿度。 5.电容式传感器的特点 1).优点： Ⅰ.温度稳定性好 Ⅱ.结构简单 Ⅲ.动态响应好 2).缺点 Ⅰ.输出阻抗高，负载能力差 Ⅱ.寄生电容影响大 6.电容式传感器的等效电路 3.2 电容式传感器的测量转换电路 脉冲宽度调制电路