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1、第1章 传感器技术基础第1页，本讲稿共13页单元单元1 1 传感器的基本组成传感器的基本组成传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路组成。传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路组成。敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件传感器中能直接感受传感器中能直接感受传感器中能直接感受传感器中能直接感受(或响应或响应或响应或响应)被测量的部分。被测量的部分。被测量的部分。被测量的部分。转换元件转换元件转换元件转换元件传感器中能将敏感元件感受传感器中能将敏感元件感受传感器中能将敏感元件感受传感器中能将敏感元件感受(或响应或响应或响应或响应)的被测量转换的被测量转换的被测量转换的被测量转换 成适于传输和成适于传输
2、和成适于传输和成适于传输和(或或或或)测量的电信号部分。测量的电信号部分。测量的电信号部分。测量的电信号部分。测量电路测量电路测量电路测量电路又称转换电路或信号调理电路，它的作用是将转换又称转换电路或信号调理电路，它的作用是将转换又称转换电路或信号调理电路，它的作用是将转换又称转换电路或信号调理电路，它的作用是将转换 元件输出的电信号进行进一步的转换和处理。有电元件输出的电信号进行进一步的转换和处理。有电元件输出的电信号进行进一步的转换和处理。有电元件输出的电信号进行进一步的转换和处理。有电 桥电路、阻抗变换电路、振荡电路等。桥电路、阻抗变换电路、振荡电路等。桥电路、阻抗变换电路、振荡电路等。
3、桥电路、阻抗变换电路、振荡电路等。【电路图】【电路图】【电路图】【电路图】【电路分析】【电路分析】【电路分析】【电路分析】第2页，本讲稿共13页【知识要点】【知识要点】传感器是测试系统中的第一级，是感受和拾取被测信号传感器是测试系统中的第一级，是感受和拾取被测信号传感器是测试系统中的第一级，是感受和拾取被测信号传感器是测试系统中的第一级，是感受和拾取被测信号的装置。的装置。的装置。的装置。传感器的定义：传感器（传感器的定义：传感器（传感器的定义：传感器（传感器的定义：传感器（sensorsensor）是能感受规定的被测）是能感受规定的被测）是能感受规定的被测）是能感受规定的被测量并按照一定的规
4、律转换成可用输出信号的器件或装置量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器的定义的内涵：传感器的定义的内涵：传感器的定义的内涵：传感器的定义的内涵：（1 1）传感器是测量装置；）传感器是测量装置；）传感器是测量装置；）传感器是测量装置；（2 2）输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、）输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、）输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、）输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；生物量等；生物量等；生物量等；
5、（3 3）输出量是某种物理量，要便于传输、转换、处理、显）输出量是某种物理量，要便于传输、转换、处理、显）输出量是某种物理量，要便于传输、转换、处理、显）输出量是某种物理量，要便于传输、转换、处理、显示等；示等；示等；示等；（4 4）输出和输入有对应关系，且应有一定的精确度。）输出和输入有对应关系，且应有一定的精确度。）输出和输入有对应关系，且应有一定的精确度。）输出和输入有对应关系，且应有一定的精确度。第3页，本讲稿共13页【例题】【例题】请说出图示传感器的敏感元请说出图示传感器的敏感元件、转换元件和测量转换电件、转换元件和测量转换电路。路。1-衔铁衔铁 2-永久磁铁永久磁铁 3-激励电源激
6、励电源 4-测量测量仪表仪表 5-线圈线圈【例题分析】【例题分析】图示为简单自感式装置的原理图。图示为简单自感式装置的原理图。当一个简单的单线圈作为敏感元件时，当一个简单的单线圈作为敏感元件时，机械位移输入会改变线圈产生的磁路的机械位移输入会改变线圈产生的磁路的磁阻，从而改变自感式装置的电感。电磁阻，从而改变自感式装置的电感。电感的变化由合适的电路进行测量，就可感的变化由合适的电路进行测量，就可从表头上指示输入值。磁路的磁阻变化从表头上指示输入值。磁路的磁阻变化可以通过空气间隙的变化来获得，也可可以通过空气间隙的变化来获得，也可以通过改变铁心材料的数量或类型来获以通过改变铁心材料的数量或类型来
7、获得。得。电感传感器的敏感元件与转换元件电感传感器的敏感元件与转换元件是电感线圈，其转换原理基于电磁感应原是电感线圈，其转换原理基于电磁感应原理。它把被测量的变化转换成线圈自感系理。它把被测量的变化转换成线圈自感系数数L（或互感系数（或互感系数M）的变化（在电路中表现）的变化（在电路中表现为感抗为感抗XL 的变化）而达到被测量到电参量的变化）而达到被测量到电参量的转换，激励电源的转换，激励电源3、测量仪表、测量仪表4、线圈、线圈5组组成测量电路。成测量电路。第4页，本讲稿共13页【练习题】【练习题】1.何谓传感器？传感器一般由哪几部分组成？何谓传感器？传感器一般由哪几部分组成？2.请说出图请说
8、出图1.3所示传感器的敏感元件、转换元件。所示传感器的敏感元件、转换元件。回到第一页回到第一页回到第一页回到第一页第5页，本讲稿共13页单元单元2 2 传感器的特性传感器的特性【电路图】【电路图】【电路图】【电路图】【电路分析】【电路分析】【电路分析】【电路分析】系统输出信号系统输出信号y(t)与输入信号与输入信号(被测量被测量)x(t)之间的关系是传感器之间的关系是传感器的基本特性。根据传感器输入信号的基本特性。根据传感器输入信号x(t)是否随时间变化，其基本特性分是否随时间变化，其基本特性分为静态特性和动态特性，它们是系统对外呈现出的外部特性，与其为静态特性和动态特性，它们是系统对外呈现出
9、的外部特性，与其内部参数密切相关。不同的传感器内部参数不同，因此其基本特性内部参数密切相关。不同的传感器内部参数不同，因此其基本特性也表现出不同的特点。一个高精度传感器，必须具有良好的静态特也表现出不同的特点。一个高精度传感器，必须具有良好的静态特性和动态特性，才能保证信号无失真地按规律转换。性和动态特性，才能保证信号无失真地按规律转换。第6页，本讲稿共13页【知识要点】【知识要点】【知识要点】【知识要点】1.1.传感器的静态特性：传感器的静态特性：传感器的静态特性：传感器的静态特性：传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏传感器静态特性的主要技
10、术指标有：线性度、灵敏传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性。度、迟滞和重复性。度、迟滞和重复性。度、迟滞和重复性。（1 1）线性度）线性度）线性度）线性度第7页，本讲稿共13页（2）灵敏度）灵敏度线性传感器的灵敏度：线性传感器的灵敏度：非线性传感器的灵敏度：非线性传感器的灵敏度：（3 3）迟滞：）迟滞：）迟滞：）迟滞：传感器的迟滞特性传感器的迟滞特性（4 4）重复性：）重复性：）重复性：）重复性：第8页，本讲稿共13页2.传感器的动态特性：传感器的动态特性：传感器的动态特性是指在测量动态信号时传感传感器的动态特性是指在测量动态信号时传感器的输出反映被测量的大小和随时间变
11、化的能力。动态特性差的传器的输出反映被测量的大小和随时间变化的能力。动态特性差的传感器在测量过程中，将会产生较大的动态误差。感器在测量过程中，将会产生较大的动态误差。研究动态特性时，通常根据正弦变化与阶跃变化两种标准输入来考研究动态特性时，通常根据正弦变化与阶跃变化两种标准输入来考察传感器的动态特性。传感器的动态特性分析和动态标定都以这两种察传感器的动态特性。传感器的动态特性分析和动态标定都以这两种标准输入状态为依据。对于任一传感器，只要输入量是时间的函数，标准输入状态为依据。对于任一传感器，只要输入量是时间的函数，其输出量也应是时间的函数。其输出量也应是时间的函数。为了便于分析和处理传感器的
12、动态特性，需建立数学模型，用数学为了便于分析和处理传感器的动态特性，需建立数学模型，用数学中的逻辑推理和运算方法来研究传感器的动态响应。中的逻辑推理和运算方法来研究传感器的动态响应。对于线性系统的动态响应研究，最广泛使用的数学模型是普通线性常系对于线性系统的动态响应研究，最广泛使用的数学模型是普通线性常系数微分方程。只要对微分方程求解，就可得到动态性能指标。数微分方程。只要对微分方程求解，就可得到动态性能指标。第9页，本讲稿共13页【例题】【例题】什么是传感器的静态特性和动态特性？什么是传感器的静态特性和动态特性？【例题分析】【例题分析】传感器的静态特性是指传感器转换的被测量（输传感器的静态特
13、性是指传感器转换的被测量（输入信号）数值是常量（处于稳定状态）或变化极缓慢时，入信号）数值是常量（处于稳定状态）或变化极缓慢时，传感器的输出与输出的关系。传感器的动态特性是指在传感器的输出与输出的关系。传感器的动态特性是指在测量动态信号时传感器的输出反映被测量的大小和随时测量动态信号时传感器的输出反映被测量的大小和随时间变化的能力。间变化的能力。回到第一页回到第一页回到第一页回到第一页第10页，本讲稿共13页单元单元3 3 传感器的选择传感器的选择【电路图】【电路图】【电路图】【电路图】【电路分析】【电路分析】【电路分析】【电路分析】1-杠杆杠杆 2-电位器电位器 3-膜盒膜盒 所示为电位器式
14、压力传感器的工作原理。在弹性敏感元件膜盒所示为电位器式压力传感器的工作原理。在弹性敏感元件膜盒3的内的内腔，通入被测流体压力，在此压力的作用下，膜盒腔，通入被测流体压力，在此压力的作用下，膜盒3中心产生位移，推动中心产生位移，推动杠杆杠杆1上移，使曲柄轴带动电刷在电位器上移，使曲柄轴带动电刷在电位器2的电阻丝上滑动，使传感器的的电阻丝上滑动，使传感器的电阻值发生变化，最后输出一个与被测压力成正比的电压信号。电阻值发生变化，最后输出一个与被测压力成正比的电压信号。测量压力可以采用的传感器很多，如电容传感器、压电传感器等，要根测量压力可以采用的传感器很多，如电容传感器、压电传感器等，要根据实际情况
15、正确选择。据实际情况正确选择。第11页，本讲稿共13页【知识要点】【知识要点】【知识要点】【知识要点】1.1.测量条件与测量方式：测量条件与测量方式：测量条件与测量方式：测量条件与测量方式：包括测量的目的、被测试量的选择、测量范围、输包括测量的目的、被测试量的选择、测量范围、输包括测量的目的、被测试量的选择、测量范围、输包括测量的目的、被测试量的选择、测量范围、输入信号的最大值、指标要求和测量所需要的时间等。入信号的最大值、指标要求和测量所需要的时间等。入信号的最大值、指标要求和测量所需要的时间等。入信号的最大值、指标要求和测量所需要的时间等。2.2.传感器参数指标：传感器参数指标：传感器参数
16、指标：传感器参数指标：包括静态特性指标、动态特性指标、模拟量还是数字量、包括静态特性指标、动态特性指标、模拟量还是数字量、包括静态特性指标、动态特性指标、模拟量还是数字量、包括静态特性指标、动态特性指标、模拟量还是数字量、输出量及其数量级、负载效应、校正周期、超标准过大的输入信号的保护等。输出量及其数量级、负载效应、校正周期、超标准过大的输入信号的保护等。输出量及其数量级、负载效应、校正周期、超标准过大的输入信号的保护等。输出量及其数量级、负载效应、校正周期、超标准过大的输入信号的保护等。3.3.使用条件与可靠性：使用条件与可靠性：使用条件与可靠性：使用条件与可靠性：包括传感器的使用场地、环境
17、条件（温度、湿度、包括传感器的使用场地、环境条件（温度、湿度、包括传感器的使用场地、环境条件（温度、湿度、包括传感器的使用场地、环境条件（温度、湿度、振动等）、测量时间、与其它设备的连接及距离、所需功率容量等。振动等）、测量时间、与其它设备的连接及距离、所需功率容量等。振动等）、测量时间、与其它设备的连接及距离、所需功率容量等。振动等）、测量时间、与其它设备的连接及距离、所需功率容量等。可靠性是传感器和一切测量装置的生命，可靠性是指仪器、装置等产可靠性是传感器和一切测量装置的生命，可靠性是指仪器、装置等产可靠性是传感器和一切测量装置的生命，可靠性是指仪器、装置等产可靠性是传感器和一切测量装置的
18、生命，可靠性是指仪器、装置等产品在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定功能的能力。品在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定功能的能力。品在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定功能的能力。品在规定的条件下，在规定的时间内可完成规定功能的能力。4.4.购买和维护：购买和维护：购买和维护：购买和维护：包括性价比、零配件的储备、售后服务、维修制度、保修包括性价比、零配件的储备、售后服务、维修制度、保修包括性价比、零配件的储备、售后服务、维修制度、保修包括性价比、零配件的储备、售后服务、维修制度、保修时间、交货日期等。时间、交货日期等。时间、交货日期等。时间、交货日期等。第12页，本讲稿共13页【
19、例题】【例题】【例题】【例题】选用传感器的基本原则是什么选用传感器的基本原则是什么选用传感器的基本原则是什么选用传感器的基本原则是什么?【例题分析】【例题分析】【例题分析】【例题分析】选用传感器的基本原则是：传感器参数指标、测量条件、测选用传感器的基本原则是：传感器参数指标、测量条件、测选用传感器的基本原则是：传感器参数指标、测量条件、测选用传感器的基本原则是：传感器参数指标、测量条件、测量方式、使用条件、可靠性、购买和维护等因素。量方式、使用条件、可靠性、购买和维护等因素。量方式、使用条件、可靠性、购买和维护等因素。量方式、使用条件、可靠性、购买和维护等因素。回到第一页回到第一页回到第一页回到第一页第13页，本讲稿共13页