1、传感技术电工理论篇传 感 技 术电工理论篇绪 论2第一章 传感器的特性3第二章 应变式传感器6第三章 压阻式传感器9第四章 电位器式传感器10第五章 电感式传感器13第六章 变压器式传感器17 第七章 电涡流式传感器20 第八章 电容式传感器24 第九章 压电式传感器25第十章 光传感器30绪 论一、传感器的定义：能感受（或响应）规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成。二、传感器命名及标记方法：传感器产品的名称，就由主题词加四级修饰语组成：主题词传感器；第一级修饰语被测量，包括修饰被测量的定
2、语；第二级修饰语转换原理，一般可后续以“式”字；第三级修饰语特征描述，一般可后续以“型”字；第四级修饰语主要技术指标。为便于传感器标记，可采用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字作标记代号，传感器标记由下列四部分构成：主称、被测量、原理、序号。例如：CWYWL10，是序号为10的电涡流位移传感器；CYYZ2A的压阻式压力传感器；CAYD5是序号为5的压电式加速度传感器；第一章 传感器的特性11 传感器的性能指标一、基本特性指标1、测量范围：在允许误差限内，被测量上限与被测量下限所对应的输出值的代数差。2、量程：传感器测量范围的上限和下限值的代数差。3、满量程输出：在规定条件下，传感器测量范围的上限和下
3、限所对应的输出值的代数差。4、过载能力：在不引起传感器规定的性能指标发生永久变化的条件下，允许超过测量范围的能力。5、分辨力：传感器在规定的测量范围内可能检测出的被测量的最小变化值。6、灵敏阀：引起输出信号变化的最小输入值。7、输入阻抗和输出阻抗：从传感器输入端和输出端看进去的阻抗分别称为输入阻抗和输出阻抗。8、灵敏度：传感器输出量的变化量与相应的输入量的变化量之比。9、线性度：校准曲线与规定的代表传感器输入输出特性的拟合直线间的吻合程度。10、重复性：在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的不一致程度。11、迟滞：在同一工作条件下校准时，对于全量程多次连续变动，同一测量点
4、上正、反程输出的不一致程度。12、精确度：有时也简称精度，对被测量的测量结果与真值或约定真值之间的符合程度，它是测量精密度和正确度的棕合。13、精密度：同一测量条件，被测量对应的所测数值之间不一致的程度，它反映了测量中随机误差的大小。14、正确度：测量结果与真值的偏离程度，它反映了系统误差的大小。15、不确定度：表征被测量的真值在某个量值范围的一个评定指标，也就是由于测量误差的存在而对被测真值不能肯定的程度。16、固有频率：将传感器视为一个弹性振动系统，由振动系统的等效质量，等效刚度决定的自由振动频率。17、谐波频率：使传感器产生共振时的频率，通常指最低的共振频率。18、频率响应：是指随输入信
5、号频率的改变，增益变化不超出某一规定分贝值的频率范围。实际上反映了通频带。19、上升时间：是指传感器阶跃响应时，从稳定值的a%变化到稳定值的b%所需的时间，通常取a%为10%，而b%取为90%。20、响应时间：是指传感器阶跃响应时，输出量从开始变化到进入稳定值的规定百分率时所需要的时间。21、过冲量：是指阶跃响应时，输出最大峰值与稳定值之间的差值，常用对稳定值的百分比表示。22、衰减度：用来描述阶跃响应时，振荡峰值的衰减速度，定义为第一个和第二个峰值之差与第一个峰值之比。二、环境参数指标1、工作温度范围：保证传感器特性指标的温度范围。2、温度误差：传感器工作温度偏离校准温度温度时引起的误差。在
6、传感器测量范围内，用温度变化引起的输出最大变化值与校准温度下满量程输出的百分比表示。3、热零点漂移：传感器工作温度偏离校准温度而引起的零点输出的最大变化，一般以每变化时零点输出的相对变化率来表示（）。4、热灵敏度漂移：传感器工作温度偏离校准温度时，引起的灵敏度的变化。一般以每变化时灵敏度的相对变化率来表示（）。5、振动误差：传感器因振动带来的附加误差。6、冲击误差：传感器因冲击带来的附加误差。7、加速度误差：传感器因承受加速度带来的附加误差。8、环境压力误差：在规定的范围内，由于环境压力的变化而引起的输出的最大变化。三、稳定性 可靠性指标1、稳定性：一定时间内，传感器在相同的条件下，维持其原来
7、性能的能力。稳定性是确定校准期的主要依据。2、漂移（时漂）：在规定的输入和工作条件下，输出量随时间的缓慢变化。3、零漂：在规定的时间及室内条件下，输出量为零时的漂移。4、灵敏度漂移：在规定条件下，传感器的灵敏度随时间的缓慢变化。5、可靠性：在规定条件下，传感器正常工作的可能性（概率）。规定条件是指：规定的时期产品所处的环境条件、维护条件、使用条件等。6、绝缘电阻：在规定的条件下，施加规定的直流电压时，传感器指定的绝缘部分之间所测得的电阻。7、绝缘强度：传感器规定的绝缘部分抵抗外加正弦交流电压击穿的能力。8、工作寿命：在规定的条件下，传感器被施加规定的连续和断续额定值而不改变其性能的最短时间。9
8、、贮存寿命：在规定的贮存条件下，传感器非工作状态下，不改变其性能的最短时间。10、循环寿命：按规定使传感器满量程或规定的部分量程偏离，而不改变其性能的最少循环次数，也称为疲劳寿命。11、保险期：产品出厂后，在规定条件（运输、使用、贮存）下，保证产品性能合格的期限。12 传感器的静态特性一、线性度传感器的理想输入输出特性应是线性的。实际上由于种种原因，传感器总是具有不同程度的非线性，这样按线性处理和分析就会带来非线性误差，反映非线性误差的程度即是线性度。线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较，用其不一致的最大偏差与理论满量程输出值的百分比来进行计算： 式中满量程输出电压。确定拟合直线可以
9、有几种不同的方法，因此线性度也就不同，所以应特别注意线性度是以什么样的拟合直线作基准而确定的。二、迟滞当传感器的正、反行程实际特性不相重合并形成回线时，则称传感器具有迟滞。迟滞大小一般由实验方法确定，迟滞误差计算公式为： 式中正、反行程输出值间的最大差值。迟滞反映了传感器存在不可避免的缺陷。三、重复性当传感器在全量程范围内多次重复测量时，同是正行程或同是的反行程上对应于同一个输了量，其输出量之间的差值称为重复性偏差，最大重复性偏差与理论满量程输出之比称为重复性误差。重复性误差是属于随机误差性质的。四、精确度1、静态精度的分指标法计算1）参考直线用端点平移直线的综合精度在以端点平移直线作为综合直
10、线时，系统误差指的就是线性度，而随机误差就是重复性，这时，综合精度可用下式计算： ，此法估算结果偏大。2）方和根法国外流行的一种简便方法，是用方和根法合成，即： ，此法无置信系数，且结果一般偏小。为此提出了下述计算法： ，而 ，式中：各标定点的线性度偏差；m校准点数； 。若按极差法计算，则：式中：m校准点数； n每个校准点上的测量次数。标定时，各校准点的次数相同； Rn I 极差； dn 极差系数。在这里强调指出，计算标准偏差时，正、反程不分开算，而是对每个校准点上全部数据进行计算，这样，表征重复性误差的中，也包括了迟滞误差。2、结合精度法在采用结合精度法时，把全部校准数据对于拟合直线的偏离都
11、看成是随机的分布，而不管它的由什么因素（非线性、迟滞、重复性）造成的；然后将残差作一整体求出。故常用贝塞尔公式算出总的标准偏差，然后用下式求总精度：式中： ；m校准点数；n每个校准点上的测量次数；k对于最小二乘直线，k2；yj i 校准数据；yj 各校准点的回归值。传感器的输入、输出特性是通过校准得到的。输入量、输出量的测量误差将直接影响特性方程。因此，减少检定系统的误差是精确建立特性方程的重要环节。国际电工学会（IEC359）的标准，在误差检验部分中，明确了（en）原则，它规定了用一个测量误差为n %的仪器，对误差极限为e %的仪器进行校验时，受检仪器所检得的误差应保持在（en）% 以内。这
12、个原则对传感器同样也是适用的。例如：用精度为0.1 %的检定设备来检定精度为0.5 %的传感器，那么检定数据的误差必须保持在0.4 % 以内，否则，即为不合格。第二章 应变式传感器应变式传感器是以应变片为传感元件的传感器。应变式传感器有以下优点：1） 精度高，测量范围广。2） 使用寿命长，性能稳定可靠。3） 结构简单、尺寸小、重量轻。4） 频率响应特性较好。5） 可在高低温、高速、高压，强烈振动，强磁场、核幅射和化学腐蚀等恶劣环境条件下工作。6） 应变片种类繁多，达两万多种，且价格便宜。21 应变片的工作原理一、应变效应所谓应变效应是指金属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象。由物理学可
13、知：金属丝的电阻值RS与其长度lS和电阻率S成正比，与其截面积AS成反比：式中：RS 金属丝的电阻（）；S 金属丝的电阻率（）；lS 金属丝的长度（m）；AS 金属丝的横载面积（m2）。如果金属丝沿轴线方向上受力而变形，则其电阻值随之变化。将上式微分，可得：即：上式中的为金属丝长度的相对变化，用应变S来表示：为导线截面积的相对变化，对于圆柱截面，若其直径为DS ，则：所以：又知泊松比：所以：这就表明：式中： 电阻丝的体积； 决定于金属导体晶格结构的比例系数，对常用的金属和合金来说，在-12（镍）到+6（铂）范围之间。由上式可得： 令：则得： 为金属丝的灵敏系数，其物理意义为单位应变所引起的电阻
14、相对变化。实践表明，许多金属在塑性变形区内，体积基本不变，泊松比，。在弹性区，则不能忽略体积变化对的影响。为了保证足够的动态范围和精度，总是希望为常数，而无需严格控制变形时的弹性或塑性范围。由式可见，只有当时，无论在塑性和弹性区，都是常数。二、应变的传递多数应变式传感器都是将应变片粘贴于弹性元件表面。弹性元件表面的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅。当弹性元件表面的应变沿应变片轴向均匀分布时，应变片中基底和敏感栅的应变分布如图2.1所示。基底端部的应变和敏感栅端部的应变小于弹性元件表面的应变；靠近敏感栅圆弧端的外侧，则由于应力集中而使应变局部增大，故在基底和敏感栅的端部分别产生了应变传递的过渡区a和b。基底和粘结剂的弹性模量与敏感栅或弹性元件的弹性模量相差愈大，所产生的过渡区愈大。此外，过渡区a的大小还与基底及粘结剂的厚度有关；b的大小则与栅丝的直径（或栅条的XX）及其端部结构有关，试验得出：，。为了削除基底端部过渡区的影响，要求应变片基底的长度至少要比栅长大出。敏感栅端部过渡区的影响无法避免，它使应变片的灵敏系数一般均低于敏感栅的灵敏系数。当时，与之间的关系可用下式表示：式中： 过渡区的长度； 过渡区的有效宽度；
