传感器技术及其工程应用金发庆第1章节传感器技术基础

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1、第1章传感器技术基础1.1自动测控系统与传感器1.2传感器的分类1.3传感器的数学模型1.4传感器的特性与技术指标1.5传感器的材料与制造1.6提高传感器性能的方法1.7传感器的标定与校准1.8实训1.1自动测控系统与传感器世界是由物质组成的，表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。非电量不能直接使用一般电工仪表和电子仪器测量，非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量。实现这种转换技术的器件叫传感器。自动检测和自动控制系统处理的大都是电量,需通过传感器对通常是非电量的原始信息进行精确可靠的捕获和转换为电量。1.1自动测控系统与传

2、感器1.1.1自动测控系统自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量掌握以及预期效果控制所从事的一系列的技术措施。自动测控系统是完成这一系列技术措施之一的装置，它是检测和控制器与研究对象的总和。通常可分为开环与闭环两种自动测控系统。测量电路传感器电源指示仪记录仪伺服控制图1-1开环自动测控系统框图被测量调节元件给定元件信息处理检测电路执行元件传感器对象输出显示记录－＋－图1-2闭环自动测控系统框图一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。1.1.2传感器传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用

3、输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。敏感元件转换元件辅助电源接口电路图1-3传感器组成框图非电物理量电信号压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等是敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器。传感器转换能量的理论基础都是利用物理学、化学学、生物学现象和效应来进行能量形式的变换。被测量和它们之间的能量的相互转换是各种各样的。机械能光能电磁能化学能热能图1-4传感器的能量转换关系传感器技术就是掌握和完善这些转换的方法和手段。是涉及：传感器

4、能量转换原理、传感器材料选取与制造、传感器器件设计、传感器开发和应用等多项综合技术。1.2传感器的分类1.2传感器的分类传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种：一种是按被测输入量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。1.2.1按被测量分类这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量两类。见表1-1。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力、力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就

5、可以了。表1-1基本被测量和派生被测量基本被测量派生被测量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度角位移旋转角、偏转角、角振动速度线速度速度、振动、流量、动量角速度转速、角振动加速度线加速度振动、冲击、质量角加速度角振动、扭矩、转动惯量力压力重量、应力、力矩时间频率周期、计数、统计分布温度热容量、气体速度、涡流光光通量与密度、光譜分布湿度水气、水分、露点这种分类方法：优点：比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。1.2.2按传感器工作原理分类这一种分类方法是以工作原理划

6、分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。这种分类法：优点：对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。缺点：不便于使用者根据用途选用。具体划分为1.电学式传感器应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。2.磁学式传感器利用铁磁物质的一些物理效应而制成。主要用于位移、转矩等参数的测量。3.光电式传感器利用光电器件的光电效应和光学原理而制成。主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。4.电势型传感器利用热电效应、光电效应、霍耳效应等原理而制成。主要用于温

7、度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。5.电荷传感器利用压电效应原理而制成。主要用于力及加速度的测量。6.半导体传感器利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。7.谐振式传感器利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理而制成。主要用来测量压力。8.电化学式传感器以离子导电原理为基础而制成，可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、级譜式传感器和电解式传感器等。主要用于分析气