现代传感技术与系统课件.ppt

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1、第三章传感器构成论3.1传感器的构成方法3.2传感器与被测对象的关联3.3传感器对信号的选择3.7传感器的性能指标3.1传感器的构成方法1敏感元件2转换元件3转换电路传感器的定义：传感器是以一定的精确度把被测量（物理量、生物量、化学量）转换为与之有确定关系的便于处理应用的某种物理量（如电量、光学量）的测量部件或装置。通常由敏感元件和转换元件、转换电路组成。3.1传感器的构成方法1、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物理量（包括电学量）。2、转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学量（包括电路参数量）。3、转换电路：将电路参

2、数（如电阻、电容、电感）量转换成便于测量的电学量（如电压、电流、频率等）。3.1传感器的构成方法但有些传感器，三部分不一定齐全，如：热电偶、差动变压式位移传感器由1组成；电容式位移传感器、压阻式传感器由1、3组成；压电式加速度传感器、差动变压式力传感器由1、2组成；电阻应变式力传感器由1、2、3组成。根据结构组成可将传感器按其构成方法分为以下几类：1.通用型、2.参比型、3.差动型、4.反馈型。每一类型，根据能量变换，一般都可分为：能量变换型能量控制型3.1传感器的构成方法1.通用型根据组成可分为：能量变换基本型、能量控制基本型、能量变换特殊

3、型（辅助能源型）、电路参数型和多级变换型。（1）能量变换基本型敏感元件物理、化学、生物输入电量输出输入量为被测非电量，输出是电流、电压。3.1传感器的构成方法典型例子：热电偶（塞贝克效应）光电池（光生伏特效应）压电式传感器压电式超声波探头特点：（1）只由敏感元件构成。（2）不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件，能量从被测对象获得，输出能量较弱。（3）利用热平衡现象或传输现象中的一次效应制成是可逆的。（4）对被测对象有负荷效应（因输出逆效应而影响输入）。（5）输出能量不可能大于被测对象的能量。（压电效应）3.1传感器的构成方法（2）能量控制基

4、本特点：（1）也由敏感元件组成，但需外加电源才能将被测非电量转换成电量输出。（2）输出能量可大于被测对象具有的能量。（3）无需变换电路即可有较大的电量输出。输出输入敏感元件电源典型例子：变压式位移传感器感应同步器3.1传感器的构成方法（3）能量变换特殊型（辅助能源型）特点：（1）只由敏感元件构成。（2）能量从被测对象获得，属能量变换型。（3）辅助能源是为了增加抗干扰能力或提高稳定性，或取出信号，或为原理所需要而使用固定磁场。如霍尔式传感器，使用固定磁场，这是利用磁铁来代替动力源，这时不把磁铁看作动力源，而看作辅助能源。典型例子：光电管光电倍增

5、管CCD磁电感应式传感器霍尔式传感器（霍尔型较特殊，可以看作上面的混合型）输出输入敏感元件辅助能源3.1传感器的构成方法（4）电路参数型特点：(1)敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换。(2)转换电路含有该敏感元件。(3)电源向转换电路提供能量从而输出电量，属于能量控制型。(4)输出能量远大于输入能量。(5)利用传输现象中的二次效应都属于此类传感器。它由敏感元件以及包含敏感元件在内的转换电路和电源组成。输出输入转换电路敏感元件电源典型例子：电阻应变式、电感式、电容式、电涡流式、气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、热敏电阻等。3.1传感器的构成方法（5

6、）多级变换型输出输入敏感元件转换元件能量变换型输入输出转换电路敏感元件转换元件电源能量控制型压电式加速度传感器目前大多数传感器都是利用敏感元件把被测非电量转换成某种可利用的中间变换物理量，再通过转换元件，有时还需要转换电路转换成便于测量的电量输出。3.1传感器的构成方法热平衡二次效应R2R1Dv膜片悬臂支架应变片P应变式力传感器、光纤式加速度、酶热敏电阻式、电容电感式加速度、霍尔式压力传感器。特点：设计自由度大，可用二级或二级以上变换，设计出适应各种条件的传感器。3.1传感器的构成方法可利用的中间变换量：是指那些容易转换成电学量的物理量。在大

7、多数情况下，传感器的输出采取电量的形式，但是把输入的物理量直接更换为电量不那么容易，而是转换成为可利用的中间变换量。在多数情况下，采取两级或两级以上的变换，这就增加了传感器设计的自由度并使之适应各种条件。被测量中间变换量转换元件力、压力、热、加速度、扭矩、温度（双金属片）、流速、湿度（高分子材料碳粒）位移电容、电感、应变片、压阻、霍尔位移、转数、浓度、气体成分、湿度、维生素光量光电器件、射线湿度、真空度、流速、尿素等热（温度）热电偶、热敏电阻生物量、化学物质、离子浓度、PH值、O2、葡萄糖复合物（化学物质）电化学器件（各类电极）3.1传感器的

8、构成方法2.参比补偿型输入敏感元件敏感元件输出环境量能量变换型输出输入转换电路环境量敏感元件敏感元件能量控制型电源为了消除环境条件变化（如温度变化、电源电压波动等）