1、第1章 传感器技术基础,掌握： 1.传感器的定义和组成 P2 2.传感器按工作原理分类 P3 3.传感器的静态数学模型 P5 4.传感器的静态特性 P7 5.传感器提高传感器性能的主要方法：线性化、差动、补偿和校正 P15 了解： 1.自动测试系统的组成 P2 2.传感器的动态特性 P9 3.传感器的材料 P11 4.传感器的制造技术 P13 5.传感器的标定与校准 P16,传感器的定义：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，通常由敏感元件和转换元件组成。,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,注：压电晶体、热电偶、热
2、敏电阻、光电器件等是敏感元件与转换元件一体的,1.2 传感器的分类 传感器有许多分类方法，常用的有两种： 一是按被测输入量来分 （应用） 二是按传感器工作原理分（理论）按传感器工作原理分类 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。 此种分类 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 常用的有电阻式、电容式、电感式、磁电式及电涡流式传感器等。（位移、力、加速度等） 2. 磁学式传感器 利用铁磁物质的一些物理效应而制成。（位移、转矩等） 3. 光电式传感器 利用光电
3、器件的光电效应和光学原理而制成。（光强、光通量、位移等） 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。（温度、磁通等）,5. 电荷传感器 利用压电效应原理而制成。（力、加速度等） 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。（温度、湿度、压力、加速度、磁场、有害气体） 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。（分析气体成分、液体成
4、分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数）,1.3 传感器的数学模型传感器作为感受被测量信息的器件，我们希望它能按照一定的规律输出有用信号，因此，需要研究其输入输出之间的关系及特性。理论和技术上表征输入-输出之间的关系通常是以建立数学模型来体现（确立量化关系）。,1.3.1 传感器的静态数学模型,静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量间的一种函数关系。其静态数学模型一般可以用n次多项式来表示：y=a0+a1x+a2x2+anxn 式中 x 为输入量（被测量）：y为输出量（电量）：a0为零输入时的输出，也叫零位输出（ x =0）a1为传感器线性项系数也称线性
5、灵敏度，常用K或S表示：a2 ， a3 ， ， an为非线性项系数，其数值由具体传感器非线性特性决定。（固有特性）,传感器静态数学模型有三种有用的特殊形式：1.理想的线性特性,通常是所希望的传感器应具有的特性，只有具备这样的特性才能正确无误地反映被测的真值。,2. 仅有偶次非线性项,线性范围较窄，线性度较差，灵敏度为该曲线的斜率，一般传感器设计很少采用这种特性。（确定函数关系，计算非线性系数麻烦）偶函数：f(t)=f(-t),3. 仅有奇次非线性项,其线性范围较寛，且相对坐标原点是对称的，线性度较好，灵敏度为该曲线的斜率。奇函数：f(t)=-f(-t),一个完整的自动测控系统组成：一般由传感器
6、、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分。,1.4.2 动态特性在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。最常用的是通过几种特殊的输入函数，例如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法（时域）和频率响应法（频域）。,阶跃响应特性给传感器输入一个单位阶跃函数信号：,其输出特性称为阶跃响应特性，如图1-9所示。由图可衡量阶跃响应的几项指标。,图1-9 传感器阶跃响应特性,(1)最大超调量(2)延迟时间(3)上升时间(4)峰值时间(5)响应时间,1.6.2 提高性能指标的方法 1.采用线性化技术 切线和
7、割线代替 2.差动技术 反向输入，输出相减：非线性项只存在奇次项 3. 平均技术 误差平均：n个传感器；数据平均：测n次 4. 零位法、微差法和闭环技术 5. 补偿与校正技术 找出误差的方向和数值 6. 集成化和智能化 7. 屏蔽、隔离和抑制干扰 8. 稳定性处理,第2章 温度传感器,掌握： 1.热力学温标转换公式 P18 2.热电效应定义与热电偶测温原理 P19 3.热电阻的温度特性（函数） P25 4.AD590应用电路 P35 了解： 1.热电偶基本定律 P20 2.热电偶材料 P22 3.热电阻传感器结构 P26 4.温度传感器的应用 P31,热力学温度是国际上公认的最基本温度。我国目
8、前实行的为国际摄氏温度（符号为t）。两种温标的换算公式为：t()=T（K）-273.15KT(K)=t+273.15,按是否与被测物接触分两类：,2.2.1 热电偶测温原理 1.热电效应如图2-2所示，两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。（同种导体闭合回路不产生热电动势）,图2-2 热电效应,测量端T：热端 参考端T0：冷端,2.两种导体的接触电动势假设两种金属A、B的自由电子密度分别为nA和nB,且nAnB。当两种金属相接时，将产生自由电子的扩散现象。达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触
9、电势eAB（以阻止电子进一步扩散），如图2-3所示。,图2-3 两种导体的接触电动势,3.单一导体的温差电动势（不是闭合回路）对于单一导体，如果两端温度分别为T、TO，且TTO，如图2-4所示。,图2-4 单一导体温差电动势,高温端：正电 低温端：负电,图2-5 接触电势示意图,电源： 密：正电 热：正电,2.3.1 热电阻的温度特性热电阻的温度特性，是指热电阻Rt随温度变化而变化的特性，即Rtt之间函数关系 1.铂热电阻的电阻温度特性铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂电阻的应用范围为-200+850。铂电阻的电阻温度特性方程，在-2000的温度范围内为：
10、（静态数学模型，n次多项式）Rt=RO1+At+Bt2+Ct3(t-100)在0+850的温度范围内为：Rt=RO(1+At+Bt2) A、B、C为常数，RO=100，分度号为Pt100（对应有分度表），测得Rt，可查得温度值,2.铜热电阻的电阻温度特性由于铂是贵金属，在测量精度要求不高，温度范围在-50+150时普遍采用铜电阻。铜电阻与温度间的关系为Rt=R0(1+1t+2t2+3t3) 由于2、3比1小得多，所以可以简化为RtR0(1+1t) Cu电阻的R0分度号Cu50为50，Cu100为100,.热电偶的基本定律 (1)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，
11、则热电偶产生的总热电势不变。如图2-6所示，可得回路总的热电势EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO)P20，推导。根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，将热电势通过导线接至测量仪表进行测量，且不影响测量精度。,图2-6 中间导体定律示意图,(2)中间温度定律在热电偶测量回路中，测量端温度为T，自由端温度为TO，中间温度为O，如图2-7所示。则T，TO热电势等于T，TO与TO，TO热电势的代数和。即 EAB(T,TO)=EAB(T,TO)+EAB(TO,TO)运用该定律可使测量距离加长，也可用于消除热电偶自由端温度变化影响。,图2-7 中间温度定律示意图,温度
12、范围内C、D与A、B热电偶有相近的热电动势特性时，可用廉价C、D代替A、B,(3)参考电极定律（组成定律）如图2-8所示。已知热电极A、B与参考电极C(第三种导体)组成的热电偶在结点温度为(T，T0)时的热电动势分别为EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)可按下面公式计算： T0作为参考级EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0) 参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作。只需计算，不需逐个测定,图2-8 参考电极定律示意图,例2.1 当T为100，T0为0时，铬合金铂热电偶的E（100，0）=+3.13mV
13、，铝合金铂热电偶E（100，0）为-1.02mV，求鉻合金铝合金组成热电偶的热电势E（100，0）。 解：设鉻合金为A，铝合金为B，铂为C。 即 EAC（100，0）=+3.13mVEBC（100，0）=-1.02mV 则 EAB(100,0)=+4.15mV 方法二：划线法,第3章 力传感器,掌握： 弹性敏感元件的特性：刚度、灵敏度、弹性滞后、弹性后效 P41 弹性敏感元件分类 P42 电阻应变片工作原理 P45 电阻应变片测量电路 P47 压电效应和逆压电效应 P48 变极距式和变面积式电容传感器原理 P53 自感式传感器原理 P59 了解： 压电传感器类型和测量电路 P50 电容式传感器
14、测量电路 P57 电感式传感器类型和测量电路 P59-63 常见力传感器应用举例 P64,3.1.1 弹性敏感元件的特性1. 刚度刚度是弹性元件（不是材料）在外力作用下变形大小的量度,一般用k表示。 刚度大，变形小,2. 灵敏度（柔度）灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔度。它是刚度的倒数，用K表示。（希望是常数）,3. 弹性滞后实际的弹性元件在加卸载的正反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象，它会给测量带来误差。比较两种弹性材料时，应都用加载（或都用）卸载变形曲线。4. 弹性后效当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性元件变形不是立即完
15、成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。（惯性、动态响应）,3.1.2 弹性敏感元件的分类弹性敏感元件在形式上可分为两大类：变换力的弹性敏感元件。变换压力的弹性敏感元件。,3.2 电阻应变片传感器电阻应变片（简称应变片）的作用是把导体的机械应变转换成电阻应变，以便进一步检测。电阻应变片的典型结构如图3-7 所示。,图3-7 金属电阻应变片结构,3.2.1 电阻应变片工作原理电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的“应变效应”。金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”。,设电阻丝长度为L，截面积为S，电阻率为（P30），
16、则电阻值为：,当电阻丝受到拉力F时，一是受力后材料几何尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变化，则其阻值发生变化。如图3-8所示。,图3-8金属电阻丝应变效应,大量实验证明：电阻变化与应变成正比（应变与应力成正比）,3.2.2 电阻应变片的分类电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。金属电阻应变片分体型和薄膜型。属于体型的有 电阻丝栅应变片：U型、H型 箔式应变片：光刻、腐蚀等工艺，灵敏度高 应变花：几个应变片互成45、60，测量两个或三个方向上的应变半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作为敏感栅。 灵敏系数大、机械滞后小、阻值范围宽如图3-9所示。,推导关系：,Ry取无限大 测
17、量前取R1R3=R2R4，则UAB为零,电阻应变片测量电路,3.3 压电传感器某些晶体，受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷，外力去掉后，电荷消失；力的方向改变时，电荷的符号也随之改变。这种现象称为压电效应或正压电效应。当晶体带电或处于电场中时，晶体的体积将产生伸长或缩短的变化。这种现象称为电致伸缩效应或逆压电效应。 压电材料分类： 1）单晶压电晶体（石英晶体） 2）极化的多晶压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸钡） 3）高分子压电材料,2.压电传感器的等效电路压电传感器可等效为如图3-16(a)所示的电压源,也可等效为一个电荷源，如图3-16(b)所示。,图3-1
18、6 压电传感器电压源与电荷源等效电路,压电传感器与测量电路连接时，还应考虑连接线路的分布电容Cc，放大电路的输入电阻Ri，输入电容Ci及压电传感器的内阻Ra。,图3-17 压电传感器实际等效电路,3.压电传感器测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。 电压放大器（阻抗变换器）,(a)放大器电路； (b)输入端简化等效电路图3-18 电压放大器电路原理及其等效电路图,3.4.1 变极距型电容传感器如图3-21所示，平行板电容器的和S不变，只改变电容器两极板之间距离d。该类型传感器常用于压力的测量。,图3-22 变极距式传感元件原
19、理图,初始状极距为d0时，电容器容量C0为：,电容器受外力作用，极距减小d，则电容器容量改变为 ：,电容值相对变化量为：,此时C1与d的关系呈线性关系。,为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实际应用中大都采用差动式结构。如图3-23所示(1为动片、2为定片)，中间电极若受力向上位移d，则C1容量增加，C2容量减小，两电容差值为：,电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。,得到：,图3-23 差动式电容传感元件,电感传感器的工作原理,气隙变小，电感变大（感抗），电流变小,F,电感量L为：,Rm为总磁阻Rmo气隙磁阻， 衔铁力，气隙减小，线圈电感为：,电感的相对变化量近似为：,气隙变化量越小
20、，非线性失真越小；气隙o越小，灵敏度越高。只适用于小位移测量。实际应用中常用差动变隙式自感传感器。如图3-33所示。,3.5.2 测量电路 1.交流电桥式测量电路图3-34所示为交流电桥测量电路,把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替，对于高Q值(Q=L/R)的差动式电感传感器，其输出电压: P48,(3-5),图3-34 交流电桥测量电路,2.变压器式交流电桥变压器式交流电桥测量电路如图3-35，P61所示，电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压：,当传感器的衔铁处于中间位置时
21、，即Z1=Z2=Z，此时有Uo=0，电桥平衡。当传感器的衔铁上移时，即Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，此时：,当传感器的衔铁下移时，则Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，此时：,衔铁上下移动相同距离时，输出电压的大小相等，但方向相反，由于Uo是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。,图3-35 变压器式交流电桥,第4章 光电式传感器,掌握 外光电效应、内光电效应、光生伏打效应的概念 P69 光敏电阻、光敏二极管三极管、光电耦合器的原理和结构 P70 热释电效应的定义 P80 光电式数字转速表结构 P88 了解 光电元件特性 P73 光纤传感器分类及各自特点 P84,光照射于某一物
22、体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。 光电管和光电倍增管光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化，这种现象称为内光电效应 硫化镉、硒化镉、硫化铅、硒化铅受到光照时电阻下降。光敏电阻 电路中反偏的PN结在受到光照时也会在该PN结附近产生光生载流子（电子-空穴对）。 光敏二极管:它在电路中处于反向偏置状态，无光照射时，其反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小（截止态）。光照时，产生光电流 .光电流与光照度成正比。 光敏三极管。在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏打(Volt )效应。,图4 6 光敏三极管a) 结构 b) 等效电路 c）图形符号,集电,基
23、区,发射,集电极电流是原始光电电流的倍，灵敏度比光敏二极管高,2. 热释电红外线光敏元件的材料热释电红外线光敏元件的材料较多，其中以陶瓷氧化物及压电晶体用得最多。 3. 热释电红外传感器结构及电路如图4-13，4-14所示。传感器的敏感元件是PZT（钛锆酸铅 ），在上下两面做上电极，并在表面上加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，输出电压信号又极其微弱，管内有场效应管FET放大器及厚膜电阻，以达到阻抗变换的目的。以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化 并将其转换为电信号输出。,4.6 光纤传感器光纤传感器按照光纤的使用方式可分为
24、功能型传感器和非功能型传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性随被测量发生变化，利用光纤作为敏感元件，又称为传感型光纤传感器。非功能型传感器是利用其他敏感元件来感受被测量变化，光纤仅作为光的传输介质，也称为传光型光纤传感器或称混合型光纤传感器。,图4 32 光电检测运动物体的速度示意图 1-光源A ；2-光敏元件VA ；3-运动物体 ；4-光源B ； 5-光敏元件VB ；6-RS触发器；7-高频脉冲信号源；8-计数器；9-显示器,问：如何测长度？,第5章 图像传感器,掌握 CCD电荷耦合器件原理 P95 数码相机（结构） P103了解 CCD和CMOS图像传感器应用实例,5.1.1 CCD电荷
25、耦合器件CCD（电荷耦合器件）是按一定规律排列的MOS（金属氧化物半导体）电容器（CCD器件的最小工作单元）组成的阵列，其构造如图5-1所示。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄的SiO2 ，再在SiO2薄层上依次沉积金属铝形成电极，称为栅极。该栅极和P型或N型硅衬底就形成了规则的MOS电容器阵列。再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD电荷耦合器件芯片。,势阱的产生MOS的金属电极加正压，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽(电子势阱)，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于U的大小。,图3.73 完成一次转移的过程,景 物,分 色 镜,CCD 彩色图
26、像 传感器,取景器 电路,放大器,ASIC 集成电路,A/D 转换器,CPU,存储卡,镜 头,R,G,B,图5-10 数码相机基本结构,锁定信号,串行模拟脉冲信号,第6章 霍耳传感器及其它磁传感器,掌握 霍尔效应 P106 霍尔元件主要参数 P108 了解 磁阻效应 P110 磁敏二极管、三极管 P111-112 霍尔传感器应用领域 P113,6.1 霍耳传感器工作原理 6.1.1霍耳效应在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍耳效应。如图6-1所示，长、寛、高分别为L、W、H的N型半导体薄片的相对两侧a、b通以控制
27、电流，在薄片垂直方向加以磁场B。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c側指向d側方向力(左手定则)的作用，这个力就是洛仑兹力，大小为：,FL = qvB,式中RH为霍耳系数，它反映材料霍耳效应的强弱；（金属n大，所以RH小）KH为霍耳灵敏度，它表示一个霍耳元件在单位控制电流I和单位磁感应强度B时产生的霍耳电压的大小。 可以看出： （1）霍耳电压UH大小与材料的性质有关。一般选用N型半导体材料 （2）霍耳电压UH大小与元件尺寸有关。(H厚度小，灵敏度高) （3）霍耳电压UH大小与控制电流及磁场强度有关。,霍尔元件的基本测量电路,在电路中霍耳元件可用两种符号表示，如图6-1-1(b)所示。 霍
28、耳元件主要技术参数为： P1081.输入电阻RIN (a-b电阻)和输出电阻ROUT （c-d电阻） ；2.额定控制电流IC；升温10电流值3.不等位电势U0，即未加磁场时的输出电压，理想值为0，一般小于1mV；4.霍耳电压UH；B=0.1T的输出电压5.霍耳电压的温度特性。,6.3 其它磁传感器 6.3.1磁阻元件当霍耳元件受到与电流方向垂直的磁场作用时，不仅会出现霍耳效应，而且还会出现半导体电阻率增大的现象，这种现象称为磁阻效应。利用磁阻效应做成的电路元件，叫做磁阻元件。 1.基本工作原理在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图5-5(a)所示。当磁场垂直作用在磁阻元件表面上时，由于
29、霍耳效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍耳角，如图5-5(b)所示。,6-5(a) 在无磁场时,5-5(b) 有磁场作用时,图5-5 磁阻元件工作原理示意图,电流流通的途径变长，使电阻增大,第7章 位移传感器,掌握 机械位移传感器定义 P118 接近传感器定义 P123 电容式、电感器、热释电接近传感器 P124 转速传感器类型 P125 了解 电容式位移传感器 P119 差动变压器 P120 压差式液位传感器原理 P129 电磁式流量传感器的工作原理 P131,7.1 机械位移传感器机械位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何学量的一种传感器。根据传感器的信号输出形
30、式，可以分为模拟式和数字式两大类，如图6-1所示。机械传感器根据被测物的运动形式可细分为线性位移传感器和角位移传感器。,7-4 变极距式电容传感器工作原理图,变极距式电容传感器的初始电容C0可由下式表示：,C0=0S / d0,只要测出电容变化量C，便可计算得到极板间距的变化量，即极板的位移量d。非线性除用变极距式电容传感器测位移外，还可以用变面积式电容传感器测角位移。,差动方式（线性）：,7.4.1 电容式接近传感器电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关。由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，如图7-13所示。 被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷
31、就越多，电容C随之增大，使振荡电路的振荡减弱，直至停止振荡。振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号向外输出。,图7-13 电容接近传感器的电路框图,7.5 转速传感器 7.5.1 磁电式转速传感器如图7-16所示，由永久磁铁、感应线圈、磁盘等组成。在磁盘上加工有齿形凸起，磁盘装在被测转轴上，与转轴一起旋转。当转轴旋转时，磁盘的凸凹齿形将引起磁盘与永久磁铁间气隙大小的变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之发生变化。感应线圈会感应出一定幅度的脉冲电势，其频率为： f=Zn,齿数 转数,脉冲数,图7-16 磁电式转速传感器结构示意图,第8章 气体和湿度传感器,掌握 气体传感器类型
32、 P136(8.1.1-8.1.7) 湿度传感器分类 P142(8.2.2-8.2.4) 气体报警器结构 P148 了解 气体湿度传感器应用 P146,5. 气体报警器与控制器电路如图8-14所示。在洁净空气中，传感器的电阻较大，在负载上的输出电压RL较小。在待测气体中时，传感器的电阻变小，则RL上的输出电压增大。图8-14（a）为报警器，超过规定浓度时 ，发出声光报警。图8-14（b）为控制器，超过设定浓度时，比较器翻转，输出控制信号，由驱动电路带动继电器或其它元件动作。,第9章 新型传感器,了解 微波传感器定义、分类、特点 P156 超声波传感器的种类、应用 P161,图9 -12 超声应
33、用的两种基本类型 a) 透射型 b)反射型 1 超声发射器 2 被测物 3 超声接收器,9.2.2 微波传感器及其分类微波传感器就是指利用微波特性来检测一些物理量的器件或装置。 1. 反射式微波传感器反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测物的位置、厚度等参数。 2. 遮断式微波传感器遮断式微波传感器是通过检测接收到的微波功率大小，来判断发射天线与接收天线之间有无被测物及被测物的位置与含水量等参数。,9.3 超声波传感器 9.3.1 超声波传感器的物理基础人们能听到的声音是由物体振动产生的，它的频率在20Hz20kHz范围内。超过20KHz称为超声波，低于2
34、0Hz称为次声波。检测常用的超声波频率范围为几十kHz几十MHz。超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，它的波形有纵波、横波、表面波三种。,图9-16 超声波流量计原理图,第10章 传感器接口电路,掌握 传感器信号的处理方法 P175 检测电路常用电路类型 P176 传感器和微型计算机的连接的模数转换和压频转换 P183-185 了解 传感器接口电路实例 P186,10.1.2 输出信号的处理方法目的是：提高测量系统的测量精度，提高测量系统的线性度，抑制噪声。由传感器的接口电路完成。处理后的信号，应成为可供测量、控制使用及便于向微型计算机输入的信号形式。典型的应用接口电路，如表10-2所示。,表
35、10-2 典型的传感器接口电路,10.2.2 常用电路 1.阻抗匹配器传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的衰减，常常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。半导体管阻抗匹配器，实际上是一个半导体管共集电极电路，又称为射极输出器。场效应管是一种电平驱动元件，栅漏极间电流很小，其输入阻抗可高达 1012 以上，可作阻抗匹配器。运算放大器阻抗匹配器。,2 .电桥电路电桥电路是传感器检测电路中经常使用的电路，主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流。1）直流电桥直流电桥的基本电路，如图10-1所示。它是由直流电源供电的电桥电路，电阻构成桥式电路的桥臂，桥路的一对角线
36、是输出端，一般接有高输入阻抗的放大器。在电桥的另一对角线接点上加有直流电压。,图10.1 直流电桥的基本电路,电桥的输出电压可由下式给出，即：,UOUT =,电桥的平衡条件为： R2R4= R1R3,当电桥平衡时，输出电压为零。,当电桥四个臂的电阻发生变化而产生增量时，电桥的平衡被打破，电桥此时的输出电压为：,UOUT =,若取,则：,UOUT,当a=1时，输出灵敏最大，此时：,UOUT =,如果R1=R2=R3=R4时，则电桥电路被称为四等臂电桥，此时输出灵敏感度最高，而非线性误差最小，因此在传感器的实际应用中多采用四等臂电桥。,2）交流电桥如图 10-2所示。其中Z1和Z2为阻抗元件，它们
37、同时可以为电感或电容，电桥两臂为差动方式，又称为差动交流电桥。在初始状态时，Z1=Z2=Z0电桥平衡，输出电压等于UOUT =0。测量时一个元件的阻抗增加，另一个元件的阻抗减小，假定Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z，则电桥的输出电压为：,图10-2 电感式传感器配用的交流电桥,3.放大电路传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下都需要放大电路。 目前检测系统中的放大电路，除特殊情况外，一般都采用运算放大器构成。 1)反相放大器图10-3a是反相放大器的基本电路。反相放大器的输出电压，可由下式确定，即：,UOUT = -,Uin,图10-3 放大电路,2)同相放大器图10-3b是同相放大器
38、的基本电路。同相放大器的输出电压为：,UOUT = (,)Uin,输出电压与输入电压同相,而且其绝对值也比反相放大器多1。3)差动放大器图10-3c是差动放大器的基本电路。 差动放大器的输出电压为：,UOUT =,(U2-U1),差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。,4.电荷放大器压电式传感器输出的信号是电荷量的变化，配上适当的电容后，输出电压可高达几十伏到数百伏，但信号功率却很小，信号源的内阻也很大。放大器应采用输入阻抗高、输出阻抗低的电荷放大器。电荷放大器是一种带电容负反馈的高输入阻抗、高放大倍数的运算放大器。图10-4是用于压电传感器的电荷放大器的等效电路。,图10-4 电荷放大器
39、等效电路,忽略较高的输入电阻后，电荷放大器的输出电压 为：,UOUT =,由于K值很大，故（1+K）Cf Ca+C0+Ci，则上式可以简化为：,UOUT =,-,电荷放大器输出电压UOUT只与电荷Q和反馈电容Cf有关，而与传输电缆的分布电容无关。但是，测量精度却与配接电缆的分布电容C0有关。,10.3.3 A/D 模数转换电路 1.比较型A/D转换器比较型A/D转换器一般由比较器、D/A数模转换器、时序电路和输出寄存器等组成，如图10-6所示。 由比较转换原理可以知道，对任一个输入电压Uin，下式成立，即：,Uin=UrefN+,N为二进制位权表示式：,图10-6 比较型转换器原理框图,2.积
40、分型A/D转换器积分型A/D转换器是先将输入的模拟电压转换成相应的时间间隔，然后采用计数器对时间间隔计数。在积分型A/D转换方式中，有单积分、双积分和多级积分等形式，其中应用最广的是双积分转换方式，其线性和噪声消除特性好，而且价格低。图10-7是双积分型A/D转换器的工作原理图。,图10-7 双积分型A/D转换器工作原理图,10.3.4 电压频率转换电路电压频率转换电路也是模/数转换接口电路的一种，它将电压或电流转换成脉冲系列，该脉冲序列的瞬时周期精确地与模拟量成正比关系。虽然V/F转换电路是一种模拟模拟转换电路，但由于频率可用数字方法进行测量，因而也可以实现模/数的转换，所以它是一种准数字化
41、电路。V/F转换电路的形式较多，但以积分式V/F转换电路应用最为广泛。如图10-8所示。,图10-8 积分型V/F转换电路,输入信号Uin为：,Uin =R ic,电容两端的电压为：,当t=T、Uc=Ur时，得：,充放电频率为 ：,频率很低时，td可以忽略：,1.4 电桥电路在测量中的应用被测量是非常微弱的，必须用专门的电路，最常用的电路就是各种电桥电路。1.4.1 直流测量电桥分析 如图所示为最常用的电阻 电桥，有四个电阻组成桥臂， 一个对角接电源 U 另一个作为输出 U0,1. 桥路形式如图所示，电桥各臂的电阻分别为R1、 R2、R3、R4。U为电桥的直流电源电压。当四臂电阻等臂电桥： R
42、1=R2=R3=R4=R， 输出对称电桥：R1=R2=R，R3=R4=R(RR) 电源对称电桥：R1=R4=R，R2=R3 =R(RR),2. 工作方式单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻：双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式：全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。,3. 输出方式电桥的输出方式有电流型和电压型两种，主要根据负载情况而定。（1）电流输出型 当电桥的输出信号较大，输出端又接入电阻值较小的负载如检流计或光线示波器进行测量时，电桥将以电流形式输出，如图所示，负载电阻为Rg，由图可得,应用有源-端口网
43、络定理，电流输出电桥可以简化成下图所示的电路。图中E相当于电桥输出端开路电压Uab，R为网络的入端电阻。,流过负载Rg的电流为,当Ig=0时，电桥平衡。故电桥平衡条件为 R1R3=R2R4或,当电桥负载电阻Rg等于电桥输出电阻时，即阻抗匹配时，有,这时电桥输出功率最大，电桥输出电流为,输出电压为,当桥臂R1为与被测量有关的可变电阻，且有电阻增量R时，略去分母中的R项则： 对于输出对称电桥：,对于电源对称电桥：,对于等臂电桥 ：,由以上结果可以看出，三种形式的电桥，当RR时，其输出电流都与应变片的电阻变化率即应变成正比，它们之间呈线性关系。 （2）电压输出型 当电桥输出端接有放大器时，由于放大器
44、的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为,单臂工作状态，即R1为应变片。,对于输出对称电桥：,对于电源对称电桥：,对于等臂电桥：,由上面三种结果可以看出，当桥臂应变片的电阻发生变化时，电桥的输出电压也随着变化。当RR时，电桥的输出电压与应变成线性关系。还可以看出在桥臂电阻产生相同变化的情况下，等臂电桥的灵敏度要高。,在实际使用中为了进一步提高灵敏度，常采用等臂电桥，四个被测信号接成两个差动对称的全桥工作形式，如图所示，其输出为：,由上式看出，由于充分利用了双差动作用，它的输出电压为单臂工作时的4倍，大大提高了测量的灵敏度。,
