传感器原理与应用重点

传感器原理与应用重点（精选6篇）

传感器原理与应用重点 第1篇

本文档根据老师最后一次课上课时所说的相关内容并根据我自己的个人情况简要整理，相对简洁，和大家分享一下。考虑到老师说的内容和考试内容相比，可能不够完整；而且个人水平有限，不可能把握的很准确，所以只是参考而已。。建议大家根据自己的理解补充完善~ 第一章：传感器概论

1、传感器的定义：传感器（或敏感元件）基于一定的变换原理/规律将被测量（主要是非电量的测量，可采用非电量电测技术）转换成电量信号。变换原理/规律涉及到物理、化学、生物学、材料学等学科。

2、传感器的组成：传感器一般由敏感元件（将非电量变成某一中间量）、转换元件（将中间量转换成电量）、测量电路（将转换元件输出的电量变换成可直接利用的电信号）三部分组成，有的传感器还需加上辅助电源。

3、传感器的分类

按变换原理分类——>利用不同的效应构成物理型、化学型、生物型等传感器。

按构成原理分类：

结构型：依靠机械结构参数变化来实现变换。物性型：利用材料本身的物理性质来实现变换。

按输入量的不同分类——>温度、压力、位移、流量、速度等传感器 按变换工作原理分类: 电路参数型:电阻型、电容型、电感型传感器

按参电量如：Q（电量）、I、U、E 等分类:磁电型、热电型、压电型、霍尔型、光电式传感器

4、传感器技术的发展动向：

教材表述：发现新现象、开发新材料、采用微细加工技术、研制多功能集成传感器、智能化传感器、新一代航天传感器、仿生传感器

老师表述：微型化、集成化、廉价。第二章：传感器的一般特性

1、静态特性

检测系统的四种典型静态特性

线性度：传感器的输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出-输入特性是线性的。

灵敏度：系统在静态工作的条件下，其单位输入所产生的输出，实为拟合曲线上某点的斜率。

即S N=输入量的变化/输出量的变化=dy/dx

迟滞性：特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度。

（产生的原因：传感器机械部分存在的不可避免的缺陷。）

重复性：重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测量时所得特性曲线不一致程度。曲线的重复性好，误差也小。产生的原因与迟滞性类似。

精确度.测量范围和量程.零漂和温漂.2、动态特性：（传感器对激励（输入）的响应（输出）特性）

动态误差：输出信号不与输入信号具有完全相同的时间函数，它们之间的差异。包括：稳态动态误差、暂态动态误差

动态测试中的两个重要特征：时间响应、频率响应 第三章：传感器中的弹性敏感元件

1、什么叫敏感材料? 对电、光、声、力、热、磁、气体分布等待测量的微小变化而表现出性能明显改变的功能材料。

半导体材料最主要的特点是对温度、光、电、磁、各种气体及压力等外界因素具有敏感特性，是制造磁敏、热敏、光敏、力敏、离子敏等传感器件的主要材料。

2、引言：

（1）变形：物体在外力作用下，改变原来的尺寸和形状的现象。（2）刚度：弹性敏感元件在外力的作用下抵抗变形的能力（3）弹性元件：具有弹性变形特性的物体。

弹性敏感元件作用：把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移;然后由各种转换元件，将被测力、力矩或压力转换成电量。

3、弹性敏感元件的基本特性：

（1）弹性特性：作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系。可由刚度或灵敏度来表示。

（2）刚度：弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力。dx dF x F k x = ⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆=→∆0lim（3）灵敏度是刚度的倒数

（4）弹性滞后：弹性元件在弹性变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象。

（5）弹性后效：弹性敏感元件所加载荷改变后，不时立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象。

（6）应力：反映物体一点处受力程度的力学量

（7）应变：用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变（8）弹性模量=线性应力/线性应变

第四章：电阻应变式传感器

1、电阻应变片的种类（P63~P65）

丝式应变片：（1）回线式应变片（2）短接式应变片 箔式应变片 薄膜应变片 半导体应变片

2、应变效益：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变（拉伸或压缩），其电阻也将随之发生变化。

通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。

第五章：电容式传感器

1、电容式传感器工作原理：由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数、极板间介质的相对介电常数、极板的有效面积Ａ以及两极板间的距离d 有关：

d A C r εε0=

若被测量的变化使式中d、Ａ、三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，因此可分为三种：

变间隙式、变面积式、变介电常数式。第六章：电感式传感器

（目测老师上课时没讲，之后视情况补充）第七章：压电式传感器

1、概念：压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器，已被广泛应用于超声，通信，宇航，雷达和引爆等领域。

2、（1）正压电效应（压电效应）：

在电介质的一定方向上施加机械力而产生电的极化，导致两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷Q，且其电位移D 与外应力张量T 成正比：

D=dT（d —压电常数矩阵 即压电系数？）

当外力消失，又恢复不带电原状；当外力消失，电荷极性随之而变。（2）逆压电效应（电致伸缩）：

施加电场时，应变S 与外电场强度E 成正比：S= dE（d —逆压电常数矩阵 即压电系数？）

即能量类型转换： 电能量

教材表述：

x 轴平行于正六面体的棱线，称为电轴； y 轴垂直于正六面体的棱面，称为机械轴；

z 轴表示其纵向轴，称为光轴。

压电效应：这些物质（压电材料）在沿一定的方向受到压力或拉力作用而发生形变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时他们又回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。在每一切片中，当沿电轴方向加作用力F 时，则在于电轴垂直的平面上产生电荷Q。

逆压电效应：在片状压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫“逆压电效应”。

3、相关传感器：压电式加速度传感器、压电式力传感器、压电式压力传感器、测力传感器

第八章：磁电式传感器

1、概念：磁电式传感器是利用电磁感应原理, 将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。有时也称作电动式或感应式传感器。根据电磁感应定律, 当N 匝线圈在均恒磁场内运动时, 设穿过线圈的磁通为Φ, 则线圈内的感应电势e 与磁通变化率d Φ/dt有如下关系：

dt d N e φ-=

2、霍尔传感器（ppt 上没有相关内容，大家自己补充）第九章：热电式传感器

1、热电偶温度计（热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表）（1）组成：

热电偶（敏感元件）: 必须用两种不同的材料作热电极—>1 连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜导线）—>2

测量仪表（动圈仪表或电位差计）—（2）结构：

热电偶是由两种不同材料的导体焊接而成；导体被称为热电极。工作端或热端：焊接的一端用来感受被测介质的温度。自由端或冷端：与导线相连端。（3）热电偶的基本原理：

①热电效应：在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为Seebeck 电势。这一物理现象称为热电效应。回路的总热电势为：

αAB —为热电势率或Seebeck 系数，其值随电极材料和两接点的温度而定。热电效应产生的电势由珀尔帖效益和汤姆逊效应引起。

②接触电势（珀尔帖电势）——>珀尔帖效应

将同温度的两种不同的金属互相接触。由于不同金属内自由电子的密度不同，在金属A 和B 的接触处会发生自由电子的扩散现象，从密度大的A 扩散到B ；使A 带正电，B 带负电；直到在接点处建立了强度充分的电场，E AB(T

③温差电势——>Thomson效应

假设在一匀质棒状导体的一端加热，则沿此棒状导体有一温度梯度。导体内的自由电子将从高温端向低温端扩散，并在温度较低一端积聚起来，使棒内建立起一电场。当该电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，扩散作用停

止，电场产生的电势称为Thomson 电势（温差电势）

。E A(T T T o 温差电势远小于接触电势，常把它忽略掉。回路的总热电势为：((,(0 0 T E T E dT T

T E AB AB T T AB AB-= =⎰α

(4插入第三种导线的问题:在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。

(5补偿导线的选用:(工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，受周围环境温度的影响，冷端温度难以恒定。可以采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这种专用导线称为“补偿导线”。不同的热电偶所用的补偿导线也不同。

(6热电偶的温度补偿方法（教材上表述方法有些许不同，大家自己补充吧~）①0℃恒温法：在标准大气压下，将清洁的水和冰鞋混合后放在保温容器内，可使T 0保持0℃

②补正系数修正法：设冷端温度为t n，此时测得温度为t 1，其实际温度应为t= t1+kt n（k ：补正系数）③延伸电极法：原理为连接导体定律

④补偿电桥法：利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化

（7）热电偶的使用误差

①分度误差：热电偶的分度是指将热电偶置于给定温度下测定其热电势，以确定热电势与温度的对应关系。

方法有标准分度表分度和单独分度两种。

②仪表误差δ=（T max-T min）K（式中T max、T min ：仪表量程上，下限；K ：仪表的精度等级。）③延伸导线误差：一种是由延伸导线的热特性与配用的热电偶不一致引起的；另一种是由延伸导线与热电偶参考端的两点温度不一致引起的。这种误差应尽量避免。

④动态误差

产生原因：由于测温元件的质量和热惯性，用接触法测量快速变化的温度时，会产生一定的滞后，即指示的温度值始终跟不上被测介质温度的变化值，两者之间会产生一定的差值。

修正方法：在热电偶测量系统中引入与热电偶传递函数倒数近似的RC 或RL 网络

⑤漏电误差

产生原因：随温度升高（特别是在高温时）时，绝缘效果明显变坏，是热电势输出分流。

（8）热电偶的基本定律（P158）：

①均质导体定律：两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电极的直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。

②中间导体定律：在热电偶回路中插入第三、四„种导体，只要插入导体的两端温度相同，切插入导体是均质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小。

③中间温度定律：热电偶在接点温度为T,T 0时的热电势等于该热电势在接点温度为T,T n 和T n，T 0时相应的热电势的代数和，即：E AB(T,T0=EAB(T,Tn +EAB(Tn ,T 0(9热电偶对热电极的材料的基本要求任意两种导体或半导体都能配成热电偶，当两个接点温度不同时就能产生热电势，但作为实用的测温元件，不是所有的材料都适于制作热电偶。基本要求是：

①热电特性稳定，即热电势与温度的对应关系不会变动 ②热电势要足够大，易于测量热电势，且课得到较高的准确度 ③热电势与温度为单值关系，最好成线性关系，或者是简单的函数关系 ④电阻温度系数和电阻率要小，否则热电偶的电阻讲随热端温度而有较大的变化，影响测量结果的准确性⑤物理成分稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀

⑥材料的复制性好

⑦材料的机械强度要高

2、两种热电式传感器的转换关系： 热电阻传感器（将温度变化转化为电阻变化）热电偶传感器（将温度变化转化为热电势变化）

3、热电阻传感器 电阻式测温系统是利用热电阻和热敏电阻的电阻率温度系数而制成温度传感器的。大多数金属导体和半导体的 电阻率都随温度发生变化，都称为热电阻。纯金属有整的温度系数，半导体有负的温度系数。（1）热电阻材料的特点： ①高温度系数，高电阻率 ②化学和物理性能稳定 ③良好的输出特性 ④良好的工艺性（2）热敏电阻的特点 ①负温度系数热敏电阻 a：电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的十倍。b：结构简单，体积小，可测量点温度。c：电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。d：易于维护和进行远距离控制。e：制造简单，使用寿命长。②正温度系数热敏电阻 ③临界温度系数热敏电阻 第十章：光电式传感器

1、分类（光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应）： 光电管 光电倍增管 光敏电阻 光敏二极管和光敏晶体管 光电池 光电式传感器的应用 光电耦合器件(补 测量非电量时:非电量的变化转化为光量 的变化，通过光电器件的作用，将光量的变化转换为电量的变化

2、光电式传感器利用的效应：光电效应，分为：外光电效应、内光电效应、阻挡层光电效应（光生伏打效应）（1）外光电效应：在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象称为外光电效应。例如：光电管、光电倍增管（2）内光电效应：在光线作用下能使物体电阻值改变的现象称为内光电效应。例如：光敏电阻（3）在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象，称为阻挡层光电效应（光生伏打效应）。例如:光电 池、光敏晶体管等

3、光电管（充气光电管：玻璃泡内充少量惰性气体，提高光电管灵敏度，但稳定性、频率特性等较差）6 原理：当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这 样在光电管内就产生了电子流，在外电路中便产生了电流。

4、光电倍增管 它由光电阴极 K、若干倍增极 E1~E4 和阳极 A 三部分组成。光电阴极是由半导体光电材料制造的，入射光就 在它上面打出光电子。倍增极数目在 4—14 个不等。在各倍增极上加上一定的电压。阳极收集电子，外电路形成电 流输出。

5、光敏电阻（没有极性，纯粹是一个电阻器件）当无光照时，光敏电阻值(暗电阻很大，电路中电流很小，此时的电流称为暗电流。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻急剧减少，电路中电流迅速增加此时的电流称为亮 电流。光电流与暗电流之差，称为光电流。

6、光敏二极管和光敏晶体管（1）接法及原理：光敏二极管在电路处于反向偏置，在没有光照射，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流 称为暗电流。当光照射在 pn 结上，通过 Pn 结的反向电流也随着增加。如果入射光照度变化，通过外电路的光电流 强度也随之变动，可见光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。（2）光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有 2 个 pn 结。它在把光信号转换为电信号同时又将信号电流加以放大。又将信号电流加以放大。

7、光电池 7（1）工作原理：当光照到 pn 结上时，如果光子能量足够大，n 区和 p 区之间就出现电位差。用导线将 pn 结两端用 导线连接起来．电路中就有路流流过，电流的方向由 p 区流经外电路至 n 区。若将电路断开，就可以测出光生电动 势。（2）光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的 第十一章：智能式传感器（这个好像也

没上。。）第十二章：光导纤维传感器

1、光纤传感器的工作原理 光纤波导原理：光纤波导简称光纤，它是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等构成的光通路。它由 折射率 n1 较大(光密介质的纤芯和折射率 n2 较小(光疏介质的包层构成的双层同心圆柱结构。n0 : 光纤周围媒质的折射率 n1：纤芯的折射率 n2：包层的折射率  : 光线纤端入射角 ：光线纤内入射角 ：光线与轴线的夹角 a : 纤芯半径 在光纤内传输的条件：

2、光纤的分类：    0（ 0：光线在纤芯 包层分界面的临界角。 纤芯直径 2a  2 ~ 12μm   单模光纤 纤皮折射率差   1 2  0.01 ~ 0.02   n1    纤芯折射率均匀  阶跃折射率光纤   纤芯与包层界面折射率 发生突变 按纤芯折射率分布  纤芯折射率不均匀  梯度折射率光纤 纤芯折射率按一定函数 关系沿光纤径向变化  

3、光调制与解调技术 所谓“调制”，是将被研究对象的信号（信息）通过载体传输出去。因此，光的调制过程就是将一携带信息的 信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。

4、概念：纤传感器是通过被测量对光纤内传输光进行调制，使传输光的强度(振幅、相位、频率或偏振等特性发生 变化，再通过对被调制过的光信号进行检测，从而得出相应被测量的传感器。

5、光纤的特性（1）损耗：吸收损耗、散射损耗，物质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光功能的损失。损耗的单位：dB／km（2）色散：所谓光纤的色散就是输入脉冲在光纤传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象 可分为：材料色散、波导色散（结构色散）、多模色散 8

6、光强度的外调制 光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。反射式强度调制器：

7、信息容量用所能调制的频带宽度表示。载波信号的频率越高，获得的频带宽度越大信息传送容量越大。第十三章、第十四章可能不考。。第十五章：湿度传感器

1、湿度测量技术发展已有 200 多年的历史

2、绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量：ρ =Mv/V（Mv：被测空气中水汽质量；V：被测空气体积）相对湿度是气体的绝对湿度(ρ v与在同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度(ρ w之

比，表达式为：相对湿度=(ρ v /ρ w×100%RH 第十六章：红外传感器 红外线与可见光、紫外线、X 射线、γ 射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱。9

传感器原理与应用重点 第2篇

例2：某压力表精度为1.5级，量程为0～2.0MPa，测量结果显示为1.2MPa，求1）最大引用误差δnm；2）可能出现的最大绝对误差Δm；3）示值相对误差δx＝？

例3：一差动变压器式位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化1200mv，问位移传感器的灵敏度是多少？

例4：机械式指针位移传感器，当输入信号有0.01mm的位移变化量式，指针位移10mm，求位移传感器的灵敏度？

例5：进行某动态压力测量时，所采用的压电式力传感器的灵敏度为90.9nC/Mpa，将它与增益为0.005V/nC的电荷放大器相连，而电荷放大器的输出接到一台笔式记录仪上，记录仪的灵敏度为20mm/V。试计算这个测量系统的总灵敏度。当压力变化为3.5MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量是多少？

例6：有一只变极距电容传感元件，两极板重叠有效面积为，两极板间的距离为1mm，已知空气的相对介电常数是1，真空中介电常数为8.85×10-12F/m,试计算该传感器的位移灵敏度。

例7：粘贴在钢件上的康铜电阻丝应变片，其灵敏度为2，电阻温度系数为20×10-6/oC，敏感栅材料的线膨胀系数为15×10-6/oC，钢件的线线膨胀系数为11×10-6/oC，弹性模量E为2×1011N/m2,求：（1）当环境温度变化为10oC时，应变热输出为多少？相当于试件产生多大应力？

（2）当=1000uε时，由于热输出产生的温度误差γt是多少？

《传感器原理与应用》的教学研究 第3篇

正是由于这样的一些特点,导致学生在学习此门课程时,普遍感觉枯燥乏味、抽象难懂。所以在教学过程中如何激发学生的兴趣,调动学生的积极性,引导学生自主学习,是教好此门课程的关键。

1 做好课程引导、激发学生兴趣

传统教学是教师在讲台上讲,学生在下面听,在这个过程中学生处于一种被动接受知识的状态,而缺乏主动思考时间。有时候学生认真听完一节课,但经课后反应,学生还是处于那种似懂非懂的状态,主要是因为学生在整个学习的过程中是一个完全被动接受的状态,缺少独立思考的时间,对知识点认识程度不深。

为此授课的同时,注重教学引导,以实际生活中的例子启发学生,引导学生自主独立思考,使学生们对原理加深印象,不再死记硬背书本,激发学生的兴趣。利用实际产品给学生们讲述传感器如何实现这种应用,阐明传感器的作用,带动学生自主思考,激发学生的好奇心和兴趣,然后列举传感器在我们日常生活中的应用,将传感器的内容和学生的日常生活联系一起,比如智能手机中的重力加速度、距离传感器、光线传感器等传感器,介绍这些传感器的应用如何使得智能手机如此好玩;如楼道感应灯,智能马桶都用到哪些传感器等;机器人如何识别周围环境等。通过大量的实际例子来吸引学生的注意力,激发他们的好奇心及学习兴趣,同时强调传感器在未来生活中的重要性,使学生认识到学习这门课程的重要性。

2 项目应用主导、强化实践训练、引导自主学习

传感器这门课程是一门实践性很强的课程,为此以项目案例驱动创设学习任务,每个学习任务按照项目设计、分析、实施、检查、评估的工作步骤组织教学。

在教学实施过程中,将每章传感器的知识点,以项目形式展开,围绕解决项目,引入传感器的基本知识。比如每讲完一传感器原理时,会将讲述的内容与实际项目开发相结合,让学生知道这传感器如何在项目中应用,同样也会阐明为什么采用这款传感器、测量电路如何设计,让学生知道,如何根据项目指标、实际参数来确定传感器的选择。如比讲述测液位应用时,测量液位的传感器很多,有超声波、有电容式、有电磁式等,分析这三种传感器的成本、传感器性能、制造工艺、以及适应工作环境,让学生更系统的了解传感器的使用方法,从而调动学生的学习积极性,增强学生的动手能力,强化学生能力训练。

3 以学生为主体、教师为导向

教学应是平等的互相学习交流的过程,教育是教师与学生之间默契的互动中心,缺少一方都不行。教学过程中应以学生为主体,教师为导向,这二者的关系应该是平等,倡导用交往的精神审视和改造现代教育,丰富师生对话的内涵:平等民主的教学;交往的、互动的教学;合作的、沟通的教学;生成的、创造的教学;以人的发展为目的的教学。

具体实施,需注意:既要尊重学生,也要维护教师权威,维持好基本的上课秩序;重视发现问题,引导学生思考;鼓励学生相互探讨问题、解决问题。

4 更新教学内容、多样化考核

现市面上各种版本的《传感器原理与应用》教材内容多偏重于理论基础,主要讲述传感器的原理、数学公式推导、内部结构及测量电路。实验课程多是采用验证性实验,缺乏思考、积极主动性,不利于培养学生实际动手能力和技能的提高。鉴于此,经调研及借鉴兄弟院校的教学经验,采用多样化考核,避免一卷定终身。

调整考核形式,学生成绩主要由卷面成绩、实验成绩、自由项目设计三个部分组成,其中卷面成绩占40%,实验成绩占30%,课程设计占30%。在实验课程结束以后,教师下达多个课程设计题目,学生自主组队、选择题目,学生围绕解决此项目为契机,自主设计解决方案,确定芯片型号、设计电路、购买器件及焊接调试,最终以实物或仿真程序现场演示,并以毕业论文答辩形式进行答辩。旨在注重培养学生动手能力和解决问题能力,体现了应用型本科教学的宗旨。

5 结语

本文提出围绕激发学生兴趣为主线,项目应用为主导、强化实践训练,更新教学内容、采用多样化考核,引导学生主动学习,爱学习等策略。促进了“传感器原理与应用”课程的建设和发展,取得了一定的成果。通过历届学生对本门课程的反馈,学生电子竞赛、就业等情况来看,本文提出的教学改革方法初见成效,同时这门课程改革的成功经验也为其他专业课程的改革和发展提供了重要的参考和借鉴。

摘要：根据《传感器原理与应用》课程的教学内容和特点,分析了该课程在当前应用型本科教学中存在的教师难教、学生难学等问题,提出以激发学生兴趣为主线,项目应用为主导,强化实践教学的教学模式、引导学生自主学习等相关建议,由调查结果表明这种教学模式可增加学生的学习兴趣,提高教学效果。

关键词：传感器原理,传感器技术,教学研究

参考文献

[1]孟立凡,蓝金辉.传感器原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2011.

传感器原理与应用重点 第4篇

许多原子由于它们特有的电子结构而具有像针那样有南北极的磁矩。当固体受到机械应力时，通常导致一定的变形能量储存在物体中。然而材料也会产生其他效应，而形成电场。元件受压时改变了磁畴的磁矩，其结果是沿着机械力作用的方向改变磁畴特性。这称为磁弹性效应，是传感器的基础。

当施加垂直力时，由于磁弹效应将产生磁各向异性现象，磁长随时间的变化将在线圈中感应出电压，因此，感应电压取决于次但特性，因为也就取决于所加的力。

１．振弦式传感器

目前振弦式传感器主要用语实验室的电子称和其他小称。在工业上曾用于台秤和皮带称。用质量对两根阵线预加负荷，当未知负荷通过角度的弦线施加负荷连接点时，左弦将受到增强的弦力作用，从而增大了该弦的固有频率。左右弦的频率之差正在与所施加的负荷，传感器的输出与将频率差变成脉冲计数对该脉冲串采样，即可直接读出重量值。绝大多数电子称重选用电阻应变式称重传感器。

应变计基本上是一个电阻，它由平行导线或金属箱作成一定的形状，并嵌入电环氧树脂材料作成的绝缘基底中。电阻变化正比于在弹性提上所施加的力，并被精确地测量出来。

热耗散是限制应变计允许通过电流的因素。其结果也就限制了称重传感器的不平衡电压输出。在传感器弹性体中进行有效的热耗散以获得稳定的测量结果是很必要的。

在电阻应变式称重传感器中，弹性提可以采用不同的形状。如圆环、柱式或弯曲梁筹。

2.电阻应变式称重传感器误差来源分析

电阻体积改变式称重传感器如同所有其他物理元件一样受到各种误差源的影响。零点平衡和灵敏度是误差的两个主要来源。其他的误差为：非线形，滞后，蠕度和不重复性。

在相同的外界条件下，重复测量同一负荷下称重传感器输出的最大差值。不重复度在任何传感器测量系统中都是一个即简单而又十分重要的因素。由于它是随即的因而无法补偿，多仪不能在测量系统中加以校准。因此不重复度是校准过程中的不利因素，也就限制了综合测量准确度的提高。

在称重系统中使用一个以上的传感器时，通常由于传感器之间负荷分配不匀，不可避免地引起称重误差。这成为“四角效应”。如果称重传感器具有相同的特性就可避免这种称重误差。

3.称重传感器的安装

正确的安装称量传感器显然是很重要的。如果传感器安装不正确，哪怕是质量最好的传感器和电子装置，也得不到正确的结果。

没有横向力作用于传感器是极其重要的，尤其对柱式传感器横向力将产生弯曲力矩，使贴在圆柱体表面的应变计感受应变。比应变量比所测量的垂直力产生的应变大得多。

目前一般常用以下三种方法来保护传感器免受横向力的作用：

（1）采用导向承压板，允许传感器在枢轴上转动。

（2）采用自动定位滚珠支座允许支承点横向位移。

（3）采用没有限往的自动定位支承安装系统。

4.静态称重系统中传感器的安装

静态称重包括在台架和平台上的称重，料斗和料槽的称重，以及吊车和运输车辆上的称重。

在设计称台或平台时必须考虑以下三个基本因素：

（1）称台或平台的位移。

（2）称重传感器的负荷分配。

（3）作用于称台或平台的外部水平力。

5.误差来源分析

电阻应变式称重传感器如同所有其他物理元件一样受到各种误差源的影响。零点平衡和灵敏度的温度效应是误差的两个主要来源。然而，在许多承重传感器中这些效应可以被补偿，因而剩下的效应可减少到初始值的10%左右。

6.对基础和承载器的要求

一个稳定的称重系统的先决条件是具有一个刚性支撑结构与（或）基础。同样，承载器（料箱，料斗，平台）上的连接法兰，拖架等必须具有相同的刚度。这样在满负荷时角位移保持最小。

如果放在同一结构上的容器数量超过一个，该结构必须设计成足够的刚度以防止由于大的饶曲引起互相干扰误差。

通常在称重传感器下面放一快厚基板以保证负荷均匀地传递到支撑结构，这一点对混凝土基础尤为重要，通常在基础上配置一快厚钢板，以便把称重传感器安装在上面。

对于具有4个或更多称重传感器的静态系统，传感器组合安装通常用垫片，以保证传感器均匀受载。

7.称台和平台

在设计称台或平台时必须考虑以下三个基本因素：

（1）称台或平台的位移。

（2）称重传感器的负荷配置。

（3）作用于称台或平台的外部水平力。

所有称台受载时将产生一定的位移。位移量采取称台是自由浮动的还是用限位元件紧固的，这两种情况都有不同的误差源。有可能降低系统的准确度。

在自由浮动称台中，称台本身的位移不会引起任何称重误差，但在称重时作用于称台的水平力使秤台碰状到自由浮动秤台四周的缓冲器，摩擦引起力的旁路，从而减少了称重传感器上的负荷。这种随即误差可能相当大，在称重过程中必须防止这种现象的出现。

所有称台受载时将产生一定的位移，位移量取决于称台是自由浮动的还是用限往元件紧固的，这两种情况都有不同的误差源，有可能降低系统的准确度。

传感器原理与应用复习要点 第5篇

1.传感器技术的三要素。传感器由哪3部分组成？ 2.传感器的静态特性有哪些指标？并理解其意义。3.画出传感器的组成方框图，理解各部分的作用。

4.什么是传感器的精度等级？一个0.5级电压表的测量范围是

0~100V，那么该仪表的最大绝对误差为多少伏？

5.传感器工作在差动状态与非差动状态时的优点有哪些？灵敏度、非线性度？

第二章应变式传感器

6.应变片有那些种类？金属丝式、金属箔式、半导体式。7.什么是压阻效应？

8.应变式传感器接成应变桥式电路的理解、输出信号计算。应变片

桥式传感器为什么应配差动放器？

9.掌握电子称的基本原理框图，以及各部分的作用。

10.电阻应变片/半导体应变片的工作原理各基于什么效应？ 11.半导体应变片与金属应变片各有哪些特点。第三章电容式传感器

12.电容式传感器按工作原理可分为哪3种？

13.寄生电容和分布电容对电容式传感器有什么影响？解决电缆电容

影响的方法有那些？

14.什么是电容电场的边缘效应？理解等位环的工作原理。15.运算法电容传感器测量电路的原理及特点。第四章电感式传感器

16.了解差动变压器的用途及特点。

17.差动变压器的零点残余电压产生的原因？ 第五章压电式传感器

18.什么是压电效应？什么是逆压电效应？常用压电材料有哪些？ 19.压电传感器能否测量缓慢变化和静态信号？为什么？

20.压电传感器的前置放大器电路形式主要有哪两种？理解电压放大

器、电荷放大器的作用。第六章数字式传感器

21.光栅传感器的原理。采用什么技术可测量小于栅距的位移量？ 22.振弦式传感器的工作原理。第七章热电式传感器

23.热电偶的热电势由那几部分组成？ 24.热电偶的三定律的理解。25.掌握热电偶的热电效应。

26.热电偶冷端补偿原理和必要性及补偿电桥法的补偿原理。27.铂电阻采用三线制接线方式的原理和特点？

28.采用负温度系数热敏电阻稳定晶体管放大器静态工作点的工作原

理。

29.集成温度传感器AD590的主要特点。

30.数字式集成温度传感器DS18B20的主要特点。第八章固态传感器 31.霍尔效应

32.霍尔集成传感器——线性、开关两类内部构成。33.探测微弱光应采用何种传感器？

34.什么是光电效应，什么是光电导效应和光生伏特效应？

35.什么是内/外光电效应？利用此效应制作的典型传感器有那些？ 36.为什么光电池作光照度测量时要采用短路输出形式？ 37.硅光电池的最大开路电压是多少？

38.硅光电池的光电转换效率理论最大值和实际值？ 39.在电路中使用光敏二极管怎样偏置？ 40.光电隔离耦合器的内部结构是怎样的？

41.气敏传感器的原理，掌握可燃气体报警电路工作原理。

42.用电阻式湿度传感器测量湿度时，所加的激励电源为什么应为交

流电源？。

43.用光敏传感器设计一个自动开关路灯的控制电路。第九章光纤式传感器

44.光纤传感器的特点有哪些？ 45.光纤传感器的分类？ 第十章传感器的标定

46.什么是传感器的标定？何情况下需要标定？

第一章 传感器的一般特性

1.传感器技术的三要素。传感器由哪3部分组成？ 2.传感器的静态特性有哪些？并理解其意义。3.画出传感器的组成方框图，理解各部分的作用。

4.什么是传感器的精度等级？一个0.5级电压表的测量范围是0~100V，那么该仪表的最大绝对误差为多少伏？

5.传感器工作在差动状态与非差动状态时的优点有哪些？灵敏度、非线性度？

第二章应变式传感器

6.应变片有那些种类？金属丝式、金属箔式、半导体式。7.什么是压阻效应？

8.应变式传感器接成应变桥式电路的理解、输出信号计算。应变片桥式传感器为什么应配差动放器？

9.掌握电子称的基本原理框图，以及各部分的作用。

10.电阻应变片/半导体应变片的工作原理各基于什么效应？ 11.半导体应变片与金属应变片各有哪些特点。第三章电容式传感器

12.电容式传感器按工作原理可分为哪3种？

13.寄生电容和分布电容对电容式传感器有什么影响？解决电缆电容影响的方法有那些？

14.什么是电容电场的边缘效应？理解等位环的工作原理。15.运算法电容传感器测量电路的原理及特点。第四章电感式传感器

16.了解差动变压器的用途及特点。

17.差动变压器的零点残余电压产生的原因？ 第五章压电式传感器

18.什么是压电效应？什么是逆压电效应？常用压电材料有哪些？ 19.压电传感器能否测量缓慢变化和静态信号？为什么？

20.压电传感器的前置放大器电路形式主要有哪两种？理解电压放大器、电荷放大器的作用。第六章数字式传感器

21.光栅传感器的原理。采用什么技术可测量小于栅距的位移量？ 22.振弦式传感器的工作原理。第七章热电式传感器

23.热电偶的热电势由那几部分组成？ 24.热电偶的三定律的理解。25.掌握热电偶的热电效应。

26.热电偶冷端补偿原理和必要性及补偿电桥法的补偿原理。27.铂电阻采用三线制接线方式的原理和特点？

28.采用负温度系数热敏电阻稳定晶体管放大器静态工作点的工作原理。

29.集成温度传感器AD590的主要特点。

30.数字式集成温度传感器DS18B20的主要特点。第八章固态传感器 31.霍尔效应

32.霍尔集成传感器——线性、开关两类内部构成。33.探测微弱光应采用何种传感器？

34.什么是光电效应，什么是光电导效应和光生伏特效应？

35.什么是内/外光电效应？利用此效应制作的典型传感器有那些？ 36.为什么光电池作光照度测量时要采用短路输出形式？ 37.硅光电池的最大开路电压是多少？

38.硅光电池的光电转换效率理论最大值和实际值？ 39.在电路中使用光敏二极管怎样偏置？ 40.光电隔离耦合器的内部结构是怎样的？

41.气敏传感器的原理，掌握可燃气体报警电路工作原理。42.用电阻式湿度传感器测量湿度时，所加的激励电源为什么应为交流电源？。

43.用光敏传感器设计一个自动开关路灯的控制电路。第九章光纤式传感器

44.光纤传感器的特点有哪些？ 45.光纤传感器的分类？ 第十章传感器的标定

压力传感器原理与应用知识简介 第6篇

一、压力相关概念

压力：流体介质垂直作用于单位面积上的力称为“压强”，在工程技术上一般称它为“压力”，其法定计量单位为帕斯卡，简称帕（符号为Pa）。

1、绝压：以绝对真空（零压）为基准来表示的压力（PA）。

2、差压：两处的压力差值（PD=P1-P2）

表压：以实际大气压为基准来表示的压力（PG）。当P2为大气压时，PG等于PD。

密封压：以标准大气压为基准来表示的压力（PS）。当实际大气压等于标准大气压时，密封压等于表压，所以密封压是表压的一个特例。负压：小于实际大气压时的表压力（也叫真空压），负压也是表压的一个特例。

二、压力传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。

1、应变片压力传感器

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU）显示或执行机构。

金属电阻应变片的内部结构由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

电阻应变片的工作原理

金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：R=ρ×L/S

式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m）

S ——导体的截面积（cm2）

L ——导体的长度（m）

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。

2、陶瓷压力传感器

抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0 ～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ～135 ℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

3、扩散硅压力传感器

工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

扩散硅广泛应用在表压、绝对压力、差压（流量）、液位变送器及压力开关中。

4、蓝宝石压力传感器

利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。

蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC 以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n

漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。

表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。

传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

5、电容式压力传感器

利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

单电容式压力传感器

它由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成。这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以

及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。

差动电容式压力传感器

它的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

6、压电压力传感器

压电式传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电式传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电式传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇

航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。