传感器复习资料

1、第1章 传感器的基本概念1.1 传感器的定义与组成1.定义根据国家标准（GB7665-1987），传感器是指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。2.传感器的组成传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此，传感器的组成的细节有较大差异，但总的说来，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部分组成。传感器的组成框图如下：输出信号被测信号敏感元件转换元件信号调节电路辅助电路敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）与检测出被测对象的待测信息（非电量）的部分。转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）出的信息转换成适于传

2、输和（或）测量的电信号的部分。（注：并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。）信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。辅助电路通常包括电源，即交、直流供电系统。12 传感器的分类结构型物性型复合型按工作机理分类物理量传感器化学量传感器生物量传感器按被测量量分类按敏感材料分类有源传感器无源传感器按能量的关系分类其他分类法1按工作机理分类（）种分类方法是以其工作原理划分，将物理、化学和生物等学科的原理、规律、效应作为分类的依据。（1）结构型

3、传感器是利用物理学的定律等构成的，其性能与构成材料关系不大。这是一类其结构的几何尺寸（如厚度、角度、位置等）在被测量作用下会发生变化，并可获得比例于被测非电量的电信号的敏感元器件或装置。 如，电容式传感器、电感式传感器等。 （平行板电容器的电容量为 ， 为介质的介电常数）（2）物性型传感器是利用物质的某种和某些客观属性构成的，其性能与构成材料的不同而有明显区别。 这是一类由其构成材料的物理特性、化学特性或生物特性直接敏感于被测非电量，并可将被测非电量转换成电信号的敏感元器件或装置。 由于他的“敏感体”本来就是材料本身，故不存在显著的结构特征，也无所谓“结构变化”，所以这类传感器通常具有响应快的

4、特点；（3）复合型传感器是指将中间转换环节与物性型敏感元件复合而成的传感器。 可见，复合型传感器实际上是既具有将待测非电量先转换成中间信号的功能，又具有将该中间信号随即转换成电信号之功能的一类敏感元器件或装置。4按能量的关系分类根据能量关系分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。 有源传感器是将非电能量转换成电能量，称之为能量转换型传感器，也称为换能器。 无源传感器又称为能量控制型传感器。它本身不是一个换能装置，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。如，电阻式传感器。14 传感器的数学模型概述1静态模型静态模型是指在静态信号情况下，描述传感器输出与输入量之间的函数关系。2动态

5、模型动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号（输入信号随时间而变化的量）作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。16 传感器的基本特性传感器所测量的非电量一般有两种形式： 一种是稳定的，即不随时间变化或变化及其缓慢，称为静态信号； 另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。 由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入-输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。 为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好的静态和动态特性，才能使信号（或能量）按规律准确的转换。1静态特性 静态特性表示传感器在被测各量值处于稳定状态时的输出与输入的关系。它主要包括线性度、灵敏度、重复

6、性、迟滞现象、分辨率、稳定性及漂移。 线性度 所谓线性度就是其输出量与输入量之间的实际曲线（校准曲线）偏离（理论拟合）直线的程度。又称为非线性误差。 非线性误差可用下式表示：式中， max 输出量和输入量实际曲线（校准曲线）与（理论）拟合直线之间的最大偏差。 YFS 输出满量程量。校准曲线拟合直线XYmax 理想的传感器输出与输入呈线性关系。然而，实际的传感器即使在量程范围内，输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的，总存在一定的非线性。 灵敏度 灵敏度是指稳态时传感器输出量y和输入量x之比（线性），或输出量y的增量y和相应输入量x的增量x之比（非线性），常用Sn来表示。即 线性传感器的灵敏度

7、k为一常数；非线性传感器的灵敏度k是随输入量变化的量。 分辨率（或分辨力） 传感器在规定的测量范围内所能检测输入量的最小变化量称为分辨率。有时也该值相对满量程输入值的百 分数（ ）表示。 存在分辨率的原因有两个： 一是输入的变化量通过传感器内部被吸收，因而反映不到输出端上去。 二是传感器输出存在噪声。如果传感器的输出值比噪声电平小，就无法把有用信号和噪声分开。2.动态特性 动态特性是描述传感器在被测量随时间变化时的输出和输入的关系。 对于加速度等动态测量的传感器必须进行动态特性的研究，通常是用输入阶跃信号和正弦信号时传感器的响应来描述的，因此，对应的方法为阶跃响应法和频率响应法。第2章 电阻式

8、传感器定义：电阻式传感器是将非电量（如力，位移，形变，速度和加速度等）的变化量，变换成与之有一定关系的电阻值的变化，通过对电阻值的测量达到对上述非电量测量的目的。测量非电量变化较大的场合 电阻式传感器主要分为两大类：电位器式电阻传感器以及应变片式电阻传感器。测量非电量变化较大的场合 主要应用：力学参数的测量(位移、压力、荷重、加速度等)。2.1 电位器式电阻传感器一、线绕式电位器传感器 1.线绕式电位器的结构和工作原理等截面线绕式电位器图 21 工作原理图00.10.20.30.40.50.60.70.80.910.10.20.30.40.50.60.70.80.91rrYKL = 图2-2

9、电位器负载特性曲线结论：K L不能太小！2.线绕式电位器的阶梯特性及其分辨率 阶梯特性及产生原因阶梯特性是由滑动触点(电刷)在移动过程中, 从一匝滑到另一匝时电阻值产生突变所引起的。其阶跃值U为：N 绕线总匝数图 23 阶梯特性U0 电压分辨率及阶梯误差 电压分辨率： 阶梯误差：在理想情况下，理论特性曲线均匀穿过实际曲线的阶梯，此时的阶梯误差为：2.2 应变式电阻传感器分类 (构成材料和按敏感栅的结构特点进行分类) 、金属电阻应变片：丝式及箔式 、半导体式电阻应变片应变效应为灵敏度系数，指单位应变所引起的电阻的相对变化。压阻效应几何效应压阻效应：指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率发

10、生变化的现象。上式说明，灵敏系数由两个因素决定：一个是受力后材料几何尺寸的变化（几何效应）；另一个是受力后材料的电阻率发生的变化（压阻效应）。压阻效应:三、电阻应变片应变电阻的测量实际使用中均用电测法，即1直流电桥法当负载电阻R L时，输出电压Uo电桥的平衡条件Uo=0 R1R4-R2R3=0电压灵敏度 实际应用中，可用电阻应变片来代替R1，设桥臂比n :根据电桥的平衡条件，在平衡条件下有：应变片受应变作用，电桥从平衡状态开始， R 1 R 1+R 1， Uo 为：令： 电桥电压灵敏度又：讨论,但E 的增大受电阻最大允许功耗的限制。 S V是n 的函数平衡时非线性误差r ： 定义r为金属应变片

11、R 较小，在要求不高时非线性误差可以忽略，半导体则必须补偿。非线性误差的补偿方法差动电桥法a半桥差动电路由于n = 1 所以输出U o为线性，且灵敏度提高了一倍。2-82-7b全桥差动电路输出U 0为也线性，且灵敏度又提高了一倍。有些使用条件下，无法构成差动电桥时，可以采用下面介绍的恒流源供电的方法进行补偿。3电桥输出电压的放大电路 测量放大器（仪器放大器）应变测量电桥的开路输出电压一般较小，内阻很高所以需要高输入阻抗的放大电路与之配接才能获得较好的线性度。共模抑制比高图 2-10F特点：输入阻抗等于运放的差动输入阻抗(目前运放的差动输入阻抗可以做到1091012)，增益调节方便。是典型仪器放

12、大器电路。2.3 应变式电阻传感器的应用一、力（荷重）传感器1. 柱式力传感器（柱的截面积为A）电阻应变片轴向应变。L杨氏模量面积F第3章 电容式传感器忽略了边缘效应3.1 电容式传感器的结构和工作原理一、基本工作原理1.平行板电容器A + d电力线- 平行板电容器电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。 一、 变极距型电容传感器当传感器的r和A为常数, 初始极距为d0时, 由式（3 - 1）可知其初始电容量C0为若电容器极板间距离由初始值d0缩小d, 电容量增大C, 则有（3 - 4）由上式可知, 传感器的输出特性C1 =f(d)不是线性关系, 而是如图 3- 2 所示双曲线

13、关系。 此时C1与d近似呈线性关系, 所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时, 才有近似的线性输出。 另外, 由式（3 - 4）可以看出, 在d0较小时, 对于同样的d变化所引起的C可以增大, 从而使传感器灵敏度提高。但d0过小, 容易引起电容器击穿或短路。为此, 极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质(如图 3- 3所示), 此时电容C变为（3 - 5） 式中: g云母的相对介电常数, g= 7; 0空气的介电常数, 0= 1; d0空气隙厚度; dg云母片的厚度。 云母片的相对介电常数是空气的7倍, 其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。 因此

14、有了云母片, 极板间起始距离可大大减小。同时, 式（3-5）中的(dg/0g)项是恒定值，它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20100pF之间, 极板间距离在25200m的范围内, 最大位移应小于间距的1/10, 故在微位移测量中应用最广。 3.2 电容式传感器的灵敏度及非线性由以上分析可知, 除变极距型电容传感器外, 其它几种形式传感器的输入量与输出电容量之间的关系均为线性的, 故只讨论变极距型平板电容传感器的灵敏度及非线性。 由式（3 - 3）可知, 电容的相对变化量为（3 - 14）当时，则上式可按级数展开，故得由式（3 - 14）可见,

15、 输出电容的相对变化量C/C与输入位移d之间呈非线性关系。当 时，可略去高次项, 得到近似的线性： （3 - 15）电容传感器的灵敏度为（3 - 16）它说明了单位输入位移所引起输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。 （3 - 17）如果考虑式（3 - 14）中的线性项与二次项, 则由此可得出传感器的相对非线性误差为（3 - 18）由式（3 - 16）与式（3 - 18）可以看出: 要提高灵敏度, 应减小起始间隙d0, 但非线性误差却随着d0的减小而增大。 在实际应用中, 为了提高灵敏度, 减小非线性误差, 大都采用差动式结构。图3 - 8 是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。 在差动

16、式平板电容器中, 当动极板位移d时, 电容器C1的间隙d1变为d0-d, 电容器C2的间隙d2变为d0+d, 则 图3-8 差动平板式电容传感器结构（3 - 22）（3 - 21）在d/d01 时, 则按级数展开: 电容值总的变化量为电容值相对变化量为（3 - 24）如果只考虑式（3 - 24）中的线性项和三次项, 则电容式传感器的相对非线性误差近似为（3 - 25）比较式（3 - 15）与式（3 - 25）及式（3 - 18）与式（3 - 25）可见, 电容传感器做成差动式之后, 灵敏度提高一倍, 而且非线性误差大大降低了。 课本上灵敏度的定义： 输出灵敏度的定义：电容量的变化C与引起该变化

17、的机械位移L (d )的比值:1. 平板型变极距型电容式传感器的输出灵敏度 2. 平板型变面积的线位移传感器的输出灵敏度3.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小, 这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示, 也很难为记录仪所接受, 不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量, 并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。 一、 调频测量电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率就发生变

18、化。图中调频振荡器的振荡频率为: 式中: L振荡回路的电感; C振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0C。 其中, C1为振荡回路固有电容; C2为传感器引线分布电容; C0C为传感器的电容。 当被测信号为0时, C =0, 则C =C1+C2+C0, 所以振荡器有一个固有频率f0, (3 - 28)当被测信号不为 0 时, C0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率为 二、 运算放大器式电路 运算放大器的放大倍数K非常大, 而且输入阻抗Zi很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。 图 3 - 10 是运算放大器式电路原理图。Cx ：为电容式传感器,Ui：是交流电

19、源电压,Uo：是输出信号电压;运算放大器测量电路aUiC0-KU0Cx由运算放大器工作原理可得（3 - 31）式中 “-” 号表示输出电压的相位与电源电压反相。 式（3 - 31）说明运算放大器的输出电压与极板间距离 d 呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。但要求Zi及K足够大。 为保证仪器精度, 还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定。 四、 脉冲宽度调制电路 脉冲宽度调制电路如下图所示。 图中C1、C2为差动式电容传感器，电阻R1=R2，A1、A2为比较器。A1A2UrR1R2C1D1D2C2QQACBDA3+V-VU0R-S 触发器脉冲宽度调制电路1

20、、工作过程： 设加电初态 则C1充电。开始时刻，VC、VD Ur A2输出低电平 C1 经D1放电 VC Ur A1输出低电平 C2 经D2放电 VD Ur， A1恢复高电平。同时C1充电。C1充电时间T1；C2充电时间T2；图 各点电压波形图（具有线圈绕组）第4章 电感式传感器原理：电磁感应x(位移、流量、振动） L(自感）或M（互感） U（I）铁芯线圈衔铁本章主要介绍：自感式、互感式、电涡流式三种传感器4.1 变磁阻式传感器（自感传感器）一、结构及工作原理 基本结构（如图）,其电感量 L:可见，自感Lf (A，) 如果S保持不变，则L为的单值函数，构成变隙式自感传感器； 若保持不变，使 A

21、 随位移变化，则构成变截面式自感传感器。三、输出特性 具有非线性的输出特性。图 变间隙式电感传感器L-特性（1）当衔铁上移时, 传感器气隙减小, 即=0, 则此时输出电感为L = L0+L ：当/ 1时, 可将上式用泰勒级数展开（2）当衔铁下移时, 传感器气隙增大, 即=0, 则此时输出电感为L = L0L。四、差动自感传感器(非线性补偿)1结构和工作原理 L2L11-铁芯；2-线圈；3-衔铁；2 输出特性当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2 结论：差动式为简单式电感传感器灵敏度的2倍。非线性减小。简单式电感传感器非线性误差,差动电感传感器的非线性误差为 。克服温度等外界共模信号干

22、扰。3、测量电路 （1） 交流电桥L2L14.2 互感式传感器(差动变压器式传感器）在自感式传感器中不能太大，否则漏磁的影响将使输出性能严重劣化。所以大位移测量时常采用互感式传感器。一、结构、工作原理及等效电路1、螺管式差动变压器的结构b初级线圈次级线圈铁芯-活动衔铁；-导磁外壳；-骨架；-匝数为W1初级绕组；-匝数为W2a的次级绕组；-匝数为W2b的次级绕组2、电原理图：二、零点残余电压 当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点

23、残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；0e2x-xe20消除零点残余电压方法：1从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。 2选用合适的测量线路 差动整流电路 相敏检波电路 三、测量电路 1.差动整流电路图 全波差动整流电压输出电路整流原理 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流, 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。输出电压不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何。（不论正负半周）; ; ; 铁心在零位以上铁心

24、在零位铁心在零位以下未加相敏整流器和加相敏整流器的电桥输出、输入特性曲线如图。 图非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路4.3 电涡流式传感器根据法拉第电磁感应原理, 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时, 导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况, 此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类, 但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量, 另

25、外还具有体积小，灵敏度高， 频率响应宽等特点， 应用极其广泛。二、 基本特性 电涡流传感器简化模型如下图所示。模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中 h 由以下公式求得导体电阻率(cm)；r导体相对磁导率；f交变磁场频率(Hz)。三、 电涡流式传感器的应用1. 低频透射式涡流厚度传感器右图所示为透射式涡流厚度传感器结构原理图。在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1， 在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。 当在L1上加低频电压U1时，则L1上产生交变磁通1，若两线圈间无金属板，则交变磁场直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。 如果将被测金

26、属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。 此时磁场能量受到损耗，到达L2的磁通将减弱为, 从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚, 涡流损失就越大, U2电压就越小。 因此, 可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度, 透射式涡流厚度传感器检测范围可达1100mm, 分辨率为0.1m, 线性度为 1%。第5章 热电式传感器热电式传感器是将温度变化转换成电量变化的装置。电势热电偶电阻铂电阻、热敏电阻晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管特性变化5.1 热电偶一、工作原理两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则

27、在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。 这种现象早在1821年首先由赛贝克（Seebeck）发现,所以又称赛贝克效应。热电偶原理图TT0AB热端冷端回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。3. 回路总电势由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。使为T0常数T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T

28、0)eB(T,T0)AB 忽略温差电势EAB(T,T0)=eAB(T )-eAB(T0 )=f(T )-C=g(T )在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：EAB(T, T0)= eAB(T)-eAB(T0) = eAB(T)-eAB(0)-eAB(T0)-eAB(0) = eAB(T，0)-eAB(T0，0)热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。结论：热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B

29、两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。二、热电偶基本定律2. 中间导体定律EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）在热电偶AB回路中插入第三种材料C ，只要插入材料两端的温度相同，对热电偶的总热电势没有影响。(a)(b)T2T1AaBC23EABAT023ABEABT1T2 CT0T0T0第三种材料接入热电偶回路图3、标准电极定律如果任意两种导体材料的热电势是已知的，

30、它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为： EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB4、中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则 EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）AABB T2 T1 T3 AB对于冷端温度不是

31、零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0时，则：EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3）=EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） 说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为EAB=EAB(T1)EAB(T0)只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。四、冷端处理及补偿原因l 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数

32、，必须使冷端温度保持恒定；l 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。方法:1.冰点槽法2.计算修正法3.补正系数法4.零点迁移法5.冷端补偿器法 6.软件处理法1. 冰点槽法把热电偶的冷端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T05. 冷端补偿器法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和

33、桥路电源组成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响。 供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器其中的限流电阻R不一样互换时必须重新调整。5.2 热电阻热电阻是利用导体的电阻随温度的变化而变化的特性测量温度的。做热电阻的材料必须具备以下特点：1、电阻温度系数要尽可能的大和稳定2、电阻率高3、电阻与温度最好成线性，并在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质。一、铂电阻温度传感器利用纯铂丝电阻随温度的变换而变化的原理设计研制成的。可测量和控制200650范围内的温度，也可作对其他变量(如：流量

34、、导电率、pH值等)测量电路中的温度补偿。有时用它来测量介质的温差和平均温度。它具有比其他元件良好的稳定性和互换性。目前，铂电阻上限温度达850。在0630.74范围内，铂电阻的电阻值与温度的关系为Rt=R0（1+At+Bt2） Rt=R01+At+Bt2+C(t-100) t3 在1900范围内为： 式中 R0、Rt温度为0及t时的铂电阻的电阻值； A、B、C分度系数，其中： A= 3.94010-2-1 B= 5.8410-7-2 C=4.2210-12-45.3 热敏电阻 热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为： 1正温度系数热敏电阻器（PTC

35、） 电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。 2负温度系数热敏电阻器（NTC） 电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。 3突变型负温度系数热敏电阻器（CTR） 该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低34个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。四、热敏电阻器主要特性（一）热敏电阻器的电阻温度特性（RTT） TT与RTT特性曲线一致。1 负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性NTC的电阻温度关系的一般数学表达式为：RT、RT0温度

36、为T、T0时热敏电阻器的电阻值；BN NTC热敏电阻的材料常数。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。 五、 热敏电阻输出特性的线性化处理对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串或并联构成电阻网络(常称为线性化网络)代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。(1) 温敏二极管 特点：当电流I恒定，在一定温度范围内，U T（线性）不同的工作电流，UT关系不同。但总是线性关系。5.4 IC温度传感器 电压型IC温度传感器； 电流型IC温度传感器; 数

37、字输出型IC温度传感器。 电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故输出电压高、线性输出为10mV；另外,由于其具有输出阻抗低，故不适合长线传输。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。 电流型IC温度传感器的输出电流正比于热力学温度，即1A/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10M。这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。（二）电流型温度传感器 AD5901伏安特性 I = KT TK 工作电压：4V30V，I 为一恒流值输出，ITk，即KT标定因子，AD590的标定因子为1A/2温度特性其温度特

38、性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和，省略非线性项后则有:I=KTTc273.2Tc摄氏温度；I 的单位为A。可见，当温度为0时，输出电流为273.2A。在常温25时，标定输出电流为298.2A。 550 150 273.2AI/ ATC / CAD590温度特性曲线（三）数字输出型IC温度传感器 美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。 由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。 从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功

39、率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。 DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。、 DS1820的特性 单线接口：仅需一根口线与MCU连接； 无需外围元件； 由总线提供电源； 测温范围为-55125，精度为0.5； 九位温度读数； A/D变换时间为200ms； 用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。2、 DS1820引脚及功能 GND：地； VDD：电源电压DQ：数据输入输出脚(单线接口，可作寄生供电)第6章 压电式传感器6.1 压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化

40、现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。图6-2 压电效应的可逆性 常见的压电材料可分为两类，即压电晶体和压电陶瓷。6.1.2 石英晶体的压电效应在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直

41、于光铀的X 铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电中性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。 3. 作用力与电荷的关系若从晶体上沿y方向切下一块如图6-6（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力x时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在

42、晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力x 成正比。 即：d11压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；b、c石英晶片的长度和宽度。而P11在数值上等于晶面上的电荷密度 将以上两式联立，得 若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应力y，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为 根据石英晶体轴对称条件：d11 = -d12，则：晶片厚度 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关； 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆

43、压电效应； 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。6.1.3 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外

44、电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。 陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电

45、现象。正压电效应。 图6-10 正压电效应示意图若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应，或者由电能转变为机械能的现象，就是压电陶瓷的逆压电效应。对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，在是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，如图6-12（a）所示，其电荷量q与作用力Fz成正比，即 式中： d33

46、压电陶瓷的压电系数； F作用力。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。 6.2 压电材料压电材料应具备以下几个主要特性：转换性能。要求具有较大的压电常数。机械性能。机械强度高、刚度大。电性能。高电阻率和大介电常数。环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 6.2.1 石英晶体在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573时，石英

47、晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。6.2.2 压电陶瓷压电陶瓷主要有以下几种：1. 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里点温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2. 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr

48、、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。6.4 压电式传感器的测量电路6.4.1 压电晶片的连接方式在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。 在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。 而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。 6.4