第三讲传感器构成论

1、1一、传感器的基本构成一、传感器的基本构成 1敏感元件敏感元件 2转换元件转换元件 3转换电路转换电路 传感器的定义传感器的定义：传感器是以一定的精确度把被测量（物理：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。通用的某种物理量（如电量、光学量）的测量部件或装置。通常由常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件、转换电路转换电路组成。组成。2n 但有些传感器，三部分不一定齐全，如：但有些传感器，三部分不一定齐全，如：热电偶、差动变压式热电偶、差动变压式

2、位移位移传感器传感器 由由1 1组成组成； 电容式位移传感器、压阻式传感器电容式位移传感器、压阻式传感器 由由1 1、3 3组成；组成；压电式加速度传感器、差动变压式压电式加速度传感器、差动变压式力力传感器传感器 由由1 1、2 2组成；组成；电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器 由由1 1、2 2、3 3组成。组成。二、传感器的结构类型二、传感器的结构类型根据根据结构组成结构组成可将传感器按其构成方法分为以下几类：可将传感器按其构成方法分为以下几类： 1.1.通用型、通用型、2.2.参比型、参比型、3.3.差动型、差动型、4.4.反馈型反馈型。每一类型，根据能量变换，一般都可分为：每一类型，

3、根据能量变换，一般都可分为： 能量变换型能量变换型 能量控制型能量控制型3 1.通用型 根据组成可分为：根据组成可分为：能量变换基本型能量变换基本型、能量控制基本型能量控制基本型、能能量变换特殊型量变换特殊型（辅助能源型）、（辅助能源型）、电路参数型电路参数型和和多级变换型多级变换型。 （1）能量变换基本型能量变换基本型敏感元件敏感元件物理、化物理、化学、生物学、生物输入输入电量电量输出输出输入量为被测非电量，输出是电流、电压。输入量为被测非电量，输出是电流、电压。4典型例子：典型例子：热电偶（塞贝克效应）热电偶（塞贝克效应）光电池（光生伏特效应）光电池（光生伏特效应）压电式传感器压电式传感器

4、压电式超声波探头压电式超声波探头特点：特点：（1 1）只由敏感元件构成。）只由敏感元件构成。（2 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）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。获得，输出能量较弱。（3 3）利用）利用热平衡现象热平衡现象或或传输现象传输现象中的中的一次效应一次效应制成是可逆的。制成是可逆的。（4 4）对被测对象有负荷效应（因输出逆效应而影响输入）。）对被测对象有负荷效应（因输出逆效应而影响输入）。（5 5）输出能量不可能大于被测对象的能量输出能量不可能大于被测对象的能量。（压电效应）（压电效应）5（2 2）能量变换特殊型

5、（辅助能源型）能量变换特殊型（辅助能源型）典型例子：典型例子： 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管 CCD CCD 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 霍尔式传感器（霍尔型较特殊，可以看作上面的混合型）霍尔式传感器（霍尔型较特殊，可以看作上面的混合型）输出输出输入输入敏感元件敏感元件辅助能源辅助能源6特点：特点：（1）只由敏感元件构成。）只由敏感元件构成。（2）能量从被测对象获得，）能量从被测对象获得，属能量变换型属能量变换型。（3）辅助能源辅助能源是为了是为了增加抗干扰能力增加抗干扰能力或或提高稳定性提高稳定性，或，或取出取出信号信号，或为，或为原理所需要而使用固定磁场原理所需要而使用固定磁场

6、。 如霍尔式传感器，使用固定磁场，这是利用磁铁来代替动力如霍尔式传感器，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。源，这时不把磁铁看作动力源，而看作辅助能源。7 （3）能量控制基本型特点： （1 1）也由）也由敏感元件敏感元件组成，但需外加电源才能将被测非电量组成，但需外加电源才能将被测非电量转换成电量输出。转换成电量输出。 （2 2）输出能量可大于被测对象具有的能量输出能量可大于被测对象具有的能量。 （3 3）无需变换电路即可有较大的电量输出。）无需变换电路即可有较大的电量输出。输出输出输入输入敏感元件敏感元件电源电源典型例子：变压器式位移传感器典型例子

7、：变压器式位移传感器 感应同步器感应同步器8 （4）电路参数型特点：(1) (1) 敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换。敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换。(2) (2) 转换电路含有该敏感元件。转换电路含有该敏感元件。(3) (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。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) (4) 输出能量远大于输入能量。输出能量远大于输入能量。(5) (5) 利用传输现象中的二次效应都属于此类传感器。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。在内的转换电

8、路和电源组成。输出输出输入输入 转换电路转换电路敏感元件敏感元件电源电源典型例子：典型例子： 自感式、电容式、电涡流式、气敏电阻、湿自感式、电容式、电涡流式、气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、热敏电阻等。敏电阻、光敏电阻、热敏电阻等。9 （5 5）多级变换型）多级变换型输出输出输入输入敏感元件敏感元件转换元件转换元件能量变换型能量变换型输入输入输出输出 转换电路转换电路敏感元件敏感元件转换元件转换元件电源电源能量控制型例如，压电式例如，压电式加速度传感器加速度传感器目前大多数传感器都是利用目前大多数传感器都是利用敏感元件敏感元件把被测非电量转换成某种可利用的把被测非电量转换成某种可利用的中间变换物

9、理量，再通过中间变换物理量，再通过转换元件转换元件，有时还需要，有时还需要转换电路转换电路转换成便于测转换成便于测量的电量输出。量的电量输出。例如，应变例如，应变式力传感器式力传感器10 热平衡二次效应热平衡二次效应R2R1DvDv膜片膜片悬臂支架悬臂支架应变片应变片P应变式力传感器、应变式力传感器、光纤式加速度、光纤式加速度、酶热敏电阻式、酶热敏电阻式、电容电感式加速度、电容电感式加速度、 霍尔式压力传感器。霍尔式压力传感器。特点：特点：设计自由度大，可用二级或二级以上变换，设计设计自由度大，可用二级或二级以上变换，设计出适应各种条件的传感器。出适应各种条件的传感器。11 可利用的可利用的中

10、间变换量中间变换量：是指那些容易转换成电学量的物理量。：是指那些容易转换成电学量的物理量。 在大多数情况下，传感器的输出采取电量的形式，但是把输入的物在大多数情况下，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。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。计的自由度并使之适应各种条件。被测量被测量中间变换量中间变换量转换元件转换元件力、压力、热、加速度、扭矩、力、压力、热、

11、加速度、扭矩、温度（双金属片）、流速、湿温度（双金属片）、流速、湿度（高分子材料碳粒度（高分子材料碳粒）位移位移电容、电感、应变片、压电容、电感、应变片、压阻、霍尔阻、霍尔位移、转数、浓度、气体成分、位移、转数、浓度、气体成分、湿度、维生素湿度、维生素光量光量光电器件、射线光电器件、射线湿度、真空度、流速、尿素等湿度、真空度、流速、尿素等热（温度）热（温度）热电偶、热敏电阻热电偶、热敏电阻生物量、化学物质、离子浓生物量、化学物质、离子浓度、度、PHPH值、值、O O2 2、葡萄糖、葡萄糖复合物复合物（化学物质）（化学物质）电化学器件电化学器件（各类电极）（各类电极）12输入输入敏感元件敏感元件

12、敏感元件敏感元件输出输出环境量环境量能量变换型能量变换型 输出输出输入输入 转换电路转换电路环境量环境量敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件能量控制型能量控制型 电源电源 为了消除环境条件变化（如温度变化、电源电压波动等）的影响。为了消除环境条件变化（如温度变化、电源电压波动等）的影响。采用两个性能完全相同的传感元件。采用两个性能完全相同的传感元件。2.2.参比补偿型参比补偿型13特点：特点： (1) (1) 采用采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。其两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。其 中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量作补中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量

13、作补 偿用。偿用。 (2) (2) 两个敏感元件同时接到电桥的相邻两臂或反串。两个敏感元件同时接到电桥的相邻两臂或反串。 (3) (3) 能消除环境和条件变化干扰的影响（如温度、电源电能消除环境和条件变化干扰的影响（如温度、电源电 压）。压）。14 例：电阻应变式压力传感器中压力与温度变化对电阻应变片的例：电阻应变式压力传感器中压力与温度变化对电阻应变片的电阻都产生影响，且温度影响程度不能忽略时，需用温度补偿电阻都产生影响，且温度影响程度不能忽略时，需用温度补偿片，构成参比型。（一个为工作片，另一个为补偿片。）片，构成参比型。（一个为工作片，另一个为补偿片。）U0RRR1R2R1R215 3.

14、差动结构型特点：特点：(1) (1) 采用采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响量和方向相反的被测量。环境影响量和方向相反的被测量。(2) (2) 反串或接入电桥相邻的两臂。反串或接入电桥相邻的两臂。(3) (3) 输出信号提高一倍。输出信号提高一倍。(4) (4) 传感器差动结构以提高灵敏度、线性度，减小或消除环境因素的影响。传感器差动结构以提高灵敏度、线性度，减小或消除环境因素的影响。应用：差动电阻式、差动电容式、差动电感式。应用：差动电阻式、差动电容式、差动电感式。输入输入 转换电路敏感元件敏感元件敏感

15、元件敏感元件反相反相电源电源输出输出能量控制型能量控制型1617高压高压侧进侧进气口气口低压侧低压侧进气口进气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢内部不锈钢膜片的位置膜片的位置18 4.反馈型特点：特点：(1) (1) 传感器的敏感元件（或转换元件）同时传感器的敏感元件（或转换元件）同时兼作反馈元件兼作反馈元件。(2) (2) 是是闭环系统闭环系统、传感器输入处于平衡状态，故又称为平衡式传感器。、传感器输入处于平衡状态，故又称为平衡式传感器。(3) (3) 主要有力（位移）反馈和热反馈型，如差动电容力平衡式加速度感主要有力（位移）反馈和热反馈型，如差动电容力平衡式加速度感 器、热线热反馈型流速

16、传感器等器、热线热反馈型流速传感器等。(4) (4) 结构较复杂，应用于特殊场合（高精度微差压、高流速）。结构较复杂，应用于特殊场合（高精度微差压、高流速）。电量电量 输出输出输入输入敏感元件敏感元件转换电路转换元件转换元件伺服伺服放大系统放大系统电源电源逆转换元件逆转换元件19小结：小结： 通用型：结构简单、成本低的场合通用型：结构简单、成本低的场合 参比型：精度要求高、性能好参比型：精度要求高、性能好 差动型：精度要求高、性能好差动型：精度要求高、性能好 反馈型：特殊要求场合反馈型：特殊要求场合20三、传感器与被测对象的关联三、传感器与被测对象的关联 被测对象分为固体、流体1. 传感器与固

17、体对象的关联传感器与固体对象的关联特点：特点： (1)(1)传感器与被测对象可视为一体，受环境变动的影响相同、传感器与被测对象可视为一体，受环境变动的影响相同、易获得较准确的信息。易获得较准确的信息。 (2)(2)标定方法和装置与具体被测对象无关，可事先标定，标定标定方法和装置与具体被测对象无关，可事先标定，标定结果对不同对象可立即使用，不需再标定（现场）。结果对不同对象可立即使用，不需再标定（现场）。缺点：缺点： 有负荷效应。有负荷效应。（1 1） 接触型接触型 负荷效应负荷效应（即被测对象承受负荷而改变其状态或特性）与（即被测对象承受负荷而改变其状态或特性）与传感器体积、刚度、热容量等参数

18、大小有关，小到一定程度时传感器体积、刚度、热容量等参数大小有关，小到一定程度时可忽略，否则要补偿，不补偿则带来误差。可忽略，否则要补偿，不补偿则带来误差。21(1)(1)接受由被测对象发出的光或电磁波、辐射热等。例如光接受由被测对象发出的光或电磁波、辐射热等。例如光电传感器、红外探测器。电传感器、红外探测器。(2)(2)从传感器向被测对象发射信号或与之构成电位差、距离从传感器向被测对象发射信号或与之构成电位差、距离改变等，用传感器接收相应的响应。例如超声波、电涡流、改变等，用传感器接收相应的响应。例如超声波、电涡流、电容传感器等。电容传感器等。 高温、高速回转物体（危险）、或被测对象很小、传感

19、器高温、高速回转物体（危险）、或被测对象很小、传感器无法安装、或负荷效应不易补偿等场合下应用。无法安装、或负荷效应不易补偿等场合下应用。获取信息的获取信息的方法方法：（2） 非接触型非接触型22 特点：特点： 负荷效应一般极小，可以忽略。但激光干涉仪测位移，反光负荷效应一般极小，可以忽略。但激光干涉仪测位移，反光镜在被测物上，要考虑负荷效应。镜在被测物上，要考虑负荷效应。 缺点：缺点： (1)被测物的放射性、被测对象与传感器之间的介质特性，在被测物的放射性、被测对象与传感器之间的介质特性，在传感器附近的其它物体，传感器与被测物间距离变化影响输传感器附近的其它物体，传感器与被测物间距离变化影响输

20、出。出。(2)安装位置任意，不能事先标定，故要现场标定。标定不仅安装位置任意，不能事先标定，故要现场标定。标定不仅取决于安装位置，还与被测物形状尺寸、物理参数以及环境取决于安装位置，还与被测物形状尺寸、物理参数以及环境等因素有关。等因素有关。结论：根据具体使用目的、场合选择。结论：根据具体使用目的、场合选择。23 接触型与非接触型的比较接触型与非接触型的比较项项 目目接触型接触型非接触型非接触型负荷效应负荷效应大大小小环境影响环境影响不容易影响不容易影响易受影响易受影响安装位置安装位置固定固定可以移动可以移动标定标定预先预先现场现场分布检测分布检测困难困难容易容易分布检测：分布检测： 对观测值

21、或误差是否服从某一分布所作的检验。检验时，对观测值或误差是否服从某一分布所作的检验。检验时，对检测值或误差要计算一些数值统计量，将这些统计量与假对检测值或误差要计算一些数值统计量，将这些统计量与假设观测值或误差服从某一分布时所得出的临界值作比较，以设观测值或误差服从某一分布时所得出的临界值作比较，以判断观测值或误差是否服从某一分布。判断观测值或误差是否服从某一分布。242.2.流体流体 利用传感器测量流体的某些参数（流速、温度、流量、利用传感器测量流体的某些参数（流速、温度、流量、浓度等），这些参数是容器或管道中流动的一些参数，所以浓度等），这些参数是容器或管道中流动的一些参数，所以必须将传感

22、器安装在容器里或管道中。因此必须将传感器安装在容器里或管道中。因此, ,传感器对原来传感器对原来流体的状态或多或少地会产生一些影响。流体的状态或多或少地会产生一些影响。特点：特点： (1) (1) 存在负荷效应。存在负荷效应。(2) (2) 要求传感器与被测对象间能量授受越小越好，这将要求传感器与被测对象间能量授受越小越好，这将导致传感器的输入信号很弱，必须采用高灵敏传感器。导致传感器的输入信号很弱，必须采用高灵敏传感器。差压式流量计差压式流量计25四、四、 传感器对信号的选择传感器对信号的选择1. 传感器信号选择机理传感器信号选择机理 2. 传感器的信号选择方式传感器的信号选择方式 261.

23、 1. 传感器信号选择机理传感器信号选择机理传感器的基本机能是采集与变换被测信号。为使其正传感器的基本机能是采集与变换被测信号。为使其正确采集应从结构、材料学等方面加以保证，确保采集确采集应从结构、材料学等方面加以保证，确保采集有用信号，阻止或剔除无用信号。有用信号，阻止或剔除无用信号。设设输入变量输入变量x1,x2,xn,传感器传感器内部变量内部变量u1,u2,ur,输出变量输出变量y1,y2ym,则传感器的一般则传感器的一般数学模型表达式数学模型表达式为：为： yi=fi(x1,x2,xn, u1,u2,ur)其中其中i=1,2,m 如果被测信号为如果被测信号为x1,与之对应的输出为与之对

24、应的输出为y1，则，则 y1=f1(x1,x2,xn, u1,u2,ur)为了得到为了得到x1与与y1一一对应，则必须使除一一对应，则必须使除x1以外的变量（称干以外的变量（称干扰量）固定或即使有变化，对扰量）固定或即使有变化，对x1也不产生影响或影响很小可忽也不产生影响或影响很小可忽略略。27例如：金属导线例如：金属导线R金属种类、纯度、尺寸、温度、应力。金属种类、纯度、尺寸、温度、应力。如果如果测温测温，必须选择只随温度变化，结构上应防止变形影响；，必须选择只随温度变化，结构上应防止变形影响；如果选择电阻随尺寸、如果选择电阻随尺寸、应力应力而变化，则应防止温度的影响，而变化，则应防止温度的

25、影响，使之输入、输出一一对应。使之输入、输出一一对应。下面讨论几种常见的传感器对信号的选择方式：下面讨论几种常见的传感器对信号的选择方式：282. 2. 传感器信号选择方式传感器信号选择方式 （1）固定方式 把把x x1 1之外的其他变量之外的其他变量固定，或用控制方法使其为定值，例热电偶：固定，或用控制方法使其为定值，例热电偶： 严格控制材料纯度，使严格控制材料纯度，使dudu1 1/dt/dt、dudu2 2/dt=0/dt=0；基准结点温度；基准结点温度x x2 2固定为冰水固定为冰水点，热电偶插入保护管内，避免因周围环境及气氛的影响。点，热电偶插入保护管内，避免因周围环境及气氛的影响。

26、三相点：三相点：物质的固相、液相物质的固相、液相及其上方的蒸汽相三相平衡及其上方的蒸汽相三相平衡共存时的温度和压强是一个共存时的温度和压强是一个固定值。例如水的三相点温固定值。例如水的三相点温度是度是273.16K.273.16K.dcba 基准接点基准接点（一般为冰点）（一般为冰点）+ + 电电- - 路路测量测量接点接点铜线铜线金属丝金属丝A A金属丝金属丝B B测试测试接头接头接监接监测测电位电位计计铜线铜线29 （2）补偿方式（参比）补偿方式（参比） 利用被测量和干扰量共同作用的利用被测量和干扰量共同作用的第一第一函数量和只有干扰量作函数量和只有干扰量作用的用的第二第二函数量函数量之差

27、之差（干扰量作用效果与被测量相加时）或（干扰量作用效果与被测量相加时）或之比之比（干扰量作用效果与被测量相乘时）来消除干扰量的影（干扰量作用效果与被测量相乘时）来消除干扰量的影响的一种方式。响的一种方式。设：被测量设：被测量x1，变量，变量x1；干扰量；干扰量x2，变量，变量x2共同作用的函数：共同作用的函数：f (x1+x1 , x2+x2)只有干扰作用的函数：只有干扰作用的函数： f (x1 , x2+x2) 分别在分别在x1，x2附近泰勒展开，忽略二次以上的高阶微小量附近泰勒展开，忽略二次以上的高阶微小量30 2222221212212122211212211)x( )xx(2)x( 2

28、1 + xxf+xxf+）x，x（ =）x + x， x(xfxxfxffxf )x( 2!1 +xxf+）x，x（ =）x + x， (222222221221xffxf)()(),(22211121xfaxfaxxf如果函数如果函数f(x1,x2)是是f1(x1)和和f2(x2)之和。例如之和。例如则取上两式之差，可得则取上两式之差，可得)(! 22)(! 21),(),(2121221212112212211xxxxfxxfxxfxxxfxxxxf31)(!22)(!21),(),(2121221212112212211xxxxfxxfxxfxxxfxxxxf)()(),(2221112

29、1xfaxfaxxf0)0(21212xaxxf设函数设函数f(x1,x2)是是x1和和x2的线性组合。例如的线性组合。例如时， 两式之差为：两式之差为： )(! 212121211xxfxxfx2的影响在输出中被消除了，达到全补偿的影响在输出中被消除了，达到全补偿32如果函数如果函数f(x1,x2)是是f1(x1)和和f2(x2)之积，例如之积，例如)()(),(221121xfxafxxf则取上两式之比，它们的输出为则取上两式之比，它们的输出为（作用函数：）（作用函数：）)()(),(2221112211xxfxxafxxxxf)()(),(22211221xxfxafxxxf)()(),

30、(),(111112212211xfxxfxxxfxxxxf消除了干扰量影响，得到了完全补偿。消除了干扰量影响，得到了完全补偿。例子：工作应变片与补偿应变片接成桥式电路。例子：工作应变片与补偿应变片接成桥式电路。333.差动方式 （3 3）差动方式）差动方式 被测量朝两个方向对称变化，而作为影响量的次要变量则朝被测量朝两个方向对称变化，而作为影响量的次要变量则朝一个方向变化，然后取差，就能将被测量选择出来。一个方向变化，然后取差，就能将被测量选择出来。 使传感器的两个相反的方向（即一个增大，另一个减小）使传感器的两个相反的方向（即一个增大，另一个减小），感受同一被测量，而且以两个相同方向感受干

31、扰量，取两个，感受同一被测量，而且以两个相同方向感受干扰量，取两个函数之差作为输出。函数之差作为输出。 例如：差动结构传感器有例如：差动结构传感器有差动式电容差动式电容、电感传感器电感传感器、变压器式变压器式以及利用传播时间差原理的以及利用传播时间差原理的超声波流速仪超声波流速仪、应变式电桥应变式电桥传感器传感器等。等。 设被测量为设被测量为x1，干扰量为，干扰量为x2，则差动式作用函数分别为，则差动式作用函数分别为),(),(22112211xxxxfxxxxf34 )x( )xx(2)x( 21 + xxf+xxf+）x，x（ =）x + x， x(22222212122121222112

32、12211xfxxfxffxf )x( )xx(2)x( 21 + xxf+xxf- ）x，x（ =）x + x， x(2222221212212122211212211 xfxxfxffxf)(2)(2）x + x， x(- ）x + x， x(212121122112211xxxxfxxfxfxf用多项式展开，忽略两次以上的高阶量，并求差得：用多项式展开，忽略两次以上的高阶量，并求差得：)(! 22)(! 21),(),(2121221212112212211xxxxfxxfxxfxxxfxxxxf35 0212xxf 可知与补偿法相比，灵敏度提高了一倍，消除了可知与补偿法相比，灵敏度提高了一倍，消除了(x2 )2非线性项，改善了传感器的非线性。非线性项，改善了传感器的非线性。当当x1, ,x2为算术迭加时，为算术迭加时， 例：一维线性组合例：一维线性组合 )()(),(22211121xfaxfaxxf此时此时x2的影响可完全消除。的影响可完全消除。36（4）频率域频率域及时间域的选择及时间域的选择 信号和噪声的频带重迭时，可以对信号频率进行