《传感器技术》课件-项目一 传感器的基础

传感器原理与应用目录Contents项目一传感器的基础项目导读传感器技术在日常生活、社会生产和科学研究中扮演着重要的角色。传感器是人们感知、获取信息的窗口，是检测系统的核心。以传感器为核心的检测系统就像人体的神经和感官，源源不断地向人们提供宏观和微观的种种信息，成为人们认识客观世界的重要工具。本项目主要介绍传感器的定义、组成、分类、基本特性等基础知识，以及传感器检测系统、常用检测方法、传感器的应用现状与发展趋势等相关知识。学习目标知识目标技能目标素质目标掌握传感器的定义和组成掌握传感器的分类方法理解传感器的基本特性了解传感器检测系统的结构、基本类型掌握常用的检测方法了解传感器的应用现状及发展趋势能够正确识别传感器能够正确应用传感器养成脚踏实地、求真务实的工作作风弘扬科学严谨的职业精神践行服从纪律、团结协作的团队精神认识传感器01了解传感器的应用02目录ContentsPART01认识传感器 任务工单本任务要求学生正确认识传感器，掌握传感器的组成与分类。任务引入我们大多数人都有这样的经历，当你走近某些写字楼、机场的大门时，大门会自动打开，当你进入大厅之后，大门又会自动关闭。生活中还有很多类似装置，如楼梯走廊的声控灯、手机的触摸屏、红外测温仪等。这些装置之所以能够根据外界信号的变化而实现各种控制功能，是因为这些装置中装有传感器，传感器能够感受信号并将信号传递出去。随着科技的发展，生活中的传感器越来越多。思考：什么是传感器呢？传感器是由哪些部分组成的呢？任务实施——绘制传感器“家谱”图1．实施目的（1）理解传感器的定义。（2）掌握传感器的分类方法和种类。2．实施器材白纸，笔。（1）将学生以5～6人为一组进行分组，并选出组长。3．实施步骤任务实施——绘制传感器“家谱”图请指导教师按照学生的实际表现情况进行评价，并将评价结果填入表1-1中。学生结合自身表现和指导教师的评价，对本次实施进行总结。4．任务评价（2）组长组织组内学生搜集资料，整理传感器的分类方法和种类，并列举每种传感器1～3个

应用案例。（3）组长组织组内学生绘制传感器“家谱”图。（4）各组交叉点评，指出问题，总结、修正“家谱”图。（5）各组展示成果，指导教师点评。任务实施——绘制传感器“家谱”图序号评价标准满分实际得分教师评语1正确认识传感器30

2正确掌握传感器的分类方法和种类30

3小组成员协作良好、任务完成度高20

4讲解流畅，逻辑清晰20

总分100

个人总结

表1-1任务评价表传感器的定义传感器是指能感受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。可用输出信号是指便于传输、转换、处理、显示的信号。这种信号可以是电信号、光信号、声信号，目前主要是电信号。因此，可以把传感器狭义地定义为：将非电信号转换为电信号的器件。（1）传感器是检测装置，能完成某种检测任务。（2）它的输入量（被测量）可以是物理量、化学量、生物量等。（3）它的输出信号主要是电信号。（4）输入量与输出量有对应关系，且具有一定的精度。传感器的组成传感器通常由敏感元件、转换元件及信号调理电路组成，有时还包括辅助电源。传感器的组成框图如下图所示。其中敏感元件和转换元件为传感器的基本组成部分，分别完成检测和转换两个基本功能。但只由敏感元件和转换元件组成的传感器，其输出信号通常较弱，这就需要信号调理电路将输出信号进行放大并转换成易于传输、便于处理的可用输出信号。传感器的组成（1）敏感元件：传感器中能直接感受（或响应）被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的部分。（2）转换元件：传感器中能将敏感元件感受（或响应）的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。这种电信号通常较弱。（3）信号调理电路：将转换元件输出的弱电信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。知识传声筒传感器的敏感元件与转换元件之间并无严格的界限。例如，在热电偶传感器中，热电偶既是敏感元件，又是转换元件。而有些传感器不止一个转换元件，要经过多次信号转换才能将非电信号转换成电信号。例如，应变式密度传感器要经过三次信号转换才能将密度信号转换成相应的电信号。传感器的分类传感器用途广泛，种类繁多，分类方法也很多。如下图所示为传感器的分类。比较常用的分类方法有以下几种。按照传感器感知外界信息所依据基本效应的不同，传感器可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。1．按照传感器感知外界信息所依据的基本效应分类按照传感器工作原理的不同，传感器可分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电式传感器、声波式和辐射式传感器等。这种分类方法有利于对传感器工作原理的阐述和对传感器的深入研究与分析。本书主要采用这种分类方法进行介绍。2．按照传感器的工作原理分类传感器的分类传感器的分类按照传感器被测参数的不同，传感器可分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。这种分类方法有利于准确表达传感器的用途，方便使用者的选用。3．按照传感器的被测参数分类按照传感器输出信号的不同，传感器可分为模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器是指传感器的输出信号为连续的模拟信号；数字传感器是指传感器的输出信号为离散分布的数字信号。4．按照传感器的输出信号进行分类传感器的分类课堂讨论想一想，我们日常生活中常用的传感器有哪些？传感器的基本特性在社会生产和科学研究中，通常需要对各种参数进行检测和控制，从而得到相关数据，实现相应的控制功能。这就要求传感器能将被测非电信号的变化不失真地变换成相应的电信号，能否满足要求主要取决于传感器的基本特性，即输入输出特性，它是传感器敏感材料特性和内部结构参数作用关系所表现的外部特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性两种。传感器的基本特性1．传感器的静态特性传感器的静态特性是指输入的被测量不随时间变化或随时间变化极其缓慢时传感器的输入与输出关系。衡量传感器静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移、精度等。线性度传感器的线性度(又称非线性误差)是指传感器的输入与输出之间的线性程度。输入与输出关系可分为线性特性和非线性特性两部分。通常，为了方便标定和数据处理，理想的输入与输出关系应该是线性的。但实际遇到的传感器，其输入输出关系大多为非线性关系。如果不考虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输入与输出关系可表示为

传感器的基本特性

各项系数不同，特性曲线的具体形式也不同。静态特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中，人们为了方便标定和数据处理，希望传感器的输入输出关系为线性关系，因此引入了各种非线性补偿环节。例如，通过非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，可使传感器的输入输出关系达到或接近线性关系。如果传感器非线性的方次不高，且输入量变化范围较小，则在传感器的输入输出特性曲线中可使用一条直线近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，如下图所示。图中所采用的直线称为拟合直线。传感器的基本特性传感器的基本特性

式中：

灵敏度灵敏度S是指传感器在静态下输出量的增量Δy与引起该增量的相应输入量增量Δx之比，即

它表征传感器对单位输入量变化的反应能力。灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏。传感器的基本特性对于输入输出关系为线性关系的传感器，灵敏度就是其输入输出特性曲线的斜率，即而对于输入输出关系为非线性关系的传感器，其灵敏度为一变量，它实际上是工作点处的切线斜率，即传感器的灵敏度如下图所示。

传感器的基本特性迟滞现象主要是由于传感器敏感元件的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的，如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞

式中：

传感器的基本特性重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程连续多次变化时，所得各条特性曲线之间的一致程度，如下图所示。各条特性曲线越靠近，说明重复性就越好。重复性误差属于随机误差，一般用正反行程中最大重复差值与满量程输出之比的百分数表示，即

传感器的基本特性漂移传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器的输出量随着时间或温度的变化而变化的现象。产生漂移的原因主要有两个方面：一是传感器自身敏感材料的特性和结构参数发生老化，这种漂移称为时间漂移；二是测试过程中周围环境（如温度、湿度等）发生变化。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度发生变化而引起输出量的变化。精度精度又称静态误差，是传感器在满量程内任一点的输出值相对被测量理论值的偏离程度，是反映系统误差和随机误差的综合指标。传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器的输出量对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量是时间的函数时，传感器的输出量也是时间的函数，此时两者之间的关系要用动态特性来表示。一个动态特性好的传感器，其输出量将再现输入量的变化规律，即输出量与输入量具有相同的时间函数。实际上，除了具有理想的比例特性外，输出量与输入量并不具有完全相同的时间函数，这种输入与输出之间的差异就是动态误差。研究传感器的动态特性主要是从测量误差的角度分析产生动态误差的原因及改善措施。由于绝大多数传感器都可以简化为一阶或二阶系统，因此一阶和二阶传感器是最基本的研究对象。研究传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法进行分析。本讲小结传感器的定义传感器的组成传感器的分类传感器的基本特性电阻式传感器项目二项目导读电阻式传感器是将被测量的变化转换成电阻变化的装置。电阻式传感器可对位移、形变、力、力矩、加速度、温度、湿度等物理量进行测量，是冶金、电力、交通、石化、生物医学和国防等部门自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。本项目主要介绍应变式传感器、压阻式传感器和热敏电阻式传感器三种电阻式传感器。学习目标知识目标技能目标素质目标掌握应变式传感器敏感元件的结构和工作原理掌握应变式传感器的测量电路掌握压阻式传感器敏感元件的结构和工作原理掌握压阻式传感器的测量电路掌握热敏电阻式传感器敏感元件的结构和工作原理掌握热敏电阻式传感器的测量电路了解电阻式传感器的应用能够应用金属电阻应变片制作与调试电子称重模拟装置能够使用压阻式压力传感器测量压力能够制作与调试温度控制开关养成脚踏实地、求真务实的工作作风弘扬科学严谨、精益求精的工匠精神认识应变式传感器01认识压阻式传感器02目录Contents认识热敏电阻式传感器03PART01认识应变式传感器任务工单本任务要求学生正确认识应变式传感器，掌握应变式传感器的结构、工作原理及应用。任务引入电子秤种类多样，常见的有家用体重计、超市使用的多功能电子台秤、称量稀有金属的精密电子秤及称量货车载重的地磅等，如下图所示。尽管它们的用途不同，但工作原理基本一致。任务引入电子秤通常采用应变式传感器，在工作时，将物体放置在托盘上，应变式传感器感应到压力后，其内部的金属电阻应变片便会产生形变，电阻随之发生变化，传感器电路便产生相应的电压信号。电压信号先由信号调理电路进行放大、滤波，再由A/D转换电路进行数字化转换，最终被转换成数字信号并送至微处理器。微处理器结合按键电路的输入信息及指令进行数据处理，然后将相应的处理结果通过显示电路显示出来。思考：什么是应变式传感器？它是怎样工作的？任务实施——制作与调试电子称重模拟装置1．实施目的（1）了解金属电阻应变片的结构、特点。（2）理解应变式传感器的工作原理。2．实施器材金属电阻应变片（2片，型号为BF350-3AA），电阻器（4个，电阻分别为200Ω、350Ω、300Ω、150Ω），电池（1节，型号为6F22，电压为9V），可变电阻器（2个，最大电阻分别为100Ω和2000Ω），微安表（量程为199.9μA），万用表，细导线，电烙铁，焊锡丝，焊片，削铅笔的小刀，酒精棉球，502胶水，绝缘胶布，细纱布，塑料托盘，砝码（若干，单个重量为20g），薄膜片。任务实施——制作与调试电子称重模拟装置3．实施步骤将学生以3～5人为一组进行分组。各组按照以下步骤制作与调试电子称重模拟装置。（1）观察金属电阻应变片BF350-3AA型金属电阻应变片的电阻为350Ω0.1Ω，基底为改性酚醛树脂材料，敏感栅的栅丝为康铜箔材料。该型金属电阻应变片的尺寸为7.0mm4.5mm，采用了全封闭结构，如右图所示。任务实施——制作与调试电子称重模拟装置（2）粘贴金属电阻应变片在小刀刀片正反两面的指定位置画出金属电阻应变片的贴片位置，并用细砂布打磨，打磨后用酒精棉球擦洗干净。在金属电阻应变片的基底底面涂上502胶水，并立即将金属电阻应变片粘贴在贴片位置，使金属电阻应变片基准线对准定位线，再将一小片薄膜盖在金属电阻应变片上，用手指轻轻挤压掉多余的胶水，待金属电阻应变片与刀片完全黏合后松开手指，并从金属电阻应变片无引线的一端揭掉薄膜。在金属电阻应变片的引线附近粘贴好接线端子，同时在引线下面粘贴一层绝缘胶布，在引线焊接端去除绝缘层并涂上焊锡，将引线与敏感栅焊接牢固。焊接好引线后应立即在金属电阻应变片的焊接端子处涂一层防护层，对其进行防潮、防老化处理。将粘贴后的金属电阻应变片在室温下自然干燥15～24h。待自然干燥完成后，利用万用表检测金属电阻应变片敏感栅是否有短路或断路等故障。如有，则应查找原因并排除故障，或重新粘贴制作。任务实施——制作与调试电子称重模拟装置（3）连接电路按照如下图所示的电路图连接电路，并将金属电阻应变片的引线和连接电路的导线焊接在焊片上。将小刀刀把固定于桌子边沿，刀片悬空，用细线吊着塑料托盘挂于刀片上，可用胶布在刀片上固定好细线。任务实施——制作与调试电子称重模拟装置（4）平衡电桥接通电源，调节零点电位器使微安表读数为0，即电桥平衡。（5）模拟电子称重取一个20g砝码放在托盘里，记录微安表的读数。若读数不为整数，则微调，使读数为整数值。依次增加砝码数量，记录微安表读数，并填入表2-1中。分析测得的数据是否存在测量误差，若存在误差，则分析造成误差的原因。表2-1数据记录表砝码/g

任务实施——制作与调试电子称重模拟装置请指导老师按照学生的实际表现情况进行评价，并将评价结果填入表2-2中。学生结合自身表现和指导老师的评价，对本次实施进行总结。3．实施步骤任务实施——制作与调试电子称重模拟装置表2-2任务评价表序号评价标准满分实际得分教师评语技能操作正确认识金属电阻应变片20

正确粘贴金属电阻应变片20

正确连接与调试电路20

正确模拟电子称重20

参与程度认真参加活动，积极思考，主动与同学、指导老师进行交流，善于发现和解决问题10职业素养具有团队协作精神和责任意识，具有一定的创新思维10总分100

个人总结

敏感元件电阻应变片是应变式传感器最常用的一种敏感元件。应变式传感器是利用电阻应变片将应变变化转换为电阻变化的。电阻应变片品种繁多、形式多样。常用的电阻应变片为金属电阻应变片和半导体电阻应变片。本任务主要介绍金属电阻应变片。1．结构敏感元件金属电阻应变片主要由敏感栅、基底（基片）、覆盖层（盖片）、引线等部分组成，如下图所示。（1）金属电阻应变片的结构敏感元件敏感栅敏感栅由电阻丝（箔）以栅形粘贴在基底和覆盖层之间，其主要作用是实现由应变变化到电阻变化的转换，是金属电阻应变片的核心。基底和覆盖层基底的主要作用是固定敏感栅，并使敏感栅与弹性元件相互绝缘。覆盖层的主要作用是保护敏感栅，避免其受到机械损伤，并防止其高温氧化。引线引线是焊接在敏感栅两端，用来连接敏感栅和测量电路的丝状或带状金属导线。目前，引线材料主要为性能稳定且电阻率较低的镀锡铜线。当金属电阻应变片工作时，基底会将弹性元件的应变准确地传递给敏感栅。为此，基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。常用的基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布等。覆盖层使用的材料与基底相同。敏感元件根据敏感栅加工工艺的不同，金属电阻应变片可分为金属丝式应变片、箔式应变片和薄膜式应变片。（2）金属电阻应变片的类型

金属丝式应变片的敏感栅通常由直径为0.01～0.05mm的金属丝通过弯曲绕线的方法制成，如下图所示。金属丝可以被弯曲成U型、V型、H型等多种形状。其制作方法简单，但灵敏度不高。金属丝式应变片敏感元件

箔式应变片的敏感栅一般由厚度为0.003～0.01mm的金属箔片通过光刻、腐蚀等工艺制成。同时，由于该敏感栅可以制成各种图形，所以也称其为应变花，如下图所示。金属箔片的材料多选择电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片

薄膜式应变片是采用真空蒸镀或真空沉积等方法，在基底上形成一层厚度在0.1μm以下的金属薄膜敏感栅，再加上覆盖层制成的。与箔式应变片相比，薄膜式应变片的电阻率更高、尺寸更小、散热更好且工作范围更广。特别是近年来，由于激光技术的发展，电阻器的制造精度大大提高。因此，薄膜式应变片已成为目前最具发展前景的金属电阻应变片。薄膜式应变片敏感元件金属电阻应变片的性能参数有灵敏度系数、横向效应、标准电阻、绝缘电阻、应变极限等。（3）金属电阻应变片的性能参数敏感元件灵敏度系数受两个因素影响：一是受力后材料几何尺寸的变化；二是受力后材料电阻率的变化。实验证明，在一定的应变范围内，金属电阻应变片的灵敏度系数K是一个常数。灵敏度系数将金属电阻应变片粘贴于受单向应力作用的物体表面，并使敏感栅纵向轴线与应力方向一致，此时金属电阻应变片电阻的相对变化量AR/R与沿应力方向的应变的比值称为灵敏度系数，即

敏感元件横向效应金属电阻应变片的敏感栅是由N条长度为的直线段和直线段端部的（N-1）个半径为r的半圆圆弧组成的。将金属电阻应变片粘贴在被测物体上，若该金属电阻应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变，则各直线段的电阻将增大，但在半圆弧段则受到小于的应变，圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。因此将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但是由于敏感栅的电阻变化减小，其灵敏度系数较整长电阻丝的灵敏度系数要小，这种现象称为金属电阻应变片的横向效应，如下图所示。敏感元件标准电阻金属电阻应变片在无应变的情况下的电阻称为标准电阻。常用的标准电阻等级有60Ω、120Ω、250Ω、350Ω、1000Ω等，其中以120Ω最为常用。绝缘电阻绝缘电阻是指已粘贴的金属电阻应变片的敏感栅及引出线与被测物体之间的电阻。绝缘电阻越大越好，通常要求绝缘电阻在50～120MΩ以上。绝缘电阻下降会使检测系统的灵敏度降低，使金属电阻应变片的指示应变产生误差。应变极限当温度一定时，金属电阻应变片的指示应变和真实应变的相对误差不超过10%，金属电阻应变片所能达到的最大应变称为应变极限。敏感元件（1）检查金属电阻应变片的外观是否平整，是否有破损，是否存在短路、断路、金属丝折断等情况。（2）清除被贴附物体（弹性元件）表面的污物、氧化层等，使其保持平整、光滑。（3）确定贴片位置，并标出金属电阻应变片中心线和贴片位置中心线。（4）粘贴时，首先用清洁溶剂擦洗贴片位置，然后在金属电阻应变片的粘贴面涂上一层薄薄的胶水，再将金属电阻应变片中心线与贴片位置中心线对准并贴牢，最后在金属电阻应变片上盖上一层蜡纸，并挤出接触面中多余的胶水和气泡。金属电阻应变片的粘贴工艺敏感元件（5）根据所选胶水类型和要求，将粘贴好的金属电阻应变片固化。（6）检查粘贴效果，包括：金属电阻应变片和贴片位置中心线是否重合，粘贴面是否有气泡，是否存在断路、短路等。（7）在金属电阻应变片的引线附近粘贴好接线端子，同时在引线下面粘贴一层绝缘胶布，在引线焊接端去除绝缘层并涂上焊锡，将引线与敏感栅焊接牢固。焊接好引线后应立即在金属电阻应变片的焊接端子处涂一层防护层，对其进行防潮、防老化处理。金属电阻应变片的粘贴工艺敏感元件当金属导体在外力的作用下产生机械形变时，其电阻会相应地发生变化，这种现象称为应变效应。应变式传感器就是基于金属导体的应变效应工作的。弹性元件在被测量（如力、力矩等）作用下发生形变，产生相应的应变，然后传递给与弹性元件相连的金属电阻应变片，引起金属电阻应变片的电阻发生变化，最后通过测量电路转换为电压输出，电压的大小反映了被测量的大小。2．工作原理敏感元件

物体在外力作用下会发生一定的形变，形变的程度称为应变。若金属导体材料为圆截面，则其在直径方向产生的应变称为径向应变（或横向应变），在轴向上产生的应变称为轴向应变。测量电路电阻应变式传感器输出电阻的变化非常小，一般为0.0005～0.1Ω。因此，为了精确测量出输出电阻的微小变化，常用桥式电路（以下简称电桥）来实现信号的转换，再对转换后的信号进行放大处理。根据使用电源的不同，电桥分为直流电桥和交流电桥两类。测量电路

（1）直流电桥的平衡条件1．直流电桥测量电路

测量电路根据可变电阻器在电桥中分布方式的不同，电桥可分为单臂电桥、差动半桥和双差动全桥3种形式，如下图所示。测量电路

（2）电压灵敏度

测量电路

在讨论电桥的输出特性时，用了的近似条件，才得出了输出电压与电阻的相对变化量呈线性关系。但在实际应用中，当过大而不能忽略时，电桥输出电压的非线性误差就会比较大。测量电路

测量电路课堂讨论请根据单臂电桥电压灵敏度的推导过程，推导差动半桥和双差动全桥的电压灵敏度。测量电路人们在利用应变式传感器进行测量时，总希望金属电阻应变片的电阻只与应变线性相关，而不受其他因素的影响。但实际上，当环境温度发生变化时，金属电阻应变片的电阻也会发生变化，由此产生的误差称为温度误差。（3）温度误差与温度补偿测量电路温度误差产生的原因敏感栅具有一定的温度系