检测与转换技术第一章检测与转换技术理论基础-第四章光电传感器

2026/4/21检测与转换技术2026/4/22本课程主要内容检测与转换技术基础理论。电阻式传感器的工作原理、测量电路及应用。(应变电阻、热电阻、电位器)变电抗和磁电式传感器的工作原理、测量电路及应用。

(电容、电感、霍尔、电涡流)有源传感器工作原理及应用。(热电偶,压电,光电)新型传感器工作原理及应用。(超声波、光纤、CCD图像)信号放大。（干扰与噪声、仪用放大、隔离放大）信号滤波。（无源低通、高通，有源低通、高通，带通）信号转换。（模拟开关、采样保持器、电压比较器、D/A、A/D）2026/4/23实验主要内容序号实验项目名称实验学时内容提要实验类型实验要求备注1信号调理电路实验5应变传感器测试单臂桥、半桥和全桥的工作特性综合必做实验地点：31#301室测试移相器、相敏检波器、交流电桥的工作特性2传感器特性测试及应用实验1电容传感器、霍尔传感器、光纤（任选一种传感器）综合必做电涡流传感器、光纤传感器、光电传感器、压电传感器、CCD图像传感器、光纤传感器、温度传感器特性测试及应用（可多选）综合选做3传感器应用电路设计实验4基于集成霍尔传感器的音乐控制电路设计实验、基于光电传感器的报警电路设计实验（任选一个）设计必做4检测与转换技术综合应用实验6心电检测电路设计：运用仪用放大器对人体心电信号进行放大；设计50Hz陷波器对50Hz干扰进行滤除；用DC-DC隔离电源和光电耦合器设计和调试光电隔离放大器；设计与调试A/D、D/A电路，编制上下位机通讯程序，对采集的数据进行显示。设计必做2026/4/24教学（含实践）学时主要教学内容1～2检测与转换技术概述，信号分类及特征、检测仪表、测量误差及处理、传感器知识概述3～4电阻应变片的测量原理、电阻应变式传感器命名与选择、测量电路及应用 5～6电容式传感器工作原理、结构形式、测量电路及应用7～8霍尔传感器的工作原理、霍尔元件、霍尔器件及应用9～10光电式传感器的工作原理及应用11～12光纤传感器的工作原理及应用13～14干扰一般概念及分类，运算放大器、仪用放大器电路组成及应用15～16隔离放大器、多级放大器的级联及在微弱信号检测中的应用17～18滤波器概述、无源滤波器、有源滤波器19～20滤波技术在信号检测中的应用21～22模拟开关23～24采样/保持器25～26电压比较器27～28D/A和A/D转换29～32自动检测与转换系统接口电路设计1～5信号调理电路实验6传感器特性测试及应用实验7～10传感器应用电路设计实验11～16检测与转换技术综合应用实验2026/4/25教材

马忠丽.信号检测与转换技术哈尔滨工程大学出版社.2012.3马忠丽.信号检测与转换实验技术黑龙江人民出版社.2008.6马忠丽.信号检测与转换技术实验教程哈尔滨工程大学.2008.4

高延滨.检测与转换技术.

哈尔滨工程大学出版社.2007.82026/4/26主要参考资料

[1]颜本慈.自动检测技术[M].北京:国防工业出版社,1994.1.[2]王仲生.智能检测与控制技术[M].西安:西北工业大学出版社,2002.9.[3]常健生.检测与转换技术[M].北京:机械工业出版社,1999.5.[4]王家桢等.传感器与变送器[M].北京:清华大学出版[5]刘迎春，叶湘滨等编著.传感器原理设计与应用[M].北京：国防工业出版社，2004.2026/4/27考核办法1.理论课（80%）：闭卷2.实验课（15%）：

以创新实验为主（50%），结合基本实验的预习（10%）、实验提问（5%）、实验操作（25%）、测量结果（10%）给出最终成绩。3.平时成绩（5%）

检测与转换检测转换2026/4/29第1章检测与转换技术理论基础

本章目的：1、了解检测与转换技术实际研究意义；2、了解信号一般分类与特征；3、掌握测量误差和数据处理方法；4、掌握检测仪表常用性能指标的表示方法;5、掌握传感器的基本组成和分类；了解传感器的发展趋势。本章难点：信号特征及传感器误差合成与标定。本章重点：信号特征及误差分析与数据处理方法。2026/4/2101.1检测与转换技术基本概念1.1.1检测与转换技术定义

检测与转换技术是自动检测技术和自动转换技术的总称，是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换、信息处理以及信息传输的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的－门捷列夫

利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程。

典型检测与转换系统基本组成2026/4/2112026/4/212

检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，在国民经济中占有重要地位和作用。2026/4/213

在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开检测技术。检测技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。

2026/4/214鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器声位笔:超声波传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡+D/A卡软驱:速度,位置伺服计算机中的检测技术：2026/4/215军事中的检测技术：美国国家导弹防御计划---NMD1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹头，敌友方.人体心电信号检测电路构成的方框图

2026/4/2171.2.1工业检测技术涉及的内容热工量：温度、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位；机械量：直线位移、角位移α、速度、加速度、转速、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）；几何量：长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、硬度、材料缺陷等；物体的性质和成分量：空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色；状态量：工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）；电工量：电压、电流、电功率、电阻、电感、电容、频率、磁场强度、磁通密度等（在电工、电子等课程中讲授）。1.2信号分类及特征2026/4/2181.2.2传感器信号分类1．动态信号分为确定性信号和非确定性信号(随机信号)

动态信号确定性信号随机信号周期信号非周期信号平稳信号非平稳信号简谐信号复杂周期信号准周期信号瞬变信号按性质，信号可分为静态信号和动态信号。

按随时间的变化规律

可用明确的数学关系式描述的信号不能用明确的数学关系式描述的信号，只能用概率统计方法描述。2026/4/219周期信号：当信号按一定时间间隔周而复始重复出现时,分为简谐信号和复杂周期信号。简谐信号（正弦或余弦）:

复杂周期信号：是由两个或两个以上的简谐信号叠加而成。2026/4/220B.非复杂周期信号：分为准周期信号和瞬变信号。

准周期信号（近似周期信号）：由一些不同频率的简谐信号合成，可用下式描述：瞬变信号：指冲击信号或持续时间很短的衰减信号。2026/4/2212．连续信号和离散信号（按波形的不同区分）

连续信号：在讨论的时间间隔内，对于任意时刻都可以给出确定的函数值。幅值可以是连续的，也可以是离散的，幅值和时间都是连续的信号称为模拟信号。

离散信号：是在连续信号上采样得到的信号。时间上是离散的，只是在某些不连续的规定瞬时给出函数值，其他时间则没有定义。模拟信号一般连续信号离散信号2026/4/2221.2.3测量与测量误差1．常用测量方法

一个测量过程要经过比较、平衡、读数三步来完成。在实际工作中，可采用多种测量方法：等精度测量和不等精度测量；直接测量和间接测量；接触和非接触测量；离线测量和在线测量；偏差测量、零位测量和微差测量；动态测量和静态测量。2026/4/223等精度测量法：在测量过程中，使影响测量误差的各因素(环境条件、仪器仪表、测量人员、测量方法等)保持不变，对同一被测量值进行次数相同的重复测量，这种测量方法称为等精度测量法。等精度测量所获得的测量结果，其可靠程度是相同的。不等精度测量法：在测量过程中，测量环境条件有部分不相同或全部不相同，如测量仪器精度、重复测量次数、测量环境、测量人员熟练程度等有了变化，所得测量结果的可靠程度显然不同，这种方法称为不等精度测量法。工程技术中，采用等精度测量。2026/4/224静态测量：被测量随时间不变化或缓慢变化

动态测量：被测值本身随时间快速变化

地震测量振动波形便携式仪表可以显示波形2026/4/225直接测量：用事先分度(标定)好的测量仪表、量具对被测量进行测量

例：电子卡尺间接测量：用测量仪表、量具测出与被测量有确定函数关系的其他几个物理量，然后将测得的数值代入函数关系式，计算出所求的被测物理量。

例：阿基米德测量皇冠的比重2026/4/226接触式测量：测量仪器直接与被测物体接触

非接触式测量：测量仪器不与被测物体接触

车载电子警察体温计测温2026/4/227偏差测量：用仪表指针相对于刻度尺的位移(偏差)的大小来直接表示被测量的数值。

例：指针式仪表

零位测量：用仪表的指零机构来衡量被测量与标准量是否处于平衡状态。

例：天平称重

微差测量：将偏差法和零位法组合起来的一种测量方法。

例：不平衡电桥测量电阻(应变电阻的测量)

2026/4/228在线测量：一般是指检测装备或工作站在空间上集成在制造系统中,制造过程与检测过程没有时间滞后(在加工过程中)或只有短时间的延时(在加工过程后)。

离线测量：

离线：产品质量检验

在线：在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。2026/4/229测量误差=测得值-真值客观真实值（实际值，真值

）1m=1650763.73

①约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值③

相对真值：标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值如：米---公制长度基准

---

氪-86的2p10-5d5能级间跃迁在真空中的辐射波长测量误差：是指用器具进行测量时，被测量的测量值与被测量的真实值之间的差值测量所得数据与其相应的真值之差:δ=x–x0②理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值光在真空中1s时间内传播距离的1/2997924852.测量误差基本概念

2026/4/230测量误差来源：

工具误差(仪表误差)：测量仪表组成元件本身不完善。例：标准量具的误差，仪表灵敏度不足，仪表刻度不准，变换器、放大器的误差等。方法误差：选用测量方法不当，引用经验公式以及系数的近似性，测量中观测次数的不足。环境误差(工作条件误差)：测量工作环境与仪表校验时的规定标准状态不同，以及随时问而变化所引起的仪表性能与被测对象本身改变所造成的误差。个人误差：测试操作者个人的感官生理不同与变化、最小分辨力、反应速度和固有习惯以及操作不熟练、疏忽与过失等所造成的误差。测量误差的分类：按误差出现的规律进行分类：系统误差、随机误差、粗大误差系统误差：系统误差(简称系差)，在同一条件(指人员、仪器及工作环境等条件)下对同一物理量进行多次测量时，误差的绝对值和符号保持不变，或者在该测量条件改变时，误差按某一确定的规律变化。系统误差表明测量结果偏离真值或实际值的程度。系统误差越小，测量越准确。通常用准确度表征系统误差大小。2026/4/232系统误差：

1)恒定系差:

该系差是指在一定的条件下，误差的数值及符号都保持不变的系统误差。

2)变值系差:该系差是指在一定的条件下，误差按某一确切规律变化的系统误差。根据其变化规律又可分为以下几种情况：

**累进性系差。在整个测量过程中误差数值逐渐增加或逐渐减少。（在整个检测系统量程内误差值与被测量成比例地变化）。

**周期性系差:在测量过程中误差数值发生周期性变化。

**按复杂规律变化的系差:变化规律十分复杂，一般用曲线、表格或经验公式来表示。

系统误差产生原因：

材料、零部件及工艺的缺陷；环境温度、湿度、压力的变化以及其他外界干扰等。

系统误差消除方法：

系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。2026/4/233随机误差：

随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。存在随机误差的测量结果中，单个测量值误差的出现是随机的，不能用实验的方法消除，也不能修正，但就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。随机误差表现了测量结果的分散性，用精确度来表征，随机误差越小，精确度越高。

长度相对测量值彩票摇奖粗大误差:偏离了实际值的歪曲了测量结果的误差，主要由于测试人员粗心大意，过度疲劳，操作不当，疏忽失误等引起，故称过失误差。测量误差的分类：按使用条件分类分类：基本误差、附加误差基本误差：是指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。所谓标准条件一般指检测系统在实验室(或制造厂、计量部门)标定刻度时所保持的工作条件，电源电压220V土5％；温度20土5℃；湿度小于85％；电源频率50Hz等。基本误差是检测系统在额定条件下工作所具有的误差，检测系统的精确度就是由基本误差决定的。附加误差：当使用条件偏离规定的标准条件时，除基本误差外还会产生附加误差，例如由于温度超过标准引起的温度附加误差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加差在使用时应叠加到基本误差上去。测量误差的分类：按误差与被测量的关系分类：定值误差、累积误差定值误差：指误差对被测量来说是一个定值，不随被测量变化。这类误差可以是系统误差，也可以是随机误差。

累积误差：在整个检测系统量程内误差值与被测量成比例变化。2026/4/236随机误差的正态分布：

设在一定条件下，对一个量（真值为X0）进行N次的等精度重复测量，得到一组测量结果，则各值出现的概率密度分布为：

在正态分布的概率密度函数中包含着随机变量的一些重要信息。一个随机变量具有两个重要的参数：数学期望（被测量真值）x0和方差σ2。被测量真值x0体现了测量值取值平均的大小，它反映了测量值取值的集中位置，而用方差σ2来衡量测量值取值在被测量真值x0附近的散布程度。3.测量误差处理1）随机误差的处理2026/4/237置信区间

随机变量取值的范围，用符号表示。置信区间以的倍数来表示，即置信区间与置信概率置信概率

随机变量在置信区间内取值的概率，表示为置信水平

随机变量在置信区间外取值的概率，又称显著水平。

2026/4/238置信区间越宽，置信概率越大，随机误差的范围也越大，对测量精度的要求越低。反之，置信区间越窄，置信概率越小，误差范围也越小，对测量精度要求越高。

当Z=1时，置信概率为，置信水平为，说明随机误差落在区间内的机会为66.7%

当Z=3时，置信水平为，即发生概率很小，通常评定随机误差时以为极限误差。

2026/4/239随机误差的特点：

(1)集中性(2)对称性(3)有限性(4)抵偿性大量重复测量时所得到的数值，均集中分布在其平均值附近。当测量的次数足够多时，符号相反、绝对值相等的误差，出现的机会(或称概率)大致相等。绝对值很大的误差，出现的机会极少。因此在有限次的测量中，误差绝对值不超过一定的范围。从对称性中可以推论出，当测量次数趋于无穷多时，随机误差的平均值的极限将趋于零。随机误差的处理方法：

服从正态分布的随机变量有两个重要参数：数学期望x0和方差σ2，即被测量真值x0和标准误差σ。一般情况下,x0和σ是未知的并无法知道。2026/4/240**被测量真值X0的最佳估计在一定条件下对同一待测量进行多次重复测量，获得ｎ个测量值，这ｎ个测量值的集合称为样本或测量列。可以证明样本的算术平均值是

被测量真值的最佳估计:设残余误差

**标准误差σ估计在有限次测量中取:

测量误差

2026/4/241**平均值的标准偏差的最佳估计前面已经介绍样本平均值是被测量真值的最佳估计，一般情况下重复若干次测量后，可以由样本平均值来表示测量结果。虽然平均值是样本统计量，但是它本身也是一个随机变量。

**测量结果的表示

对于一组数据进行N次等精度测量，在不考虑系统误差和粗大误差的情况下，所得的数据表示为：用测量值表示用平均值表示2026/4/242例：对某量进行多次重复的等精度测量，测量次数为10次，在不考虑系统误差和粗大误差的情况下，测量结果如下，试求标准误差和极限误差，并写出测量结果表达式。123.95,123.45,123.60,123.60,123.87,123.88,123.00,123.85,123.82,123.602026/4/2432026/4/2442）系统误差的处理①

引入修正值法②

零位式测量法(平衡式测量法)零位式测量法是标准量与被检测量相比较的测量方法，零位式测量必须使检测系统有足够的灵敏度。自动平衡显示仪表就属于零位式测量。③

替换法(替代法、代替法、异号法)替换法是用可调的标准器具代替被测量接入检测系统，然后调整标准器具，使检测系统的指示与被测量接入时相同，则此标准器具的数值等于被测量。测量的精确度主要取决于标准已知量，对指示器只要求有足够高的灵敏度即可。④

对照法在一个检测系统中，改变一下测量安排，测出两个结果。将这两个测量结果互相对照，并通过适当的数据处理，可对测量结果进行改正。2026/4/2453）粗大误差的处理粗大误差产生原因：主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。特点：就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。判别方法：目前常用的判别准则有：拉依达准则和肖维奈准则。

偏差特别大弹着点接近正态分布弹着点均偏向右上侧2026/4/2461.3.1检测仪表的基本组成1.检测仪表通常由：传感器、变换器、显示器以及连接各环节的传输通道。1.3检测仪表概述被测对象传感器变换器显示器检测仪表的组成框图2026/4/2472、自动检测系统的组成被测量被测对象传感器存储记录信号转换A/D转换微机自动检测系统原理框图D/A转换被控对象数据分析远程传输执行机构2026/4/248人体心电信号检测电路构成的方框图2026/4/249例：智能电子警察监测系统2026/4/250号2026/4/2512026/4/2522026/4/2531.3.2检测仪表的功能及性能指标一检测仪表的功能在测量过程中测量仪表要完成的主要功能有：物理量的变换、信号的传输和处理、测量结果的显示。二检测仪表的性能指标仪表的性能指标：技术、经济及使用等三方面的指标。衡量仪表检测能力的是技术指标。1)量程：用仪表测出被测参数的最高值和最低值，分别称为仪表测量范围的上限和下限。测量范围的上限值和下限值的代数差即为仪表的量程B。

2)基本误差与附加误差：基本误差是指仪表在规定的工作条件(参比工作条件)下的误差。附加误差是指仪表未能在规定的工作条件下，使用而产生的另外增加的误差。

2026/4/254①约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值。**绝对误差：仪表的指示值与被测量的真值之间的代数差值。客观真实值（未知）③相对真值：标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值。如：米---公制长度基准②理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值。思考：某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？修正值2026/4/255**相对误差:仪表指示值的绝对误差与被测量的真值的比值.思考：用高压表测量1000v电压，测得值为1005v；用电压表测量100V电压，测得值为105V；用温度计测量200℃炉温，测得值为205℃,试比较三种仪表的测量精度。

由于被测量的真实值x0是不知道的，因此可改用测量值x近似代替真值x0进行计算。**引用误差：仪表指示值绝对误差与仪表量程B的比值：**最大引用误差：最大引用误差是仪表基本误差的主要形式，常称为仪表的基本误差，是仪表的主要质量指标。

2026/4/256[作业题1]试检定一台2.5级、上限为100v的电压表。由检验记录中发现50v分度点的示值误差最大为2v,并较其他点为最大。[作业题2]某待测的电压约为100V，现有0.5级量限0-300v和1.0级量限0-100v两个电压表，问用哪一个电压表测量较好?2026/4/2573）精度等级：仪表在出厂检验时，其示值的最大引用误差不能超过规定的允许值，此值称为允许引用误差，记为Q。

工业仪表即以允许引用误差值的大小来划分精度等级，并规定用允许引用误差去掉百分号(％)后的数字来表示精度等级。国家规定电工仪表精度等级分0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七级。表仪表的准确度等级和基本误差4)灵敏度与分辨率：灵敏度：指稳态时仪表的单位输入量变化所引起的输出量的变化。灵敏度K可表示为：

2026/4/258仪表灵敏度高，精度可以提高，但过高的灵敏度会带来读数不稳定的影响。

a)静态特性曲线是直线b)静态特性曲线不是直线图仪表的灵敏度静态特性曲线分辨率：是指测量仪表能够检测出被测信号最小变化量的能力。模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半；数字式仪表的分辨率则指末位数字所代表的值。为了保证检测精度，测量仪表的分辨率应小于系统允许误差的l/3或1/5或1/10。例如，右图所示的数字式温度计分辨力为0.1℃。2026/4/2595)迟滞性（变差、回差）：指当输入量上升和下降时，对于同一输入值的仪表两相应输出示值之间的代数差。迟滞性，表明仪表检验时所得输入量增大的上升曲线和返回的下降曲线出现的不重合现象。反映传感器机械部分不可避免的缺陷。大小一般由实验确定，其值以满量程输出的百分数表示：***如果变差的最大值除以量程的结果是在允许误差范围之内，则认为此仪表是合格的。这种现象可能是由于仪表内某些元件吸收能量所引起，例如弹性变形的滞后现象，磁性元件的磁滞现象；或者是由于仪表内传动机构的摩擦、间隙等造成的。输出值在正反行程间的最大差值

满量程输出2026/4/260仪表的静态特性：表示仪表在被测各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。指标有：线性度、迟滞、重复性和灵敏度。**线性度：

*理想线性

*在原点附近相当范围内输出-输入特性基本成线性

*输出-输入特性曲线不对称*普遍情况

非线性项待定常数

输出量零位输出仪表的灵敏度输入量(被测量)对于实际传感器，测出的输出—输入校准(标定)曲线与其理论拟合直线之间的偏差，就称为该传感器的“非线性误差”，或称“线性度”，通常用相对误差表示其大小。6)线性度：6)线性度：线性度用来说明仪表静态特性对一条指定的直线的吻合程度。测出的输出—输入校准(标定)曲线与其理论拟合直线之间的偏差，称为该传感器的“非线性误差”，或称“线性度”，通常用相对误差表示其大小，即相对应的最大偏差与传感器满量程B之比(％)。2026/4/261线性度输出平均值与基准拟合直线的最大偏差传感器满量程输出平均值

2026/4/262*基准直线选择方法：

①理论线性度——取零点(0%)作为理论直线的起始点，满量程输出(100%)作为终止点，两点的连线即为理论直线，如图所示。②端基线性度——把传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成直线，

2026/4/263例如：采用连接特性曲线上、下限值两端点的直线作基准，以特性曲线与端基直线之间的最大偏差值与上限值之比来衡量线性度，称为端基线性度。

作图法求端基直线线性度演示1—拟合曲线（端基直线）2—实际特性曲线③

独立线性度——在校准曲线循环中找出一条最佳平均直线，使实际输出特性相对于所选拟合直线的最大正偏差值、最小负偏差值相等。④平均选点线性度——将测量得的N个检测点分成数目相等的两组：前N/2个检测点为一组；后N/2个检测点为另一组。两组检测点各自具有“点系中心”。检测点都分布在各自的点系中心的周围，通过这两个“点系中心”的直线就是所要的拟合直线。其斜率和截距可以分别求得。把斜率和截距代入直线方程式，即得平均选点法的拟合直线，再由此求出非线性误差。2026/4/2642026/4/265⑤最小二乘法线性度设拟合直线方程式为。假定实际校准点有n个，对应的输出值是y，则第i个校准数据与拟合直线上相应值之间的残差为：最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使为最小值。从以上二式求出k和b为可得最小二乘法最佳拟合直线方程

2026/4/2667)漂移：保持仪表输入量不变时，输出示值随时间或温度的改变而缓慢变化称之为漂移。随时间变化的漂移称为时漂。随环境温度变化的漂移称为温漂。

漂移反映仪表工作的稳定性，对于需要长时间运行的仪表，这个指标更为重要。8)可靠性：可靠性指仪表在规定工作条件下和规定工作时间内，保持原有技术性能的能力。

**平均无故障时间MTBF(MeanTimeBetweenFailures)：是仪表连续运行时发生一次故障的时间间隔的平均值。假设某仪表在90000h的运行中发生了12次故障，则该仪表的MTBF为7500h。**仪表的平均故障率：单位时间内仪表发生故障的平均次数。

2026/4/267仪表故障率的变化规律按其寿命特征可分为早期故障、偶然故障和耗损故障三个不同时期。9)响应时间：动态响应特性研究测量仪表的动态响应特性，主要是为了从测量角度去分析和研究动态误差的产生原因及改善方法。——瞬态响应法和频率响应法。

响应时间：当仪表输入阶跃变化时，仪表输出从一个稳态到另一个稳态值所需的时间。2026/4/2681.4传感器知识概述1.4.1传感器基本知识1．传感器的概念

能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。2．传感器的组成电信号电量中间量传感元件转换电路被测量敏感元件例：测量压力的电位器式压力传感器1-弹簧管2-电位器2026/4/269**弹性敏感元件（弹簧管、波纹管、膜盒、膜片）

敏感元件作用：在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。

在图中，弹簧管将压力转换为角位移α2026/4/270**传感元件：被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量。

右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量——电阻的变化（ΔR）

360度圆盘形电位器

右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。2026/4/271**测量转换电路：作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。

在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo

。分压比电路的计算公式如下：

****直滑电位器式传感器:输出电压Uo与滑动触点C的位移量x成正比：****圆盘式电位器:Uo与滑动臂的旋转角度成正比：

2026/4/2723.传感器分类1）按输入的物理量分：温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、振动传感器等。2）按转换原理分：电参数传感器——电阻式、电容式、电感式、频率式、脉冲数字式。电量传感器——电势式、电荷式。

基本被测量包含被测量热工量温度、压力、压差、流量、热量、比热、真空度等机械量位移、尺寸、形状、力、应力、力矩、加速度、振动等化学物理量液体、气体的化学成分、浓度、粘度、酸碱度、湿度、密度等、生物医学量血压、体温、心电图、脑电波、其流量等1.4.2传感器功能材料结构材料:具有抵抗外力作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能，制造用具、车辆和修建房屋、桥梁等

功能材料：具有特定光学、电学、声学、磁学、热学、力学、化学、生物学功能及其相互转化功能，并应用于现代高新技术中材料。1.传感器功能材料(1)半导体材料

硒、锗、硅（90%以上）；GaAs、GaP、SiC等(2)功能陶瓷材料

压电陶瓷、磁性陶瓷、半导体陶瓷等(3)功能高分子材料

导电功能高分子材料、压电和热电高分子材料(4)纳米材料（超微颗粒材料）

纳米颗粒型材料、纳米膜材料、碳纳米管、纳米固体材料等2026/4/273功能陶瓷压电陶瓷磁性陶瓷2026/4/274半导体陶瓷纳米材料2026/4/2751.4.3传感器微细加工技术1.光刻技术(1)光学光刻(2)电子束光刻(3)离子束光刻(4)X射线光刻2.蚀刻技术(1)干法刻蚀(2)湿法刻蚀

3.半导体掺杂(1)热扩散(2)离子注入2026/4/276光刻技术电子束光刻光学光刻2026/4/277刻蚀机2026/4/278半导体掺杂2026/4/2792026/4/2801.4.4传感器发展趋势

现代信息技术的三大基础是信号的获取、传输和处理技术。即传感技术、通信技术和计算机技术。传感器发展的动向主要表现在如下几个方面：1．开发新型传感器

采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等2．集成化、多功能化、智能化

同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，排成1维的线性传感器；将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件；

传感器与微处理机相结合3．开发新材料

生物体材料

形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物2026/4/2811.不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性。

提高测量精度[数字电压、欧姆表]将量程切换到2V时，最小显示值为1μV提高可靠性

[承受剧烈振动]2026/4/2822.发展集成化、功能化的传感器

可拍照的手机2026/4/2833.采用计算机技术，使检测技术智能化

面部识别技术单片机芯片2026/4/2844.发展网络化测控方法(1)有利于降低测试系统的成本；(2)有利于实现远距离测控和资源共享；(3)有利于实现测试设备的远距离诊断与维护。85第二章电阻式传感器86本章主要内容电阻应变片传感器电阻式传感器：将被测量的变化转换成电阻阻值变化

本章重点掌握电阻应变片测量原理。了解电阻应变片种类。掌握电阻应变传感器信号调理电路——直流电桥的工作原理和典型测量电路的工作特性。掌握热电阻传感器的测量原理和测量电路特性。87§2.1电阻应变式传感器

应变效应：

导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化。电阻应变式传感器组成：主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。88

一、电阻应变效应现象观察89应变片在悬臂梁上的粘贴及变形长为L、横截面积为S、电阻率为ρ的单根金属丝，电阻为：对电阻丝长度作用均匀应力，则ρ、L、S的变化(dρ、dL、dS)将引起电阻R变化dR。

电阻相对变化量为：

或二、电阻丝的应变效应若电阻丝是圆形的，则S=πr²,对r微分得dS=2πrdr，则：于是有ll+dl2r2(r-dr)F令——金属丝的径向应变。——金属丝的轴向应变；

由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为：

：电阻丝材料的泊松比。合并之后可得K称为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化。其中

对于确定的材料，(1+2v)项是常数，其数值约在1~2之间，实验证明(Δρ/ρ)/εL

也是一个常数。于是所以有沿轴向施加的外力材料的弹性模量

金属式、半导体式1．金属式电阻应变片：

932.1.2应变片种类94（a）金属丝式：

图金属丝式应变片的内部结构图金属丝式应变片制作示意图95（b）金属箔式应变片：

金属箔式电阻应变片金属箔式应变片的外形

电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻技术、腐蚀等工序制成的一种很薄的金属箔栅。金属箔的厚度在0.003～0.010mm之间。

箔式应变片优点：箔栅很薄、箔材表面积大、散热条件好，测量精度较高。箔式应变片缺点：灵敏系数低，价格较丝式昂贵。薄膜应变片：采用真空蒸发或真空沉积的方法，将金属敏感材料直接镀制于弹性基片上。箔式应变片优点：应变灵敏系数高，稳定性好、可靠性高、工作温度范围宽(-100℃～180℃)、使用寿命长、成本低。96（c）金属薄膜式：

金属薄膜式电阻应变片薄膜式应变片缺点：难控制其电阻对温度和时间的变化关系。972．半导体应变片：

半导体应变片的外形半导体应变片压阻效应：一块半导体材料的某一轴向受到一定作用力时，电阻率发生变化。优点：

其灵敏系数很高(约为丝式和箔式的50倍)，机械滞后小、横向效应小，体积小等。缺点：

电阻值及灵敏系数的温度稳定性差，测量较大的应变时非线性严重，灵敏系数的离散度较大等。

983.应变片主要性能指标举例思考题：上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？

99测量电桥：电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电压或电流输出的一种测量电路。由于电桥电路具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等优点，因此被广泛采用。电桥根据电源的性质可分为直流电桥和交流电桥两类。平衡电桥：把待测电阻与标准电阻进行比较，通过电桥平衡，从而测得待测电阻阻值。非平衡电桥：通过桥式电路来测量电阻，根据电桥输出的不平衡电压，进行运算处理，从而得到引起电阻变化的其他物理量。2.1.3电阻应变传感器测量电路*100

一、惠斯登电桥——平衡测量1．工作原理检流计G中无电流时，电桥达到平衡。

电桥平衡的条件为:R1R3=R2

R4设R1=Rx为被测电阻，则:最常用的单臂直流电桥用来测量约1

到0.1M电阻。I1R1=I2

R2E–+GR2R3R1R4IGI3R3=I4

R4电桥平衡，G无电流，I2=I3

I1=I4

*101二、惠斯登电桥——不平衡测量（偏转测量）1．工作原理——和差特性这种方法测量的不是电桥恢复平衡所需的作用量，而是测量两个分压器之间的电压差或测量通过跨接在分压器之间的检测器的电流。

根据直流电桥的平衡条件：E–+ABCDR1R4R3R2RgI1I4I3I2U*102工作时，若各臂的电阻都发生变化，即：电桥电压输出近似为2.三种典型桥路的输出特性（1）单臂电桥：

拉伸电桥至少有一个桥臂的电阻发生变化，电桥才有输出电压*103（2）双臂电桥：

拉伸压缩如果电桥两个桥臂电阻发生变化，且变化量相同时，则必须满足：相邻两个桥臂电阻发生变化，且变化趋势相反；或者相对两个桥臂电阻变化，且变化趋势相同时，才能保证电桥有输出，且输出为单臂电桥的二倍*104（3）四臂电桥（全桥）：

全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂灵敏度最低。如果电桥四个桥臂电阻同时变化，必须同时保证相邻两个桥臂电阻变化趋势相反，相对两个桥臂电阻变化趋势相同，才能保证电桥输出最大，且输出为单臂电桥的四倍三、应变电阻温度补偿*105利用电桥相邻两臂同时产生大小相等，符号相同的电阻增量不会破坏电桥平衡(无输出)的特性来达到补偿。将两个特性相同的应变片，用同样方法粘贴在同样材质的两个试件上，置于相同的环境温度中，一个承受应力，为工作片，另个不受应力，为补偿片。在测量时，如温度变化，两个应变片引起的电阻增量不但符号相同，而且数量相等。由于它们接在电桥的相邻两臂上，桥路仍然平衡。电桥如有输出，则完全是由应变引起的。

方法：2.1.4电阻应变传感器命名与选择

1.应变片命名规则1062.应变片选择方法107步骤选择参数考虑内容1应变片的系列应用精度、环境条件等2敏感栅栅长试件材料大小尺寸、粘贴面积、安装条件、应变梯度等3敏感栅结构应变梯度、应力种类、散热条件、安装空间、应变计电阻等4标称电阻使用条件、功耗大小、最大允许电压等5温度自补偿系数试件材料类型、工作温度范围、应用精度等6蠕变补偿代号弹性体的固有蠕变特性、实际测试的精度、工艺方法、防护胶种类、密封形式等7引线连接方式根据实际需要选择应变计的引线连接方式。1082.1.5电阻应变传感器的应用

电阻应变传感器的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。

电阻应变片的应用可分为两大类：

第一类：将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。

109荷重传感器原理演示

荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。

110第二类：将应变片粘贴于某些弹性元件上，并将其接到测量转换电路——应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性元件，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路。

111应变片在悬臂梁上的粘贴及变形1121.电阻应变式传感器的应用——测力应变片受压形变1132.电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。1143.冲床生产记数和生产过程监测1154.机器人握力测量1165.振动式地音入侵探测器

适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。1176.测量悬臂梁各种悬臂梁FF固定点固定点电缆118汽车衡称重系统119第三章电抗式和霍尔传感器

1．电容传感器的基本工作原理2．交流电桥3．调制解调电路4.霍尔传感器的基本工作原理5.霍尔传感器的应用1203.1.1电容式传感器工作原理由两平行极板组成一个电容器，若忽略其边缘效应，它的电容量可用下式表示：+++δA

3.1电容式传感器121

思考：上式中，哪几个参量可以作为变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？

δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。圆筒形电容器的电容为1221.极距δ

变化型++++++设动片未动时的电容量为：设动片移动x时的电容量为：电容量C与不是线性关系。3.1.2电容式传感器结构形式123量程x远小于极板初始距离δ0时：此时C与便呈线性关系，但量程缩小很多。124当时灵敏度为125应用举例1262.面积变化型角位移型+++127平面线位移型灵敏度

增加b0值或减少δ0值谐可提高传感器的灵敏度

128柱面线位移型.1293.介质变化型

因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。1314.差动电容传感器变距离型变面积型132当动片向上移动

则移动

1333.1.3电容式传感器的测量电路主要作用：将传感器产生的电容量变化转换成电压信号输出测量电路：最常用的是交流电桥。还包括信号放大部分-交流放大电路、交流信号转变为直流信号部分-解调电路、高频干扰的滤除部分-滤波电路等。电容式传感器测量电路134当电桥平衡时，没有电流流过零示仪，即ab两点的电势在任一瞬间都相等，由欧姆定律得：

1、

交流电桥（1）.交流电桥及其平衡条件135上式称为交流电桥的平衡条件，它相当于下列两式:……②…③幅值初相位得：

或…………①或：

…④136交流电桥至少应有两个可调节的标准元件，通常是用一个可变电阻和一个可变电抗，调节交流电桥平衡要比调节直流电桥平衡复杂。交流电桥平衡：阻抗幅值大小成比例，相位条件满足：137经典交流电桥138交流电桥与直流电桥对比

139(2)、交流电桥用于电容的测量

电容传感器●平衡条件140①用于电容损耗角的测量实际电容器相当于两极板间并联有一只很大的电阻。则电容器的复阻抗：141

当时，上式表明，实际电容器也等于理想电容与一个阻值为的电阻串联，当时，电容器成为理想电容器。一般情况为一个较大的阻值，所以正弦交流电通过时，电容器两端电压和通过的电流之间的相位角不是，而是142

这里称为电容器的损耗角，它是衡量实际电容器与理想电容器的差别的一个重要参数。为方便起见，一般用来表示电容器的损耗。

C143电容电桥当电桥平衡时，可得：求得：

②平衡交流电桥144电容电桥交流电源化简得到，电桥输出：③不平衡交流电桥电桥输出信号为交流信号，被测电容量会改变输出交流信号的幅值，因此可以通过测量输出信号幅值得到被测电容量的值。2、

交流放大器LM324管脚连接图反相交流放大器同相交流放大器1483调制解调电路

（1）调制解调基本概念①在检测系统中为什么要采用信号调制和解调？

在检测系统中，传感器的输出信号一般又很微弱，从放大处理来看，直流放大有零漂和级间耦合等问题。为此，往往把缓变信号先变为频率适当的交流信号，然后利用交流放大器放大，最后再恢复为原缓变信号。这样的变换过程称为调制与解调149调制解调电路的作用：150②什么是信号调制？

调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者（载波信号）的某一特征参数（幅值、相位、频率）按前者（调制信号）变化。

③什么是解调？

在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。4/2/2026151④调制信号、载波信号、已调信号？调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。载波信号z(t)0t152用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在检测系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。调制信号x(t)0t153（2）调制方法154a)幅度调制(AM)b)频率调制(FM)c)相位调制(PM)155载波信号：由一列占空比不同的矩形脉冲构成。脉冲宽度调制电路：d)脉冲宽度调制理想的脉冲周期序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值156缓变信号调制高频信号放大放大高频信号解调放大缓变信号调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化．①调制原理(3)调制与解调电路4/2/2026157幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器放大器X(t)Y(t)Xm(t)乘法器滤波器Y(t)x(t)4/2/2026158幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器放大器X(t)Y(t)Xm(t)乘法器滤波器Y(t)x(t)结论：调幅过程在时域是调制波与载波相乘的运算。

159

先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。例：交流电桥VinVoR1R3R2R4调幅电路160

应变电阻的电阻变化量和被测外力引起的应变

之间的关系为：式中，K：应变片的灵敏度系数；R：应变片初始电阻值。所以有：

上式表明，载波信号

经电桥调幅后，输出的信号

幅值为

，即余弦载波信号的幅值被应变

所调制。而且随着调制信号

正负半周的改变，调幅波的相位也随着改变：当调制信号

为正时，调幅波与载波同相；当

为负时，调幅波与载波反相。

4/2/2026161a).包络检波

从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波。②解调原理调制信号加偏至电压调幅波包络检波滤波去掉直流分量D+-vCLCRiD+-v(t)低通滤波器包络检波器的电路形式输入调幅波v(t)Ot经二极管检波后的电流iDOt

经低通滤波器滤波后的输出电压。vCtO一般调幅波vi(t)tOvΩOt利用二极管的单向导电性检出正半周或负半周。利用低通滤波器把调制信号(包络线)取出，滤除高频信号。一般调幅波中代表调制信号的是这一段包络线。iD(t)引言平衡调幅波vi(t)tO平衡调幅波中代表调制信号的是这一段包络线。利用低通滤波器取出的并不是调制信号(包络线)，造成失真。若仍利用二极管单向导电性检出正半周或负半周。

vΩtOiD(t)4/2/2026166b).相敏检波N2为过零比较器，载波信号经过N2后转换为方波信号。D为开关二极管，将N2输出的方波信号加在场效应管G上。167波相敏检波电路例实例168波相敏检波电路例实例当

时,G截止，N1同相端高电平，调幅波

从N1同相端和反相端同时输入，N1的放大倍数为：

输出信号

波形是一个幅值与被调制信号

相同，位于正半周的波形。当

时，G导通，N1同相端接地，为底电平，调幅波

从N1反相端输入，N1的放大倍数为：

输出信号

波形是一个幅值与被调制信号

相反且略大的，位于正半周的波形。4/2/2026169相敏检波与包络检波的主要区别相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向。相敏检波电路具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。作业：P83,6172优点：

(1)温度稳定性好

(2)结构简单

(3)动态响应好

(4)可实现非接触式测量缺点：

(1)输出阻抗高，负载能力差

(2)寄生电容影响大3.1.4电容式传感器的应用

1731.电容式液位计(1)电容式液面计

设容器中介质是非导电的（如果液体是导电的，则电极需要绝缘），容器中液体介质浸没电极2的高度为hx，这时总的电容C等于气体介质间的电容量和液体介质间电容量之和。hhx174气体介质间的电容量C气为：

液体介质间的电容量C油为:175因此，总电容量为两电容并联，由上两式得：令：则：电容量C与液体深度hx成比例关系。电容灵敏度：177(2)电容式液位限位传感器

棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套电容式液位限位传感器设定按钮1782.电容式接近开关

电容式接近开关外形：全密封防水式179

电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示180电容式接近开关在液位测量控制中的使用1813.电容式差压变送器

高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置1823.2霍尔式传感器霍尔传感器工作原理霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件的主要特性参数霍尔式传感器的应用1833.2.1霍尔传感器工作原理半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应产生的电动势称霍尔电势半导体薄片称霍尔元件184cdab霍尔效应演示185

半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。

185磁感应强度B较大时的情况UH=KH

IB/d磁感应强度B为零时的情况cdabKH:霍尔常数

SH:霍尔元件灵敏度（灵敏系数）188霍尔常数霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件灵敏度（灵敏系数）半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，189磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势

若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度

时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，这时的霍尔电势为：

EH=SHIBcos

1901、元件材料

2、元件结构3.2.2霍尔元件1913、霍尔元件特性参数(1)输入阻抗和输出阻抗

输入阻抗Ri：控制电流进出端之间的阻抗

输出阻抗Ro：霍尔电极输出的正负端子间的内阻(2)温度系数

在一定磁场强度和控制电流作用下，温度每变化1℃时霍尔电势变化的百分数称为霍尔电势温度系数，与霍尔元件的材料有关(3)额定控制电流和最大允许控制电流

额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值

最大允许控制电流：元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值

(4)最大磁感应强度

磁感应强度超过最大磁感应强度时，输出的霍尔电势的非线性误差会明显增大，所以一般的最大磁感应强度的数值小于零点几特斯拉。

恒压

用稳压二极管VDZ获得基准电压，经放大器A1放大后加到三极管VT1的基极，使霍尔元件两端加上恒定2V电压。特点：施加电压恒定不变，不平衡电压的温度变化小，但霍尔电流发生变化，输出电压

的温度变化大。1934、霍尔元件驱动和放大电路（1）

驱动电路恒流

用稳压二极管VDZ获得基准电压，通过霍尔元件的电流

由VDZ的电压和电阻

决定：

电路中，三极管VT1接在运算放大器A1反馈环内，可以吸收三极管

的变化，抑制特性随温度变化。特点：即使霍尔元件的内阻随外部各种条件变化，但霍尔电流保持恒定，因此输出电压的温度系数变小。然而，元件间电压降变化，不平衡电压的温度变化大，电压

的温度变化大，使温度特性变坏。194霍尔元件输出端接NPN型三极管VT1和VT2上，VT1和VT2接成射极跟随器方式，对霍尔元件的阻抗进行变换，以便与后级信号处理。特点：霍尔元件的输出端几乎不流经电流，可获得较大的霍尔输出电压，减小波形失真，有利于后级电路设计。195（2）放大电路1965

.霍尔元件电磁特性当磁场和环境温度一定时:

霍尔电势与控制电流I成正比当控制电流和环境温度一定时:

霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比当环境温度一定时:

输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比1973.2.3、集成霍尔器件

霍尔集成器件分为线性型和开关型两大类1.线性型：将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。

线性型三端霍尔集成电路198线性型霍尔特性

当磁场为零时，输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。1992.开关型霍尔集成器件

将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。200开关型霍尔集成电路的外形及内部电路OC门施密特触发电路

双端输入、单端输出运放霍尔元件.Vcc201优点:

结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长。应用：EH=SHIBcos

3.2.4霍尔传感器的应用1、I、

不变，UH=f(B)2、I、B不变，UH=f()3、

不变，UH=f(IB)2021.微位移和压力的测量测量原理： 霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。应用： 位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度203霍尔式压力传感器

弹簧管磁铁霍尔片204加速度传感器

2052.磁场的测量

在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器2061.霍尔特斯拉计（高斯计）

霍尔元件2072.霍尔传感器用于测量磁场强度

霍尔元件测量铁心气隙的B值2083.霍尔转速表SN线性霍尔元件磁铁209霍尔转速表原理

当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。2104.霍尔式接近开关——转速测量演示n=60f4(r/min)软铁分流翼片

开关型霍尔ICT2116.霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口212霍尔钳形电流表演示直流200A量程被测电流的导线未放入铁心时示值为零70.9A2131905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。

第四章光电传感器214光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。检测方式：1、检测直接引起光量变化的非电量如：光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等。2、检测能转换成光量变化的其他非电量如：零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度等。215光电效应光是由一连串具有一定能量的粒子(称为光子)所构成，每个光子具有的能量hf

正比于光的频率f(h为普朗克常数)。用光照射某一物体，就可以看作这物体受到一连串能量为hf的光子所轰击，而光电效应就是由于这物体吸收到光子能量为hf的光后产生的电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。4.1.1光电式传感器物理基础h：普朗克常数光的频率越高（波长越短），光子的能量越大。2161、外光电效应.

在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功，电子就逸出物体表面，产生光电发射，逸出电子的功为，为逸出功。光子能量大于逸出功，电子发射。当光子能量等于逸出功，逸出的电子速度为零，此时光子的频率为该物质产生外光电效应的最低频率，称为红限频率。爱因斯坦光电效应方程217光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功W。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生