第一篇：傳感器原理及工程應用概述

第二章傳感器概述

1、傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。

2、傳感器是由敏感原件和轉換原件組成3、兩種分類方法：一種是按被測參數分類，一種是按傳感器工作原理分類

4、傳感器的基本特性可分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性

5、靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時輸入與輸出的關系。主要指標有靈敏度、線性度、遲滯、重復性和漂移等。

6、靈敏度是輸出量增量ΔY與引起輸出量增量ΔY的相應輸入量增量ΔX之比。用S表示即S=ΔYΔX。

7、線性度是指傳感器的輸入與輸出之間數量關系的線性程度。也叫非線性誤差用γL

表示即γL=

8、傳感器在相同工作條件下輸入量由小到大（正量程）及由大到?。ǚ戳砍蹋┳兓陂g輸入輸出特性曲線不重合的現象稱為遲滯。遲滯誤差用

9、重復性是指傳感器在相同的工作條件下輸入量按同一方向做全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。最大重復差值

10、漂移是指輸入量不變的情況下傳感器輸出量隨著時間變化。產生漂移的原因有兩個一是傳感器自身結構參數一是周圍環(huán)境。溫度漂移的計算

第三章應變式傳感器

1、電阻應變式傳感器是以電阻應變片為轉換原件的傳感器。

2、工作原理是基于電阻應變效應，即導體在外界作用下產生機械變形（拉伸或壓縮）是，其電阻值相應發(fā)生變化（應變效應）。

3、電阻應變片分為絲式電阻應變片和箔式電阻應變片。

4、電阻在外力作用下而改變原來尺寸或形狀的現象稱為變形，而去掉外力后物體又能完全恢復其原來的尺寸和形狀，這種變形稱為彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性原件。

5、應變片的電阻值是指應變片沒有粘貼且未受應變時，在室溫下測定的電阻值即初始電阻值。

6、將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度不變，但應變狀態(tài)不同，應變片敏感柵的電阻變化減小，因而其靈敏系數K較整長電阻絲的靈敏系數K0小，這種現象稱為應變片的橫向效應。為了減少橫向效應產生的測量誤差，現在一半多采用箔式應變片。

7、應變片溫度誤差：由于測量現場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差。產生的主要因素有以下兩個方面：一是電阻溫度系數的影響，一是試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數的影響。

8、電阻應變片的溫度補償方法：1）線路補償法2）應變片的自補法9***電阻應變片的測量電路

10、壓阻效應是指在一塊半導體的某一軸向施加一定的壓力時，其電阻值產生變化現象，第四章電感式傳感器

1、利用電磁感應原理將被測非電量如、位移、壓力、流量、振動等轉換成線圈自感系數L或互感系數M的變化，再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，這種裝置稱為電感式傳感器。

2、零點殘余電壓：傳感器在零點位移時的輸出電壓。產生原因主要有以下兩點一是由于兩電感線圈的電氣參數及導磁體幾何尺寸不完全對稱，因此在兩電感線圈上的電壓幅值和相位不同，從而形成了零點殘余電壓的基波分量。一是由于傳感器導磁材料磁化曲線的非線性（如鐵磁飽和，磁滯損耗）使得激勵電流與磁通波形不一致，從而形成了零點殘余電壓的高次諧波分量。為減小電感式傳感器的零點殘余電壓，可以采取以下措施1）在設計和工藝上，力求做到磁路對稱，鐵芯材料均勻；要經過熱處理以除去機械應力和改善磁性；兩線圈畢恭畢敬繞制要均勻，力求幾何尺寸與電氣特性保持一致。2）在電路上進行補償。

3、把被測的非電量變化轉化為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器

是根據變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結構形式較多，有變隙式，變面積式和螺線管式等等，4、差動式變壓器傳感器的測量電路1）差動整流電路2）相敏檢波電路（用來區(qū)分大小方向）

5、根據法拉第電磁感應定律，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內將產生呈旋渦狀的感應電流，此電流叫電渦流，以上現象稱為電渦流效應。根據電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流傳感器。電渦流傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。

6、電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外半徑的1.8～2.5倍范圍內，且分布不均勻。

7、所謂貫穿深度是指把電渦流強度減小到表面強度的1e處的表面厚度。

8、電渦流傳感器的測量電路1）調頻式電路2）調幅式電路

第五章電容式傳感器

1、電容式傳感器是將被測非電量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。可分為1）變極距型電容傳感器2）變面積型電容式傳感器3）變介質型電容式傳感器。

2、電容傳感器做成差動式之后，靈敏度增加了一倍，而非線性誤差則大大降低了。

第六章壓電式傳感器

1、壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應，是一種典型的有源傳感器。通過材料受力作用變形時，其表面會有電荷產生面實現非電量測量。

2、某些電介質同學錄沿著一定方向對其施力而使它變形時內部就產生極化現象，同時在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷同學錄外力去掉后，又重新恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現象稱壓電效應。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機械能轉換為電能的現象，稱為“正壓電效應”。相反，當在電介質極化方向施加電場，這些電介質也會產生幾何變形，這種現象稱為“逆壓電效應”

3、壓電材料分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。主要特性參數有1）壓電常數：是衡量壓電效應強弱的參數，它直接關系到壓電輸出靈敏度。2）居里點溫度：它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。

4、縱向軸Z稱為光軸，經過六面體棱線并垂直于光軸的X軸稱為電軸，與X 和Z 軸同時垂直的軸Y稱為機械軸。通常批把沿電軸方向作用下產生的電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”。而把沿機械軸Y方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”。

5、壓電陶瓷要先極化再應用。

6、壓電式傳感器的測量電路有1）電壓放大電路（阻抗變換器）2)電荷放大器。

7、了解壓電式加速度傳感器。工作原理：當加速度傳感器和被告測物一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，根據牛頓第二定律，此時慣性力是加速度的函數，即F=ma式中F—質量塊產生的慣性力，m—質量塊的質量；a—加速度；此時慣性力F作用于壓電元件上，因而產生電荷Q，當傳感器選定后,m為常數，則傳感器輸出電荷為

q=d1 1F=d1 1ma 與加速度a成正比。因此，測得加速度傳感器輸出設備的電荷便可知加速度的大小。

第七章磁電式傳感器

1、磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量轉換成電信號的一種傳感器。磁電傳感器有磁電感應式傳感器，霍爾式傳感器等。

2、磁電式傳感器的結構有兩種：變磁通式和恒磁通式。變磁通式傳感器又可分為開磁路變磁通式（線圈、磁鐵靜止不動，）和閉磁路變磁通式傳感器。

3、磁電式傳感器的基本特性有非線性誤差和溫度誤差

4、置于磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流體上垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種現象稱霍爾效應。

5、霍爾元件基本特性1）輸入電阻和輸出電阻：激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出

電勢尋電路外部來說相當于一個電壓源，其電源內阻即為輸出電阻。不等位電勢和不等位電阻：當霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應電流強度為零，則它的霍爾電勢應該為零但實際不為零這時測得的空載霍爾電勢稱為不等勢電勢。產生原因：1）霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上2）半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻右是幾何尺寸不均勻3)激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。;寄生直流電勢，在外加電場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢稱為寄生直流電勢。

6、大多數霍爾元件的溫度系數α是正值，它們的霍爾電勢隨溫度升高而升高而增加了α△T倍。

第八章 光電式傳感器

1、光電式傳感器（1）定義：是將被測量的變化轉換成光信號的變化，再通過光電器件把光信號的變化轉換成電信號的一種傳感器。（2）組成：一般由光源、光學通路、光學器件三部分組成。（3）優(yōu)點：頻譜寬、不易受電磁干擾的影響、非接觸式測量、響應快、可靠性高等。

2、光電器件：是將光信號的變化轉換成電信號的一種器件，它是構成光電式傳感器最主要的部件。光電器件工作的物理基礎是光電效應。光電效應分為外光電效應和內光電效應。

3、外光電效應：在光線作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現象稱為外光電效應。光電管、光電倍增管等基于外光電效應。

4、內光電效應：在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產生光生電動勢的效應稱為內光電效應。內光電效應分為光電導效應（如光敏電阻）和光生伏特效應（光電池）。光敏二極管、光敏晶體管也基于內光電效應。

5、光敏電阻：又稱為光導管。它幾乎都是用半導體材料制成的光電器件，其常用材料有硫化鎘、硫化鉛、銻化銦等。主要參數：暗電阻與暗電流（光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流）；亮電阻與亮電流（光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流）；光電流（亮電流與光電流之差稱為光電流）。

6、光敏電阻的基本特性：伏安特性、光照特性、光譜特性、頻率特性、溫度特性。

7、光電池：是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應”的。

光電池的基本特性：光譜特性、光照特性、頻率特性、溫度特性。

8、光電耦合器件：是由發(fā)光原件（如發(fā)光二極管）和光電接收原件合并使用，以光作為媒介把輸入端的電信號耦合到輸出端的一種器件。

9、光電開關：是一種利用感光元件對變化的入射光加以接受，并進行光電轉換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關”信號保定器件。

10、光導纖維：簡稱光纖，是一種特殊結構的光學纖維。組成：纖芯、包層、保護層。

11、光纖的基本特性：（1）數值孔徑（NA）：是表征光纖集光本領的一個重要參數即反應光纖接收光量的多少。其意義是：無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2θc的光椎角內，光纖才能導光。（2）光纖模式：是指光波傳播的途徑和方式。（一般纖芯直徑為2-12um，只能傳輸一種模式稱為單模光纖；纖芯直徑較大50-100um，傳輸模式較多稱為多模光纖）。（3）光纖傳輸損耗：主要來源于材料吸收損耗、散射損耗、光波導彎曲損耗。

12、光纖傳感器一般分為兩大類：一類是利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器稱為功能型，又稱為傳感型傳感器；一類是光纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受測量的變化，這類稱為非功能性，又稱為傳光型傳感器。

13、光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測器、信號處理系統(tǒng)以及光纖等組成。

14、光纖傳感器的應用：光纖加速度傳感器、光纖溫度傳感器光纖旋渦流量傳感器。

第十章 超聲波傳感器

1、超聲波特性：聚束、定向、反射、透射等。按超聲振動輻射大小不同大致可分：用超聲波使物

體或物性變化的功率應用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取若干信息，稱之為檢測超聲。

2、波型分為（1）縱波：質點振動方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質中傳播；（2）橫波：質點振動方向垂直于傳播方向的波，只能在固體介質中傳播；（3）表面波：質點的振動介于橫波和縱波之間。沿著介質表面?zhèn)鞑ィ湔穹S深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體表面?zhèn)鞑ァ?/p>

3、聲波從一種介質傳播到另一種介質，在兩個介質的分界面上一部分聲波被反射，另一部分聲波透射過界面，在另一種介質內繼續(xù)傳播。這兩種情況稱之為聲波的反射和折射。

4、利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置可稱為超聲波傳感器、換能器或探測器。

5、超聲波發(fā)射器和接收器簡稱為超聲波探頭。按工作原理分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。壓電式最為常用。（壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷）。

第十五章傳感器在工程檢測中的應用

1、溫度測量可以分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。

2、熱電偶測溫原理：兩種不同材料的導體可半導體組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和To不同時，則在該回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，該電動勢稱為熱電勢。這兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為熱電偶，超導體A、B稱為熱電極。兩個接點，一個稱熱端，又稱為測量端或工作端，測溫時將它置于被測介質中;另一個稱為冷端，又稱參考或自由端，它通過導線與顯示儀器表相連。

3、熱電偶基本定律：（1）均質導體定律：由兩種均質導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料季兩接觸點溫度有關，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關。（2）中間導體定律：在熱電偶測溫回路內，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路中的總熱電勢沒有影響。

4、熱電偶的結構形式：（1）普通型熱電偶：一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。（2）鎧裝熱電偶：又稱為套管熱電偶，是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經拉伸加工而成的堅實組合體。（3）薄膜熱電偶：是由兩種熱電極材料用真空蒸鍍、化學涂層等辦法鍍到絕緣基板上而制成的一種特殊熱電偶。（4）多點熱電偶。

5、冷端溫度補償：當熱電偶材料選定后，熱電動勢只與冷端和冷端溫度有關，因此只有當冷端溫度恒定時，熱電偶的熱電勢和熱端溫度才有單值的函數關系。此外，熱電偶的分度表和顯示儀表是以冷端溫度0*C作為基準進行分度的，而在實際使用過程中，冷端溫度通常不為0C而且往往是波動的，所以必須對冷端溫度進行處理，消除冷端溫度的影響。

補償方法：（1）熱電偶補償導線：是將熱電偶的冷端溫度延伸到溫度變化較小或基本恒定的地點。

（2）冷端溫度修正法：是對熱電偶實際測得的熱電動勢EAB(t,to)根據冷端溫度進行修正。（3）冷端0C恒溫法：是把冷端放入0C恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，使冷端保持0C。（4）冷端溫度自動補償法：是利用不平衡電橋Uab作為補償信號，自動補償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為0C或因變化而引起熱電勢的變化。

6、熱電偶傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化兒變化的原理進行測溫的。分為金屬熱電偶（熱電阻）和半導體熱電偶（熱敏電阻）。

7、常用熱電阻：（1）鉑熱電阻：特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。-200-850C（2）銅熱電阻：-50-150C

第二篇：傳感器原理與應用

傳感器原理與應用（專業(yè)限選課）

Principle and Application of Sensor

【課程編號】XZ260111

【學分數】2

【學時數】24+6+9（實驗課時）【課程類別】專業(yè)限選 【編寫日期】2010.3.30 【先修課程】電路分析、模電、數電

【適用專業(yè)】電子信息工程類

一、教學目的、任務

《傳感器原理和應用》是電子及自動化專業(yè)的一門專業(yè)課。它有較強的實際應用價值。通過學習本課程使學生掌握各類傳感器的基本原理、主要性能及其結構特點；能合理地選擇和使用傳感器； 掌握常用傳感器的工程設計方法和實驗研究方法；了解傳感器的發(fā)展動向。

二、課程教學的基本要求

現代信息產業(yè)的三大支柱是傳感器技術﹑通信技術和計算機技術，它們分別構成了信息系統(tǒng)的“感官”、“神經”和“大腦”。在機械工程中,傳感器對于機械電子、測量、控制、計量等領域都是必不可少的獲取信息的關鍵部件。

鑒于上述認識并考慮學科特色,在本課程有限學時內,要求學生重點掌握下列幾方面的知識：⑴傳感器的基本概念﹑術語和特性；⑵常用傳感器的原理、結構和應用；⑶傳感器測量電路；⑷傳感器的典型應用。

三、教學內容和學時分配

第1章 傳感與檢測技術的理論基礎自學

主要內容：

1.1測量概論

1.2測量數據的估計和處理

教學要求：

了解測量的基本概念，測量系統(tǒng)的特性，測量誤差及數據處理的各種方法。

第2章 傳感器概述2學時

2.1傳感器的組成與分類

2.2傳感器的基本特性

教學要求：

熟悉傳感器的輸出--輸入特性與內部結構參數有關的外部特性，掌握其靜態(tài)特性，動態(tài)特性的分析方法。

第3章 應變式傳感器4學時

主要內容：

3.1 工作原理

3.2 應變片的種類、材料及粘貼

3.3 電阻應變片的特性

3.4 電阻應變片的測量電路

3.5 應變式傳感器的應用

教學要求：

熟悉應變片傳感器的工作原理及外部特性，了解其應用范圍，掌握測量電路的分析方法。其它教學環(huán)節(jié)：實驗一應變片性能測試實驗3學時

實驗性質：驗證性實驗

實驗內容：金屬箔式應變片性能——單臂電橋、半橋和全橋。

實驗目的與要求：掌握使用金屬箔式應變片組成單臂電橋、半橋和全橋的方法，了解在不同電路

形式時電路的輸出特性。

注意要點：確保接線正確，電源電壓不能用錯。

第4章 電感式傳感器3 學時

主要內容：

4.1自感式電感傳感器

4.2差動變壓器式傳感器

4.3電渦流式傳感器

教學要求：

了解電感式傳感器的應用范圍，工作特點，掌握其組成的各種測量電路的分析方法及組成特點。其它教學環(huán)節(jié)：實驗二電渦流式傳感器的靜態(tài)位移性能3學時

實驗性質：設計性實驗

實驗內容：電渦流式傳感器的工作原理和工作情況，動手自制一個渦流探頭，利用實驗室放大器

及振蕩器對不同被測材料（即混料）進行分選。

實驗目的與要求：研究電渦流傳感器特性，被測材料（物質）對傳感器的特性的影響以及電渦流

傳感器的應用。

注意要點：確保接線正確，激勵、響應線圈不能用錯。

第5章電容式傳感器3 學時

主要內容：

5.1電容式傳感器的工作原理和結構

5.2電容式傳感器的靈敏度及非線性

5.3電容式傳感器的等效電路

5.4電容式傳感器的測量電路

5.5電容式傳感器的應用

教學要求：

熟悉電容式傳感器的工作原理及結構，掌握其在非電量測量與自動檢測中的應用。

其它教學環(huán)節(jié)：實驗三 變面積式電容傳感器的性能1學時

實驗性質：驗證性實驗

實驗內容：變面積式電容傳感器的工作原理和工作情況。

實驗目的與要求：熟悉變面積式電容傳感器的工作原理和工作情況；研究差動式電容傳感器特性。注意要點：確保接線正確，電源電壓不能用錯。

第6章 壓電式傳感器3 學時

主要內容：

6.1壓電效應及壓電材料

6.2 壓電式傳感器測量電路

6.3 壓電式傳感器的應用

教學要求：

了解壓電式傳感器具有的特點及其應用范圍，掌握其組成的測量電路分析及應用。

第7章 磁電式傳感器4學時

主要內容：

7.1磁電感應式傳感器

7.2 霍爾式傳感器

教學要求：

掌握磁電式傳感器的各種不同類型及應用范圍。

其它教學環(huán)節(jié)：實驗四 霍爾傳感器特性研究及應用2學時

實驗性質：驗證性實驗

實驗內容：霍爾傳感器在交、直流信號激勵下的特性。

實驗目的與要求：了解霍爾傳感器的結構和工作原理；實驗研究霍爾傳感器在交、直流信號激勵

下的特性；掌握霍爾傳感器測量振幅和稱重應用的實驗方法。

注意要點：確保接線正確，電源電壓不能超出規(guī)定值。

第8章 光電式傳感器3 學時

主要內容：

8.1光電器件

8.2光纖傳感器

教學要求：

熟悉典型的光電器件的特性和應用，了解光纖傳感器及其技術發(fā)展方向，掌握紅外傳感器的應用。

第9章 半導體傳感器2學時

主要內容：

9.1半導體氣敏傳感器

9.2濕敏傳感器

9.3色敏傳感器

9.4半導體式傳感器的應用

教學要求：

了解以半導體材料組成的各種傳感器及其它們的工作原理，掌握氣敏、濕敏、色敏傳感器在測量電路中的應用及其電路分析。

第10章 超聲波傳感器2學時

主要內容：

10.1超聲波及其物理性質

10.2超聲波傳感器

10.3超聲波傳感器應用用

教學要求：

熟悉超聲波傳感器的工作原理及其物理性質，掌握超聲波傳感器的應用。

第11章 微波傳感器1學時

主要內容：

11.1微波概述

11.2微波傳感器的原理和組成11．3微波傳感器的應用

教學要求：

了解壓電式傳感器具有的特點及其應用范圍，掌握其組成的測量電路分析及應用。

第12章 輻射式傳感器1 學時

主要內容：

12.1紅外傳感器

12.2核輻射傳感器

教學要求：

了解輻射式傳感器的特性及應用。

第13章 數字式傳感器自學

主要內容：

13.1光柵傳感器

13.2編碼器

13.3感應同步器

教學要求：

了解數字式傳感器的特點及應用。

第14章 智能式傳感器自學

主要內容：

14.1概述

14.2傳感器的智能化

14.3集成智能傳感器

教學要求：

了解集成智能感器的特性及應用。

第15章 傳感器在工程檢測中的應用4學時

主要內容：

15.1溫度測量

15.2壓力測量

15.3流量測量

15.4物位測量

教學要求：

了解熱電偶的結構和原理、熱電效應的構成成份。掌握熱電偶的基本定律、冷端補償方法、測量計算方法。了解熱電阻的工作原理、結構，掌握應用方法。了解傳感器在工程檢測中的作用及其應用。

四、教學重點、難點及教學方法

重點：各種常見的、應用廣泛的傳感器的基本原理、基本特性、轉換電路以及工程應用，及分析、設計方法。以課堂講授為主，通過實驗加深對所學各類傳感器的性能及工作原理理解。

難點：各種傳感器的特性分析。

五、考核方式及成績評定方式：

考核方式：考查，六、教材及參考書目

推薦教材：

《傳感器原理及工程應用》（第三版），郁有文等編著，西安科技大學出版社，2008年參考書：

1．王化祥，《傳感器原理與應用》，天津大學出版社，第七版，2003

3．劉君華，《智能傳感器系統(tǒng)》，西安電子科技大學出版社，第一版，1999

4．單成祥，《傳感器的理論與設計基礎及其應用》，國防工業(yè)出版社，1999

4．趙負圖，《現代傳感器集成電路》，人民郵電出版社，2000

修（制）訂人：審核人：

2010年 3 月30日

第三篇：壓電傳感器原理及其應用

壓電傳感器原理及其應用

摘要：壓電式傳感器，作為傳感器的一種，它具有自己鮮明的特點。而且除了一些自然界中的晶體材料外，我們還有人工材料壓電陶瓷。它們的應用也十分的廣泛，在聲學、醫(yī)學、力學、宇航、振動測量、機械沖擊都有不錯的涉及。

關鍵字： 壓電傳感器

壓電原理

應用

壓電現象是100多年前居里兄弟研究石英時發(fā)現的。居里兄弟在研究熱電性與晶體對稱，發(fā)現正負電荷，而且電荷密度與壓力大小成正比。居里兄弟所報道的這些晶體就有后來廣為研究的鐵電體酒石酸鉀鈉（羅息鹽）。1881年，應用熱力學原理預言了逆壓電效應，即電場可以引起與之成正比的應變。很快這一預言被居了里兄弟用實驗所證實了。自發(fā)現壓電效應以來，這種類型的壓電傳感器就廣泛應用于各個領域。經過多年的發(fā)展，壓電傳感器的材料、結構設計和工藝都有了很大的進步。而這些對改善傳感器的性能起到了至關重要的作用。

一． 壓電傳感器的工作原理

1.壓電原理

一些離子型晶體的電介質（如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等）不僅在電場力作用下，而且在機械力作用下，都會產生極化現象。即：在這些電介質的一定方向上施加機械力而產生變形時，就會引起它內部正負電荷中心相對轉移而產生電的極化，從而導致其兩個相對表面（極化面）上出現符號相反的束縛電荷，且其電位移D（在MKS單位制中即電荷密度σ）與外應力張量T成正比；當外力消失，又恢復不帶電原狀；當外力變向，電荷極性隨之而變。這種現象稱為正壓電效應，或簡稱壓電效應。

基于壓電效應人們研究出一種可以自發(fā)電式和機電轉換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產生電荷。此電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應力。2.壓電材料

在自然界中，大多數的材料都具有壓電效應，但是十分微弱。隨著人們對壓電材料的不斷研究與發(fā)現，壓電材料性能得以大大的提高。新型壓電材料的研制成功極大地推動了壓電傳感器的進步。從最開始的石英到BaTi03壓電陶瓷，錯欽酸鉛(PZT)壓電陶瓷，再到壓電聚合物如聚偏二氟乙烯(PVDF)等新型壓電材料。單晶技術的進展培育了許多實用化的壓電材料，薄膜工藝的進展為壓電器件的平面化、集成化創(chuàng)造了條件。壓電材料的這一系列進步為設計大量高性能的壓電元件提供了技術保障。

二． 壓電傳感器的應用及發(fā)展

1.壓電式測力傳感器

壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現力-電轉換的傳感器，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好。當采用大時間常數的電荷放大器時，可測量準靜態(tài)力。按測力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們在結構上基本一樣。例如壓電式單向測力傳感器。該傳感器適用于機床動態(tài)切削力的測量。主體包括絕緣套.基座.電極.石英晶片.上蓋。絕緣套用來絕緣和定位?；鶅韧獾酌鎸ζ渲行木€的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴格的要求，否則會使橫向靈敏度增加或使片子因應力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進行裝配，加蓋之后用電子束封焊。2.壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質如石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。

電荷輸出壓電加速度傳感器，采用剪切和中心壓縮結構形式。其原理利用壓電晶體的電荷輸出與所受的力成正比，而所受的力在敏感質量一定的情況下與加速度值成正比。在一定條件下，壓電晶體受力后產生的電荷量與所感受到的加速度值成正比。

國內在壓電加速度傳感器方面的研究起步較晚，且結構設計和工藝水平落后于國外。目前國內壓電傳感器的主要結構是中心壓縮型，較好的高沖擊壓電加速度傳感器(中心壓縮型)樣機的主要技術指標為:最大沖擊加速度100,000g，最高頻響8kHz。在壓電加速度傳感器的研制方面，北戴河億柏傳感器技術研究所和西安204所做得較好。3.壓電傳感器用于報警裝置

玻璃破碎報警裝置它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產生的振動波。傳感器把振動波轉換成電壓輸出，輸出電壓經放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。玻璃破碎時會發(fā)出幾千赫茲至幾十千赫茲的振動，使用時將高分子壓電薄膜傳感器粘貼在玻璃上，感受這一振動，然后通過電纜和報警電路相連，將壓電信號傳送給集中報警系統(tǒng)。為了提高報警器的靈敏度，信號經放大后，再經帶通濾波器進行濾波，要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。玻璃振動的波長在音頻和超聲波的范圍內，這就使濾波器成為電路中的關鍵。只有當傳感器輸出信號高于設定的閾值時，才會輸出報警信號，驅動報警執(zhí)行機構工作。玻璃破碎報警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其他商品柜臺保管等場合 4.壓電陶瓷應用

壓電陶瓷具有極高的靈敏度，壓電高壓發(fā)生器利用正壓效應可以把振動轉換成電能，還可以獲得高電壓輸出。這種獲得高電壓的方法可以用來做引燃裝置，如給汽車火花塞、煤氣灶、打火機、炮彈的引爆壓電雷管等點火。

壓電傳感器發(fā)展迅速，當今世界各國壓力傳感器的研究領域也十分廣泛。歸納起來主要有以下幾個趨勢。（1）小型化。小型化會帶來很多好處，重量輕、體積小、分辨率高，便于安裝 在很小的地方對周圍器件影響小，也利于微型儀器、儀表的配套使用。（2）集成化。壓力傳感器已經越 來越多的與其它測量用傳感器集成以形成測量 和控制系統(tǒng)，集成系統(tǒng)在過 程控制和工廠自動化中可以提高操作速度和效率。（3）智能化。由于集成化的出現，在集成電 路中可添加一些微處理器，使得傳 感器具有自動補償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。（4）系統(tǒng)化。單一化產品在市場上沒有大的競爭力。市場風云突變，一旦失去 市場，發(fā)展則停滯不前，經濟效益差，資金浪費大，產品成本高。（5）標準化。傳感器的設計與制造已經形成了一定的行業(yè)標準。如 IEC、ISO 國際標準，美國的 ANSIC、ANSC、MIL-T 和 ASTME 標準，日本 JIS 標準，法國 DIN 標準。

三、總結

壓電式傳感器，作為傳感器的一種，它具有自己鮮明的特點。而且除了一些自然界中的晶體材料外，我們還有人工材料壓電陶瓷。它們的應用也十分的廣泛，在聲學、醫(yī)學、力學、宇航、振動測量、機械沖擊都有不錯的涉及。

但是，壓電傳感器在擁有眾多優(yōu)點的同時，也存在著許多缺點，展望今后的研究重點，可能會有以下幾個方面：(1)從研究的成果來看，理論研究離工程實用還有一定的差距，工程實用化方面研究也相當薄弱，具體表現在理論及仿真研究較多，而實驗驗證相對較少，研究對象以簡單的梁板結構較多，對復雜結構的研究還相當欠缺。(2)壓電元件非線性特性的研究。由于壓電材料的極化特性，壓電系統(tǒng)只能在一定范圍內滿足近似的線性要求，并容易受外界多種環(huán)境的影響。非線性特性的存在使壓電元件重復性差、檢測精度低，瞬態(tài)位置響應速度慢，可控性變差，成為壓電元件進一步工程應用的主要障礙之一。為減小這種非線性特性所造成的不良影響，更好地發(fā)揮壓電元件的性能，國內外很多科研機構從壓電元件非線性特性形成機理、外環(huán)及內環(huán)非線性特性及控制方法等方面開展了相關研究。(3)壓電材料的壓電特性有待于進一步提高，這使得壓電材料的應用受到極大限制。各國學者正在努力開發(fā)，一旦找到一種優(yōu)異的壓電材料，將會取代傳統(tǒng)的、笨重的機電換能設備，如電動機、馬達等。到那時，壓電研究將會全方位地發(fā)展，甚至可能影響到我們生活的各個方面。我相信隨著科技的發(fā)展，人工材料會制作的更加完美，壓電式傳感器會更加適合人們的要求。壓電式傳感器和科技將會互相推動互相發(fā)展。

第四篇：傳感器原理與應用復習

例1：量程為150V的0.5級電壓表和量程為30V的1.5級電壓表，分別測量20V電壓，問哪個測量精度高？

例2：某壓力表精度為1.5級，量程為0～2.0MPa，測量結果顯示為1.2MPa，求1）最大引用誤差δnm；2）可能出現的最大絕對誤差Δm；3）示值相對誤差δx＝？

例3：一差動變壓器式位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化1200mv，問位移傳感器的靈敏度是多少？

例4：機械式指針位移傳感器，當輸入信號有0.01mm的位移變化量式，指針位移10mm，求位移傳感器的靈敏度？

例5：進行某動態(tài)壓力測量時，所采用的壓電式力傳感器的靈敏度為90.9nC/Mpa，將它與增益為0.005V/nC的電荷放大器相連，而電荷放大器的輸出接到一臺筆式記錄儀上，記錄儀的靈敏度為20mm/V。試計算這個測量系統(tǒng)的總靈敏度。當壓力變化為3.5MPa時，記錄筆在記錄紙上的偏移量是多少？

例6：有一只變極距電容傳感元件，兩極板重疊有效面積為，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對介電常數是1，真空中介電常數為8.85×10-12F/m,試計算該傳感器的位移靈敏度。

例7：粘貼在鋼件上的康銅電阻絲應變片，其靈敏度為2，電阻溫度系數為20×10-6/oC，敏感柵材料的線膨脹系數為15×10-6/oC，鋼件的線線膨脹系數為11×10-6/oC，彈性模量E為2×1011N/m2,求：（1）當環(huán)境溫度變化為10oC時，應變熱輸出為多少？相當于試件產生多大應力？

（2）當=1000uε時，由于熱輸出產生的溫度誤差γt是多少？

例8：半導體應變片的靈敏度為120，電阻為120歐姆，金屬電阻應變片的靈敏度為2，電阻為120歐姆，單臂非線性誤差不大于0.1，求：它們可測的最大應變?yōu)槎嗌伲?/p>

第五篇：傳感器原理與應用心得

傳感器原理與應用心得

張寶龍

電信工二班

201400121099 傳感器應用極其廣泛，而且種類繁多，涉及的學科也很多，通過對傳感器的學習讓我基本了解了傳感器的基本概念及傳感器的靜、動態(tài) 特性電阻式、電感式傳感器的結構、工作原理及應用。

傳感器的特性主要是指輸出入輸入之間的關系。當輸入量為常量或變化很慢時，其關系為靜態(tài)特性。當輸入量隨時間變換較快時，其關系為動態(tài)特性。

傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數有：線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移等。

所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。

傳感器的作用主要是感受和響應規(guī)定的被測量，并按一定規(guī)律將其轉換成有用輸出，特別是完成非電量到電量的轉換。傳感器的組成并無嚴格的規(guī)定。一般說來，可以把傳感器看做由敏感元件和變換元件兩部分組成。

通過最近的學習，是我了解到在實際中使用傳感器的選擇一定要慎重。我們可以根據測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。其次，當我們在選擇傳感器時要注意傳感器的靈敏度，頻率響應范圍，線性范圍，穩(wěn)定性，精度等。

人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現象和規(guī)律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。

新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。

通過對這門課的學習開闊了我的視野，讓我了解了以前沒有了解的東西。在老師的指導下讓我明白了學習要有自覺性，要自己積極主動地去學習。