（2011-6-13）

关于传感器的复习，主要从基础概念和基本原理入手。

一、一些定义和名词术语理解

1传感器（及其组成框图）；2敏感元件；3压电效应；4 光电效应，光生伏特效应；5磁电式传感器；6金属应变片及其分类与组成；  6热电偶热电效应、热电势；7传感器标定（静态、动态标定的参数）； 9霍尔效应； 10 绝对误差、相对误差、引用误差、示值误差。

二、基本原理方面

1. 首先，要知道什么是传感器的静态特性，静态特性有哪些主要指标？

答：传感器的静态特性：输入量为常量或变化极缓慢时，传感器的输入—输出特性。

  主要指标：线性度、迟滞、重复性、分辨率、稳定性、温度特性等以及各种抗干扰稳定性等。

2. 因为本教材是以工作原理对传感器进行分类的，因此，结合上面的可以把传感器的工作原理一起理解和掌握。传感器有哪些类型，如应变式、电容式、电感式、压电式、热电式、磁电式、光电式等等，各自依据的原理和特点。

有一些类型的传感器没有上述的关联，但是从被测量的原理上去理解、掌握。

1 )电阻应边片的工作原理是基于电阻应变效应，在导体产生机械形变时，它的电阻值相应发生变化，未受力时的原始电阻为

在外力的作用下，引起的电阻变化

应变敏度系数

            （2-27）

还要知道，灵敏度系数是那两部分组成的。

2 )电感式传感器中的自感式传感器的电感为

                 （3-4）

当线圈匝数绕制一定后，其磁导率也确定的时，显然能调整的就是S0、l0，因此就可以做成利用空气隙有效截面积及长度为输入量的传感器。

类似的有电容式传感器，根据两个平行金属极板组成的电容器，不考虑其边缘效应时，其电容为

                   （4-1）

式中  ε--两个极板间介质的介电常数；

S--两个极板相对有效面积；

d--两个极板间的距离

由上式可知，改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数ε；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两个极板间的距离。而得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，这就成了电容式传感器。

根据上述原理，在应用中电容式传感器可以有三种基本类型，即变极距(或称变间隙）型、变面积型和变介电常数型。从公式中看出，变极距（或变间隙）型与电容的变化量不是线性关系。

建议同学们把学过的原理部分梳理一下。这当中要注意几方面：

1）每种传感器的灵敏度的定义及其灵敏度的计算方法，不同的换能原理对应不同的测量量，显然灵敏度的计算表达有些差别；主要是根据已知量来求未知量，

例如：用石英晶体加速度计测量机器的振动，已知加速度计的灵敏度为5PC/g（g为重力加速度），电荷放大器的灵敏度为50 mv/PC，当机器振动达到最大加速度时，相应的输出幅值为2V，求机器的振动加速度。（1PC=10-12库仑）

解：先通过电荷放大器的灵敏度求出，使放大器输出幅值为2V时的输入电荷量，

例如，对于热电偶式传感器，如果参考点不是零度，如果在已知灵敏度的前提下，求被测温度时，不要忽视由于参考点不同的条件。

2）电阻应变片式传感器的工作原理，及其种类和它们各自的组成。

3）还需要对测量电路有了解，如电阻应变片式传感器往往使用电桥进行测量（见P39），因此平衡条件、单臂使用应变片和双臂各自特点要清楚；应变片接成单臂，不受力时R1=R2=R3=R4=R，ΔR=0，桥路处于平衡状态；当应变片受力发生应变时，其电阻值变化为ΔR时，桥路失去平衡，就可以根据已知的参数求出电桥的输出电压Uo 。另外，双臂使用应变片采用差动接入电桥[见P39,图2-29（C），（2—46）式]，而且，减小或消除了非线性误差。

当在电桥中的两个臂使用应变片组成差动形式时，则电阻的相对变化为，其输出电压比单臂使用高了一倍，此时，电桥的输出电压为

电桥的电压灵敏度与应变引起的电阻变化率有关，由此不难求出电桥的电压灵敏度。

关于差动式的灵敏度为什么要比单极式得高一倍，而非线性大大减小的特征，在电感式传感器和电容式传感器中都有，如：在第3章的3.2题就是推倒差动自感式传感器的灵敏度，并与单极式进行比较。

4）不同工作原理的传感器，有的却在结构上的类似，例如电感式传感器和磁电式传感器在构造原理上都有线圈，那么在换能原理（即工作原理）方面又有什么不同？弄清楚有助于应用。

5）在以前的讨论题中提到，涡流式传感器和霍尔式传感器这两种传感器的工作原理都与磁场相关，它们的主要不同之处是什么？通过复习再加深理解！

6）传感器是用来拾取信号的，但是，有的传感器对拾取对象的变化规律是有要求的，例如：磁电式传感器为什么不适于测量静态量？

要说明这一点，必须要熟悉这种传感器的结构和工作原理。关于磁电式的传感器，见p96图5-1和图5-2，主要有变磁通磁电感应式的结构原理，和恒定磁通式都反映了动态的被测量引起感应电动势的变化。

变磁通磁电感应式，虽然线圈和磁铁是固定的，但是，被测量或被测对象的运动引起磁通变化。恒定磁通式，被测量使得磁场中的线圈与磁铁有相对运动。

因此，上述两种均有运动，静态无法引起磁通变化，或者线圈与磁铁没有相对运动，线圈中就没有感应电动势。

还有类似的情况，请同学们可以在深入理解原理的基础上，自己归纳总结。

7）光电效应是由于物体吸收了能量为E的光后而产生的电效应。

有三种光电效应;分别对应三种不同形式的传感器

第一类是利用在光线作用下材料中电子溢出表面的现象，即外光电效应，光电管以及光电倍增管传感器属于这一类；

第二类是利用在光线作用下材料电阻率发生改变的现象，即内光电效应，光敏电阻传感器属于这一类；

第三类是利用在光线作用下光势垒现象，即光生伏特效应，光敏二极管及光敏三极管传感器属于这一类。

光纤传感器的工作基础是全内反射。入射光在光纤的界面上产生全内反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端。

光纤传感器按其的工作原理来分有物性型与结构型两种。

（或功能型、非功能型）

8）热电式传感器的不同种类，以及热电偶热电效应的组成（接触电势和温差电势），几个定律：a）中间导体定律；b）标准电极定律；c）连接导体定律；d）中间温度定律。

9）压磁式传感器的工作原理，以及逆效应。见p66

10）压电式传感器是利用压电材料的压电效应进行工作。关于压电效应，请同学们在复习中注意，晶体与多晶压电陶瓷的压电效应不一样的地方。见114~116页。

在深入了解压电效应的基础上，就会进一步明白：压电传感器为什么不适于测量静态量？

由压电效应的原理可以知道，当对压电晶体施加作用力以后，在相应的两个表面上将产生不同极性的电荷，而形成电压，如果施加的作用力是静态的，就不能产生不同极性的电荷。由此可以推断，压电传感器，不能测量静态量或者变化很缓慢的信号。

进一步扩展一些内容，如：“在两个电极表面聚集电荷时，压电元件相当为一个电容器，请简要说明压电传感器在测量时，前置放大器如果是电压放大器，使用当中须注意什么问题？”

答：在两个电极表面聚集电荷时，压电元件相当为一个电容器，在测量时，前置放大器如果是电压放大器，电压灵敏度ku=d33/Ci＋Cc＋Ca （125页的6-23式），其等效电容为C＝Ci＋Cc＋Ca，Ci 为放大器输入电容，Cc 连线分布电容，使用中连接导线不太长，否则，将影响灵敏度。

11）一些传感器的用途。

根据每一章讲课内容布置的习题，请同学们在复习中仔细对照、分析。

三、检测技术基础

1了解传感器的静态特性和动态特性的主要参数和指标。

2 这本教材中，测试电路或转换电路有多种，但是比较突出的是电桥测量电路，在许多传感器中的测量使用。电桥电路的平衡条件，求输出电压的方法，是值得注意的。在前面已经讲到了。

3 检测技术研究的主要内容是被测量的测量原理、测量方法、测量系统和数据处理。

什么是测量原理？ 不同性质的被测量要用不同的原理去测量，同一性质的被测量也可用不同的原理去测量。测量原理决定后，就要考虑用什么方法去实现测量。

测量方法按测量手段来分类，说明有几种方法，获得测量结果的特点是什么？测量方法中的“直接测量”与“间接测量”的不同之处是什么？

直接测量：在使用仪表进行测量时，不需要进行任何计算，就能直接表示所需要的结果，称为直接测量；

    间接测量：被测量与确定量有确定的函数关系，需要经过计算得到所需结果的测量，称为间接测量。

4传感器标定的意义？ 进行传感器标定时，其绝对（测试）标定法和比较（测试）标定法的不同之处。

教材中没有对此作更多更详细的说明，只是以测振传感器为例进行说明，但是，从222-223页，不难理解，从计量的标准和传递角度，因此，可以归纳为:

对传感器进行标定，视测量的量及测量精度选择测量方法:

绝对法：是复现和保存所测量值基准测量方法；比较法：是以绝对法标定的器具作为标准与被测仪器进行比较测量的方法。

5用不同量程和等级的电表测量已知量的电压值，比较误差大小。这里需要对绝对误差、相对误差、引用误差（包括示值误差）的概念。见255~256页

关于示值误差，是指电表在不同的位置所测量数字的相对误差。

6 有效数字的化整和计算。

试题的类型，填空、名词解释、简答题、计算（包括推倒）题。

关于填空题，那是在对一些概念和知识掌握的基础上填写，才不会出问题。如：

1．传感器有多种分类方法，如果按工作原理分类，可分为 _________、__________、_________、____________、___________等类型。

答案：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式、磁电式、光电式（7选5）。

2．检测技术研究的主要内容是关于被测量的__________、__________、__________及___________四个方面。

答案：测量原理、测量方法、测量系统、数据处理

3．磁电式传感器是利用____________________产生感应电势的。而霍尔式传感器为______________在磁场中由电磁效应（霍尔效应）而输出电势的。霍尔式传感器可用来测量_________、_________、___________、__________等。

答案：导体和磁场发生相对运动、霍尔元件、电流、磁场、位移、压力。下载本文