传感器原理与应用复习资料

传感器原理与应用复习资料（共14篇）

篇1：传感器原理与应用复习资料

光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。如果两个光栅距相等，即W=0.02mm，其夹角θ=0.1°，则莫尔条纹的宽度B=11.46㎜莫尔条纹的放大倍数K= 573.2。

光栅传感器结构为：光源→标尺光栅→指示光栅→光电元件

在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，①（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）是线性的关系。

传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件 和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。

电阻应变片式传感器按制造材料可分为①金属材料和②半导体体材料。它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中①的电阻变化主要是由电阻应变效应形成的光电传感器的工作原理是基于物质的光电效应，目前所利用的光电效应大致有三大类：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。

传感器由敏感元件、传感元件、测量转换电路三部分组成。依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件,转换元件,测量电路三个部分组成。

光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，其中内光电效应可以分为光电导效应、光生伏特效应

光电倍增管是利用 二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。它由 光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成。

编码器用来测量角位移。在数控机床直线进给运动控制中，通过测量角位移间接测量出直线位移，表达式为 x＝t/360× 。

绝对式编码器输出二进制编码，增量式编码器输出脉冲。

增量式编码器输出信号要进行辨向、零标志和倍频等处理。

根据传感器感知外界信息所依据的基本效应，可将传感器分为三大类，分别是：物理传感器、化学传感器、生物传感器

变磁阻式传器是利用被测量调制磁路的磁阻,导致线圈电感量改变,实现对被测量测量的。

为了测得比栅距W更小的位移量，光栅传感器要采用细分技术。.旋转式编码器可以测量转轴的角位移，其中绝对式编码器在任意位置都有固定的数字编码与位置对应，线数为360线的增量式编码器分辨力为1（角）度。

莫尔条文的光强度变化近似正弦变化，因此，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”技术

把一导体（或半导体）两端通以控制电流I，在垂直方向施加磁场B，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称霍尔效应，这个电动势称为霍尔电势。外加磁场使半导体（导体）的电阻值随磁场变化的现象成磁阻效应。

某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为正压电效应；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称逆压电效应。

在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应；入射光强改变物质导电率的现象称光电导效应；半导体材料吸收光能后在PN结上产生电动式的效应称光生伏特效应。

电阻应变片磁敏电阻霍尔元件气敏传感器湿敏传感器

光电耦合器压电传感器电容传感器热敏电阻CCD电荷耦合器

压阻式传感器光纤传感器磁电传感器光电二极管差动变压器

热释电器件磁敏晶体管电涡流传感器光电池超声波传感器

热电偶红外传感器色敏传感器

正确选择以上传感器填入以下空内：

1.可以进行位移测量的传感器有光纤传感器、差动变压器、电阻传感器；

2.可以完成温度测量的有热电偶、热敏电阻；热释电；

3.半导体式传感器是磁敏、霍尔元件、气敏传感器、压阻传感器；

4.光电传感器有光电耦合器、色敏传感器、光纤传感器、光电二极管；

5.用于磁场测量的传感器霍尔器件、磁敏晶体管；

6.进行振动（或加速度）测量的传感器磁电传感器、压电传感器；

7.利用物体反射进行非电量检测的传感器超声波传感器、红外传感器；

绝对式编码器的码制绝大多数采用格雷码

电容式液位传感器属于下列那一种型式：变介质型

测量微位移工作台的位移量（行程200μm，分辨力1μm），可选用电容传感器

为了减小非线性误差，采用差动变隙式电感传感器，其灵敏度和单线圈式传感器相比提高一倍

电感式传感器采用变压器式交流电桥作为测量电路时，如想分辨出衔铁位移的方向，则应在电路中加相敏检波电路。压电陶瓷与天然石英的压电性能比较，通常压电常数大，居里点低

对热电耦传感器，形成热电势的必要条件是两种导体材料不同；节点所处的温度不同

光敏元件中光电池是直接输出电压的.变间隙型电容式传感器输出特性属于非线性

利用热电偶测温时，只有在保持热电偶冷端温度恒定条件下才能进行.一应变片，所受应变ε为1000μ，若取Ks=3，n=1，非线性误差为0.15%

光敏二极管工作时，加反向电压

一个热电偶产生的热电势为E0，当打开其冷端串接与两热电极材料不同的第三根金属导体时，若保证已打开的冷端两点的温度与未打开时相同，则回路中热电势不变

热电偶产生的热电势由哪几种电势组成，试证明热电偶的中间导体定律。

制作霍尔元件应采用什么材料，为什么？为何霍尔元件都比较薄，而且长宽比一般为2 ：1？

简述霍尔电动势产生的原理。

说明光电管工作原理。

说明α射线、β射线、γ射线各自的突出特性

热电效应

压阻效应

简述热电偶的工作原理

简述电阻应变片式传感器的工作原理

光电效应可分为哪三种类型，简单说明其原理并分别列出以之为基础的光电传感器。

热电偶产生的热电动势由哪几种电动势组成，试证明热电偶的中间导体定律。

传感器的定义和组成？

试列出你所学过的不同工作原理传感器哪些可用于非接触式测量，哪些用于接触式测量，测量何种物理量？（各大于3种）

光电效应可分为哪三种类型，简单说明传感器的原理并分别列出以之为基础的光电传感器。

根据你所学的传感器相关知识，请分别列出下列物理量可以使用什么传感器来测量？

1、加速度：

2、温度：

3、工件尺寸：

4、压力：

1、电阻应变片，电容等

2、热电偶，热电阻等

3、电感，电容等

4、压电，霍尔等

什么是红限频率？

压电式传感器往往采用多片压电晶片串联或并联方式，当采用多片压电晶片并联方式时，适合于测量何种信号? 光电效应可分为哪三种类型，简单说明其原理并分别列出以之为基础的光电传感器。

热电偶产生的热电动势由哪几种电动势组成，试证明热电偶的标准电极定律。

传感器的定义和组成？

试列出你所学过的不同工作原理传感器哪些可用于非接触式测量，哪些用于接触式测量，测量何种物理量？（各大于3种）

光电效应可分为哪三种类型，简单说明传感器的原理并分别列出以之为基础的光电传感器。

根据你所学的传感器相关知识，请分别列出下列物理量可以使用什么传感器来测量？

1、加速度：

2、温度：

3、工件尺寸：

4、压力：

1、电阻应变片，电容等

2、热电偶，热电阻等

3、电感，电容等

4、压电，霍尔等

什么是红限频率？

分析如图1所示自感传感器当动铁心左右移动（x1,x2发生变化时自感L变化情况。已知空气隙的长度为x1和x2，空气隙的面积为S，磁导率为μ，线圈匝数W不变）。

ΦIW

R，LΨWΦW2

解：mIIRm

n

又Rlnilx1lx2ll

m

i1iSiS

0S000i0 i1iSi0S0

空气隙的长度x1和x2各自变，而其和不变，另外其他

差动式变极距型电容传感器原理分析图1 变量都不变，故L不变。

篇2：传感器原理与应用复习资料

例2：某压力表精度为1.5级，量程为0～2.0MPa，测量结果显示为1.2MPa，求1）最大引用误差δnm；2）可能出现的最大绝对误差Δm；3）示值相对误差δx＝？

例3：一差动变压器式位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化1200mv，问位移传感器的灵敏度是多少？

例4：机械式指针位移传感器，当输入信号有0.01mm的位移变化量式，指针位移10mm，求位移传感器的灵敏度？

例5：进行某动态压力测量时，所采用的压电式力传感器的灵敏度为90.9nC/Mpa，将它与增益为0.005V/nC的电荷放大器相连，而电荷放大器的输出接到一台笔式记录仪上，记录仪的灵敏度为20mm/V。试计算这个测量系统的总灵敏度。当压力变化为3.5MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量是多少？

例6：有一只变极距电容传感元件，两极板重叠有效面积为，两极板间的距离为1mm，已知空气的相对介电常数是1，真空中介电常数为8.85×10-12F/m,试计算该传感器的位移灵敏度。

例7：粘贴在钢件上的康铜电阻丝应变片，其灵敏度为2，电阻温度系数为20×10-6/oC，敏感栅材料的线膨胀系数为15×10-6/oC，钢件的线线膨胀系数为11×10-6/oC，弹性模量E为2×1011N/m2,求：（1）当环境温度变化为10oC时，应变热输出为多少？相当于试件产生多大应力？

（2）当=1000uε时，由于热输出产生的温度误差γt是多少？

篇3：传感器原理与应用复习资料

关键词：传感器原理与应用,课堂教学改革,实践,评价体系

传感器原理与应用课程是我院电子信息工程、电气自动化、新能源科学与工程专业的一门专业必修课程。它与模拟电子线路、数字电子线路、单片机、可编程逻辑控制器等其他课程紧密相连的实践性很强的课程。尽管该课程已开设很多年, 但是传统的教学理念下, 采用注重理论知识讲授。教师仅专注于对每一种传感器基本原理、结构、测量电路的讲解, 课堂教学与当前高等教育必须坚持走以质量提升为核心的内涵式发展道路, 提高学生自主学习、工程实践应用能力和应用创新能力的要求不相适应[1,2,3]。集中表现在课题教学内容与新形势下工科人才培养目标不相适应;课堂教学方法单一, 学生缺乏兴趣, 课堂教学效果不佳;考核评价体系落后, 与工科创新型、应用型人才培养质量评价体系不相符, 也与我院实施的江苏省电子信息工程专业卓越工程师人才培养目标不相符合。

因此, 围绕着传感器原理与应用课程课堂教学中存在的问题, 结合自己的课堂教学实践, 对教学内容、教学方法和评价体系等方面进行了尝试。

1 传感器原理与应用课程教学内容改革

本课程面向对象为电子信息工程专业、电气自动化专业和新能源科学与工程等多个专业的学生, 涉及的专业面广。因此, 结合我院电子信息工程专业的江苏省卓越工程师培养的要求, 针对不同专业学生的教学大纲和授课计划表的内容进行了多次修订, 使得以学生为本, 加强实践部分和理论教学有机结合, 让学生真正在动手中自主学习理论, 在学习理论过程中能够理论联系实践。

一方面, 在教学大纲中优化理论授课内容, 理论课的讲授内容更接地气, 与地方企业生产实践相结合。另一方面, 在夯实基础同时加强实践环节, 提高学生分析和解决问题的能力。精心设计好验证性实验、综合性实验、设计性实验部分, 实行分层次教学, 充分利用好实践课时, 使得实践课与理论课有机结合, 实践和理论教学相得益彰。

2 传感器原理与应用课程教学方法改革

2.1 激发学生学习的兴趣提高学生自主学习能力

遴选一些传感器课程设计、毕业设计、全国电子设计大赛、教师的科研项目中遇到的经典案例, 每次理论课讲授过程中有目的穿插在理论课的讲授过程当中。例如在讲授《光电检测传感器》章节时, 可以把学生参与研发的道路照明色度检测系统作介绍, 详细分析开发设计过程中如何解决传感器设计部分。讲授《电容传感器》章节时引入全国电子设计大赛中测摆的角度的选题, 和学生一起分析如何合适选取传感方式测量角度问题。再如讲解《气敏传感器》章节时, 引入毕业设计学生所研究的高层、超高层民用建筑火灾预警和报警系统的设计。另外还可以与课程设计内容结合, 如利用光敏电阻设计太阳能自动跟踪系统的设计等。通过一系列具体而实际的例子, 让学生深切地感受到学好传感器技术可以做很多相关设计。不仅可以把已学习过的课程如模拟电子线路、数字电子线路的知识灵活应用起来, 而且也对后继课程的学习具有十分重要的作用, 可以结合单片机、PLC、过程控制等技术进行联合开发和研究, 另外也让学生尽早地参加各类电子大赛、参与教师的科研工作、自主研发, 申请与传感器相关的专利等。因此理论联系实际的教学, 可以大大地激发学生学习传感器的兴趣。

除此之外, 传感器课堂教学激发学生自主学好传感器知识的积极性。有意识地引导学生把所学的理论知识与实践环节相联系。改变传统的理论课程讲授完成后再集中时间做实验的授课方式, 在理论讲授的同时穿插实验环节, 让学生边动实践边学理论, 提高理论课程授课的效果。在每次传感器授课结束时, 留给学生1~2个课后完成的小设计或调研工作。例如调研利用某种具体的传感器设计的专利成果、家用电器中具体采用的传感器原理和电路分析等。在下一次课讲授时, 可以与学生一起分享某一个教师申报的跟传感器相关的专利成果, 或讲解例如洗衣机传感器的使用。这样调动学生自主学习传感器课程的积极性。

2.2 多种教学手段综合应用加强师生互动

改变传统单纯使用板书教学手段, 采用合理使用多媒体课件, 把动画和影音加入到课件当中, 结合黑板推导, 把板书和多媒体教学有机结合起来, 激发学生的课堂学习兴趣。

另外传感器原理与应用课程为学校校级优秀课程, 已建立了网络课程、试卷库。利用网络课程将教学资源与学生共享, 可以把部分试卷库、理论课件、教案、书后习题解答、大纲和授课计划, 实验分组等提供给学生。利用已有的网络课程加强师生互动。在课堂教学中把学生在网络上所关心的问题进行解答。现在教师给学生答疑时间少了, 但是可以通过网络课程的师生互动环节加强师生沟通和交流, 这个环节很有必要, 可以有效拓宽师生的交流和联系。

2.3 实验内容分层次教学鼓励多实践

传感器实验教学是加强学生实践能力的重要环节。往往两节课的实验内容仅仅验证了某一个传感器从非电量到电量的检测, 而不同学生的动手能力参差不齐, 基础较好的学生可能一节课就完成了规定的实验内容。因此, 尝试把每一个具有的实验内容分层次教学, 即必做和选做内容。必做部分为常规实验项目, 选做内容为拓展内容, 为动手能力好的学生提高传感器实践技能打基础。

根据一般学生完成的正常进度设置合理的必做内容, 这些内容往往是验证性的。而传感器综合实验台一般可做40多个实验内容, 每学期基本上都是固定开设6~8个实验项目。因此, 并没有充分利用好实验装置。因此, 需要合理设置好每一个实验项目的选做内容, 即在每一个实验项目中设置验证性的、综合性的、创新性的内容。充分利用好课堂实验时间, 让每一个学生根据自己的动手能力选做合适的内容。学生选做的内容越多, 完成的质量越高, 实验成绩评定时等级越高。鼓励学生大胆动手实践, 提高实验仪器的使用率。

例如在箔式应变传感器实验中, 基本的验证实验项目为利用单臂电桥测试位移和电压的关系。可以设置采用半桥电路、全桥电路验证位移变化与电压的关系。进一步可以让学生用半导体应变片验证位移和电压的关系。还可以增加设计性的内容如利用传感器实验平台和模块设计不同精度的电子秤等。对于有探究精神的学生可以进一步引导, 利用固态压阻式压力传感器精确测试气体压强、利用电阻式传感器设计能够测试加速度的传感器等等。如果课上时间不够的, 可以通过开放实验、课程设计、毕业设计等方式对学生开放实验室。从而解决传感器开放实验时段学生不知道做什么的问题。另外, 结合报废仪器, 让学生自主的拆卸和搭建传感器测试电路。图1和图2为学生利用开放实验, 自主设计的红外自动计数器电路PCB板图和实物图。总之, 通过每一个实验项目设置的不同难易程度的内容, 激发学生自主实践的能力和创新能力。

3 传感器原理与应用课程考核评价体系的改革

传感器课程考核成绩评定采用综合考核的方式。考核成绩采用过程考核和综合考核双结合的形式, 按照平时考核、听课情况、作业和实验报告完成情况、实践动手操作情况等进行评价;综合考核为期中和期末考核成绩。加大实践考核的权重, 鼓励在实验课程中的创新。形式多样, 如果能够解决实验过程中出现的问题进一步研究的, 有详细解决方案, 完成选做实验内容质量高的等等都计入实验成绩部分。通过评价体系的改革, 有效地激发了学生自主学习的能力和创新能力。

4 结束语

传感器原理与应用课程课堂教学改革结合教学实践在教学内容、教学方式、考核形式等方面进行教学改革尝试, 激发了学生学习传感器技术的兴趣, 以学生为本, 加强实践环节的创新, 不断增强师生互动, 提高了传感器理论和实践课堂教学的效果。

参考文献

[1]黄信瑜, 宋思根, 刘平.大学课堂教学改革创新需实现“四化”[J].江苏高教, 2015 (1) :70-73

[2]韦宗发.新建地方应用型本科院校课堂教学改革探究[J].教育教学论坛, 2014 (44) :112-113

篇4：传感器原理与应用复习资料

许多原子由于它们特有的电子结构而具有像针那样有南北极的磁矩。当固体受到机械应力时，通常导致一定的变形能量储存在物体中。然而材料也会产生其他效应，而形成电场。元件受压时改变了磁畴的磁矩，其结果是沿着机械力作用的方向改变磁畴特性。这称为磁弹性效应，是传感器的基础。

当施加垂直力时，由于磁弹效应将产生磁各向异性现象，磁长随时间的变化将在线圈中感应出电压，因此，感应电压取决于次但特性，因为也就取决于所加的力。

１．振弦式传感器

目前振弦式传感器主要用语实验室的电子称和其他小称。在工业上曾用于台秤和皮带称。用质量对两根阵线预加负荷，当未知负荷通过角度的弦线施加负荷连接点时，左弦将受到增强的弦力作用，从而增大了该弦的固有频率。左右弦的频率之差正在与所施加的负荷，传感器的输出与将频率差变成脉冲计数对该脉冲串采样，即可直接读出重量值。绝大多数电子称重选用电阻应变式称重传感器。

应变计基本上是一个电阻，它由平行导线或金属箱作成一定的形状，并嵌入电环氧树脂材料作成的绝缘基底中。电阻变化正比于在弹性提上所施加的力，并被精确地测量出来。

热耗散是限制应变计允许通过电流的因素。其结果也就限制了称重传感器的不平衡电压输出。在传感器弹性体中进行有效的热耗散以获得稳定的测量结果是很必要的。

在电阻应变式称重传感器中，弹性提可以采用不同的形状。如圆环、柱式或弯曲梁筹。

2.电阻应变式称重传感器误差来源分析

电阻体积改变式称重传感器如同所有其他物理元件一样受到各种误差源的影响。零点平衡和灵敏度是误差的两个主要来源。其他的误差为：非线形，滞后，蠕度和不重复性。

在相同的外界条件下，重复测量同一负荷下称重传感器输出的最大差值。不重复度在任何传感器测量系统中都是一个即简单而又十分重要的因素。由于它是随即的因而无法补偿，多仪不能在测量系统中加以校准。因此不重复度是校准过程中的不利因素，也就限制了综合测量准确度的提高。

在称重系统中使用一个以上的传感器时，通常由于传感器之间负荷分配不匀，不可避免地引起称重误差。这成为“四角效应”。如果称重传感器具有相同的特性就可避免这种称重误差。

3.称重传感器的安装

正确的安装称量传感器显然是很重要的。如果传感器安装不正确，哪怕是质量最好的传感器和电子装置，也得不到正确的结果。

没有横向力作用于传感器是极其重要的，尤其对柱式传感器横向力将产生弯曲力矩，使贴在圆柱体表面的应变计感受应变。比应变量比所测量的垂直力产生的应变大得多。

目前一般常用以下三种方法来保护传感器免受横向力的作用：

（1）采用导向承压板，允许传感器在枢轴上转动。

（2）采用自动定位滚珠支座允许支承点横向位移。

（3）采用没有限往的自动定位支承安装系统。

4.静态称重系统中传感器的安装

静态称重包括在台架和平台上的称重，料斗和料槽的称重，以及吊车和运输车辆上的称重。

在设计称台或平台时必须考虑以下三个基本因素：

（1）称台或平台的位移。

（2）称重传感器的负荷分配。

（3）作用于称台或平台的外部水平力。

5.误差来源分析

电阻应变式称重传感器如同所有其他物理元件一样受到各种误差源的影响。零点平衡和灵敏度的温度效应是误差的两个主要来源。然而，在许多承重传感器中这些效应可以被补偿，因而剩下的效应可减少到初始值的10%左右。

6.对基础和承载器的要求

一个稳定的称重系统的先决条件是具有一个刚性支撑结构与（或）基础。同样，承载器（料箱，料斗，平台）上的连接法兰，拖架等必须具有相同的刚度。这样在满负荷时角位移保持最小。

如果放在同一结构上的容器数量超过一个，该结构必须设计成足够的刚度以防止由于大的饶曲引起互相干扰误差。

通常在称重传感器下面放一快厚基板以保证负荷均匀地传递到支撑结构，这一点对混凝土基础尤为重要，通常在基础上配置一快厚钢板，以便把称重传感器安装在上面。

对于具有4个或更多称重传感器的静态系统，传感器组合安装通常用垫片，以保证传感器均匀受载。

7.称台和平台

在设计称台或平台时必须考虑以下三个基本因素：

（1）称台或平台的位移。

（2）称重传感器的负荷配置。

（3）作用于称台或平台的外部水平力。

所有称台受载时将产生一定的位移。位移量采取称台是自由浮动的还是用限位元件紧固的，这两种情况都有不同的误差源。有可能降低系统的准确度。

在自由浮动称台中，称台本身的位移不会引起任何称重误差，但在称重时作用于称台的水平力使秤台碰状到自由浮动秤台四周的缓冲器，摩擦引起力的旁路，从而减少了称重传感器上的负荷。这种随即误差可能相当大，在称重过程中必须防止这种现象的出现。

所有称台受载时将产生一定的位移，位移量取决于称台是自由浮动的还是用限往元件紧固的，这两种情况都有不同的误差源，有可能降低系统的准确度。

篇5：传感器原理与应用复习资料

填空1.5*12，简答5*5，综述12分，计算题5题45分

除了计算题外的内容：（掌握知识点）

1．2．

3．4．

5．6．

7．8．

9． 测量方法的分类 误差的分类、产生的原因及消除的方法。随机误差正态分布的四个性质及解释。传感器动态特性的性能指标及各指标含义。传感器静态特性的性能指标及各指标含义。传感器组成及各部分功能,传感器的标定 全桥、半桥、单臂测量电路的灵敏度和线性度比较。四种直线拟合的方法。各传感器分类、组成及各部分的功能、基本原理、特性计算、测量电路及应用【如应变片的分类及原理，电容传感器分类及灵敏度是否线性，比较差动变隙式自感传感器和差动变压器的异同，压电材料的分类及各自特点等】

10． 应变效应

11． 应变片的温度误差的补偿方法。

12． 横向效应

13． 电涡流效应

14． 压电效应

15． 霍尔效应，霍尔器件的三轴示意

16． 电磁感应定律

17． 零点残余电压

18． 有源和无源传感器定义

篇6：压力传感器原理与应用知识简介

一、压力相关概念

压力：流体介质垂直作用于单位面积上的力称为“压强”，在工程技术上一般称它为“压力”，其法定计量单位为帕斯卡，简称帕（符号为Pa）。

1、绝压：以绝对真空（零压）为基准来表示的压力（PA）。

2、差压：两处的压力差值（PD=P1-P2）

表压：以实际大气压为基准来表示的压力（PG）。当P2为大气压时，PG等于PD。

密封压：以标准大气压为基准来表示的压力（PS）。当实际大气压等于标准大气压时，密封压等于表压，所以密封压是表压的一个特例。负压：小于实际大气压时的表压力（也叫真空压），负压也是表压的一个特例。

二、压力传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。

1、应变片压力传感器

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU）显示或执行机构。

金属电阻应变片的内部结构由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

电阻应变片的工作原理

金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：R=ρ×L/S

式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m）

S ——导体的截面积（cm2）

L ——导体的长度（m）

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。

2、陶瓷压力传感器

抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0 ～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ～135 ℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

3、扩散硅压力传感器

工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

扩散硅广泛应用在表压、绝对压力、差压（流量）、液位变送器及压力开关中。

4、蓝宝石压力传感器

利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。

蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC 以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n

漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。

表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。

传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

5、电容式压力传感器

利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

单电容式压力传感器

它由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成。这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以

及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。

差动电容式压力传感器

它的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

6、压电压力传感器

压电式传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电式传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电式传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇

航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

篇7：传感器原理与应用试题答案1

中北大学传感器课程考试试题

传感器原理与应用试题答案

（一）一填空（在下列括号中填入实适当的词汇，使其原理成立 5 分）

1．用石英晶体制作的压电式传感器中，晶面上产生的电荷与作用在晶面上的压强成正比，而与晶片几何尺寸和面积无关。

2．把被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传感器是根据变压器的基本原理制成 的，其次级绕组都用同名端反向形式连接，所以又叫差动变压器式传感器。

3．闭磁路变隙式电感传感器工作时，衔铁与被测物体连接。当被测物体移动时，引起磁路 中气隙尺寸发生相对变化，从而导致圈磁阻的变化。

4．电阻应变片是将被测试件上的应变转换成电阻的传感元件。

5．影响金属导电材料应变灵敏系数 K。的主要因素是导电材料几何尺寸的变化。评分标准：每填一个空，2.5 分，意思相近2 分。

二选择题（在选择中挑选合适的答案，使其题意完善每题 4 分）

1．电阻应变片的线路温度补偿方法有（A.B.D）A．差动电桥补偿法 B．补偿块粘贴补偿应变片电桥补偿法 C．补偿线圈补偿法 D．恒流源温度补偿电路法

2．电阻应变片的初始电阻数值有多种，其中用的最多的是（B）。A． 60Ω B．120Ω

C．200Ω D．350Ω）。

3．通常用应变式传感器测量（BCD）。A．温度 B．速度 C．加速度 D．压力

4．当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离 d 增加时，将引起传感器的（B,D）。

A．灵敏度增加 C．非统性误差增加 B．灵敏度减小 D．非线性误差减小

5．在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于（BD）。A．外光电效应 C．光电发射 B．内光电效应 D．光导效应

评分标准： 345 题回答对一个 2 分，题 A.B.D）1（回答对一个 2 分，两个 3 分，2 题（B）不对没有得分。

三、回答下列问题（每题 5 分，答出原理 3 分，说明 2 分）

1．什么 1/2 桥能提高灵敏度，减小非线性；利用桥路中相邻臂电阻变化相反，对邻臂电阻 变化相同的特点，将两个工作应变片接入电桥的相邻臂，并使它们一个受拉，另一个受压，如图所示，称为半桥差动电桥，半桥差动电桥电路的输出电压为 评分标准： 说明出划线部分的重点意思得 1.5 分，回答完整 2 分

写出平衡条件：1 分

设平衡时 R1=R2=R3=R4=R，又ΔR1=ΔR2 =ΔR 则

得证结论：2 分

可知半桥差动电路不仅没有非线 性误差，而且电压灵敏度也比单一 应变片工作时提高了一倍。谓压阻效应：.固体受到力的作用 后，其电阻率（或电阻）就要发生 变化，这种现象称为压阻效应。

评分标准： 说明 2 分 表达式 3 分

3间 导 体 定 律． 由导体 A、B 组成的热电偶，当插入第三种导体 时，只要该导体两端的温度相同，插入导体 C 后对回路总的热电势无影响。

评分标准： 说明 3 分 表达式 2 分

4.周边固支；压力均布；小挠度。

评分标准：回答三条满分，一条 2 分，两条 4 分，三条 5 分

5．电压放大器：适合高频量测量，更换导线灵敏度要重新标定。电荷放大器：适合高低频量测量，灵敏度与导线长度无关，只与反馈电容有关。

评分标准：（说明：意思相近4 分。若答电压放大器放大电压，电荷放大器放大 电荷不得分。）

四、作图并说明以下问题（每题 6 分 作图 3 分，说明 3 分）作图并说明以下问题1 通常沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效 应称为“横向压电效应”，评分标准： 说明 3 分 作图 3 分 注意图与说明一致

2． ．当衔铁处于中间位置时，δ1=δ2，初级线圈中产生交变磁 通Φ1 和Φ2，在次级线圈中便产生交流感应电势。由于两边气隙相 等，磁阻相等，所以Φ1=Φ2，次级线圈中感应出的电势 e21= e22，由于次级是按电势反相连接的，结果输出电压 Usc=0。当衔铁偏离 中间位置时，两边气隙不等（即δ1≠δ2），次级线圈中感应的电势 不再相等（即 e21≠e22），便有电压 Usc 输出。Usc 的大小及相位取 决于衔铁的位移大小和方向

评分标准： 说明 3 分 作图 3 分

3． 霍尔电势:

评分标准： 表达式 3 分，作图 3 分，看磁场的 在磁通量 B↑的表示符号与否，个别符号没有表示的适当减 1 分，在，磁通量 B↑的表示符号不在的，不得分。

4.当线圈通入交变电流 I 时，在线圈的周围 产生一交变磁场 H1，处于该磁场中的金属体上产 生感应电动势，并形成涡流。金属体上流动的电 涡流也将产生相应的磁场 H2，2 与 H1 方向相反，H 对线圈磁场 H1 起抵消作用，从而引起线圈等效阻抗 Z 或等效电感 L 或品质因数相应变化。金属体上的电涡流越大，这些参数的变化亦越大。根据其等效电路，列出电路方程

评分标准： 回路方程写出 3 分 作图 3 分光纤位移传感器的工作原理

1、光纤位移传感器的结构及工作原理

评分标准：满分 6 分： 1 结构原理图（2 分）； 2 反射光接收原理示意图 2 分）3 位移与输出电压曲线（2 分）

篇8：浅析进气压力传感器的原理与应用

1 进气压力传感器的工作原理

进气压力传感器检测的是节气门后方进气歧管的绝对压力, 它根据发动机转速和负荷大小检测出歧管内绝对压力的变化, 然后转换成信号电压送至电子控制器 (ECU) , ECU依据此信号电压的大小, 控制基本喷油量的大小。

进气压力传感器种类较多, 有压敏电阻式、电容式等。由于压敏电阻式具有响应时间快、检测精度高、尺寸小且安装灵活等优点, 因而被广泛用于D型喷射系统中。

图1是压敏电阻式进气压力传感器与电脑的连接。图2是压敏电阻式进气压力传感器的工作原理, 图1中的R是图2中的应变电阻R1、R2、R3、R4, 它们构成惠斯顿电桥并与硅膜片粘接在一起。硅膜片在歧管内绝对压力作用下可以变形, 从而引起应变电阻R阻值的变化, 歧管内的绝对压力越高, 硅膜片的变形越大, 从而电阻R的阻值变化也越大。即把硅膜片机械式的变化转变成了电信号, 再由集成电路放大后输出至ECU。

2 进气压力传感器的输出特性

发动机工作时, 随着节气门开度的变化, 进气歧管内的真空度、绝对压力以及输出信号特性曲线均在变化。

D型喷射系统检测的是节气门后方进气歧管内的绝对压力。节气门后方既反映了真空度又反映了绝对压力, 因而有人认为真空度与绝对压力是一个概念, 其实这种理解是片面的。在大气压力不变的条件下 (标准大气压力为101.3 kPa) , 歧管内的真空度越高, 反映歧管内的绝对压力越低, 真空度等于大气压力减去歧管内绝对压力的差值。而歧管内的绝对压力越高, 说明歧管内的真空度越低, 歧管内绝对压力等于歧管外的大气压力减去真空度的差值。即大气压力等于真空度和绝对压力之和。理解了大气压力、真空度及绝对压力的关系后, 进气压力传感器的输出特性就明确了。

发动机工作中, 节气门开度越小, 进气歧管的真空度越大, 歧管内的绝对压力就越小, 输出信号电压也越小。节气门开度越大, 进气歧管的真空度越小, 歧管内的绝对压力就越大, 输出信号电压也越大。输出信号电压与歧管内真空度的大小呈反比, 与歧管内绝对压力的大小呈正比。

3 D型喷射系统故障的特殊性

由于D型喷射系统采用进气压力传感器间接测量进气量, 它与L型喷射系统有许多不同之处, 尤其是歧管内的真空度对D型喷射系统影响很大。同是一个故障点, 在D形喷射系统和L形喷射系统故障的表现是不一样的。例如, 节气门后方漏气, 对于L形喷射系统来说, 外漏的气体没有经过进气流量传感器的计量, 所以ECU不会令喷油量增加, 以致使混合气变稀, 发动机动力不足、怠速不稳甚至熄火。对于D型喷射系统来说, 节气门后方的真空漏气, 会使歧管内的真空度下降, 绝对压力升高。由于D形喷射系统都是以绝对压力的信号输出给ECU的, 所以ECU根据绝对压力升高的信号, 令喷油量增加, 提高发动机转速, 造成怠速过高。如果漏气严重且ECU有超速断油功能, 当转速增加到1 500 r min左右时, ECU将开始断油降速, 当降到一定转速时, ECU又开始供油提高转速, 循环不已, 以致发动机产生游车现象。

由此可以看出, L形与D形喷射系统的真空漏气故障, 主要表现在发动机怠速工况下的不同。L型喷射系统表现为怠速不稳, 甚至熄火;而D型喷射系统则表现为怠速过高, 甚至游车。另外, D型喷射系统若在节气门前方漏气, 将不影响发动机工作, 这也是D型喷射系统的一个特点。

D形喷射系统中除了真空漏气外, 还有许多因素会影响到歧管真空度, 如机械配气相位不对、点火时间晚及排气管堵塞等。由正时胶带 (或链条) 错位造成的配气相位不对, 在进气行程活塞已下行时, 而进气门仍未开启, 造成缸内高度真空, 绝对压力很低, 送给ECU的信号电压也很低, 使ECU令喷油量减小, 造成发动机怠速不稳甚至难以启动。点火时间过晚, 造成发动机过热和动力不足。如果靠加大节气门的开度来增加动力, 会使歧管内的真空度降低, 绝对压力升高, 送给ECU的信号电压也升高, 使ECU令喷油量增加, 造成混合气过浓。其实ECU接收到的绝对压力升高的信息, 不是发动机正常工作时的信息, 而是一个误导ECU增加喷油量的错误信息, 结果造成喷油量过多, 混合气太浓引起排气管冒黑烟的假象。这种现象只有在D型喷射系统中才会出现。排气管 (三元催化反应器) 堵塞, 轻者会使发动机无力, 重者会造成发动机难以启动。如果拆下某一缸的火花塞后, 发动机由不能启动变为能启动, 说明排气管确已堵塞。排气管堵塞后, 只进气不排气或排气极少, 使缸内真空度降低接近0, 绝对压力升高甚至接近于大气压力, 以致送给ECU的信号电压也很高, ECU令喷油量大大增加, 最终使混合气太浓, 发动机不能启动。

综上所述, D型喷射系统的主要因素———歧管真空度, 是评定发动机性能的一项综合指标。歧管真空度受电控和机械两部分的影响, 诊断故障时, 首先要排除电控部分的故障, 其后才是机械部分 (点火正时、配气及密封器件) 。在诊断机械部分故障时, 应首先使用真空表来测量歧管内的真空度, 这样可使检修工作便捷, 不致于走弯路。在标准大气压下, 一台机械配气良好、点火正时的发动机在怠速工作时, 其歧管真空度为58~70 kPa。如果数值不在此范围, 说明这台发动机有故障, 可用真空表进一步诊断。诊断时, 应把真空表接在节气门后方进气歧管的真空管接口上, 待发动机运转达到正常工作温度时, 在怠速工况下即可测量其真空度。测量时, 歧管真空度一般有以下几种情况。

(1) 真空表的低端数值比正常值低16 kPa左右、高端低13 kPa左右时, 说明进气歧管部位和真空管漏气。

(2) 真空表的读数比正常值低3~23 kPa, 说明气门密封不良或正时胶带错位。

(3) 真空表的读数在0时左右摆动, 有时出现正压, 说明排气管堵塞 (三元催化反应器损坏) 。

(4) 发动机2 000 r/min时, 迅速关闭节气门, 真空表的读数下降5~17 kPa, 说明活塞环漏气, 缸内压力降低。

(5) 发动机2 000 r/min时, 迅速关闭节气门, 真空表的读数下降10~30 kPa, 说明进排气歧管垫漏气。

(6) 真空表读数稳定在47~57 kPa时, 说明点火时间过晚。

篇9：传感器原理与应用复习资料

工作原理

LX1970的引脚功能如附表所示。为了把光能量从μW/cm2转换成cd/m2就必须详细说明一下光电系统。光电系统可以看作是光能的传递和接收系统，辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。光能的强弱是否能使接收器感受，这是光电系统一个很重要的指标。光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。cd/m2是衡量点亮的平板表面亮度强弱的单位。μW/cm2是衡量可见的和不可见的光通量和电磁辐射通量强度的单位。转换的第一步就是把发光强度转换成通过了一个对应的滤波片的照明通量。在正常环境中使用的是光适应曲线，在黑暗环境中使用的是暗适应曲线。如果光波仅仅只有一种波长，只需一张表就会给出从μW/m2转换到lx(lumens/m2)的转换因数。如果多使用一种光波，光的光谱就必须采用合适的滤光片才能测定总的照度。对于适应于人眼的正常光线而言，最灵敏的波长是555nm。在555nm，转换的因数为683lx=1W/m2=100μW/cm2，因此，555nm时，14.6μW/cm2=100lx。转换的下一步就是把照度变成亮度。照度的单位是lx或者lumens/m2。亮度的单位是cd/m2或者lumens/m2-球面度。假设一束光照在一个理想的全反射的球面上，那么从lx到cd/m2的转换因数就是3.14lx产生1cd/m2。

如果光传感器有一个真实的光电响应，它就会产生和该束光强度相对应的输出电流，而不管这束光的颜色。

应用实例

篇10：传感器原理与应用复习资料

1：压电式传感器设计：

内容和要求：压电元件的选择；工作原理设计；分类与结构设计；主要性能指标。2：压电式压力传感器设计计算：

内容和要求：机械强度的设计计算；灵敏度的设计计算；绝缘电阻的选择；谐振频率的设计；压电式压力传感器的非线性；弹性元件材料的选择

3；螺管式差动传感器的设计

内容和要求：简单变压器的工作原理；差动变压器的工作原理；螺管式差动传感器的结构设计；螺管式差动传感器的参数计算；差动传感器的误差

4：电容式传感器的参数计算设计

内容和要求：电容式传感器的初始电容量计算；平行板电容器介质厚度的确定；电容式传感器极板面积的确定；电容式传感器的极板厚度确定；电极金属材料选择原则；电容式传感器的热计算

5：电阻应变式扭矩传感器的设计

内容和要求：电阻应变式扭矩传感器设计方案框图；结构设计；轴的扭矩测量原理设计；测量电桥设计；参数设计

6：基于LabVIEW和光电式传感器的转速检测与控制设计

内容和要求：前面板设计；框图程序设计

7：基于LabVIEW和温度传感器的温度计设计

内容和要求：前面板设计；框图程序设计

8：应变式称重传感器设计

内容和要求：应变式称重传感器的选择；工作原理设计；分类与结构设计；主要性能指标。

9：压电式加速度计的设计

内容和要求：机械强度的设计计算；灵敏度的设计计算；绝缘电阻的选择；谐振频率的设计；压电式加速度计的非线性；弹性元件材料的选择

10：霍尔式位移计设计

内容和要求：机械强度的设计计算；灵敏度的设计计算；绝缘电阻的选择；谐振频率的设计；霍尔式位移计的非线性；弹性元件材料的选择

11：便携式电子秤的设计

（1）选择合适的传感器测量力，重量0～5kg，最小分辨率（精确到）0.1g；

（2）画出该测量系统的系统原理框图(应包括传感器、信号处理、显示器等）；

（3）画出外观图、显示、按钮、传感器位置等；

设计报告要求：设计报告字数不少于5000字，采用统一的格式，毕业论文的结构，包括封面、中文摘要、目录、正文、参考文献、附录等环节。文档格式也按照毕业论文的要求排版。

要求：3人一组，一个自然班之内课题不能重复，设计题目可不局

篇11：传感器原理与应用复习资料

摘要：集成转速传感器具有灵敏度高、测量范围宽、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，是传统的分立式转速传感器的升级换代产品。文中介绍了KMI15系列磁阻式集成转速传感器的工作原理与典型应用。

关键词：转速传感器;磁阻;电磁干扰滤波器;KMI15

转速属于常规电测参数。测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，传统的磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成的，亦可用耳塞机改装而成。但这种传感器存在一些缺点：第一，灵敏度低，传感器与转动齿轮的最大间隙(亦称磁感应距离)只有零点几毫米;第二，在测量高速旋转物体的转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差;第三，这种传感器所产生的是幅度很低且变化缓慢的模拟电压信号，因此，需要经过放大、整形后变成沿口陡直的数字频率信号，才能送给数字转速仪或数字频率计测量转速，而且外围电路比较复杂;第四，它无法测量非常低(接近于零)的转速，因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号。

目前，转速传感器正朝着高灵敏度、(本网网收集整理)高可靠性和全集成化的方向发展，典型产品有飞利浦(Philips)公司生产的KMI15系列磁阻式集成转速传感器。该传感器性能优良，安全性好，稳定性强，是分立式转速传感器理想的升级换代产品。KMI15系列包括KMI15-1、KMI15-2、KMI15-4等型号，它们的工作原理相同，仅性能指标略有差异。下面就以KMI15-1为例来介绍该系列集成转速传感器的工作原理与具体应用方法。

1 KMI15-1型传感器的性能特点

KMI15-1芯片内含高性能磁钢、磁敏电阻传感器和IC。它利用IC来完成信号变换功能，其输出的电流信号频率与被测转速成正比，电流信号的变化幅度为7mA～14mA。由于其外围电路比较简单，因而很容易配二次仪表测量转速。

KMI15-1器件的`测量范围宽，灵敏度高，它的齿轮转动频率范围是0～25kHz，而且即使在转动频率接近于零时，它也能够进行测量。传感器与齿轮的最大磁感应距离为2.9mm(典型值)，由于与齿轮相距较远，因此使用比较安全。

该传感器抗干扰能力强，同时具有方向性，它对轴向振动不敏感。另外，芯片内部还有电磁干扰(EMI)滤波器、电压控制器以及恒流源，从而保证了其工作特性不受外界因素的影响。

KMI15-1的体积较小，其最大外形尺寸为8×6×21mm，能可靠固定在齿轮附近。

KMI15采用+12V电源供电(典型值)，最高不超过16V。工作温度范围宽达-40～+85℃。

图2 图3

2 工作原理

KMI15-1型集成转速传感器的外形如图1所示，它的两个引脚分别为UCC(接+12V电源端)和U-(方波电流信号输出端)。为使IC处于较低的环境温度中，设计时专门将IC与传感元件分开，以改善传感器的高温工作性能。

该传感器的简化电路如图2所示。其内部主要包括以下六部分：

(1)磁敏电阻传感器;

(2)前置放大器A1;

(3)施密特触发器;

(4)开关控制式电流源;

(5)恒流源;

(6)电压控制器。实际上，该传感器是由4只磁敏电阻构成的一个桥路，可固定在靠近齿轮的地方，其测量原理如图3所示。

当齿轮沿Y轴方向转动时，由于气隙处的磁力线发生变化，磁路中的磁阻也随之改变，从而可在传感器上产生电信号。此外，该传感器具有很强的方向性，它对沿Y轴转动的物体十分敏感，而对沿Z轴方向的振动或抖动量很不敏感。这正是测量转速所需要的。

工作时，传感器产生的电信号首先通过EMI滤波器滤除高频电磁干扰，然后经过前置放大器，再利用施密特触发器进行整形以获得控制信号UK，并将其加到开关控制式电流源的控制端。KMI15-1的输出电流信号ICC是由两个电流叠加而成的，一个是由恒流源提供的7mA恒定电流IH，另一个是由开关控制式电流源输出的可变电流IK。它们之间的关系式为：

ICC=IH+IK

当控制信号UK=0(低电平)时，该电流源关断，IK=0，ICC=IH=7mA。当UK=1(

高电平)时，电流源被接通，IK=7mA，从而使得ICC=14mA。图4给出了从U-端输出的方波电流信号的波形，其高电平持续时间为t1，周期为T。输出波形的占空比D=t1/T=50%±20%。上升时间和下降时间分别仅为0.5μs和0.7μs。

KMI15芯片中的电压控制器实际上是一个并联调整式稳压器，可用于为传感器提供稳定的工作电压UC。而电阻R3、稳压管VDZ和晶体管VT1则可构成取样电路，其中VT1接成射极跟随器。A2为误差放大器，VT2为并联式调整管。这样，IH在经过R1、R2分压后可给A2提供基准电压UREF，从而在UCC发生变化时，由A2对取样电压与基准电压进行比较后产生误差电压Ur，同时通过改变VT2上的电流来使UC保持不变。

3 KMI15-1的典型应用

3.1 安装方法

KMI15-1应当安装在转动齿轮的旁边。若被测转动工件上没有齿轮，亦可在转盘外缘处钻一个小孔，套上螺扣，再拧上一个螺杆并用弹簧垫圈压紧，以防止受震动后松动，并以此代替齿尖获得转速标记信号。

3.2 典型应用电路

KMI15-1型集成转速传感器的典型应用电路如图5(a)所示。工作时，转速传感器输出方波电流信号，从而在负载电阻RL与负载电容CL上形成电压频率信号UO(f)，并送至二次仪表。通常取RL=115Ω、CL=0.1μF。需要指出：KMI15-1输出的是齿轮转动频率f(单位是Hz，即次/s)信号，欲得到转速n(r/min)，还应将f除以齿轮上的齿数N，并将时间单位改成分钟，公式如下：

n=60f/N

篇12：传感器原理与应用复习资料

 本课程要求掌握

1.所讲类型传感器的变换原理、结构及特点、变换电路

2.所讲类型传感器测量的物理量

一、传感器的基础知识

√1.定义、输出为电量的传感器组成及各部分的作用

按被测物理量

2.分类

按工作原理

3.传感器的静（掌握）、动态特性（了解）

上升时间时域响应时间过调量*线性度迟滞幅频特性静态 重复性

动态 频域 相频特性灵敏度一阶系统二阶系统

二、传感器部分

1.电阻式传感器

V视在分辨力:V=n电位器式传感器负载误差金属电阻的应变效应(原理、定量关系)电阻丝的应变灵敏度系数与电阻丝应变片的应变灵敏度系数的关系*应变式传感器桥式电路：平衡条件、电路的电压灵敏度、非线性误差补偿

温度特性补偿（电路的补偿）压阻式传感器（了解）：与金属丝应变片原理的不同，特点的不同。i

自感型—电感与被测量关系，减小非线性的方法（差动形式）变换电路：交流电桥（着重是变压器电桥，看书上的推导过程）变压器型（互感式）—原理原理L、R、Q状态电涡流式电涡流强度与距离的关系检测线圆直径与被测物体直径的关系2.电感式传感器

篇13：传感器原理与应用复习资料

MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器, 是MEMS器件的一个重要分支。随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展, MEMS传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成、便于安装调试以及耐恶劣工作环境等优势, 极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。MEMS传感器正逐步占据传感器市场, 并逐渐取代传统机械传感器的主导地位, 已得到消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域的青睐。

2、MEMS技术简介

MEMS是英文Micro Electro-Mechanical System的缩写, 即微电子机械系统。微电子机械系统技术是建立在微米/纳米技术 (micro/nanotechnology) 基础上的21世纪前沿技术, 是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。MEMS器件是指可以批量制造的, 集微型结构、微型传感器、微型执行器以及信号处理电路、接口于一体的微型器件或系统。它以硅半导体材料为加工对象, 采取专用集成电路制造技术把功能强大、复杂可靠的系统置于一个小小的硅片上, 从而极大地拓展了其设计及运用空间。

MEMS传感器的门类品种繁多, 分类方法也很多。按其工作原理, 可分为物理型、化学型和生物型三类。按照被测的量又可分为加速度、角速度、压力、位移、流量、电量、磁场、红外、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度、生物浓度及触觉等类型的传感器。综合两种分类方法的分类体系如图1所示。

MEMS传感器不仅种类繁多, 而且用途广泛。作为获取信息的关键器件, MEMS传感器对各种传感装备的微型化发展起着巨大的推动作用。MEMS器件自诞生以来, 在机械、化工、汽车工业、生物医学、消费电子产品、航空航天以及军事领域等方面得到了广泛的应用。

3、基于MEMS技术的ADIS16209简介

ADIS16209是AD公司生产的一款低功耗双轴加速度传感器芯片, 基于ADI公司的iMEMS集成微电子机械系统内核。ADIS16209主要由一个两轴加速度计、一个温度传感器、一个12位辅助模数转换模块 (ADC) 、一个12位辅助数模转换模块 (DAC) 、一个报警模块组成。对外接口为SPI接口。传感器感知外界信号后, 信号调理并转换, 经过信号处理后, 将得到的数据结果存入输出寄存器。通过SPI总线, 外部SPI主控器件向ADIS16209发送控制命令或者读取。ADIS16209内部有控制寄存器, 寄存器都有默认值, 通过对寄存器值进行修改, 可以改变采样频率、改变平均滤波参数等多个方面的控制效果。每个采样周期结束后, 传感器测量结果存放至输出寄存器, 并且通过DIO1引脚向外产生一个脉冲, 表示一组新的完整的测量数据结果已经准备好, 可供外部SPI主控器件读取。当它处于水平安装时, 能够在±90°测量范围内以小于0.1°的误差测量双轴倾斜。由于其工作在双轴模式下, 该传感器在全部360度范围内也支持垂直安装的单轴检测。对外数据接口为SPI口。ADIS16209采用3V~3.6V单电源供电, 并且能够耐受3500g冲击。该传感器外形尺寸为9.2mm×9.2mm×3.9mm, 采用LGA封装, 工作温度为-40°C~+125°C。

该传感器内部加速度传感器部分采用热对流技术, 结构如图2所示, 正方形硅片的中间有一个热源, 四周等间距放置4个热电偶。当硅片水平放置时, 由于四周关于热源的温度梯度是均匀的, 所以4个热电偶的温度相同, 输出电压相同。反之, 当硅片倾斜时, 四周关于热源的温度梯度不均匀, 因而输出电压不同。

倾角测量原理如图3所示。线段OA和OB分别在X轴和Y轴上, 且与水平面的夹角分别为α和β, 过O点向水平面作垂线OH, 再过O点向平面中的直线AB作垂线, 交点为C。由几何关系知, 传感器所在的平面OAB与水平面的夹角就是∠OCH。

设∠OCH=γ, OH=h, 则.

因为OA⊥OB, 所以

所以,

即, 只要得到2个轴向倾角值就能求出平面真实倾角。因此, ADIS16209可以应用于平面的倾角测量。

4、基于ADIS16209的设计与应用

由于ADIS16209双轴加速度传感器的高度集成化, 传感器的大部分外围电路都集成在了芯片内部, 且可以通过内部寄存器对传感器的工作状态进行设置、调整, 使得其使用变得相对简单, 简化了设计, 缩短了开发时间。

4.1 ADIS16209电路设计

图4是基于ADIS16209的开发板原理框图。从原理框图可以看出, 只需要提供外部供电, 同时加入一片与SPI接口连接的MCU, 再加上一片与上位机接口的串口通讯芯片, 一个基于ADIS16209的最小系统就构成了。通过上位机读取ADIS16209所输出的数值, 经过数据处理, 就可以计算出ADIS16209的电压、温度、X轴加速度、Y轴加速度、X轴与参考水平面的倾角、Y轴与参考水平面的倾角以及传感器所在平面与参考水平面的倾角等数值。

4.2 ADIS16209的控制和数据读取

ADIS16209的控制指令由1位读写控制位、1位空位、6位寄存器地址控制位和8位数据位组成。向ADIS16209写控制指令时, 要将指令的最高位置1.例如, 要将采样频率设置为2731SPS, 也就是将采样频率寄存器的值设置为0x0001, 那么写指令就应该如下:

先写寄存器低地址0x36, 数据为0x01;再写寄存器高地址0x37, 数据为0x00。所以, 写入指令应该为0xB601和0xB700。对其它控制寄存器的修改也可以按照这种方式进行。

读取ADIS16209输出的数据与写控制指令稍有区别, 读取每个寄存器的值要分为2个16位的时序。第一个16位时序向ADIS16209写入读取命令和寄存器地址, 第2个16位时序将对应的寄存器发送至DOUT数据线上, MCU才能读到正确的数据。例如, 要读取X轴加速度寄存器的值, 那么第一个16位时序写入数据为DIN=0x0400, 第二个时序时X轴加速度值将被发送到DOUT数据线上, 此时主机读到的数据才是上一个指令发出后返回的数据。

系统的软件流程图如图5所示:

4.3 ADIS16209数据的解读

从SPI总线上读取到的传感器数据是二进制数据或者二进制补码形式的数据, 需要对其进行一定的解读才可以得到实际输出的代表的值。传感器输出的各个值代表的意义可详见ADIS16209的数据手册中的Output Data Register Format表。

SUPPLY_OUT, AUX_ADC和TEMP_OUT的数据均为二进制格式数据, 可以使用以下格式进行解算:

VALUE=DATA_VALUE×Scale;DATA_VALUE≤2 n-1

其中:VALUE代表实际的测量量的值;DATA_VALUE代表寄存器的值;Scale代表寄存器每个最小单位代表的实际值;n为对应寄存器的数据位数。

XACC_OUT, YACC_OUT, XINCL_OUT和YINCL_OUT输出的数据格式均为14位二进制数的补码, 可以使用一下公式进行解算:

式中:DATA_VALUE为寄存器的输出数据, VALUE为转换后实际测量量的值;Scale为寄存器最小值代表的最小单位;n为对应的寄存器的数据位数。

经过以上转换, 便能得到该传感器所输出的实际测量值。

5、结语

随着系统及产品向小型化、智能化、集成化的方向发展, 可以预见, MEMS会给人类社会带来另一次技术革命, 它将对21世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影响, 是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术.MEMS传感器的高度集成化, 不仅节省了空间, 而且简化了电路, 提高了可靠性, 缩短了研发周期, 随着其精度的不断提高, MEMS传感器将成为我们选择传感器时的首选器件。

ADIS16209是AD公司的一款高精度双轴加速度传感器, 它具有很高的集成度, 传感器的大部分外围电路都集成在了芯片内部, 且可以通过内部寄存器对传感器的工作状态进行设置、调整, 可靠性高, 使用方便, 在很多方面尤其是倾角测量领域正得到越来越广泛地使用。

摘要：MEMS传感器作为一种新型的、前景广阔的、用途广泛地传感器, 正日益得到各国研究人员的广泛重视。本文在介绍MEMS传感器的特点和种类的基础上, 详细介绍了AD公司的MEMS双轴加速度传感器ADIS16209的原理、结构以及使用方法等, 并设计了基于ADIS16209的倾角测量仪的原理图及开发电路板。

关键词：MEMS传感器,ADIS16209,倾角测量仪

参考文献

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篇14：传感器原理与应用复习资料

【关键词】传感器 CDIO 教学模式

一、引言

我国高等教育的迫切任务是尽快培养与国际接轨的中国工程师，然而在我国工科的教育实践中存在不少问题，如重理论轻实践、强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视开拓创新的培养等。国内外的经验都表明CDIO的理念和方法是先进可行的，适合工科教育教学过程各个环节的改革。CDIO代表构思（conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。学院引入CDIO工程教育理念的目的就是要对传统的工程教育模式进行改革。

二、CDIO理念下的教学模式改革

在CDIO理念下的传感器相关课程，主要探讨一种将项目引入到教学中的教学模式。

1、明确学习目标。作为“传感器原理及应用”课程的授课教师，在学生首次接触该门课程时，将一个广阔的视野展示在他们面前，引用生活中鲜活生动的实例、具体的视频播放来冲击和震撼学生，进而进一步激发他们的求知欲和探索的兴趣。因此，作为课程开端的绪论尤为重要，摒弃传统教学中发展历史、发展前景的固定模式，取而代之的是大量的图片和视频展示，既包含大量的实际工程专业信息，又激发学生的兴趣，取得了事半功倍的效果。

2、课堂教学改革。基于CDIO设计理念，根据物联网专业涉及的传感器应用知识和检测非电量的难易程度，设计情境化教学方式，使学生在教学过程中掌握各类传感器选用、测量电路调试等相关专业知识和技能，同时提高学生职业素质和能力。同时，教学手段采用板书与PPT课件相结合的方法，图片、文字、动画以课件形式给出，有利于提高课堂效率，而工作原理推导、分析过程则采用板书形式，以加深印象，突出重要性。此外，计算机辅助教学工具MATLAB、Proteus的运用也必不可少，能更加直观、简洁、生动的反映出各种物理量的测量、显示结果。

三、实验与实践教学改革

以CDIO教学大纲为依据，整合院内所有各系现有实验室、实践资源创建CDIO创新实践平台，支持学生开展不同层次的项目、实验以及创新实践活动，从机制上保证学生创新精神和创新能力的培养；实现实践教学和理论教学的无缝连接。在实验与实践内容上，设计三类实验：一是验证性实验，紧跟理论教学进程，通过该类实验掌握常用传感器的使用和标定方法以及接口电路的设计，独立进行实验数据读取和实验结果分析，着重培养个人能力；二是综合性实验，从教学项目中，挑选了一些设计比较成熟、典型的项目让学生去实践开发，通过课堂外完成的知识积累动手设计实验、交流讨论，完成对实验的综合参数测量，使学生主动去解决实际问题；三是设计性实验，是一个综合性较强的实验课题，要求学生在具备了一定的实验能力的基础上，运用所学的相关知识进行综合分析、设计，用科学的方法来解决实际的问题，完成整个系统的设计和实现，使得传感器的学习有血有肉，和实际的应用实现无缝接轨，这样就增加了课程学习和实验开展的有效性和科学性，培养学生实际工程系统能力。

四、教学效果评价

传统评价方式主要通过最终考试成绩来实现，存在目标单一、内容片面简单化等缺点，而对传感器原理及应用课程本身来说，学习是一个积累、实践、创新的过程。故对学习成果的最终评价，采用闭卷考试占总成绩的50%，平时出勤、协作表现、主动意识等占15%，实验与实践占35%。从CDIO理念的角度出发，这种评价方式可以比较充分地反映学生在学习过程中取得的进展，促进学生学习主动性的形成，起到激励作用。

五、结论