第一章 概述
传感器：能感受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。
传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量 传感器功能
：检测和转换。
传感器的分类：
按传感器的构成进行分类：物性型和结构型
按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等速度、温度、压力传感器等
按传感器的输出量进行分类：模拟式和数字式
按传感器的基本效应分类：物理型（物性型传感器、结构型传感器）、化学型、生物型 按传感器的工作原理进行分类：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器等 按传感器的能量变换关系进行分类：有源（能量控制型）、无源（能量变换型） 传感器技术的发展：传感器集成化、智能化、网络化、微型化 第二章 传感器的基本特性
传感器的静态特性：在稳态信号作用下的输入——输出关系。不含有时间变量。线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性、漂移
线性度：传感器的输入、输出间成线性关系的程度
灵敏度：传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化的比值
分辨率：是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。分辨率可以用绝对值或与满量程的百分比来表示。
迟滞：在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等的现象。产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等
重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输入——输出特性曲线一致的程度
漂移：传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象
传感器的动态特性：是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性
传感器的数学模型：常系数线性微分方程（线性定常系统）表示传感器输出量与输入量的关系
线
性
时
不
变
系
统
有
两
个
重
要
的
性
质
：
传感器的动态特性分析：
1.一阶传感器的频率响应：幅频特性：A()1/() 相频特性：（）arctan()
1
22222
2.二阶传感器的频率响应：幅频特性：A(){[1()]4()}
nn
2(/n)
相频特性：（）arctan
1(/n)2
2
3.
时间常数τ：一阶传感器输出上升到隐态值的63.2%所需时间。一阶传感器的时间常数是一阶传感器的重要性能参数，τ越小，响应越快，响应曲线越接近于输入阶跃曲线，即动态误差越小。
延迟时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间。 上升时间tr：传感器的输出达到稳态值的90%所需的时间。
峰值时间tp：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间。
响应时间ts：二阶传感器从输入量开始起作用到输出指示值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间。
超调量σ：二阶传感器输出第一次达到稳定值后又超出稳定值而出现的最大偏差，即二阶传感器输出超过稳定值的最大值。常用相对于最终稳定值的百分比来表示。超调量越小越好。 传感器的标定：是利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度，它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度。传感器的校准：是指对使用或储存一段时间后的传感器性能进行再次测试和校正校准的方法和要求与标定相同。 第三章 电阻式传感器
应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象
弹性应变：当外力去除后物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件：具有弹性应变特性的物体
应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化 电阻丝的灵敏系数：单位应变所引起的电阻相对变化量，表达式为：
金属电阻应变片：K≈1+2μ（丝式、箔式） 半导体应变片：K≈
πE
直流电桥：1.平衡条件：R1R4=R2R3欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。 2.电压灵敏度定义为：
分析：思路：dKU/dn= 0求KU的最大值 求得n=1时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高， 此时有：
结论：当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。 3.非线性误差及其补偿方法 减小或消除非线性误差：（1）提高桥臂比（2）采用差动电桥 第四章 电感式传感器
零点残余电压的产生原因：（1）（线圈）传感器的两个二次绕组的电气参数与几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电动势幅值不等、相位不同，构成了零点残余电压的基波；（2）（铁心）由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞），产生了零点残余电压的高次谐波（主要是三次谐波）；（3）（电源）励磁电压本身含高次谐波。 零点残余电压的消除方法：（1）尽可能保证传感器的几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称；（2）采用适当的测量电路，如差动整流电路。 差动整流电路（消除零点残余电压）：为了消除零点残余电压，常用的几种差动整流电路如图4-15所示。它把两个二次输出电压分别整流，然后将经整流的电压或电流的差值作为输出。图a、c适于交流负载阻抗；b、d适于低负载阻抗。电阻R0作为电位器用于消除零点残余电压。
相敏检波电路（判断位移的大小和方向）：相敏检波电路如图4-16a所示。四个性能相同的二极管VD1~VD4以同一方向串联成一个闭合的环形电桥，四个接点1~4分别接到两个变压器A和B两个二次绕组上。输入信号uy`（是差动变压器电感式传感器输出的调幅波电压）和检波器的参考信号u0(即同步信号)分别经变压器A、B加到环形电桥的两个对角。电阻R起限流作用。u0是作为辨别极性的标准，Rf为连接在两个变压器二次绕组中点之间的负载电阻。
电涡流式传感器：是根据电涡流效应制成的传感器，它由传感器激励线圈和被测金属体组成。 分类：高频反射、低频透射
第五章 电容式传感器
电容式传感器结构：包括平板状和圆筒状，简称平板电容器或圆筒电容器。
平板电容式传感器可分为三种：变极板覆盖面积的变面积型、变介质介电常数的变介质型和变极板间距离的变极距型。
圆筒电容式传感器可分为两种：变介质介电常数的变介质型和变极板间覆盖高度的变面积型。 调频电路：
电容式传感器Co
输出
运算放大器：具有放大倍数大、输入阻抗高的特点，将其作为电容式传感器的测量电路。
脉冲宽度调制电路：图中C1、C2为差动电容式传感器，电阻R1=R2，A1、A2为比较器。双稳态触发器的两个输出Q、Q非 产生反向的方波脉冲电压。
第六章 压电式传感器
正压电效应：所谓压电效应，就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其形变时，其内部将产生极化而使其表面出现电荷集聚的现象，也称为正压电效应。
逆电压效应：压电片在电极方向上产生伸缩变形，压电材料的这种现象称为电致伸缩效应，也称为逆压电效应。
石英晶体：z轴：是通过锥顶端的轴线，是纵向轴，称为光轴，沿该方向受力不会产生压电效应。x轴：经过六棱柱的棱线并垂直于z轴的轴为x轴，称为电轴（压电效应只在该轴的两个表面产生电荷集聚），沿该方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”。y轴：与x、z轴同时垂直的轴为y轴，称为机械轴（该方向只产生机械形变，不会出现电荷集聚）。沿该方向受力产生的压电效应称为“横向压电效应”。 压电材料的特性参数：
1.压电系数：衡量材料压电效应强弱的参数，影响压电输出的灵敏度。
2.弹性系数：决定压电器件的固有频率和动态特性。
3.介电常数：影响压电元件的固有电容，随之影响压电式传感器的频率下限。
4.机电耦合系数：指压电效应中，转换后的输出能量与转换前的输入能量之比的二次方根。机电耦合系数用于衡量压电材料在压电效应中的能量转换效率。5.电阻6.居里点 压电元件的连接： 并联法：与单片相串联 并联 比，在外力作用下，正负电极上的电荷量增加了一倍，总电容量增加了一倍，其输出电压与单片时相同。 串联法：在外力作用下，两电压元件
产生的电荷在中间粘结处正负电荷中和，上、下极板的电荷量Q与单片时相同，总电荷量为单片时的一半，输出电压增大了一倍。
串联法输出电压大、本身电容小，适宜以电压作输出信号且测量电路输入阻抗很高的场合。
第七章 磁敏式传感器
磁电作用：主要分为电磁感应和霍尔效应两种情况。因此，相应的磁敏式传感器主要有利用电磁感应的磁电感应式传感器和利用霍尔效应的霍尔式传感器两种。
霍尔效应：当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。霍尔电动势与霍尔系数或霍尔灵敏度的关系可表示为
：
UHR
H
IB
KHIBd
霍尔元件产生不等位电阻的原因：（1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位上；（2）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或几何尺寸不对称；（3）激励电极接触不良造成激励电流不均匀分配。
不等位电动势：不等位电动势误差是零位误差中最主要的一种，它与霍尔电动势具有相同的数量级。不等位电动势误差是很难消除的，一般采用的方法是利用补偿的原理来消除不等位电动势的影响。 不等位电势补偿电路
霍尔元件的温度误差及其补偿：一般半导体材料都具有较大的温度系数。所以当温度发生变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率、以及霍尔系数都会发生变化。为了减少温度误差，除了使用温度系数小的半导体材料（如砷化铟）外，还可以采用适当的补偿电路进行补偿。
第八章 热电式传感器
热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。
热电式传感器：能将温度变化转换为电量变化的元件。
热电偶：热电偶是一种有源传感器，测量时不需要外加电源，使用方便，常用于测量炉子或管道内气体、液体的温度或固体表面温度。
热电阻：热电阻作为一种感温元件，它是利用导体的电阻值随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量。
热敏电阻：利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件。 接触电动势：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。 温差电动势：同一导体的两端因温度不同而产生的一种电动势。 热电偶的基本定律：
中间导体定律：在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。（应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪
表，接入导线和仪表
后不会影响回路中的热电势。）
标准电极定律：如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶所产生的热电动势已知，
则由这两个导体A、B组成的热电偶产
生的热电动势可由式子来确定
中间温度定律：
均质导体定律：如果组成热电偶的两个热电极的材料相同，无论两接点的温度是否相同，热电偶回路中的总热电动势均为0。（均质导体定律有助于检验两个热电极材料成分是否相同及热电极材料的均匀性。）
热电偶测量两点间温度差：反极性串联 热电偶测量多点的平均温度：（1）热电偶的并联：并联测量电路的总热电动势等于三支热电偶热电动势的平均值。（2）热电偶的串联：回路总的热电动势等于三支热电偶的热电动势之和。 热敏电阻可分为三类：负温度系数、正温度系数和临界温度系数热敏电阻。
第九章 光电式传感器
光电式传感器的类别：光电效应传感器、红外热释电探测器、固体图像传感器、光纤传感器
光电倍增管：主要由光阴级、次阴极（倍增极）以及阳极三部分组成。阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。光电倍增管是灵敏度极高、响应速度极快的光探测器，其输出信号在很大范围内与入射光子数成线性关系。 光纤传感器的分类：（1）功能性（传感型）光纤传感器。这是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，是传输的光的速度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。（2）非功能性（传光型）光纤传感器。这是利用其他敏感元件感受被测量的变化，与其他敏感元件组合而成的传感器，光纤只作为光的传输介质。
光栅的结构：在一块长条形镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（称为刻线），这就是光栅。
光栅的工作原理：两块具有相同栅线宽度和栅距的长光栅叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角θ，则在大致垂直于栅线的方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。利用光栅具有莫尔条纹的特性，可以通过测量莫尔条纹的移动数，来测量两光栅的相对位移量，这比直接计数光栅的线纹更容易；由于莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成的，对光栅刻线的本身刻划误差有平均抵消作用，所以称为精密测量位移的有效手段。 光纤的主要特性：（1）数值孔径（2）光纤模式（3）传输损耗
电荷耦合器件以电荷转移为核心，是一种使用非常广泛的固体图像传感器。它具有光电转换、信息储存和延时等功能。 第十章 辐射与波式传感器
红外辐射：红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线。是一种热辐射。 微波：介于红外线和无线电波之间的一种电磁波。
超声波：介质中的质点以弹性力互相联系。某质点在介质中振动，能激起周围质点的振动。质点振动在弹性介质内的传播形成机械波。频率高于2*10的4次方Hz的机械波，称为超声波。 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸数发生相应变化来确定探测器所吸收的红外辐射。
特点：热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便应用相当广泛。但与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。4类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。
光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起光子效应。
微波传感器：在工业领域，微波传感器可实现对材料的无损检测及物位检测等；在地质勘测方面，可实现微波断层扫描。微波传感器作为一种新型传感器，正得到越来越广泛的应用。 超声波探伤：无损探伤（1）穿透法探伤（2）反射法探伤1）一次脉冲反射法2）多次脉冲反射法
第十三章 新型传感器
智能传感器：是基于人工智能、信息处理技术实现的具有分析、判断、量程自动转换、漂移、非线性和频率响应等自动补偿，对环境影响量的自适应，自学习以及超限报警、故障诊断等功能的传感器。
特点：1.精度高2.高可靠性和高稳定性3.高信噪比和高分辨率4.自适应性强5.性能价格比高 作用：1.提高测量精度2.增加功能3.提高自动化程度
模糊传感器：一般认为模糊传感器是以数值测量为基础，并能产生和处理与其相关的测量符号信息的装置，即模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号的描述形式输出的传感器。
基本功能：1.学习功能2.推理联想功能3.感知功能4.通信功能
网络传感器：能与网络连接或通过网络使其与微处理器、计算机或仪器系统连接的传感器。
类型：基于现场总线的网络传感器、基于以太网络的网络传感器