常用传感器与非电量测量

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1、第四章常用传感器原理与非电量测量4.1概述传感器是一种能将特定的被测信息（包括物理量、化学量、生物量等），按一定规律转换成某种可用的输出信号的器件，又称为变换器、变送器。目前，可用信号是指各种电量（电压、电流）或电参数（电阻、电感、电容等），这是因为电信号易于处理，便于传输。随着科学技术的进步，可以预料传感器“可用信号”的内涵也会随之改变，如当人们跨入光子时代，则光信号将成为更便于快速处理与传输的“可用信号”了。常见传感器A从传感器输入端来看，一个指定的传感器只能感受或响应规定的物理量。如温度传感器只能用于测温，传感器所能感受或响应规定的物理量既可以是非电量也可是电量。B

2、从输出端来看，传感器的输出信号为“可用信号”，这指传感器输出信号中不但载运待测的原始信息，而且是能够被远距离传送、后续测量环节便于接收做进一步处理的信号，包含：电信号、光信号、气动信号等。C从输入输出关系看，具有一定规律，可以通过数学解析方法或试验法确定模型来描述，具有规定的静态特性和动态特性，规律可以重复出现。传感器位于测试系统的最前端，主要为了获取检测信息和转换信息用。4.1.1传感器的分类传感器的分类方法很多，了解传感器的分类旨在加深理解便于应用。按输入量可分为温度、压力、位移、速度、湿度等传感器；按测量原理可分为电位计式、应变式、电感式、差动变压器式、电涡流式、半导

3、体力敏、热敏、光敏、气敏等传感器；按输出量分类有模拟式和数字式传感器等。按照传感器输出量变换原理分类，由于传感器可用输出信号的类型是有限的，如电压、电流、电阻、电荷，其中输出量为电参数的（电阻、电感、电容）称为电参数传感器；输出量为电量（电压、电流、电荷）称为电量型传感器。4.1.2传感器技术现状与发展目前，传感器技术正在飞速发展，出现了“多样化、新型化、集成化、智能化”的发展形势。多样化是指随着使用领域的不断扩大以及各个领域的不同需要，出现多种多样用途的传感器，种类有上千种。集成化包括传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。新型化是指由于科学技术的发展，许多物理效应

4、的新发现、理论上的新突破、新工艺的提出、新材料的产生，发展了大量新型传感器。智能传感器，至今还没有公认的正式定义。一般认为：传感器与微处理器相结合所形成的不仅具有信号检测功能，而且具有信息处理功能的传感器系统就是智能传感器。举例：汽车电子控制系统的信息源就是各种类型的传感器，数量多达几十至上百只各型传感器。4.2电参数型传感器4.2.1电阻式温度传感器利用导体、半导体电阻随温度变化的特性，可以制作出测量温度的传感器：热电阻和热敏电阻。温度范围（－200～500）℃1热电阻：纯金属制作的热电阻有正温度系数，温度每升高1℃，电阻值增加约0.4%~0.6%。最广泛使用的是纯金属铂

5、、铜热电阻。(1)铂电阻的R-t关系0℃～850℃－200℃～0℃(2)铜电阻在（-50~150)℃内有较好的特性，价格便宜。其R-t特性为：2热敏电阻热敏电阻是将温度信号转变为电阻值变化的一种传感器。它可归类为电阻式传感器。这种热敏元件是半导体，称半导体热敏电阻。其优点有：具有较高的负电阻温度系数；灵敏度高于热电阻，在20℃时温度增加1℃，电阻值减少约2％～6％。常温下阻值大，可以忽略引线电阻的影响，体积小，动态特性好。测温范围（-100～300)℃。缺点：非线性大，长期稳定性差，互换性差。热敏电阻有正温度系数和负温度系数两种，它们的阻值特性分别为：式中——温度为时的电阻

6、值；——常数；——绝对温度。它们的温度系数可分别求出，即正温度系数热敏电阻的温度系数为正，且为常数(指在工作范围内)；负温度系数热敏电阻的温度系数为负，且与电阻温度的平方成反比，随温度降低而迅速增大，因而具有很高的灵敏度。所以，负温度系数热敏电阻的应用较广。对于热电阻和热敏电阻，通过它们的电流不能太大，否则引起自身发热，带来测试误差。4.2.2电桥法测电阻在输入信号的作用下，电参数型传感器输出为电参数电阻R、电感L、电容C的改变量，因此实现对R、L、C参数测量的检测电路可用来作为与传感器相配接的信号调理电路。电桥是将电阻、电感、电容及阻抗参量的变化转换为电压或电流输出的一种

7、测量电路，精度与灵敏度高，根据激励源的性质可分为直流电桥与交流电桥；按输出方式，可分为平衡电桥和不平衡电桥。对电阻式传感器既可采用直流电桥，又可采用交流电桥；对于电感、电容式传感器则应选用交流电桥。一般主要采用不平衡电桥。1电压源供电下图中，桥路电流，为：其中和上的电压降分别为：则输出电压2恒流源供电桥路电流分别为：输出电压则为：几种电桥电路4.3电量型传感器电量型传感器的输出都是电量（电压、电流），如磁电式变换器、压电式变换器、热电式变换器、光电式变换器，可以不需要外界激励电源而从被测对象直接获取信息能量，从而