传感器知识点

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▲ 传感器的定义

传感器是一种能把感受到的外界信息（物理、化学、生物量）按一定规律转换成所需要的有用信息的器件和装置。能按一定规律将被测量转换成电信号输出。

▲ 传感器由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成

敏感元件 感受被测量，是传感器的核心部件;用来感知外界信息和转换成有用信息的元件。 转换元件 将响应的被测量转换成电参量;

转换电路 把电参量接入转换电路转换成电量输出; ▲ 按传感器的构成原理分类：结构型、物性型

▲ 按传感器检测的工作机理分类：物理量传感器、 化学量传感器、 生物量传感器 ▲ 按传感器的能量转换分类：能量控制型传感器、 能量转换型传感器

▲ 按传感器的物理原理分类：电参量式传感器（电阻式、电容式、电感式）、 磁电式传感器、 压电式传感器、 光电式传感器、 气电式传感器、 热电式传感器、 波式传感器（超声波、微波）、 射线式传感器、 半导体式传感器、 其他原理的传感器 2

▲ 测量方法的分类，根据获取测量结果的方法：直接测量、间接测量、组合测量 ▲ 测量系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机结合。

▲ 测量误差 就是测量值与真实值之间的差值。反映测量质量的好坏。

▲ 测量误差的表示方法：绝对误差、相对误差、引用误差、基本误差、附加误差 ▲ 根据误差的性质对误差进行分类：系统误差、随机误差、粗大误差。 ▲ 精密度： 描述测量仪表指示值不一致程度的量。

▲ 准确度： 描述仪表指示值有规律地偏离真实值的程度。准确度是系统误差产生的，它是指服从某一特定规

律（如，定值、线性、多项式、周期性等函数规律）的误差。 ▲ 静态特性技术指标：线性度、灵敏度、迟滞、重复性。

▲ 线性度：实际曲线与拟合曲线之间的偏差称为传感器的非线性误差或称线性度。 ▲ 灵敏度：在稳定条件下输出变化对输入变化的比值，用K表示。 ▲ 对线性传感器，灵敏度是直线的斜率：S = ΔY/ΔX ，为常数。 对非线性传感器灵敏度为一变量： S = dy/dx ▲ 迟滞：传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象称迟滞。 ▲ 产生迟滞误差的原因：由于敏感元件材料的物理性质缺陷造成的。

▲ 动态特性：指传感器输出对时间变化的输入量的响应特性。传感器输出对时间变化的输入量的响应即反映了

传感器的动态特性。

▲ 动态特性分析方法：输入信号按正弦变化时，分析动态特性的相位、振幅、频率，称频率响应；输入信号为

阶跃变化时，对传感器随时间变化过程进行分析，称瞬态响应；

▲ 频率响应特性是指将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，其输出正弦的幅值、相位、与频率之

间的关系，频率响应特性常用的评定指标是通频带WB、时间常数τ、固有频率ω0。

▲ 提高传感器性能的方法：（1）合理选择结构、材料与参数、（2）采用线性化技术、（3）采用差动技术、（4）

采用平均技术①.误差平均效应，②.数据平均处理、（5）用零位法、微差法与闭环技术、（6）采用补偿与校正技术、（7）集成化与智能化、（8）采用屏蔽、隔离与抑制干扰措施、（9）稳定性处理 3

▲ 半导体应变计的主要优点是灵敏度高。（灵敏度高是半导体应变计的主要优点。）

▲ 金属导体和半导体材料受力后电阻变化的内在机理不同：金属导体受力后，电阻变化是由于尺寸变化和电阻

率变化而引起的。半导体材料受力后电阻变化主要是由于电阻率变化引起的。 ▲ 金属电阻应变片分为丝式、箔式和膜式。

▲ 疲劳寿命是指已安装的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。 ▲ 应变极限：在一定的温度下，指示应变值与真实应变的相对差值不超过规定值（一般为10%）时的最大真实

应变值。它是衡量应变计测量范围和过载能力的指标。

▲ 差动半桥消除了非线性误差，灵敏度比单臂电桥提高了一倍。且具有温度补偿作用。


▲ 差动全桥电路电压灵敏度为单臂桥的4倍，消除了非线性误差，且具有温度补偿作用。 ▲ 温度误差（热输出）：由于环境温度的改变而给测量结果带来的附加误差, 称为应变片的温度误差。即，应变

片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。

▲ 温度误差产生的原因：电阻热效应、敏感栅与试件热膨胀失真。

▲ 温度误差补偿的措施：自补偿法、线(桥)路补偿法（采用补偿应变片、采用差动技术、采用热敏电阻补偿） ▲ 自补偿法：是通过合理选配敏感栅材料和结构参数来实现热输出补偿的。

▲ 按电感式传感器转换原理的不同可分为：自感(电感)式、互感(差动变压器)式、电涡流式三大类。 ▲ 无论是闭磁路变隙式传感器和开磁路螺旋管式传感器都有单线圈式和差动式两种结构形式。

▲ 差动式变隙式电传感器与单线圈变隙式电传感器相比有下列优点：线性度明显得到改善；灵敏度提高一倍。 ▲ 螺旋管式电感传感器，往往利用其测量较大行程的位移量。

▲ 单线圈螺线管式电传感器优点是测量范围大、线性度好、结构简单、便于制作，缺点是灵敏度低。 ▲ 差动螺线管式电传感器可改善线性特性，提高灵敏度。

▲ 自感式传感器测量电路有交流电桥式、交流变压器和谐振式等几种。 ▲ 差动变压器的结构形式较多,有变隙式、变面积式和螺旋管式等。

▲ 零点残余电压：理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零U0=0，而实际输出U0≠0，在零点上总有

一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。

▲ 产生零点残余电压的原因：由于两个次级线圈绕组电气参数 (M互感 L电感 R内阻)不同，几何尺寸工艺上

很难保证完全相同，使实际的特性曲线总有最小输出。 ▲ 减小零点残余电压的方法如下：（1）应尽可能保证传传感器的几何尺寸、线圈电气参数和磁路的相互对称，

（2）采用导磁性能良好的材料制作传感器壳体，使之兼顾屏蔽作用，以便减小外界磁场的干扰，（3）将传感器磁回路工作区域设计在铁芯磁化曲线的线性段，以减小由于磁化曲线的非线性而产生的三次谐波（4）采用外电路补偿法来减小零点残余电压，（5）采用相敏检波作为测量电路。

▲ 既能检出调幅波包络的大小，又能检出包络极性的检波电路称为相敏检波电路，也称解调器。 ▲ 相敏检波电路既具有线性特性，又较好地消除了差动变压器形成的零点残余电压。

▲ 由法拉第电磁感应原理可知：块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部会

产生一圈圈闭合的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器。

▲ 按照电涡流在导体内的贯穿情况，涡流式传感器分为：①.高频反射式涡流传感器，②.低频透射式传感器。 ▲ 长而细的线圈灵敏度高、线性范围小，扁平线圈线性范围大、灵敏度低。

▲ 涡流的径向分布特点：①.电涡流的径向形成范围大约在传感器线圈，外半径ras的1.8~2.5倍范围内，且分

布不均匀；②.电涡流密度在短路环半径R=0处为0；③. 电涡流的最大值在r=ras附近的狭窄区域内；④. 可以用平均半径为ras(ras=(r1+ra)/2)来集中表示分散的电涡流。

▲ 涡流的轴向分布特点：可以用一个底为h的矩形分布来取代指数分布，使矩形面积和曲线下的面积相等。 ▲ 被测体的电阻率越大、频率越低，则电涡流的轴向贯穿深度也越大。 5

▲ 电容传感器分类：变面积型、变极距型、变介质型。

▲ 变面积型电容传感器：输入输出呈线性关系，但灵敏度(为常数)较低，适用较大直线位移及角位移测量。 ▲ 变极距型传感器：灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距受极板间击穿电压的限制。 ▲ 变极距型传感器：非线性误差与间隙δ0成反比关系，要想减小非线性误差，需要增大极板间距，这又会降

低传感器的灵敏度。因此，提高传感器的灵敏度和减小非线性误差是互相矛盾的。

▲ 为了提高变极距型传感器的灵敏度、线性特性及克服电源电压、环境温度等对测量精度的影响，常采用差动

式变极距电容传感器。

▲ 变极距电容传感器采用差动形式后，灵敏度提高、线性变好，可克服电源电压、环境温度等对测量精度的影

响，是提高传感器综合性能的很重要的方法。但，采用差动式结构并没从根本上解决灵敏度和线性度的矛盾。所以，变极距式电容传感器常用于测量微小位移。

▲ 常用的电容转换电路有：交流不平衡电桥电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥电路、差动脉冲

宽度调制电路

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