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传感器

传感器知识考点总结。包括电阻式、电感式、电容式、磁电式、压电式、光电式传感器的概念、公式、电路，欢迎继续关注！

编辑于2021-12-31 12:15:13

传感器
电阻式
光电式传…

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期末复习

一般特性

静态特性

稳定状态的输入输出关系

线性度

（非线性误差）实测曲线与拟合直线最大偏差

迟滞

正反行程输入输出不重合

重复性

输入按同一方向多次变动得特性曲线不一致

灵敏度

输出变化量/输入变化量

灵敏度误差

分辨力

传感器能检测到的最小输入增量

分辨率

分辨力/yFS x 100%

稳定性

长时间工作下输出量变化

零漂

零输入时输出变化

时间漂移

规定时间内，室温不变，0输出变化

温度漂移

环境温度变化引起输出变化

静态误差

量程内任一点输出与理论输出偏离程度

电容

类型

变极距型

灵敏度

正比于S ε

δ↓ 灵敏度↑ 可能击穿范围小

纳米测量灵敏度大

改善线性

差动式

提高灵敏度

-非线性误差

容抗输出

变面积型

平板形线位移型

电容

灵敏度

圆柱形线位移型

灵敏度

平板形角位移型

电容量

灵敏度

特点

输入输出线性关系

线性范围大

灵敏度k不变，低

可测角位移

变介电常数型

平板形

灵敏度

圆柱形

灵敏度

电容增量α被测液位高度，可测一种流体的液位高度

特点

输出输出线性

灵敏度k常数

可测物质属性、几何量

优点

易实现，适应性强

温度稳定性好

动态响应好

非接触测量

平均效应

变极距分辨力高，nm级测量

缺点

输出阻抗高，负载能力差

寄生电容影响

驱动电缆技术：1：1放大器等电位

边缘效应

中间电流阻力大，交变电场密度小；边缘电流阻力小，密度大

等位环

优化

-环境温湿度影响，保证绝缘性能

集成化

屏蔽

减小外界干扰

转换电路

二极管双T型电路

特点

线路简单，可放在探头，减小寄生电容影响

输出电压与电源幅值、频率相关，电源要求高

输出阻抗无关电容，只与R、RL相关，克服电容式传感器高内阻缺点

差动脉冲调宽电路

直流电压与传感器电容差值正比

特点

变极距、变面积 = 线性输出

无需载频、附加解调线路

直流供电，电压稳定度高，无频率稳定要求

运放电路

解决变极距电容非线性问题

容栅

组成

发射极、接收极、反射极、屏蔽级

类型

反射式

倾斜式

透射式

特点

变面积型

多级平均效应，精度高

等节距栅型结构，精度不与长度直接相关，适于长距离测量

结构简单，体积小，防磁防尘防油污

长容栅

动栅

定栅

圆容栅

应用

变Sδ型

可测线位移、角位移

可测力、压力

可测振动、加速度

接近开关

变ε型

可测几何量

可测物质属性：厚度、距离、液高、含水量

容栅式

长度

角度

数显量具：数显卡尺、千分尺、百分表、内外径数显尺、曲轴测量、坐标仪测量

电容式振动传感器

电容传声器

电容厚度传感器

电容式加速度传感器

变介电常数电容式传感器

电阻

转换电路

直流电桥

平衡条件

灵敏度

半差动电桥

灵敏度

全差动电桥

灵敏度

温度补偿

自补偿

单丝自补偿：热处理、改合金

组合自补偿：两段不同材质敏感栅串接

线路补偿法

接入消除温度影响的电阻

差动电桥补偿法

热敏电阻补偿法

电感

自感式

自感

原理

把被测量δ/S0转换为自感系数L的变化

气隙型

优点：灵敏度高，放大倍数要求低

缺点：非线性严重→示值范围小，铁心限制，自由行程小

灵敏度

变截面型

优点：线性好，自由行程大，装配方便

缺点：灵敏度低

灵敏度

螺管型

优点：结构简单，制造装配易，线性范围大

缺点：灵敏度低

提高：选μr大的材料

气隙型：灵敏度最高，测量范围小，非线性严重

变面积：线性好，测量范围大，灵敏度不高

螺管型：线性好，测量范围大，灵敏度最低

铁心

磁导率↑ 用铁量↓

特性

子主题

类型

结构

互感式

原理

气隙型

优点：灵敏度高

缺点：示值范围小，非线性严重

截面型

螺管型

输出电压有效值

线性度

灵敏度

零点残余电压

气隙型：灵敏度高，量程小，非线性严重

螺管型：灵敏度低，线性好，可按需涉及范围

截面型：可测角位移，灵敏度高

结构

谐振式调幅电路

调频电路

电涡流式

原理

涡流效应：金属导体在变化磁场中，导体内产生涡旋状感应电流现象

条件

导体在交变磁场

应用

热效应

电磁阻尼

趋肤效应

感应同步器

原理

结构

定尺

滑尺

正弦~余弦差1/4截距W

鉴辐方式

对象

应用

长感应同步器

圆感应同步器

电感测微仪

滚珠直径检测

球度误差检测

0点残余电压

定义

两组初级线圈匝数相等，且是反相串联的，因此次级的输出信号电压应为零。

两线圈结构不对称、输出信号电压非0

危害

带来测量的误差。并严重影响后续的二次电路的工作

磁电式

霍尔

霍尔效应

导体在磁场中，电流流过，⊥电流、磁场向有电动势

霍尔电动势

设计

霍尔系数

金属：ρ小

绝缘体：μ小

半导体：√

霍尔灵敏度

d↓ 灵敏度↑

效应

热电势-呃廷豪森

上下偏转动能差异转化热能

工作电流I/B方向改变，载流子偏转向改变

能斯特

焊点接触电阻不同，发热不同，温差

I向无关，B有关

里纪-勒杜克

热扩散电流

I向无关，B有关

选材

应用

直接检测磁感应强度

电流、电压、位移、力、速度、加速度

特点

体积小、重量轻、功耗小、可靠性好

响应频率高

精度高、线性度好

无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高

特殊应用环境

易于集成

大电流检测

位移

控制电流

输出电压

改变灵敏度

电桥电路

误差补偿

温度影响

ρ、μ、n→RH、kH

选择温度系数小的材料

恒流源/恒压源供电

合适的负载电阻

温度补偿元件

不等位电动势

焊点不对称、电极不对称、电阻率不对称、厚薄不均

额定控制电流下，不加外磁场，空载电动势

补偿

寄生电流电动势

寄生直流电动势：不加外磁场，霍尔输出除有交流不等位电动势，有直流分量

原因：电极非完全欧姆接触形成整流效应

措施：电极安装尽量欧姆接触，对称、良好散热

磁致伸缩传感器

效应

维拉利：磁性材料+力，机械变形，磁化状态变化-压磁效应

魏德曼：磁性棒材在轴向、圆周向磁化过程，棒材扭曲

逆魏德曼：磁性棒材扭转，轴向+磁场，周向产生交变磁场

材料

磁致伸缩系数

磁化过程中，材料沿外磁场方向单位长度变化量

居里温度

有磁性，磁性转变温度

金属&合金

铁氧体

稀土金属化合物

磁致伸缩位移传感器

磁栅式传感器

组成

磁栅

磁带，录有正弦波/矩形波周期信号

磁头

磁信号→电信号

动态磁头

磁头沿磁栅表面移动，产生感应电动势

运动速度不同，大小不一，静止无信号

静态磁头

检测电路

光电式

结构

光源

光子能量

连续光谱

炽热固体、液体、高压气体发光产生

原子光谱

稀薄气体发光而成

波列

原子从高能级→低能级自发跃迁，辐射一个光子

热辐射光源

任何物体都会向空间发出一定光辐射

特点

温度↑ 辐射能量↑ 峰值波长↓

波谱较宽，可见光只占小部分

发光低效，寿命短

功率大，成本低

响应慢

气体放电光源

利用气体通过电流产生发光现象

非自持放电

外界游离因素维持放电

自持放电

无需外界游离因素，可维持放电

特性

亮度高

光谱不连续，波普窄

发光效率高^60% 白炽灯x10~20

辐射到紫外区

需高压电源

发光二极管LED

电致发光：固体发光材料在电场激发产生发光现象

LED：注入型电致发光器件

PN结正偏，大量电子、空穴在结合区符合，发光发热

特点

发光强度α电流

体积小，功耗小，重量轻，便于集成

工作电压低，正向导通2V

有一定波普宽度

寿命长 10wh

μs响应时间

发光效率低 20~30%，短波长光源少

应用

仪器光源、指示灯、数码管

激光

光学谐振腔：受激辐射放大

工作物质置于光学谐振腔F-P腔

少数载流子自发辐射产生光子偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子

来回反射，特定波长光得到放大输出

激光器结构

泵浦源：粒子数反转→产生大量受激辐射

发光材料：亚稳态能级

谐振腔：光放大、单向性、单色性

激光特性

频率：受激辐射光子有相同光波模式

空间：光学谐振腔使特定方向光出射

相干性

属于同一光子态光子是相干的—激光=相干光源

单色性

单色性最好的普通光源氪灯10e-3nm

单色性↑ 时间相干性↑

方向性

普通光源发光辐射沿4Π立体角分布

谐振腔方向选择性，光束发散角很小

气体激光器>固体激光器>半导体激光器

应用：准直光源

高亮度

亮度：传播方向上单位面积、单位立体角内的光

应用：加工、弱反射传感

选择

光电器件

灵敏度

光谱灵敏度：接收器对不同波长光反应程度

光电器件对单色辐射通量反应/入射单色辐射通量

动态响应

辐射通量=阶跃：光电器件响应

接收频谱

热探测器型

基于光辐射与物质相互作用的热效应

类型

测辐射热电偶

热电偶接头涂吸光层，构成测辐射热电偶

不同成分的材质导体组成闭合回路、温度梯度

测辐射热敏电阻

热敏电阻涂吸光层

热释电探测器

自然条件下极化形成偶极矩，材料受光照表面电荷变化

应用：红外测温、热像仪、红外遥感

热

波长无限制

光

光电效应

光以电磁波方式传播的粒子=光子

光照物体=能量E光子轰击物体，内部电子吸收光子拜托内部力舒服→自由电子逸出

子主题

外光电效应

物体内电子逸出物体表面向外发射的现象

光子能量>材料逸出功A0

红限，临界波长

光电效应

逸出有初始动能，无初始阳极电压有光电流，+截止电压

光电倍增管

内光电效应

光导效应

无光照：光敏电阻有高阻值

有光照：价带电子吸收光子能量→导带电阻↓

光照停止：自由电子-空穴复合电阻恢复

光敏电阻

暗电阻：全暗后一段时间测得阻值

暗电流：给定电压通过电流

亮电流：光敏电阻在某光照下阻值

光电流：亮电流-暗电流

光照特性

光电结型

光电二极管

暗电流：无光照时反向电流微弱

光电流：有光照时反向电流↑几十μA

反向偏压工作

光照特性

伏安特性

光谱特性

光生伏特效应

光线下使物体产生一定方向电动势

光电池

太阳能电池

光谱特性

光电发射型探测器

光电管

光电导型探测器

光电结型探测器

光生伏特型探测器

CCD

光强分布的光学图像→电信号

电荷信号载体

体积小、重量轻、工作电压、功耗低、耐冲击性好、可靠性高、寿命长

工作过程：产生→存储→转移→检测

敏感单元：感受光强的独立传感单元（像素）

势阱

栅极正向电压++ 势阱变深

信号电荷包传输

调节势阱深度

利用势阱耦合

信号电荷包检测

空间光信号→1维时间信号

特性

像元参数

光敏单元/像素

像元尺寸：像元中心间距x像元高度

像元个数：MxN

转移效率

电荷一次转移后，到下个势阱的电荷/原来势阱的电荷

动态范围

势阱存储最大电荷量/噪声决定的最小电荷量

特点

固体化、抗冲击震动、体积小、可靠性好

像元间几何尺寸精度高，重复性好，测量精度高

自扫描，较高光电灵敏度、较大动态范围

应用

摄像机、传真通讯、光学字符、工业检测、机器视觉

PSD

PIN光电池

光照：产生额外电子、空穴—扫向pn区，形成pin结反向电流

对感光面入射光斑重心位置敏感的光电器件

无关强度尺寸，仅重心

一维

无关强度

影响因素

背景光

背景光与被测光共同作用产生误差

Δx~信噪比r，背景光分布相关

暗电流

偏置电压有关↑ 暗电流↑

等效均匀背景光作用

负载电阻

仍未线性，灵敏度↓

温度

温度影响PSD暗电流

灵敏度影响

分流层电阻随温度波动

特点

非线性

检测光斑能量重心

位置无关光强

中心区域线性好，边缘区域枕形畸变

易受环境、背景光、环境温度等噪声影响

应用

位移测量

选择

光纤

原理

光波=载体、光纤=媒介，感知传输被测量

光的全内反射

特性

数值孔径

光纤受光能力的表度

光纤模式

光波传播途径、方式

单模光纤

只传输1模式，纤芯→波长

多模光纤

传多种模式，纤芯>>波长

光纤传输损耗

光功率随传输距离呈指数衰减

调制

调制方式

强度调制

光强~被测量变化

相位调制

被测能量场→光波相位变化，干涉测量技术：相位→光强→带测量

偏振态调制

磁光效应：某些物质在外磁场下，通过平面，偏振光方向发生旋转

波长(颜色)调制

温度、应变、压力变化，Bragg波长变化

频率调制

多普勒效应：相对运动光波产生频移

星系红移

调制

光波参量随外界信号规律变化

解调

外界信号提取出，按需数据处理

相位调制型

干涉仪

迈克尔逊

马赫-琴特

萨古纳客

法布里-珀罗

概要

光源发光分两束/更多，沿不同路径传播后，分离光束组合产生干涉

分类

功能型光纤传感器

光纤本身=敏感元件

非功能性

其他敏感元件感受被测量变化，光纤仅传输

光纤传感器

组成

光源、光纤、敏感元件、光探测器、信号处理系统

光栅

玻璃/金属刻划，得互相平行刻线

绝对零为、反射X

莫尔条纹

栅线数：每毫米长度栅线数

光栅常数：栅线间距W

定义

两个光栅互相重叠，形成明暗相见条纹

特性

干涉形成条纹

运动对应关系

位移放大作用

条纹宽度

误差平均效应

作用

运动对应关系

位移放大作用

X移动W，莫尔条纹移动B，放大

误差平均

消除局部缺陷、短周期误差影响，提高测量精度

长光栅莫尔条纹

种类

明暗变化1次→位移1个栅距

圆光栅莫尔条纹

圆弧形：栅角距δ同，圆心不重合

圆光栅光闸莫尔条纹：栅角距δ相同，圆心重合

环形莫尔条纹：栅角距δ同，圆心重合，切向方向不同

光栅传感器

组成：光源、光栅副、光电器件

光电器件

应用

光电编码器

激光传感器

特点

亮度高

方向性好

相干性好

单色性好

迈克尔逊干涉仪

压电式

压电效应

某一方向施力使其变形，内部极化，表面产生电荷

去外力恢复

逆压电效应

施加电场→机械变形/压力

压电方程

压电常数d：衡量材料压电效应强弱

压电材料

单晶体

光轴Z

无双折射、压电效应

电轴X

⊥该轴压电效应最强

机械轴Y

⊥xz，电场下机械变形最明显

纵向压电效应

横向压电效应

切向压电效应

正逆压电效应

各向异性

短路条件，表面电荷产生即引走，避免二次效应

作用力相反，电荷极性相反，输出电压频率同动态力频率

动态力→静态力，电荷消失

施加交流电，产生交变应力（高频振动→超声振动源

石英

多晶体

压电陶瓷

电畴：压电陶瓷分若干小区，极化方向一致区域->铁电畴

极化Z：一定温度下，+直流电场，电畴沿电场方向取向

钛酸钡、锆钛酸铅

新型压电材料

压电半导体

压电聚合物

结构形式

串联

时间常数↓ 灵敏度↑：电压输出、高频信号测量

并联

时间常数↑ 灵敏度↑ 电荷输出、低频信号测量

电路

转换电路

传感器高输出阻抗→低输出阻抗

放大传感器输出微弱信号

输入端电压

输入电压幅值

特点

频率高，Ui无关频率

适合高频作用力、低频特性差，不能测静态力

放大器输出与连接电缆有关，不能随意换；电缆电容↑ 灵敏度↓

特点

输出电压Uo~输入电荷Q~反馈电容Cf有关，无关电缆电容，无关频率

低频截止频率<<电压放大器

应用

正压电效应

点火、传感器

逆压电效应

晶体振荡器、超声波源、蜂鸣器、微马达、微位移驱动

不能测静态力

压电传感器

体积小、质轻、刚性好

响应频率高、灵敏度高

理想线性

应用

金属加工切削力测量

血压传感器

玻璃破碎报警传感器

雨量传感器

陶瓷乐器

电阻式传感器

应变式传感器

原理

应力

应变

轴向径向

泊松比

应变效应

金属应变片电阻率几乎不变

金属电阻灵敏系数

影响因素

材料几何尺寸变化引起

材料电阻率ρ随应变而变化（压阻效应）

金属k0=2

结构

原理

优点

灵敏度、京都共，稳定可靠，可测1~2με，误差<1%

尺寸小，重量轻，结构简单，使用方便，响应快，动静态，工作状态与应力分布影响小

测量范围大，弹性塑性

适应强：高温，超低温，水下，强磁场，核辐射

多点测量，远距离，遥测

类型

敏感栅

金属丝式应变片

回线式应变片

短接式应变片：

制作简单、低成本、方便、稳定、横向效应

金属箔式应变片

复杂尺寸

接触面积大，粘结性能号，散热好，电流大，灵敏高

忽略横向效应

蠕变，机械滞后小，疲劳寿命长

金属薄膜式应变片

特点

电阻高、灵敏、温度影响小

精确、机械性能高

无需与基体粘贴，克服滞后

厚膜应变片

热稳定性，时间稳定性

子主题

指标

灵敏系数

阻值相对变化/轴向应变

机械滞后

加载特性与卸载特性不重合

原因：敏感栅、基底、粘合层承受应变后残余变形

零漂：不加载

蠕变：加载

横向效应

弧段存在，长度相同，应变状态不同，灵敏系数降低

其他

应变极限&疲劳寿命

最大工作电流

绝缘电阻：接触电阻

电阻值R

压阻式传感器

原理

金属导体

半导体

kB 60~150

压阻效应

材料受力时电阻率变化

特点

灵敏

不存在横向效应

分辨率高

小，频率响应高

低频/直线加速度

温度误差大，要补偿

分类

粘贴式

半导体材料电阻制成

切成片状小条

扩散型

微机电系统MEMS

圆片中心（盈利最大

应用

特点

结构简单，使用方便，性能稳定，可靠，适应强，信号处理简单，能适应大振动与冲击，抗辐射能力强

灵敏度、精度高、动态测量，测量范围大

便于多点测量、远距测量、遥测

压阻式灵敏系数大、分辨率高、频率影响高、体积小、适于半导体工艺、机械滞后小、横向效应小、易受温度影响、机械强度差

应用范围

应变、应力

力（拉力、压力、压强、扭矩

加速度、位移

测应力、应变、力、称重、位移、加速度、扭矩

弹性元件选材

弹性储能

转换电路

直流电桥

平衡条件

桥臂比

电桥灵敏度

非线性误差

半差动电桥

电桥灵敏度

全差动电桥

电桥灵敏度

恒流源单臂电桥

非线性误差

温度

温度误差

由环境温度变化引起电阻变化，产生测量误差

环境温度变化Δt，敏感栅材料带你组温度系数αt

电阻相对变化

原因

敏感栅电阻随温度变化引起误差

试件材料线膨胀引起误差

热输出

温度引起的变化

补偿方法

自补偿法

单丝自补偿法

对给定试件，通过对敏感栅材料合适热处理工艺、改变合金成分措施，使αt满足上式

组合式自补偿法

两段不同材质敏感栅串接

温度误差&补偿

线路补偿法

介入消除温度影响的电阻

差动电桥补偿法

热敏电阻补偿法

电感式传感器

自感式传感器

原理

被测非物理量转换为电感量

磁感应强度B

磁通Φ（韦伯1Wb=1V·s

匀强磁场

感应电动势

磁场强度H

磁导率μ（H/m

真空磁导率

相对磁导率

磁路欧姆定律

欧姆定律

磁路分析

磁压降的和

电感基础

自感系数L

互感系数M

自感系数

提高自感系数

提高匝数N

磁导率高的材料

线圈通同样大小励磁电流，得相等磁通，以磁导率高的铁心材料，用铁量↓↓

工作原理

磁路上磁动势F=磁通量×磁阻Rm

磁动势F=匝数N×线圈通过电流I

磁场强度H在磁路l积分

变间距型

灵敏度

灵敏度高、测量范围小、非线性严重

变面积型

灵敏度

灵敏度低、测量范围大、线性好

螺管型

原理

线圈磁力线泄露路径上磁阻变化

空气隙大，磁路磁阻大

线圈磁芯长度一定，自感相对变化量与磁芯插入长度相对变化量成正比（非线性

提高灵敏度：

差动

灵敏度低、测量范围大、线性好

x=l/2磁场强度最大，H=IN/2l

互感式传感器

气隙型

灵敏度

单线圈忽略²以上高次，差动式忽略³以上高次项，线性度明显改善

输出特性

灵敏度高、量程小、非线性严重

截面型

微动同步器

灵敏度高，可测角位移

螺管型

传感特性

线性度好

灵敏度好

零点残余电压

灵敏度低、线性好、由实际需要设计

感应同步器

原理

平面绕组磁场分布

测量

鉴相

鉴幅

感应同步器

定尺（转子

连续感应绕组

转尺（定子

分段励磁绕组

结构

节距

正余弦绕组相差

优点

抗干扰能力强

结构简单、成本低、可靠性好

体积大，精度相对低，响应频率低

应用

位移测量

测速度、力

测加速度

测振动

ρ，μ物体属性识别

金属探测、扫雷、温度、受力状态、压力容器、焊缝无损探伤

x测位移&衍生量

电涡流位移传感器、振动传感器、涂层厚度

大范围、相对精度高、数字式直线位移/角位移、数控机床、回转台

电涡流式

条件

交变磁场

导体在磁场中

原理

热效应

电磁阻尼

趋肤效应

线圈参数变化

阻抗Z

电感L

品质因数Q