一、传感器原理与应用:
1传感器定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件组成。传感器有时也叫换能器、变换器、变送器或探测器。定义中可看出传感器有两个功能：既敏感和变换。2传感器的组成:传感器通常由敏感元件、转换元件二部分组成，有时也将测量电路及辅助电源作为传感器的组成部分。敏感元件:直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。转换元件:敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。辅助电源：信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源,因此,信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量。如热电偶和热敏电阻。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。
3传感器的分类：一般以被测量参数来分米和以测量原理两种分类为主。
4传感器的性能要求：灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；滞后、漂移误差小；动态特性良好；在接入测量系统时，对被测量不产生影响；功耗小，复现性好，有互换性；防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；结构简单，容易维修和校正；低成本、通用性强。5静态参数：理想情况下，静态特性是线性的，但在实际工作中，由于非线性（高次项的影响）和随机变化量的影响，不可能是线性关系，所以，衡量传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、精确度、迟滞、重复性和分辨率等。线性误差：线性误差是指在规定条件下（利用一定等级的校准设备，对传感器进行反复循环测试）得出输出--输入特性曲线与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性误差。灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态下输出变化量（增量）与输入变化量（增量）的比值，灵敏度越高，系统反映输入微小变化的能力就越强。在电子测量中，灵敏度越高往往容易引入噪声并影响系统的稳定性及测量范围，在同等输出范围的情况下，灵敏度越大测量范围越小，反之则越大。最小检测量(分辨力)和分辨率：分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。对于数字测试系统，其输出显示系统的最后一位所代表的输入量即为该系统的分辨力；对于模拟测试系统，是用其输出指示标尺最小分度值的一半所代表的输入量来表示其分辨力。这个指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。回程误差（迟滞）：迟滞特性表明传感器在输入量增大行程期间（正行程）和输入量减小行程期间（反行程）输出—输入特性曲线不重合的程度。漂移：漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移,即时漂和温漂。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间有缓慢的变化；温漂是指由环境温度变化引起的零点或灵敏度的变化。准确度:准确度指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。6动态特性:传感器的动态特性是指传感器在测量动态信号时,输出对输入的响应特性。动态特性的一般数学模型:微分方程,传递函数,频率响应函数。7改善传感器的技术途径:结构、材料与参数的合理选择,差动技术,平均技术,补偿与修正技术,屏蔽、隔离与干扰抑制,稳定性处理。
8传感器的标定与校准：有静态和动态标定二种，标定的主要作用是：确定仪器或测量系统的输入－输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；确定仪器或测量系统的静态特性指标；消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度。标定系统组成：被测量的标准发生器；被测量的标准测试系统；待标定传感器所接配的信号调节器、显示器和记录器等，其精度是已知的。9传感器的发展趋势：采用新原理、开发新型传感器；传感器的微型化；传感器的多功能化；传感器的智能化；无线网络化。
二、光电式传感器：
1将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应；在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。分为两类：光电导效应，光生伏特效应。
2光敏二极管：光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。基本特性：光敏二极管的基本特性包括光谱特性、伏安特性、光照特性、温度特性好响应特性。光谱特性：光敏二极管对不同波长的光的灵敏度是不同的。光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感。伏安特性：指在一定照度下的电流电压特性。光照特性：指在外加电压恒定时，光敏二极管的光电流与照度之间的关系。光照特性近于线性，即输出电流随光照线性增加，说明光敏二极管适合作检测元件。温度特性：光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大，所以在电
子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。
3光敏三级管：光电三极管有两个PN结，从而可以获得电流增益。比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差，既频率特性较差。4光敏电阻：无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。光敏电阻的主要参数：暗电流：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流；亮电流：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流；光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。故光敏电阻不宜作定量检测元件，而常在自动控制中作光电开关。光谱特性：光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。5光电池:光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源,光电池的工作原理是基于光生伏特效应。用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。
6外光电效应器件：利用物质在光照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。
7光电倍增管：当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。主要参数：倍增系数M，等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积；光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度：一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度，而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。
8色敏光电传感器：半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种。它也是基于半导体的内光电效应，可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性，即可以用来测量入射光的波长。9红外光传感器：红外光的最大特点就是具有光热效应。能将红外辐射量变化转换成电量变换的装置称为红外探测器(红外传感器)，红外探测器是根据热电效应和光子效应制成的。前者为热敏探测器，后者为光子探测器。热释电效应：某些物质吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度变化将引起居里温度以下的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。热释电材料：极性晶类，晶体内正、负电荷中心并不重合，晶体原子具有一定电矩，也就是说晶体本身具有自发极化特性。应用：红外自动干手机，饮水机自控电路。
10光固态图像传感器：CCD：以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。11光纤传感器：光纤（光导纤维），是由石、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路。可以测量位移，加速度，压力，温度，磁，声，电等。特点：不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。光纤的结构：基本采用石玻璃，主要由三部分组成，中心：纤芯，外层：包层，护套：尼龙料。光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率n1略大于包层折射率n2。光纤的传光原理：斯乃尔定理。光纤导光原理及数值孔径NA：光纤的数值孔径大小与几何尺寸无关，与纤芯—包层相对折射率有关；NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θi张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光；一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。有利于光纤的对接。但NA越大光信号畸变越大，会影响光纤的带宽。要选择适当。通常作为传感器的光纤0.2≤NA<0.4；产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA。光纤传感器分为功能型(传和感)、非功能型(只传不感)和拾光型三大类。
12激光传感器：激光的特性：单色性好：频率范围很窄，比普通光频率宽度的1/10还小；方向性强：具有高平行度，发散角很小；亮度强：由于相干性好受激辐射，传播方向/振动方向/频率/相位一致，具有优良的时间和空间相干性。产生激光的充分必要条件：必须有能形成粒子数分布反转的工作物质（增益介质）；工作物质置于由两个反射镜组成的谐振腔内，腔镜的作用是提供反馈；激励能量（光源）。应用：激光测距(脉冲激光测距和连续波激光测距，时间间隔t可利用精密时间间隔测量仪测量，激光测距的精度主要取决于时间间隔测量的精度和激光的散射)、激光测流速。
三、数字式传感器
1数字传感器的特点：具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确；测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米；采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪音）的抑制能力强；稳定性好，易于微机接口，便于
信号处理和自动化测量。常用数字传感器有四大类：栅式（光栅、磁栅）传感器；编码器（接触式、光电式、电磁式）传感器；频率输出式传感器；感应同步器式传感器。
2光栅式传感器：利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的光栅为圆形，称之为圆光栅。光栅的栅距Ｗ＝ａ＋ｂ，光栅的精度越高，栅距W就越小。莫条纹现象：当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角时，两块光栅的暗条与亮条重合的地方，使光线透不过去，形成一条暗带，而亮条与亮条重合的地方，部分光线得以通过，形成一条亮带，这种亮带与暗带形成的条纹称为莫条纹。B=W/θ，称作莫条纹的宽度，又称为节距。莫条纹的特点：平均效应：莫条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用；对应关系：莫条纹近似与刻线垂直，当夹角θ固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向；放大作用：由公式B=W/θ可知，当W一定，而θ较小时，可使θ<<1，则B>W。若θ=0，则不产生莫条纹，这时光线忽明忽暗，称作光闸效应。如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向(辨向原理：用两个光电元件相距B/4安装相当于相差90空间角)；精度低：分辨力只为一个栅距W(细分技术:为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分)。3磁栅传感器:是利用磁栅与磁头的电磁作用进行测量的位移传感器。磁栅由磁性标尺、磁头以及检测电路三部分组成。静态磁头总是成对使用,其间距为
(m+1/4)λ，其中m为正整数,λ为磁栅栅条的间距，两磁头的激励电流或相位相同,或相差л/4。输出信号通过鉴相电路（相位差2_／，便可检测出磁头相对于磁尺的位移_）或鉴幅电路处理后可获得正比于被测位移的数字输出。
4编码器:编码盘或编码尺是一种通过直接编码进行测量的元件，它直接把被测转角或直线位移转换成相应的代码，指示其绝对位置。这种测量方式没有积累误差，电源切除后位置信息也不丢失。最小分辨角＝360／2^n。消除非单值性误差：采用双电刷和采用特殊代码即循环码。
5接触式编码盘：优点：简单，体积小，输出信号强，不需放大。缺点：存在电刷的磨损问题，故寿命短，转速不能太高(几十转／分)，而且精度受到最高位(最内圈上)分段宽度的。
6光电式编码器：特点：精度高、分辨率高，寿命长，可靠性好，非接触式直接数字量输出，绝对码输出，允许高速度运转但光源寿命短，结构较复杂。应用：小范围绝对位置测量---角度、直线位置小范围位移、速度检测。应用：角度及转速的测量（脉冲频率法测速（适合于高转速场合），脉冲周期法测速（适合于低转速场合）
7增量式编码器：一旦中途断电，将无法得知运动部件的绝对位置。
8弹性振动体频率式传感器：振弦式、振膜式、振筒式和振梁式。振弦式传感器包括振弦、激励电磁铁、夹紧装置等三个主要部分。将一根细的金属丝置于激励电磁铁所产生的磁场内，振弦的一端固定、另一端与被测量物体的运动部分连接，并使振弦拉紧。要测量振弦振动频率，必须先激发振弦起振，给弦以足够的激励力。振弦的激振方式：间歇激发、连续激发。
四、热电传感技术
1接触式测温：接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠。缺点：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。非接触式测温：非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点。具有较高的测温上限；热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。2热敏电阻:热敏电阻是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，其特点是电阻率随温度而显著变化。特点：温度系数大,灵敏度高;结构简单坚固，体积小,能承受较大的冲击、振动，可以测量点温度；电阻率高、热惯性小，响应速度快，适于动态测温；易于维护、使用寿命长适于现场测温；很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响；成本低，应用广泛；互换性差，非线性严重，精度低；对自热误差较敏感，电流过大会产生自热；除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0～150℃范围，使用时必须注意。应用：需要进行温度控制的一切领域，如温度测量、温度控制、温度补偿、液面测定、气压测定、火灾报警、气象探空、开关电路、过荷保护、脉动电压抑制、时间延迟、稳定振幅、自动增益调整、微波和激光功率测量。温度特性：负温度系数热敏电阻，多用于温度测量和补偿；正温度系数热敏电阻，用于恒温、加热控制或温度开关；临界温度系数热敏电阻，用于温度开关。输出特性：由于热敏电阻特性的严重非线性，扩大测温范围和提高精度必须进行补偿校正。
3热电开关：采用两种不同特性材料（如金属片热膨胀或陶铁磁体热磁性）构成的热敏传感器，该传感器具有温控开关特性。种类：双金属片式（原理：基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨胀系
数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形）和陶铁磁体式（组成：硬磁、软磁、动作弹簧、抵紧弹簧、拉杆、杠杆、触点、操作按键等。硬磁材料的居里点温度很高，软磁材料的居里点温度较低）。应用：电饭锅、电熨斗、电炉、电热水器等的恒温控制器。电饭锅：开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸（手松开后，按钮不再恢复），电路接通，电热丝通电烧饭；水沸腾后,由于锅内保持1000C不变,故感温磁体仍与永磁体相吸,继续加热.故锅内大致保持1000C不变；饭熟后,水分被大米吸收,锅底温度升高,当温度升至“居里点1030C”时,感温软磁体失去铁磁性,在弹簧作用下,永磁体被弹开,触点分离,切断电源,从而停止加热；如果用电饭锅烧水,水沸腾后,锅内保持1000C不变,温度低于“居里点1030C”,电饭锅不能自动断电.只有水烧干后,温度升高到1030C才能自动断电。如何实现保温：用双金属片做保温开关S2。开始烧饭时，按下开关S1，电路接通，电热丝通电烧饭。锅中有水时，饭锅的温度不会超过100℃；饭熟后，水干了，饭锅温度将超过100℃。当温度上升到103℃时，限温开关S1就会自动断开，电路断电，达到自动控温目的。这时温度较高，S2处于断开状态。当温度下降至60℃时，S2接通；加热至80℃时，S2又断开。S2的不断开合，使锅内温度保持在60-80℃之间。4热电阻：温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。材料：铂、铜、镍、铁。热电阻的特点：优点：信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。缺点：需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。适用温度范围：铂热电阻为-200～850℃（特点：精度高、稳定性好、性能可靠）；铜热电阻为-50～150℃（特点：铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，电阻温度系数较大，输出－输入特性接近线性，价格低廉。缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100℃以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中）。5热电偶测温：特点：测温范围宽（-180℃~2800℃）；测量精度高；性能稳定；结构简单、使用方便；热惯性小，动态响应较好；输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。工作原理：基于热电效应（定义：两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应）。热电势=接触电势+温差电势。接触电动势（珀尔帖T=T0或AB材料相同时回路中总电势将为零）：两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果NA>NB．电子密度大的导体A中的电子就向电子密度小的导体B扩散，从而由于导体A失去了电子而具有正电位。相反导体B由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时A、B之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。温差电动势（汤姆逊结点温度同，或A、B材料同，则温差电势也为0）：对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。热电偶总电动势与电子密度NA、NB及两节点温度T、T0有关，电子密度取决于热电偶材料的特性。一种导体组成的闭合回路，无论其是否存在温度梯度，均不能产生热电势。两热电极相同时，总电动势为0，两接点温度相同时，总电动势为0。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0。均质导体定律：由均质材料构成的热电偶、热电动势的大小只与材料及结点温度有关。与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。中间导体定律：将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。应用：利用中间导体定律,可在回路中引入各种仪表和各种连接导线,使热电偶测温成为可能。中间温度定律：在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时热电动势的代数和。应用：该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正；热电偶实际测温时，工作端和参考端有时会很长。根据中间温度定律，可以用补偿导线连接加长热电偶。标准电极定律：应用：简化了热电偶的选配工作。冷端温度补偿：0度恒温法；冷端温度修正法；仪表机械零点调整法；补偿电桥法。补偿导线：不同的热电偶必须选用相应的补偿导线；补偿导线和热电极连接处两接点的温度必须相同，且不可超过规定的温度范围；采用补偿导线只是移动了冷接点的位置，当该处温度不为0℃时，仍须进行冷端温度补偿。串并联：热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度，在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联，利用热电偶并联可以测量平均温度。
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