内科大安全环境监测技术教案第3章 传感器.docx

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1、课程名称：安全环境监测技术授课章节第4次课：第3章传感器3.1传感器的基本概念；3.1.1定义及组成；3.1.2传感器分类；3.L3传感器的技术特点；3.1.4传感器的基本特性。目的要求了解传感器的定义、组成、熟悉传感器的分类，掌握传感器的基本特性。重点难点重点：传感器的分类和基本特性；难点：传感器的技术特点。开始安排10分钟的时间讲一下作业及答疑情况。作业抄袭情况严重，望独立完成，若无故旷课，可通过答疑进行部分弥补。第3章传感器3.1 传感器的基本概念传感器是检测仪器仪表的第一个环节，相当于人的感官，也称一次仪表。3.1.1 定义及组成1）定义：能把被测物理量或化学量转变成为电量的一种器件或

2、元件叫传感器。2）组成：敏感元件、转换元件、附件、引线、辅助电路。敏感元件是直接能感受或响应输入量（物理量或化学量）的部分，转换元件是将敏感元件感受的信息直接转换成电信号的部分，有些敏感元件直接可输出电信号，即敏感元件又是转换元件，这种敏感元件和转换元件合一的传感器也是很常见的，如压电式传感器、光电式传感器等。3.1.2 传感器分类传感器的分类方法很多，可按工作原理、用途、被测量类型、敏感材料的类型、输出信号的类型、能量关系等进行分类。D按用途分类测力传感器：重量、拉（压）力、力矩、应力。位移传感器：长度、厚度、应变、振幅。速度传感器：质点振速、流量、流速、转速。加速器传感器：振动、冲击、质量

3、等。（约10分钟）（约10分钟）结合实例和图形。（约20分钟）解释一下其他分类方法2）按能量关系分类参数式（无源式）：电阻、电容、电感式。转换元件是电路参数。电能式（有源式）：磁电式、压电式、光电、热电式。3）传感器的命名传感器的名称是通用的，在购买、选择和使用传感器时，只有知道了名称,才能知道选择什么样的测试系统，知道了名称，也就知道了传感器的结构原理。一般是将按能量关系分类与用途分类的传感器名称结合起来，作为传感器的全称。如磁电式速度计、压电式加速度计。3.1.3传感器的技术特点1）技术特点传感器一般是利用物理、化学和生物等科学的某些效应或机理，按照一定的工艺和结构研制出来的，传感器技术包

4、括传感器的设计、研究、试制、生产、检测与应用，是独立的专门学科。其技术特点是：测量对象范围广且离散。初识密集度甚高、涉及边缘科学甚多。技术复杂、工艺要求高。功能优、性能好。品种多、应用广。2）对传感器的要求针对传感器的工作原理、结构和技术特点，在不同场合对传感器均需要的基本要求是：a.高灵敏度：抗干扰的稳定性（对环境干扰不敏感）；b.线性：理想的一次函数，容易调节（校准简易）；C.高精度：误差小，高可靠性；d.无迟滞性：工作寿命长（耐用性）；e.可重复性：抗老化；f.高响应速率：可测快速变化的信号；（约10分钟）（约10分钟）g.选择性：单值性，安全性（传感器应是无污染的）；h.互换性：低成本

5、；i宽测量范围：少更换仪器或切换量程，小尺寸、重量轻和高强度；j宽工作温度范围：适应不同的工作环境。K.负载作用小：对被测量没有影响。3.1.4传感器的基本特性传感器的基本特性和测试系统的基本特性一样，都是用一些能体现传感器基本属性的特性参数来衡量。1)传感器的静特性(1)线性度实际曲线与理论曲线偏离的程度，也称非线性误差。用EA表示。Ea=+lioo%YFS(2)灵敏度传感器的灵敏度是输出量的变化与输入量的变化之比。用Sn表示。邑吟x(3)重复性传感器在做满量程加卸载循环测试时，曲线不重合的程度。曲线越重合，重复性就越好。用纥表示。E=ilioo%YFS(4)迟滞现象也称迟滞误差，或叫做滞环

6、，与重复性误差的原因有一定关系。用品11maxAH表示。Eh=-100%“max1FS(5)分辨率能使传感器产生有效输出的最小输入量，用心僦表示。也可用满量程输入值的百分数也也XIo0%表示。xFS(约18分钟)（6）稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长的时间内保持一定性能的能力。（7）漂移指传感器输入量没有变化时输出在变化的现象。包括零点漂移和灵敏度漂移。2）传感器的动特性（约9分钟）是测量快速变化信号的特性。（1）最大超调量。尸响应曲线超出新平衡位置的程度，一般用百分数表示：QO%y（）去掉百分数部分也叫超量比，也能反映传感器的阻尼特性，（2）延滞时间fd是阶跃响应达到稳态值的50%时所

7、需要的时间。（3）上升时间一般取响应时间的10%90%之间所用时间。（4）峰值时间fp响应曲线到达第一个峰值所用时间。（5）响应时间响应曲线衰减到稳态值之差不超过5%或2%时所用时间。有时也称过渡时间。【课堂教学小结】（3分钟）1、传感器是测试系统中非常重要的一部分，直接影响着测试精度和成败。2、传感器的特性是通过实际标定而测得的，可比较测试系统的特性，不同的是传感器直接接触（响应）非电量。课程名称：安全环境监测技术授课章节第5次课：第3章传感器3.2常用传感器；3.3几种新型传感器目的要求熟练掌握传感器的基本特性和常用的几种传感器。了解几种新型传感器。重点难点重点：电阻式、电感式和磁电式传感

8、器的原理及特性；难点：压磁及压电式传感器原理。利用几分钟的时间点名、讲一下上次布置作业的情况。3.2常用传感器3.2.1 电阻式传感器将被测量的变化转换成电阻变化的传感器。大致可分为三类：变阻器式、电阻应变式、敏感电阻式(热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻、光敏电阻等)。敏感元件类型有应变片、半导体膜片、电位器和电触点式等。D电阻应变式传感器(1)原理设有一长为Io的、截面积为S、电阻率为P的导电金属丝，它具有的电阻由式(3.1)确定R=Pk(3.1)S当它受到轴向力被拉伸(或压缩)时，其1、S和P均将发生变化，因而导体的电阻R=也随之发生变化。利用数学求导的方法可求得电阻的相对变化量。将

9、式(3.1)两边取对数得lnJ=lnp+ln0-lnS再对上式两边取微分得dRdpdldS-RPlOS(3.2)式中，R/R为电阻的相对变化；/。=为材料的轴向线应变，常用单位是微应变(“)，1=1x10-6jW/S为截面积的相对变化。(约5分钟)(约20分钟)又因为S=r2,则dS=2rdrLLI、dSCdrtldSCdr所以p=2j,即=2S7USr式中47r为金属丝半径的相对变化，由材料力学可知drr=-所以dSS=-2dRdp代入式(3.2)中得了=U+2访+(3.3)女在一定范围内变化很小，设（1+2M=KP则F=KEK即为应变片的转换公式。一般金属应变片K值在L7-3.6之间。（2

10、）类型（约5分钟）丝栅式、薄式、半导体式。2）压阻式传感器电阻变化率处=无，可简化成萼=KOE其中压阻系数Ko=5O-lOORpR3）电位器式传感器以前提过，略讲。（约1（）分钟）3.2.2电感式传感器电感式传感器是一种把被测量的变化转换成线圈电感参数（自感系数、互感系数、等效阻抗）变化的传感器，其工作原理是基于电磁感应。电感式传感器可分为自感型、互感型和压磁型三种。1）自感型特点：结构简单、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、分辨力高、b)（约5分钟）2）互感型原理：互感传感器是根据电磁感应中的互感原理工作的。互感原理：当某一线圈中通以交变的电流时，在其周围产生交变的磁通,因而在其邻近的线

11、圈上感应出感生电动势。3.2.3电容式传感器L变极矩型2.变面积型3.变介电常数型特点：结构简单、动态响应快、以实现非接触测量。324磁电式传感器：发电式传感器的一种特点：无需供电电源，电路简单性能稳定，输出阻抗小。电磁感应式传感器霍尔式位移传感器霍尔式压力传感器3.2.5压电式传感器（约5分钟）（约1（）分钟）（约5分钟）特点：输出能量高、输出阻抗高、测量频率高、可直接测加速度。压电式力和压力传感器压电式加速传感器压电声表面波传感器（约5分钟）3.2.6光电式传感器L模拟式传感器2.脉冲式传感器3.光纤传感器4.光栅传感器5.激光式传感器6.红外传感器3.2.7热电式传感器L热电偶传感器2.

12、热电阻传感器3.热敏电阻传感器（约12分钟）3. 3几种新型传感器3.1.1 超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及银铁铝合金（磁致伸缩）两类。3.1.2 微波传感器微波传感器是利用微波特性来检测一些物理量的器件。包括感应物体的存在，运动速度，距离，角度信息。传统的微波传感器有喇叭天线型和抛物面型微波传感器，最新微波传感器采用平面微带技术，具有稳定性高，体积小，感应灵敏等特点。3.1.3 力平衡式传感器（又称伺服式传感器）由机械部件与伺服电路组成的力反馈测量装置，是通过反馈力（或力矩）与输入力（或力矩）间的伺服平衡来测量输入力的

13、一类传感器。伺服传感器的优点是静态精度和线性度高，滞后小，重复性好，灵敏度高，阈值小，低频响应好，动态测量范围宽。晚上辅导时布置作业【作业题】1、在应变测量中，选用应变片灵敏系数K=2,应变片的电阻值R=120Q,若估计测量时的最大应变为5000u,问这时应变片电阻变化了多少欧姆？若换成灵敏系数K=200,R=IOOOQ的半导体应变片，问这时半导体应变片的阻值变化了多少欧姆？2、压电式加速度计的技术指标如下：工作频率范围。20KHz,最大测量范围500g,电荷灵敏度50pCg,固有频率50KHz,横向灵敏度2%,试求：振动加速度为30g时的电荷输出是多少nC?当横向振动加速度为LOg时，加速度计的电荷输出是多少？【课堂教学小结】（3分钟）1、安全监测常用的传感器还很多，比如生物类的传感器，结构复杂，或是敏感元件特殊；2、敏感电阻式传感器在环境监测中应用很广，可制成温度、湿度、气体等不同用途的传感器。