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项目一 认识传感器及其信号调理电路
一、教学目标
1.掌握传感器的定义和作用。
2.掌握传感器的组成。
3.了解传感器的分类和主要性能指标。
4.初步熟悉传感器的一般应用场合。
二、课时分配
本项目共2个任务，本项目安排4课时。其中理论学时2课时，实践学时2课时。
三、教学重点
通过本项目的学习，让学生学习了解传感器的分类和主要性能指标，掌握传感器的定义、组成和作用非常重要。
四、教学难点
1.认识各类传感器。
2.初步了解各类传感器的作用。
五、教学内容
任务一 认识传感器
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一、传感器的定义
传感器(Sensor/Transducer)是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，主要是电量。传感器输入输出的转换规律（对应关系）已知，转换精度要满足测控系统的应用要求。
二、传感器的组成
传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成，如图所示。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量。转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量，电路参量接入测量转换电路，便可转换成电量输出。
传感器的组成
1.敏感元件
敏感元件是传感器中能够直接感受或者感应被测量的部分。不同的传感器有不同的敏感元件。例如测量温度的传感器就必须要有对温度敏感的材料做成的敏感元件，如图就列举两种对温度敏感的材料，热敏油墨和在医疗方面应用广泛的记忆合金。
如图所示的是对压力敏感的弹性元件波纹管、弹簧管，以及对力敏感的悬臂梁。
2. 转换元件
转换元件能将敏感元件感受或者响应的被测量转换成电路参量。如图所示，将电阻应变片贴在悬臂梁上，当悬臂梁受力发生形变时，电阻应变片也随之发生形变，引起电阻应变片电阻的变化，即电阻应变片将力的变化转换成电阻的变化，是力变化的转换元件。
敏感元件和传感元件合二为一的传感器
3. 测量转换电路
测量转换电路是把转换元件转换后的电路参量变换成易于处理、显示、记录、控制和传输的电信号。常见的测量转换电路有直流电桥、调频电路等，如图所示。
直流电桥可以将电阻的微小变化转换成输出电压的变化，可以作为如所示电阻应变片的测量转换电路。
三、传感器的分类和命名
基于某种原理制作的传感器可以测量不同的物理量，同一个物理量可以使用不同的传感器来测量，所以传感器有多种分类方法。常见的有以下三类：　
1.按被测物理量性质（输入量）分类
如位移传感器、速度传感器、负荷传感器、压力传感器、流量传感器、温度传感器……适合于根据被测量选择相对应的传感器。
按被测物理量性质分类的各种传感器
2.按工作原理（转换原理）分类
如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、压电传感器……能够从基本原理上归纳传感器的共性和特性。
按工作原理分类的各种传感器
3.按能量的传递方式分类
将非电量转换成电量的转换元件均可分为两类——有源元件和无源元件。
有源元件
无源元件
四、传感器的主要性能指标
传感器的特性一般指输入、输出特性，有静态和动态之分。下面仅介绍传感器的静态特性的一些指标。传感器的静态特性是指被测量处于稳定状态下的输入输出关系。传感器静态的性能指标有灵敏度、线性度、迟滞、重复性、分辨力和分辨率等。
1.灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态下输出量的变化与输入量的变化之比，用k表示。
传感器的灵敏度
由图可知灵敏度k是特性曲线上某点的切线斜率。如果特性曲线是直线，则k为常数；如果特性曲线是非线性的，则k是变化的。
2.线性度
传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。大部分的传感器是非线性的，所以实际使用中，为了标定和数据处理的方便，引入了非线性补偿电路或者计算机软件法等补偿环节，以求得到线性关系。当非线性的误差不是很大且输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段以使传感器输出—输入特性线性化，这种直线称为拟合直线。采用拟合直线线性化时，传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度,即两者之间的最大偏差和传感器满量程输出之间的比值称为线性度。
传感器的线性度
式中： ΔLmax—最大非线性误差；
ymax—传感器的最大输出值；
ymin—传感器的最小输出值。
3.迟滞
传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。
迟滞特性
式中：ΔHm—正反行程之间的最大差值；
yFS—传感器的满量程输出。
4.重复性
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。
重复性
式中：ΔRmax—正反行程的最大误差；
yFS—传感器的满量程输出。
5.分辨力与分辨率
分辨力是指传感器能够测量到的最小输入变化值,它代表了传感器的最小量程，与输入量同量纲。对于数字式仪表，其分辨力通常为该表最后一位数字所表示的数值。一般的模拟式仪表，则是用仪表最小刻度分格值的一半。分辨率表示传感器的分辨能力，用分辨力除以仪表满量程得到，主要用于说明其分辨质量。
五、常见的传感器
1.位移传感器
位移是指物体的某个表面或某点相对于参考表面或参考点位置的变化。位移有线位移和角位移两种。线位移是指物体沿着某一条直线移动的距离；角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。
2.速度、加速度传感器
（1）速度传感器
单位时间内位移的增量就是速度。用于检测物体运动速度的传感器称为速度传感器。速度包括线速度和角速度，与之相对应，速度传感器分成线速度传感器和角速度传感器两大类。
（2）加速度传感器
加速度传感器是一种能够测量物体加速度的传感器。如图119所示的为两类常见的加速度传感器。
3.力、扭矩传感器
（1）力传感器
力传感器能感受外力并转换成可用输出信号的传感器，如图所示。
常见的力传感器
（2）扭矩传感器
扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测元器件。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号，如图所示。
常见的扭矩传感器
任务二 传感器的信号调理电路（电流—电压变换）
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一、信号调理电路
能实现这种预处理功能的电路称为信号调理电路。常见的信号调理电路有放大电路、线性化电路、信号形式变换电路、滤波电路等。
二、放大电路
由于大部分的传感器输出电压较小，比如热电偶输出的热电势变化是μV级的，不适合直接显示和控制，所以通常需要放大电路将其输出信号进行放大后再显示或控制放大电路主要采用具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的集成运算放大器，用集成运算放大器构成的放大电路通常有同相放大器、反相放大器、差动放大器等，如图所示。
运算放大器构成的各种电压放大电路
如图所示的三种放大电路的输出电压的放大倍数均与反馈电阻R2和输入电阻R1的比值有关，改变两者之间的比值就可以改变放大电路的放大倍数，得到适合显示和控制的电压。
仪用放大器的电路基本结构
三、线性化电路
1.无源线性化
简单的无源线性化成本低、简便，但校正范围一般较窄、准确度不高，主要用于被测量变化范围不大的场合，其常见的方式有采用固定参数元件与敏感元件并联或串联。
2.有源线性化
有源线性化电路主要是利用运放、场效应管或三极管等有源元件实现函数变换。采用有源线性化可以弥补无源线性化的不足，但是也存在线路复杂、调整不便、成本相对较高等缺点。
四、信号形式变换电路
1.电压—电流变换电路
常用的电压—电流转换电路有浮地负载电压—电流变换电路、接地负载电压—电流变换电路、差动式电压—电流变换电路等。下面以浮地负载电压—电流变换为例，介绍电压—电流变换电路的原理。
如图所示为简单的浮地负载电压—电流变换电路。该电路采用运算放大器构成，按理想运放条件可导出这两种电路负载中的电流为：i=ui/R（R3=R1∥R2）。
浮地负载电压—电流变换电路
如果输出电流信号经过长时间传输之后，要通过数字式电压表显示，则需进行电流—电压转换，具体的电路图如图所示，u0=iR，输出电压和输入电流成正比。
电流—电压变换电路
2.电压—频率变换电路
电压—频率变换通常是将传感器输出电压的大小转换成单位时间内脉冲数的多少，通过这种变换使输出信号抗干扰能力提高了，并且适合长距离传输，但是不适合实时性要求很高的场合。
五、滤波电路
滤波电路又称为滤波器，是一种选频装置，只允许一定频带范围内的信号通过，而极大地衰减其他频率成分。
滤波器按构成滤波器的元件类型分为RC、RL滤波器等；按电路性质可分为有源滤波器和无源滤波器；按滤波器通频带范围可分为低通、高通、带通、带阻滤波器。
实际滤波器在通带和阻带之间有一个过渡带，如图所示。
实际的低通滤波器幅频特性
图（a）的一阶RC低通滤波器是无源的，图（b）为其幅频特性，当负载增大时，通频带放大倍数和截止频率均有变化。
一阶RC无源低通滤波器
这也是无源滤波电路的缺点即滤波参数随负载变化，而有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，如图所示，用电压跟随器隔离滤波电路与负载电阻。
一阶RC有源低通滤波器
无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的滤波电路；有源滤波电路是信号处理电路，其输出电压和电流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。
六、课后作业
完成本项目的项目测评。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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