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基础理论一 传感器基础 一、传感器概述 教学课题：传感器基础 教学目的： 知道传感器的基本概念； 了解几种常用的传感器。 教学重点：常用传感器 教学难点：无 教学方法：演示操作、图片展示、讲授 教学时间：４课时 教学过程及内容： 一、传感器特性　　 传感器是指能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。 传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。转换元件则将上述非电量转换成电参量。测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。测量电路中较多使用电桥电路。应该注意的是有些敏感元件可以直接输出电参量，也就是说，没有敏感元件与传感元件之分。 　　传感器的种类很多，如果按被测对象分类，有物理量传感器、化学量传感器及生物量传感器；如果按测量原理分类，有结构型、物性型及复合型三类。结构型传感器是利用机械构件的变形、位移将被测量转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的传感器，在汽车上使用的空气流量计、曲轴位置传感器等就属于这一类。物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应工作的传感器，如在汽车上使用的氧传感器、温度传感器等属于这一类。 　　传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系。当输入量为常量或变化极慢时，其关系为静态特性；当输入量随时间较快变化时，其关系为动态特性。传感器的静态特性参数包括灵敏度、线性度、重复性、迟滞、温漂、稳定性（零漂）、分辨率等。传感器的动态特性是对时间变化的输入量的响应特性，为了便于研究，通常用正弦周期输入和阶跃输入作为“标准输入”，考察传感器的响应特性等。下面介绍一些主要的、通用的静态特性参数指标的定义。 　　1．灵敏度 　　2．分辨力 　　3．测量范围和量程 　　4．线性度（非线性误差） 　　5．迟滞 　　6．重复性 　　7．零漂和温漂 二、发动机常用传感器工作机理 （一）磁电式传感器 1．磁电效应 根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动，切割磁力线（或线圈所在磁场的磁通变化）时，线圈中所产生的感应电动势的大小取决于穿过线圈的磁通的变化率。 由上述电磁感应原理可构成直线移动式和转动式两类传感器。 2．直线移动式磁电传感器 直线移动式磁电传感器由永久磁铁、线圈和传感器壳体等组成。 运动件为线圈（或磁铁）与传感器壳体相联接，组成动圈式（或动铁式）结构，动铁式与动圈式的工作原理相同。图5-2所示为动铁式恒定磁感应强度式传感器结构，当壳体随被测振动体一起振动且在振动频率远大于传感器的固有频率时，由于弹簧较软，运动件质量相对较大，运动件来不及随振动体一起振动（静止不动）。此时，磁铁与线圈之间的相对运动速度接近振动体的振动速度。 3．转动式磁电传感器 转动式磁电传感器由变磁阻式和变气隙式两种，这里仅介绍变磁阻式磁电感应传感器，结构如图5-3所示。 软铁、线圈和永久磁铁固定不动。由导磁材料制成的测量齿轮安装在被测旋转体上，每转过一个齿，测量齿轮与软铁之间构成的磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次。线圈中感应电动势的变化频率（脉冲数）等于测量齿轮上的齿数和转速的乘积。变磁阻式电磁感应传感器可测试转动体的转角和转速。 二、霍耳式传感器 1．霍耳效应 半导体或金属薄片置于磁场中，当有电流（与磁场垂直的薄片平面方向）流过时，在垂直于磁场和电流的方向上产生电动势，这种现象称为霍耳效应。 2．霍耳元件 霍耳元件的形状一般为矩形半导体薄片（通常为4mm×2mm×0.1mm）,a、b端为控制电流引线，通常为红色线；c、d端为霍耳电动势输出引线，通常为绿色导线。 目前常用的霍耳材料锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等。N型锗容易加工制造，霍耳系数、温度性能、线性度较好；P型硅的线性度最好，霍耳系数、温度性能同N型锗，但电子迁移率较低，带负载能力较差，通常不作单个霍耳元件。利用霍耳效应可制成测量电流、磁场、位移、压力、压差、转速、转角等物理量的传感器。 三、压电式传感器 1．压电效应 对某些电介质沿着一定方向加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力撤除后，又恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。在电介质的极化方向施加电场，电介质会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外电场去除后，变形或应力随之消失，此现象称为逆压电效应。 2．压电元件