传感器的基本知识.docx

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传感器的基本知识

压力传感器的基本知识2007-03-1813:

48一、传感器的定义

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：

“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，通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

二、传感器的分类

目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：

１、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器

２、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。

３、按传感器输出信号的性质分类，可分为：

输出为开关量（“１”和"０”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。

关于传感器的分类：

1.按被测物理量分：

如：

力，压力，位移，温度，角度传感器等；

2.按照传感器的工作原理分：

如：

应变式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等；

3.按照传感器转换能量的方式分：

（1）能量转换型：

如：

压电式、热电偶、光电式传感器等；

（2）能量控制型：

如：

电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等；

4.按照传感器工作机理分：

（1）结构型：

如：

电感式、电容式传感器等；

（2）物性型：

如：

压电式、光电式、各种半导体式传感器等；

5.按照传感器输出信号的形式分：

（1）模拟式：

传感器输出为模拟电压量；

（2）数字式：

传感器输出为数字量，如：

编码器式传感器。

三、传感器的静态特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。

因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。

表征传感器静态特性的主要参数有：

线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。

四、传感器的动态特性

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。

在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。

这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。

最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

五、传感器的线性度

通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。

在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。

拟合直线的选取有多种方法。

如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

六、传感器的灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。

它是输出一输入特性曲线的斜率。

如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。

否则，它将随输入量的变化而变化。

灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。

例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。

当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。

提高灵敏度，可得到较高的测量精度。

但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。

七、传感器的分辨力

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。

也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。

当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。

只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。

通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。

上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。

八、电阻式传感器

电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。

主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。

九、电阻应变式传感器

传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。

电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。

半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。

十、压阻式传感器

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。

其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。

当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。

用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。

十一、热电阻传感器

热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。

在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。

目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。

用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。

十二、传感器的迟滞特性

迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。

迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成

光电传感器

光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。

早期的用来检测

　　物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。

在金属圆筒内有一个小的白炽

　　灯做为光源。

这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。

　　LED（发光二极管）

　　发光二极管最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管做为指示灯来用。

LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。

由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。

因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。

不象白炽灯那样，LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。

另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的

　　一部分。

（激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离）。

LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。

　　经调制的LED传感器

　　1970年，人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点，就是它能够以非常快的速度来开关，开关速度可达到KHz。

将接收器的放大器调制到发射器的调制频率，那么它就只能对以此频率振动的光信号进行放大。

　　我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。

将收音机调到某台，就可以忽略其他

　　的无线电波信号。

经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器，其接收器就相当于收音机。

　　人们常常有一个误解：

认为由于红外光LED发出的红外光是看不到的，那么红外光的能量肯定会很强。

经过调制的光电传感器的能量的大小与LED光波的波长无太大关系。

一个LED发出的光能很少，经过调制才将其变得能量很高。

一个未经调制的传感器只有通过使用长焦距

　　镜头的机械屏蔽手段，使接收器只能接收到发射器发出的光，才能使其能量变得很高。

相比之下，经过调制的接收器能忽略周围的光，只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应。

　　未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射，如刚出炉的红热瓶子，在这种应用场合如果使用其它的传感器，可能会有误动作。

　　如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话，那么它就可以被周围光源接收器可靠检测到。

周围光源接收器也可以用来检测室外光。

　　但是并不是说经调制的传感器就一定不受周围光的干扰，当使用在强光环境下时就会有问题。

例如，未经过调制的光电传感器，当把它直接指向阳光时，它能正常动作。

我们每个人都知道，用一块有放大作用的玻璃将阳光聚集在一张纸上时，很容易就会把纸点燃。

设想将玻璃替换成传感器的镜头，将纸替换成光电三极管，这样我们就很容易理解为什么将调制的接收器指向阳光时它就不能工作了，这是周围光源使其饱和了。

　　调制的LED改进了光电传感器的设计，增大了检测距离，扩展了光束的角度，人们逐渐接受了这种可靠易于对准的光束。

到1980年，非调制的光电传感器逐步就退出了历史舞台。

　　红外光LED是效率最高的光束，同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束。

　　但是有些传感器需要用来区分颜色（如色标检测），这就需要用可见光源。

　　在早期，色标传感器使用白炽灯做光源，使用光电池接收器，直到后来发明了高效的可见光LED。

现在，多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光LED发射器。

经调制的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离，这是因为检测距离是一个非常重要的参数。

未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体，这些场合要求的响应速度都非常快。

但是，现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度，能满足大多数的检测应用。

　　超声波传感器

　　声波传感器所发射和接收的声波，其振动频率都超过了人耳所能听到的范围。

它是通过计算声波从发射，经被测物反射回到接收器所需要的时间，来判断物体的位置。

对于对射式超声波传感器，如果物体挡住了从发射器到接收器的声波，则传感器就会检测到物体。

与光电传感器不同，超声波传感器不受被测物透明度和反光率的影响，因此在许多使用超声波传感器的场合就不适合使用光电传感器来检测。

　　光纤

　　安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下，我们可以考虑使用光纤。

光纤与传感器配套使用，是无源元件，另外，光纤不受任何电磁信号的干扰，并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。

　　光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一层金属外皮。

这层金属外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。

光束照在这两种材料的边界处（入射角在一定范围内，），被全部反射回来。

根据光学原理，所有光束都可以由光纤来传输。

　　两条入射光束（入射角在接受角以内）沿光纤长度方向经多次反射后，从另一端射出。

另一条入射角超出接受角范围的入射光，损失在金属外皮内。

这个接受角比两倍的最大入射角略大，这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。

光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响（弯曲半径要大于最小弯曲半径）。

大多数光纤是可弯曲的，很容易安装在狭小的空间。

　　玻璃光纤

　　玻璃光纤由一束非常细（直径约50μm）的玻璃纤维丝组成。

典型的光缆由几百根单独的带金属外皮玻璃光纤组成，光缆外部有一层护套保护。

光缆的端部有各种尺寸和外形，并且浇注了坚固的透明树脂。

检测面经过光学打磨，非常平滑。

这道精心的打磨工艺能显著提高光纤束之间的光耦合效率。

　　玻璃光纤内的光纤束可以是紧凑布置的，也可随意布置。

紧凑布置的玻璃光纤通常用在医疗设备或管道镜上。

每一根光纤从一端到另一端都需要精心布置，这样才能在另一端得到非常清晰的图像。

由于这种光纤费用非常昂贵并且多数的光纤应用场合并不需要得到一个非常清晰的图像，所以多数的玻璃光纤其光纤束是随意布置的，这种光纤就非常便宜了，当然其所得到的图像也只是一些光。

　　玻璃光纤外部的保护层通常是柔性的不锈钢护套，也有的是PVC或其他柔性塑料材料。

有些特殊的光纤可用于特殊的空间或环境，其检测头做成不同的形状以适用于不同的检测要求。

　　玻璃光纤坚固并且性能可靠，可使用在高温和有化学成分的环境中，它可以传输可见光和红

　　外光。

常见的问题就是由于经常弯曲或弯曲半径过小而导致玻璃丝折断，对于这种应用场合，我们推荐使用塑料光纤。

　　塑料光纤

　　塑料光纤由单根的光纤束（典型光束直径为0.25到1.5mm）构成，通常有PVC外皮。

它能安装在狭小的空间并且能弯成很小的角度。

　　多数的塑料光纤其检测头都做成探针形或带螺纹的圆柱形，另一端未做加工以方便客户根据使用将其剪短。

邦纳公司的塑料光纤都配有一个光纤刀。

不像玻璃光纤，塑料光纤具有较高的柔性，带防护外皮的塑料光纤适于安装在往复运动的机械结构上。

塑料光纤吸收一定波长的光波，包括红外光，因而塑料光纤只能传输可见光。

　　与玻璃光纤相比，塑料光纤易受高温，化学物质和溶剂的影响。

　　对射式和直反式光纤玻璃光纤和塑料光纤既有“单根的”－对射式，也有“分叉的”－直反式。

单根光纤可以将光从发射器传输到检测区域，或从检测区域传输到接收器。

分叉式的光纤有两个明显的分支，可分别传输发射光和接收光，使传感器既可以通过一个分支将发射光传输到检测区域，同时又通过另一个分支将反射光传输回接收器。

　　直反式的玻璃光纤，其检测头处的光纤束是随意布置的。

直反式的塑料光纤，其光纤束是沿光纤长度方向一根挨一根布置。

　　光纤的特殊应用

　　由于光纤受使用环境影响小并且抗电磁干扰，因而能被用在一些特殊的场合，如：

适用于真空环境下的真空传导光纤（VFT）和适用于爆炸环境下的光纤。

在这两个应用中，特制的光纤安装在特殊的环境中，经一个法兰引出来接到外面的传感器上，光纤和法兰的尺寸多种多样。

本安型传感器，如NAMUR型的传感器，可直接用在特殊或有爆炸性危险的环境中。

传感器知识

　　传感器的定义

　　国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：

“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，通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器的分类

　　目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：

　　１、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。

　　２、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅热电偶等传感器。

　　３、按传感器输出信号的性质分类，可分为：

输出为开关量（“１”和“０”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。

传感器的静态特性

　　传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。

因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。

表征传感器静态特性的主要参数有：

线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。

传感器的动态特性

　　所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。

在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。

这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。

最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

传感器的线性度

　　通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。

在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。

拟合直线的选取有多种方法。

如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

传感器的灵敏度

　　灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。

它是输出一输入特性曲线的斜率。

如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。

否则，它将随输入量的变化而变化。

　　灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。

例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。

　　当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。

　　提高灵敏度，可得到较高的测量精度。

但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。

传感器的分辨力

　　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。

也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。

当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。

只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。

　　通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。

上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。

电阻式传感器

　电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。

主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。

电阻应变式传感器

　　传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。

电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。

半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。

压阻式传感器

　　压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。

其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。

当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。

　　用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。

热电阻传感器

　　热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。

在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。

目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。

用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。

传感器的迟滞特性

　　迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示，迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。

传感器的选用

　　传感器千差万别，即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，因此，要根据需要选用最适宜的传感器。

（1）测量条件

　　如果误选传感器，就会降低系统的可靠性。

为此，要从系统总体考虑，明确使用的目的以及采用传感器的必要性，绝对不要采用不适宜的传感器与不必要的传感器。

测量条件列举如下，即测量目的，测量量的选定，测量的范围，输入信号的带宽，要求的精度，测量所需要的时间，过输入发生的频繁程度。

（2）传感器的性能

选用传感器时，要考虑传感器的下述性能，即精度，稳定性，响应速度，模拟信号或者数字信号，输出量及其电平，被测对象特性的影响，校准周期，过输人保护。

（3）传感器的使用条件

　　传感器的使用条件即为设置的场所，环境（湿度、温度、振动等），测量的时间，与显示器之间的信号传输距离，与外设的连接方式，供电电源容量。

传感器基础效应

传感器基础效应

传感器基础效应

　光电效应--（可制作各种光电器件，位移，振动，转速传感器传感器）

　　外光电效应--（可制作光电管、光电倍增管传感器）

　　面效应

　体效应

　内光电效应

　　光电导效应--（可制作光敏电阻（光电导管）传感器）

　光生伏特效应--（可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器）

　　侧向光生伏特效应（殿巴效应）--（可制作半导体位置敏感器件（反转光敏二极管）传感器）

　PN结光生伏特效应--（可制作光电池、光敏二极管和光敏三极管传感器）

　光磁电效应（PME效应）

　贝克勒尔效应--（可制作感光电池传感器）

　电光效应--（可制作光导纤维传感器传感器）

　　线性电光效应（泡克尔斯效应）--（可制作电光调制器、电光开关、光纤电压、电场传感器传感器）

　平方电光效应（电光克尔效应）--（可制作光导纤维传感器传感器）

　光弹性效应--（可制作压力传感器、振动传感器、声传感器传感器）

　电致发光效应--（可制作发光二极管、半导体激光器传感器）

　磁光效应--（可制作光纤传感器传感器）

　　磁光法拉第效应--（可制作光纤传感器传感器）

　磁光克尔效应--（可制作光纤传感器传感器）

　科顿-蒙顿效应

　磁电效应

　　霍尔效应--（可制作霍尔元件，接近开关，位置位移传感器，转速传感器等传感器）

　磁阻效应--（可制作磁阻传感器，磁编码器，角度传感器传感器）

　　物理磁阻效应

　形状磁阻效应

　强制磁阻效应

　定向磁阻效应

　热电效应--（可制作热电偶传感器）

　　珀尔帖效应--（可制作用于控制半导体激光器温度的制冷器传感器）

　汤姆逊效应

　塞贝克效应（温差电效应）--（可制作热电偶传感器）

　热释电效应--（可制作红外探测器、温度传感器、热成像器件传感器）

　热磁效应

　　横向能斯脱效应

　纵向能斯脱效应（电气纵向效应）

　热磁横向效应（里纪-勒杜克效应）

　热磁纵向效应

　压电效应--（可制作力、压力、振动、加速度传感器，超声波探头、声表面波（SAW）传感器、陀螺传感器）

　　正压电效应--（可制作压电式力、压力、振动、加速度传感器，压电超声波探头，压电声表面波SAW传感器，压电陀螺传感器）

　　纵向压电效应

　横向压电效应

　切向压电效应

　逆压电效应--（可制作超声波发生器，声发射传感器，压电扬声器，晶振传感器）

　压阻效应--（可制作压阻式压力、加速度、重量、应变、拉力、流量、真空度传感器传感器）

　电致伸缩效应

　磁致伸缩效应--（可制作可制成电声器件、超声