传感器技术.docx

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传感器技术

传感器技术

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摘要

一、传感器的定义

随着科学技术的发展，用非电量的测量方法去测量非电量已不能满足工程测量要求，因而研究开发了新的测量技术——非电量电测技术。

非电量电测技术中的关键技术是研究如何将非电量转换成电量的技术——传感器技术。

传感器是一种以一定精确度把被测量（主要是非电量）转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置。

这一定义包含了以下几个方面的含义：

（1）传感器是测量装置，能完成检测任务；

（2）它的输入量是某一被测量，如物理量、化学量、生物量等；（3）它的输入是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；（4）输出与输入间有对应关系，且有一定的精确度。

总之，传感器处于测量系统的最前端，起着获取信息与转换信息的重要作用。

二、传感器的组成

传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路3部分组成，组成框图如图所示：

1、敏感元件：

直接感受被测量，输出与被测量

有确定关系；

2、转换元件：

磁芯与电感线圈；

3、转换电路：

磁芯变化引起转换电路输出变化。

三、传感器的分类

传感器是一门知识密集型技术，其原理各种各样，它与许多学科有关，种类繁多，分类方法也很多，目前广泛采用的分类方法有以下几种。

1、按传感器的工作原理：

物理型、化学型、生物型；

2、按传感器的构成原理：

结构型（定理、数学公式）、物性型（材料有关）

3、按能量转换：

能量控制型：

外加电源、应变电阻、热阻、光阻；

能量转换型：

压电效应、热电效应、光电动势效应。

4、按用途：

位移、压力、温度、振动、电流、电压、功

率等；

5、按物理型的分类：

1）电参量：

电阻式、电感式、电容式；

2）磁电式：

磁电感

3）压电式；

4）光电式：

光栅、激光、光纤、红外、摄像；

5）热电式；

6）波式：

超声波、微波；

7）半导体式；

正文

一、传感器的特性

所谓传感器的特性就是传感器的输入、输出关系。

传感器在出厂或使用之前需要进行标定，确定其输入与输出之间的关系，从而得到其性能指标。

由于从时间角度可以将被测非电量分为静态和动态两大类，所以，传感器的特性和性能指标分为静态特性和动态特性两大类。

1、静态特性：

输入量为常量或变化缓慢的信号；

2、动态特性：

输入量随时间变化较快。

（一）传感器的静态性能

1、线性度（产生系统误差）以及线性化处理；

2、迟滞（产生系统误差）；

3、重复性（产生随机误差）；

4、灵敏度（s）与灵敏度误差；

5、分辨力与阈值：

分辨力：

能检测到的最小的输入增量（绝对值表示）

（二）传感器的动态特性

1.瞬间响应特性

在时域内研究传感器的动态特性时，常用的激励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。

2.频率响应特性

传感器对正弦输入信号的响应特性称为频率响应特性。

频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性的方法。

3.动态标定

上面是从理论上对传感器的动态特性进行分析，为了得到准确的动态特性，必须对传感器进行动态标定。

通过动态标定实验，得到传感器的输入和输出数据，或者响应曲线，进而建立动态数学模型，计算出动态性能指标；或者从响应曲线上估算出动态性能指标。

二、传感器的原理与应用

下面主要以电阻、电容、电感传感器为例，介绍传感器的工作原理

（一）电阻式传感器

功能：

将相关非电量（位移、压力、加速度、流量等）

变换成与电阻阻值相关的电量传感器。

主要类型：

1、线性电位器传感器；

2、非线性电位器传感器；

3、电阻应变传感器；

4、压阻传感器；

5、金属电阻传感器；

下面以线性电位器式传感器为例讲述电阻传感器的工作原理及应用

1、线性电位器式传感器

（1）功能：

把线位移和角位移变换成一定函数关系的输出

电阻或电压，测量压力、位移等非电参数。

（2）典型结构：

1、金属电阻丝

2、骨架

3、电刷

（3）工作原理

空载输入输出特性

线性电位器的理想空载特性曲线具有严格的线性关系。

当电位器电刷的行程为x时（如图）：

空载输出电压

电压灵敏度：

电阻灵敏度：

ρ、A、t：

导线的电阻率、截面积、节距b、h：

骨架的宽度及高度；I：

工作电流

电压分别率ΔU

电位器电刷作台阶式的跳跃变化。

电刷每移过一匝，输出电压（电阻）就会产生一个阶跃，其阶跃值为：

ΔU=Umax/N

负载特性

接入负载后，输出电压为：

令电阻的相对变化γ为：

X为电刷相对行程

非线性误差δl：

令

可得：

（4）线性电位器传感器的应用

特点：

整个量程范围内，单位长度上的电阻值处处相等，只要是能转变成位移的参数均可用电位器作为检测元件。

例如：

温度、物位，振动、位移、速度等。

小结：

电阻式传感器是目前非电量测量最主要的传感器器件之一，其种类繁多，应用相当广泛，应用技术也相对成熟。

电阻式传感器的基本原理是将被测非电物理量的相对变化转换成为电阻值的变化量，经过测量电路匹配后获得费电量测量的相应数据量值。

根据电阻式传感器的工作原理和具体应用情况，可以将传感器制作成各种类型并和测量电路进行有机组合运用，构成测量如压力、形变、唯一、加速度、扭矩、温度等非电量参数的测量器件或监测系统。

（二）电感式传感器

原理：

与各种非电量能影响传感器的电阻值，因此成为可测的量一样，电感也能受非电量的控制。

在这类电感式传感器中，线圈的电感L是要测量的电量。

它取决于线圈匝数N的平方和线圈的磁阻Rm

一个有环形铁心的线圈的磁阻与磁力线所走过的路程长度s、磁力线穿过的截面积A、真空磁导率μo及相对磁导率μr有关

Rm=2/（μoμrA）

在电感式传感器中发生变化的物理量是路程长度s和相对磁导率μr。

电感式传感器主要类型

1）自感式传感器

2）差动变压器式传感器

3）电涡流式传感器

电感式传感器的主要特点

1、结构简单，无活动电触点，工作可靠、寿命长；

2、灵敏度和分辨率高，能测出0.01um位移变化传感器的输出信号强，电压灵敏度一般为每毫米的位移可达几百毫伏的输出；

3、线性度和重复性好，一定位移范围内（几十至几毫米），非线性误差可做到0.05%~0.1%，稳定性也好。

能实现信息的远距离传输、控制，在工业自

动化生产中被广泛使用；

4、频率响应低、不宜进行快速动态测量。

以自感式传感器为例

1、简单自感传感器的原理及特性

σ为空气隙的厚度

μo为空气隙的磁导率

S为空气隙的横截面积

RM为电路总磁阻

自感传感器基本类型

a：

不变，电感值随气隙变化的变气隙型传感器

b：

不变，电感值随面积变化的变面积型传感器

2、变间隙型自感传感器的工作特性

S不变，空气隙有微小变化

时，设初始空气隙厚度大小为，此时线圈的自感为：

电感的变化量为

灵敏度

二次项非线性

通常取

工作特性是线性的，其灵敏度为：

传感器的测量特点

1、变气隙型灵敏度高，非线性误差大，测量范围小；

2、变面积型灵敏度较低，但线性度好，测量范围大；

3、结构比较简单，运用方便。

缺点

有初始电感，线圈流向负载的电流不为零，衔铁永远受有吸力，这是结构带来的固有误差。

线圈电阻受温度影响引起温度误差，灵敏度低

4、差动自感传感器

变间隙型差动自感传感器的原理图如图

组成：

一个公共衔铁、上下两个对称线圈

电感变化量为：

灵敏度

非线性特性

差动自感传感器仅含有奇次方非线性项，其三次方非线性误差为：

5、基本测量电路

如图交流电桥，Z1、Z2为传感器的两个线圈中的阻抗，构成一对桥臂，另两臂为电源变压器二次线圈的两半（每一半的电压为），0为零电压参考电压，A、B点为电压输出端。

工作过程

1）衔铁处于中心位置时，两线圈完全对称：

2）衔铁↓时，得到输出电压：

3）当传感器线圈电阻远小于其感抗，即，输出电压的有效值为：

ω为电源角频率

显然，当衔铁运动时，阻抗Z1，Z2虽变化，但变化的仅为电感量L，而线圈电阻r可认为不变，故：

4）同理当衔铁↑时，可得到电压输出值为：

有效值为：

（三）电容式传感器

工作原理

利用电容器的原理，将一些非电物理量转化为电容量，实现非电量向电量的转化及测量。

电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。

忽略边缘效应，可得到平板电容器的电容为：

εr-----平行板间介质的相对介电常数

εo-----真空介电常数

ε-----平行板间介质的介电常数

A-----两平行板所覆盖的面积

d-----两平行板之间的距离

C-----电容量

实际的使用中，电容式传感器通常以改变平行板极间的距离来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度要于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。

改变平行板间距的电容传感器可以微米数量级的位移，而改变面积的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。

电容式传感器的分类

类型：

变面积型、变间隙型、变介电常数型

电容式传感器的结构类型及主要特性

电容的电容量

电容的相对变化量

传感器的灵敏度为

电容传感器的电容相对变化实际关系

测量电路

1、电桥电路

电桥采用稳定频率、稳定幅度、固定波形的信号源（低内阻）激励，经电流放大和相敏整流得到直流输出信号。

电桥平衡条件为：

电桥输出电压为

Ro-------为电容的耗损电阻

-------为差动电容的变化量

Co-------电容的初始值

Z-------、的等效阻抗

2、差动脉冲调宽电路

C1、C2为差动电容传感器A1、A2为比较器

D为双稳态RS触发器Ur为参考电压

3、运算放大器电路

利用运放的高增益、高输入阻抗的特点，可克服变间隙型电容传感器特性的非线性情况，使其输出信号能与输入机械位移呈线性关系，选用高输入阻抗的运放，根据运放的工作原理，可得下式成立：

应用领域：

广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，且逐步扩大应用于压力、液面、成分含量等方面的测量。

1、测量直线位移、角位移、振动振幅（可测微小振幅）.

2、测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。

3、测量压力、差压、液位、料面、成分含量（如油、粮食、木材的含水量）及非金属材料的涂层、油膜厚度

4、测量电介质的温度、密度、厚度等。

5、作为位置信号发生器。

6、采用单边式电容传感器，把被测物作为电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内，它可以用来测定料位、振动振幅，具有测量精度高，快速准确的特点。

电容式传感器的结构类型及主要特性

电容传感器的特点：

电容传感器与电阻、电感等传感器相比有以下优点。

温度稳定性好。

电容传感器的电阻值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因其本身发热性极小，影响稳定性甚微。

而电阻传感器有电阻，电感传感器有铜损等，易产生发热、零漂等情况。

结构简单，适应性强，能够承受很大的温度变化，能够承受高压力、高冲力、过载等情况。

动态响应好。

电容传感器由于带电极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小。

又由于它的可动部分质量可以做得很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，特别适用于动态测量。

可实现非接触测量，且具有平均效应，可以减小由于传感器极板加工过程中局部误差较大而对整体测量精度的影响。

电容传感器存在以下缺点。

输出阻抗高，负载能力差。

电容传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器输出阻抗很高。

因此传感器的负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施。

寄生电容影响大。

电容传感器的初始电量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容及传感器内极板与周围道题构成的电容等寄生电容却很大，这不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容常常是随机变化的，使仪器工作很不稳定，影响测量精度。

因此，电容传感器对电缆的选择、安装、接法等都有要求。

三、新型传感器简介及传感器未来发展

由于人们愈来愈认识到传感器的重要性，许多发达国家甚至把传感器技术与计算机、通信、激光、半导体及超导体等并列为六大核心技术。

近年来，传感器研究方面投入量大量的人力和物力，取得了较大的发展，其中光纤传感器、生物传感器、智能传感器和机器人传感器是有代表性的新型传感器。

下面简要介绍这些方面的现状。

1、光纤传感器

光纤即光导纤维。

光纤技术在通讯中获得成功后，近年来在传感器领域中的应用也取得了引人注目的进展。

光纤多是用石英为主要原料制作的一种通明度很高的导光介质材料，其直径一般为一二百微米。

它有体积小、重量轻、柔软性好、可弯曲、传送功率损耗小、绝缘性能极好等一系列优点；在高压、强磁场、有腐蚀性介质及高温高湿等环境条件下使用安全、可靠、抗干扰性强，现已广泛用于测量压力、位移、应变、液面、速度、温度、磁场、电流、电压等物理量，是一种很有发展前途的新型传感器。

光纤的工作原理基于光的全反射。

2、生物传感器和仿生传感器

传统的传感器都是利用非生物（金属、半导体）的物性变化来检测信号。

近年来，在传感器技术中开始利用生物（目前阶段常用微生物）来敏感信号。

例如，可以利用微生物的呼吸作用、新陈代谢机能来测定有机物的浓度。

这方面的成果已经用于发酵工业、环境监测、生物医学等领域中。

生物体具有目前世界上最奇异的检测功能，如猫的视觉、猎犬的嗅觉、蝙蝠的听觉等。

现在仿生物传感器正在兴起。

可以预言，仿生感觉器将会是今后传感器技术研究和发展的重要方向之一。

3、智能传感器

所谓智能传感器就是一种带有微处理机的，兼有检测与信息处理功能的传感器。

简而言之，就是带计算机的传感器，它和传统传感器有明显的区别。

它除具备传统传感器的功能外，还具有记忆及运算的功能；空间信息处理及非线性滤波的功能；多重输入系统的构成与同一数据的周期重复处理功能；系统的调节与控制的功能等。

随着计算机技术的进一步发展，智能传感器的研究必定会进入一个全盛时期。

4、机器人传感器

机器人传感器是20世纪70年代开始发展起来的一门专门用于机器人技术方面的新型传感器。

一般机器人传感器的基本原理与传统传感器的原理相同，但机器人传感器又有其特殊性。

要使机器人能代替人的劳动，自如地去完成人所能干的，甚至某些人所难以胜任的动作，它就必须具备能够判断周围环境状态的感觉功能。

机器人传感器可分为人内部传感器和机器人外部传感器两种。

机器人内部传感器的功能是测量运动学和动力学参数，其提供信息的目的是控制机器人按规定的位置、轨迹、速度、加速度和受力大小进行工作。

机器人外部传感器的功能是认识工作环境，其提供信息的目的是检查产品质量、去污、控制操作、应付环境和修改程序。

目前，对机器人传感器的研究已经成为智能机器人的重要课题。

5.发展

随着科技的发展以及人们对传感器重要性的认识，人力和物力的不断加大投入，传感器必将向着精密化、智能化、高端化的方向发展。

材料将向着更广泛的方向发展，应用也将渗透到各个领域。

四、参考文献

《电气测试技术》机械工业出版社林德杰主编

《电气测试原理与方法》西北工业大学出版社张晓斌主编

《电气测试技术》电子工业出版社徐科军主编

《现在测试技术与系统设计》西安交通大学出版社申忠如郭福田丁晖主编

《电测技术》电子工业出版社【德】ElmarSchrüfer著