传感器.docx

传感器.docx

《传感器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

传感器

传感器

科技名词定义

中文名称：

传感器

英文名称：

sensor;measuringelement;transducer

定义1：

能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

所属学科：

机械工程（一级学科）；传感器（二级学科）；传感器一般名词（三级学科）

定义2：

接受物理或化学变量（输入变量）形式的信息，并按一定规律将其转换成同种或别种性质的输出信号的装置。

所属学科：

煤炭科技（一级学科）；矿山电气工程（二级学科）；煤矿监测与控制（三级学科）

本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布

百科名片

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。

目录

传感器的定义

传感器的作用

敏感元件的分类

传感器的分类

传感器静态特性

传感器动态特性

传感器的线性度

传感器的灵敏度

传感器的分辨率

24GHz雷达传感器

电阻式传感器

电阻应变式传感器

压阻式传感器

热电阻传感器

温度传感器

光敏传感器

湿度传感器资讯

传感器的迟滞特性

传感器的工作过程举例

生物传感器

全球传感器市场预测

传感器常用术语

位移传感器

压力传感器

超声波测距离传感器

传感器的定义

传感器的作用

敏感元件的分类

传感器的分类

传感器静态特性

传感器动态特性

传感器的线性度

传感器的灵敏度

传感器的分辨率

24GHz雷达传感器

电阻式传感器

电阻应变式传感器

压阻式传感器

热电阻传感器

温度传感器

光敏传感器

湿度传感器资讯

传感器的迟滞特性

传感器的工作过程举例

生物传感器

全球传感器市场预测

传感器常用术语

位移传感器

压力传感器

超声波测距离传感器

展开

编辑本段

传感器的定义

英文名称：

transducer/sensor

　　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”在新韦式大词典中定义为:

　　－“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。

　　根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器－Transducer”来称谓“传感器－Sensor”。

编辑本段

传感器的作用

　　人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

　　新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。

在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

　　在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

　　在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：

例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。

许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。

一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

　　传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

　　由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

世界各国都十分重视这一领域的发展。

相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

编辑本段

敏感元件的分类

　　①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

②化学类，基于化学反应的原理。

③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。

编辑本段

传感器的分类

　　可以用不同的观点对传感器进行分类：

它们的转换原理（传感器工作的基本物理或化学效应）；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

　　根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：

　　传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

　　化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

　　有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。

大多数传感器是以物理原理为基础运作的。

化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

　　常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。

　　1.按照其用途，传感器可分类为：

　　压力敏和力敏传感器位置传感器

　　液面传感器能耗传感器

　　速度传感器加速度传感器

　　射线辐射传感器热敏传感器

　　24GHz雷达传感器

　　2.按照其原理，传感器可分类为：

　　振动传感器湿敏传感器

　　磁敏传感器气敏传感器

　　真空度传感器生物传感器等。

　　以其输出信号为标准可将传感器分为：

　　模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

　　数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。

　　膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出（包括直接或间接转换）。

　　开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

　　在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。

它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。

从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：

（1）按照其所用材料的类别分?

　　金属?

聚合物?

陶瓷?

混合物?

（2）按材料的物理性质分?

?

导体?

绝缘体?

半导体?

磁性材料?

　　（3）按材料的晶体结构分?

　　单晶?

多晶?

非晶材料?

　　与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：

?

（1）在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。

?

（2）探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。

?

　　（3）在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。

?

　　现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。

传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。

表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。

?

　　按照其制造工艺，可以将传感器区分为：

　　集成传感器?

薄膜传感器?

厚膜传感器?

陶瓷传感器

　　集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。

通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

?

　　薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底（基板）上的，相应敏感材料的薄膜形成的。

使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

?

　　厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

　　陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺（溶胶-凝胶等）生产。

?

　　完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。

厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。

?

　　每种工艺技术都有自己的优点和不足。

由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。

编辑本段

传感器静态特性

　　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、迟滞、重复性、漂移等。

（1）线性度：

指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。

定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。

（2）灵敏度：

灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。

其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。

用S表示灵敏度。

　　（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成为迟滞。

对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。

　　（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。

　　（5）漂移：

传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。

产生漂移的原因有两个方面：

一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。

编辑本段

传感器动态特性

　　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。

编辑本段

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。

编辑本段

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。

编辑本段

传感器的分辨率

　　分辨率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率时，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率并不相同，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率的指标。

上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。

分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。

编辑本段

24GHz雷达传感器

　　24GHz雷达传感器通过发射与接收频率为24.125GHz左右的微波来感应物体的

24GHZ雷达传感器

　　存在，测量物体的运动速度，静止距离，物体所处角度等，采用平面微带技术，具有体积小.集成化程度高.感应灵敏,无需接触等特点。

　　24GHz雷达传感器是一种可以将微波回波信号转换为一种电信号的装换装置，是雷达测速仪，水位计，汽车ACC辅助巡航系统，自动门感应器等的核心芯片。

编辑本段

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。

　　称重传感器

　　引称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力--电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。

　　能够实现力--电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。

电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。

电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。

因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。

编辑本段

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。

编辑本段

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。

编辑本段

热电阻传感器

　　热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

　　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。

　　热电阻传感器分类：

　　1.NTC热电阻传感器：

　　该类传感器为负温度系数传感器，即，传感器阻值随温度的升高而减小；

　　2.PTC热电阻传感器：

　　该类传感器为正温度系数传感器，即，传感器阻值随温度的升高而增大。

编辑本段

温度传感器

　　1、室温管温传感器：

　　室温传感器用于测量室内和室外的环境温度，管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。

室温传感器和管温传感器的形状不同，但温度特性基本一致。

按温度特性划分，目前美的使用的室温管温传感器有二种类型：

1、常数B值为4100K±3%，基准电阻为25℃对应电阻10KΩ±3%。

温度越高，阻值越小；温度越低，阻值越大。

离25℃越远，对应电阻公差范围越大；在0℃和55℃对应电阻公差约为±7%；而0℃以下及55℃以上，对于不同的供应商，电阻公差会有一定的差别。

兹附“南韩新基”传感器的温度与电阻的对应关系表（中间为标称值,左右分别为最小最大值）：

-10℃→（57.1821─62.2756─67.7617）KΩ；-5℃→（48.1378─46.5725─50.2355）KΩ；0℃→（32.8812─35.2024─37.6537）KΩ；5℃→（25.3095─26.8778─28.5176）KΩ；10℃→（19.6624─20.7184─21.8114）KΩ；15℃→（15.4099─16.1155─16.8383）KΩ；20℃→（12.1779─12.6431─13.1144）KΩ；30℃→（7.67922─7.97078─8.26595）KΩ；35℃→（6.12564─6.40021─6.68106）KΩ；40℃→（4.92171─5.17519─5.43683）KΩ；45℃→（3.98164─4.21263─4.45301）KΩ；50℃→（3.24228─3.45097─3.66978）KΩ；55℃→（2.65676─2.84421─3.04214）KΩ；60℃→（2.18999─2.35774─2.53605）KΩ。

除个别老产品外，美的空调电控使用的室温管温传感器均使用这种类型的传感器。

常数B值为3470K±1%，基准电阻为25℃对应电阻5KΩ±1%。

同样，温度越高，阻值越小；温度越低，阻值越大。

离25℃越远，对应电阻公差范围越大。

兹附“日本北陆”传感器的温度与电阻的对应关系表（中间为标称值,左右分别为最小最大值）：

-10℃→（22.1498─22.7155─23.2829）KΩ；0℃→（13.9408─14.2293─14.5224）KΩ；10℃→（9.0344─9.1810─9.3290）KΩ；20℃→（6.0125─6.0850─6.1579）KΩ；30℃→（4.0833─4.1323─4.1815）KΩ；40℃→（2.8246─2.8688─2.9134）KΩ；50℃→（1.9941─2.0321─2.0706）KΩ；60℃→（1.4343─1.4666─1.4994）KΩ。

这种类型的传感器仅用于个别老产品，如RF7.5WB、T-KFR120C、KFC23GWY等。

　　2、排气温度传感器：

　　排气温度传感器用于测量压缩机顶部的排气温度，常数B值为3950K±3%,基准电阻为90℃对应电阻5KΩ±3%。

兹附“日本芝蒲”传感器的温度与电阻的对应关系表（中间为标称值,左右分别为最小最大值）：

-30℃→（823.3─997.1─1206）KΩ；-20℃→（456.9─542.7─644.2）KΩ；-10℃→（263.7─307.7─358.8）KΩ；0℃→（157.6─180.9─207.5）KΩ；10℃→（97.09─109.8─124.0）KΩ；20℃→（61.61─68.66─76.45）KΩ；25℃→（49.59─54.89─60.70）KΩ；30℃→（40.17─44.17─48.53）KΩ；40℃→（26.84─29.15─31.63）KΩ；50℃→（18.35─19.69─21.12）KΩ；60℃→（12.80─13.59─14.42）KΩ；70℃→（9.107─9.589─10.05）KΩ；80℃→（6.592─6.859─7.130）KΩ；100℃→（3.560─3.702─3.846）KΩ；110℃→（2.652─2.781─2.913）KΩ；120℃→（2.003─2.117─2.235）KΩ；130℃→（1.532─1.632─1.736）KΩ。

　　3.、模块温度传感器：

模块温度传感器用于测量变频模块（IGBT或IPM）的温度，目前用的感温头的型号是602F-3500F，基准电阻为25℃对应电阻6KΩ±1%。

几个典型温度的对应阻值分别是：

-10℃→（25.897─28.623）KΩ；0℃→（16.3248─17.7164）KΩ；50℃→（2.3262─2.5153）KΩ；90℃→（0.6671─0.7565）KΩ。

　　温度传感器的种类很多，现在经常使用的有热电阻：

PT100、PT1000、Cu50、Cu100；热电偶：

B、E、J、K、S等。

温度传感器不但种类繁多，而且组合形式多样，应根据不同的场所选用合适的产品。

　　测温原理：

根据电阻阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律的变化的原理，我们可以得到所需要测量的温度值。

编辑本段

光敏传感器

　　光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：

光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。

它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。

光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。

光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术[1]中占有非常重要的地位。

最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。

编辑本段

湿度传感器资讯

　　高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极，再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。

湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中，因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化，此即为湿度传感器的基本机理。

影响高分子电容型元件的温度特性，除作为介质的高分子聚合物的介质常数ε及所吸附水分子的介电常数ε受温度影响产生变化外，还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。

根据德拜理论的观点，液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。

水分子的ε在T＝5℃时为78.36，在T＝20℃时为79.63。

有机物ε与温度的关系因材料而异，且不完全遵从正比关系。

在某些温区ε随T呈上升趋势，某些温区ε随T增加而下降。

多数文献在对高分子湿敏电容元件感湿机理的分析中认为：

高分子聚合物具有较小的介电常数，如聚酰亚胺在低湿时介电常数为3.0一3.8。

而水分子介电常数是高分子ε的几十倍。

因此高分子介质在吸湿后，由于水分子偶极距的存在，大大提高了吸水异质层的介电常数，这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。

由于ε的变化，使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比。

在设计和制作工艺中很难组到感湿特性全湿程线性。

作为电容器，高分子介质膜的厚度d和平板电容的效面积S也和温度有关。

温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响C值。

高分子聚合物的平均热线胀系数可达到的量级。

例如硝酸纤维素的平均热线胀系数为108x10-5/℃。

随着温度上升，介质膜厚d增加，对C呈负贡献值；但感湿膜的膨胀又使介质对水的吸附量增加，即对C呈正值贡献。

可见湿敏电容的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围温漂不同；在不同的温区呈不同的温度系数；不同的感湿材料温度特性不同。

总之，高分子湿度传感器的温度系数并非常数，而是个变量。

所以通常传感器生产厂家能在-10-60摄氏度范围内是传感器线性化减小温度对湿敏元件的影响。

　　比较优质的产品主要使用聚酰胺树脂，