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传感器论文

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传感器的介绍及应用

胡梦雪

南昌航空大学

摘要：

根据不同的观点对传感器进行分类，可将它们的转换原理（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进行分类。

传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。

通常把传感器的特性分为两种：

静态特性和动态特性。

对传感器的可靠性进行了分析。

介绍了国内外传感器可靠性水平与现状。

文中将对其中的漏磁检测传感器的设计及其相关问题进行研究。

关键词：

传感器；可靠性分析；无损检测

第一章传感器的介绍

将实际中的力、声、光、温度、湿度等非电量转化为电量的媒介，也可以这么说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。

1.1传感器的作用

现在的信息技术发展革命，用人自身感觉器官既无法得到准确的数据，同时对很多无法用器官感测的事物不得不望而止步，而传感器就是一种代替人的感觉器官来获取信息、数据的媒介。

在工业生产中，对于高精密的产品要接助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。

在医学中，借助传感器能够更好分析病因，得到一个好的治疗方案。

在科研究中，传感器更具有突出的地位。

许多领域人的感官还有简易的传感器根本无法得到精确的数据，必须借助高精密的传感器来实现分析测量。

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。

1.2传感器的分类

传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。

按被测物理量划分的传感器，常见的有：

温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。

 按工作原理可划分为：

    1．电学式传感器

    电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。

电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。

电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。

电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。

    电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成。

主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。

    电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。

主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。

磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。

主要用于流量、转速和位移等参数的测量。

    电涡流式传感器是利用金屑在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成。

主要用于位移及厚度等参数的测量。

    2．磁学式传感器

    磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。

    3．光电式传感器

    光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。

它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。

    4．电势型传感器

    电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。

    5．电荷传感器

    电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。

    6．半导体传感器

    半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。

    7．谐振式传感器

    谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用来测量压力。

    8．电化学式传感器 

    电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。

电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。

    另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。

前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电阻受到光照射时，电阻值会发生变化，直接把光信号转换成电信号输出；后者则要把输入给传感器的非电量先转换成另外一种非电量，然后再转换成电信号输出，如采用弹簧管敏感元件制成的压力传感器就属于这一类，当有压力作用到弹簧管时，弹簧管产生形变，传感器再把变形量转换为电信号输出

1.3传感器的基本特性

传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。

通常把传感器的特性分为两种：

静态特性和动态特性。

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。

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。

一般来说，传感器的输入和输出关系可用微分方程来描述。

理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即可得到静态特性。

因此传感器的静特性是其动特性的一个特例。

件感器的静态特性与指标如下：

传感器的静态特件是指化感器输入信号处T低定状态时，其输出与输入之间呈现的关系。

表不力

式中，y—一传感器输出量i

f一传感器输人员

AL）——传感器的零位输出；

AJ——传感器的灵敏座，A：

，A√”，An为非线件项系数。

衡量静态待件的主要指标有精确度、稳定件、灵敏度、线性度、迟滞和可靠性等。

（1）精确度精确度足反映测旦系统小系统误差和随机误差的综合评走指标。

与精确度有关的指挪有精密度、准确皮利精确度。

①精密度。

说刚测量系统指示值的分散租皮。

精密度反映随机误差的大小，精密度高则随机误差小。

②准确度。

说叫测量系统的输山值偏离真值的程度。

避确度炬系统误差大小的标志．确度高则系统误差小。

②精确度。

是准确度与ATMEL代理商精密度两者的总和，常用仪表的基本误差表不。

精确度而表示精密度和难确度都而。

如图所示的例子有助于对准确度、精密度和精确度3个概念的理解。

图（a）表不准确度；而精密度低；图（b）大示精密度高而淮确度低；图（c）表不准确度和精密度高。

即它的精确高。

（2）稳定性传感器的稳定性常用稳定度和影响系数表示。

稳定度是指在规定I：

作条件范围和规定时间内，传感器性能保持不变的能力。

传感器在工作时，内部随机变动的因素很多，例如发生周期性变动、漂移或机械部分的摩擦等都会引起输出值的变化。

稳定度一般用甫复件的数值羽I观测时间的长短表示。

例如，某传感器输出电压值每小时变化1．5rnv。

可4成稳定度为1．5n、v儿。

影响系数是指出于外界环境变化引起传感器输小值变化的足。

一般传感器都有给定的标准工作条件，如环境温度20℃、相对湿度60％、大气压力10]．咒kPa、电源电压22（）V等。

实际工作时的条件通常会伽离标准]：

作条件。

这时传感器的输出也会发牛变化。

影响系数常用输比NXP代理商值的变化星与影响量变化景的比值表不，如某压力人的温度影响系数为200ra／℃．即表承环境温度勾变化1℃，压力友的尔值变化2uoPn。

（3）灵敏度天做度女是指传感器在稳态下输出变化量勾，与输入变化量生?

的比他，即

显然灵敬度表尔静态特性曲线卜相应点的斜率。

对线件传感器，灵敬度为一个常数；对十

非线性忙感器，灵敏度则为一个变量，随着输人量的变化而变化，如图1—5所示。

灵敏皮的坠纲取决于传感器输入、输11l倍S的量纲。

例如，压入传感器灵饭度酌量纲可表示为rnv／Pn。

对于数字式仪秩、灵敏废以分辨力友不。

所谓分辨力．是指数字式仪表最后伎数字所代表的值。

一般地，分辨力数值小于仪表的最大绝对谈共。

在实际中，一般希望传感器的灵敏钽电容皮高，且仟满量程范围内保持伺走佰，即传感器的静态恃件曲线为直线。

（4）线性度

线件度yI，又你非线性误差。

是指传感器实际持件曲线与其理论拟合直线之间的最大们差AImm与传感器洒量程输出yM的百外比。

即

X＝全!

匹×1（J（3％（1—1R）

“yn“‘du‘

理论似合直线选取方法4、同线性度的数值就不同。

如图所示水力传感器线性度示意

图中的拟合么线是一条将传感器的答点与对应j；最大输人员的最大输出值点（满量程点）连接赵来的直线，这条直线叫端基义线，由此得到的线性度称为端瓦线性度。

实际上，人们总是希望线性度越小越好。

即传感器的静态特性接近于拟合电线。

达时传感器的到度坦均幻的，读数力姬且不易引起误差．容易标定。

检测系统的非线性误差多采用计算机米纠正。

（5）迟滞迟滞是指传感器在止（输入星增大）

（输人员减小）行程http:

//www.ebv.hk今输出曲线不重合的现象．如图1

所示。

迟滞yH用正、反行程输出值问的最大差值Afhm与

满量程输出—＼ps的百分比表示，即

造成迟滞的原因很多，如轴承摩擦、间隙、螺5T松动、电路元件老化、t作点漂移、积

伞等。

迟滞会引起分辨力变差或造成测量盲区，因此一般希望迟滞越小越好。

（6）可靠性可靠性是指传感器或检测系统在规定的[作条件和规定的时间内，又有正常工作性能的能力。

它是一种综合件的质量指你，包括可靠度、平均无故隙工

作州司（MTEF）、平均修复时间（MTTR）扣久效率①uJ靠皮。

传感器在规定的使用条件和I作周期内，达到ATMEL代理所规定性能的概率。

平均无故障工作时间（M1、DF）。

指相邻两次故障期间传感器正常工作时间的平均值。

平均修复时间（MTTR）。

指排除故障所花费时间的平均值。

失效率。

指在规定的条件下工作到某个时刻，检测系统在连续学位时间内发生失效的概率。

村bJ修复件的产品，又叫故障率：

cjmc%ddz

失效率足时间的闲数，如图1—8所不。

一般分为3个阶段：

早期失效期、偶然失效期和衰老失效期。

1.4传感器的选择

1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器MC2838-T12-2，这需要分析多方面的因素之后才能确定。

因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：

量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量.在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

2、灵敏度的选择

　　通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。

因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。

但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。

3、频率响应特性

　　传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率LTCK004CG范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生过火的误差。

4、线性范围

　　传感器TP001C的线形范围是指输出与输入成正比的范围。

以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。

传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。

当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

5、稳定性

　　传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。

影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。

因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器KBJ204的性能是否发生变化。

在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

6、精度

　　精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。

传感器TL431-ACD的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。

这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。

自制传感器的性能应满足使用要求。

　　在一般情况下，如果考虑到了上面几点，就可以选择到合适的传感器了.

第二章传感器的可靠性问题

2.1基本概念与数学表示

基本概念

1.可靠性：

可靠性是指元器件、装置在规定的时间内，规定的条件下，具有规定功能的概率。

可靠性的经典定义着重强调四个方面:

.概率:

元器件、装置特性变化具有随机性，只能根据大量实验和实际应用进行统计分析。

（概率表示一个事件发生的可能性）

.性能要求:

即指技术判据。

性能变化是绝对的，关键是允许变化范围大小。

.使用条件:

包括环境条件（如温度、湿度、振动、冲击等）和工作状态（如负载的轻重）

.时间:

器件在一小时内保持规定性能当然比在10年内保持同样性能容易改变多。

其它条件不变，时间愈长则可靠性越低。

2.失效:

元器件、装置失去规定的功能称为失效。

3.寿命:

元器件、装置失效前的一作时间。

寿命是一个随机变量。

数学描述

1.可靠度R（t）

①描述元器件、装置在某一时刻前止常工作的可能性。

它与时间有关

②在实际数据统计中近似值为

此比值常称为残存率。

n（t）——试验开始，到时间t仍为失效的元器件、装置数

n——进行实验的元器件、装置总数。

2.失效率F（t）

①指元器件、装置在特定条件卜，在时间t以前失效的（概率）可能性。

它是寿命这一随机变量的分布函数。

实际数据统计中近似值为

②由于对立事件概率之和为I，所以有R（t）十F（t）=l

3.失效密度f（t）

①指元器件、装置在时间t内的单位时间内失效发生的（概率）可能性。

是寿命这一随机变量的密度函数，即

在实际数据统计中它的近似值为

△n（t）——为t时刻附近，在△t时间间隔内失效的器件数

f（t）——用来描述器件失效的可能性在O到+∞的整个时间轴上分布情况。

4.故障率λ（t）

定义:

故障率（瞬时失效率）λ（t）

指在t时刻尚未失效的元器件、装置在单位时间内失效的概率

描写在各时刻仍正常工作的元器件、装置失效的可能性。

在实际数据统计中它的近似值为

①单位:

（小时）-1：

%/1000小时或10-9小时，λ（z）是比较常用的特征函数。

5.平均寿命m（常用缩写MTTF）

（MeanTimeBetweenFailure可修复）

（MeanTimetoFailure不可修复）

①定义:

②乃是寿命这一随机变量的均值。

③它是标志元器件、装置平均能工作多长时间。

④实际可以表示t时刻，在△t时间间隔内失效的概率（百分数）在此时间内失效的器件寿命应是t。

平均寿命

2.2失效规律及数学描述

【1】（元器件及仪表装置的）失效规律

人们对出实验和使用中得到的人量数据进行统计:

发现一般元器件及仪表装置的失效率和时问的关系，如下图所示。

通常称为浴盆曲线。

曲线明显的分为三个阶段

1.早期失效阶段:

这一阶段失效率较高，但失效率随时间增加而下降。

失效上要由一种或几种具有一定普遍性的原因造成。

对于不同品种，不同工艺的器件，这一阶段延续的时间和失效比例不同。

应采取措施：

严格操作，加强对原材料、半成品和成品的检验可减少这一阶段的失效。

进行合理的筛选，以使尽可能在使用前，把早期失效的器件淘汰掉，可使出厂器件失效率达到或接近偶然失效期的较低水平。

2.偶然失效阶段

在这一阶段，失效率较低，少钊主变化不大，是器件的良好使用阶段。

器件的失效率常常是由于多种（而每一种都不太严重）原因造成的。

3.耗损失效阶段

在此阶段到来时，失效率明显上升，致使大部分器件相继失效。

器件的失效是由全体性的原因造成。

器件设计和工艺选择应考虑到尽举延迟耗损（老化）期的到米。

使用期间时应尽快发现耗损期的到来，以便采取预防性措施（如整批更换器件）来保证系统正常工作。

半导体器件由于它本身的特点，在没有（转动）潮、雾、核辐射等恶劣外界作用条件下正常工作时，早期失效阶段表现明显，偶然失效阶段时间较长，而且失效率常有缓慢下降的趋势，一般难以观察到明显的耗损失效阶段。

威布尔分布:

适用范围较广，分析半导体寿命分布时应用较多。

失效密度函数

——尺度参数，横坐标拉开程度不同，相当于时间的尺度不同。

——形状参数

时，曲线随时间单调下降，常用来描述早期失效阶段的寿命分布；

时，为指数分布，常用来描述偶然失效阶段；

时，曲线有一峰值，愈大曲线愈趋近于正态分布，常用来描述耗损失效阶段的寿命分布。

γ——位置参数，决定曲线的起点位置。

一般γ=0，这时

，则

当

时，

——特征寿命

平均寿命

Γ——伽马函数

正好与偶然失效阶段相符。

而偶然失效阶段是正常使用阶段。

指数分布的数学处理特别简单，在很多情况下，β仅是近似于1，或比1小的不多，为取其简便仍按指数分布处理。

【2】使用寿命期的数学描述:

失效密度

代入

为指数分布。

此时

失效率

产品的瞬时失效率（故障率），在一组给定的应力、温度及质量条件下，λ是一个常数。

λ可通过收集大量数据及实验加以确定。

.可靠性

故障率

.平均寿命

平均无故障工作时间（MTBF）是失效率的倒数。

MTBF=1/λ

MTBF是产品间进行比较的主要质量指标，它是产品在使用寿命期间失效率的度量。

如λ=0.2%/千小时，则m=50万小时。

2.3传感器可靠性计算

1.计算方法

（1）设各环节的可靠性为R1,应用概率乘法定律，传感器（系统）的可靠度

（2）若环节失效密度服从指数分布，即

，则

（3）系统故障

（4）平均寿命（无故障工作时间）

2举例

某传感器由下列元器件组成，若不考虑结构、装配及其它因索，只考虑这些元器件的失效.试求:

1）传感器可靠性表达式;

2）传感器故障率;

3）传感器的平均寿命.

种类

晶体管

集成运放

二极管

电位器

电阻

高频电容

电解电容

金属膜片

故降

率

%/千

小时

0.1

0.1

0.1

0.5

0.05

0.02

0.2

0.1

数量

5

2

6

2

20

l6

4

l

解:

结论:

选用可靠度高的元器件:

尽量少用元器件数目.

注意:

明确环境条件:

随着工业生产过程的不断发展，传感器的工作条件变得更加复杂;

必须明确（仪表装置）传感器可能经受的各种较为恶劣的环境条件，以此作为设计的一个出发点.以环境温度为例:

某仪表公司有如下规定标准

基准条件:

25.符合标准温度

动作条件:

，即正常工作条件，在此范围内仪表能满足各项指标.

工作极限条件:

;在这一范雨，某些指标趋差，但回到动作条件范围内仍能满足各项指标.

运输条件:

，在此范围内仪表包装运输，正式工作前要经过调整.

第三章常见故障形式及产生原因

3.1常见故障形式

1状态性故障

是传感器工作状态发生根本变化而不能正常运行.例:

差压传感器中弹性膜片损坏.

2.功能性故障

是指传感器的性能随时间缓慢的变坏;而逐渐不能满足正常运行的要求.例:

传感器的零漂.

3.危险性故障

是指会引起潜在的或实际的不安全事件的故障.例:

本质安全防爆系统中的防爆栅失灵.

3.2产生故障的原因

1.属于仪表设计制造方面的原因.

主要包括:

①元器件:

选择不当;老化筛选不严.

②设计:

结构设计不合理:

线路设计不合理;安装裕度小.

③加工工艺:

不合理;焊接质量差;装配质量差.即由于仪表本身质量不好而引起的故障.

2.属于操作方面的原因

主要包括:

①误操作:

②误调校;

③误检修;

④供电系统失电;

⑤主设备工艺事故导致仪表装置失控.

3.属于外界环境方面的原因.

主要指:

气候、电气、机械、辐射、生物、化学

外界条件对仪表特性的影响或引起的故障.

传感器可靠性设计主要针对（l）、（3）方面的原因.根据实际工作的环境条件进行防护设计.

第四章国内外传感器可靠性水平与现状

1.国外仪表可靠性水平

（1）国外技术先进国家为保证仪表产.错的可靠性和环境适应性，非常重视仪表的可靠性评

定等和环境影响的试验工作。

①可靠性技术指导设计制造;

②可靠性试验项目全;

③分级。

据统计国际电工委员会（IEC）设计仪表环境试验和影响量效应试验的项日有48项，其中包括气候因素、