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1、传感器技术传感器技术摘要一、传感器的定义随着科学技术的进展，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，因而争论开发了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争论如何将非电量转换成电量的技术传感器技术。传感器是一种以肯定准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。这肯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，且有肯定
2、的准确度。总之，传感器处于测量系统的最前端，起着猎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 局部组成，组成框图如下图：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学问密集型技术，其原理各种各样，它与很多学科有关，种 类繁多，分类方法也很多，目前广泛承受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：构造型(定理、数学公式)、物性型(材料有关) 3、按能量转换：能量掌握型：外加电源、应变电阻
3、、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 前需要进展标定，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
4、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、区分力与阈值：区分力：能检测到的最小的输入增量(确定值表示)二传感器的动态特性1. 瞬间响应特性在时域内争论传感器的动态特性时，常用的鼓励信号有阶跃函数、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动身争论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展分析，为了得到准确的动态 特性，必需对传
5、感器进展动态标定。通过动态标定试验，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表达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肯定函数关系的输出电阻或电压，测量压力、位
6、移等非电参数。(2) 典型构造：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抱负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URU=maxx = kxxxUmaxR=m axxxm axx = kxR电压灵敏度：电阻灵敏度：、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U电位器电刷作台阶式的跳动变化。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：U = Umax / N负载特性R R接入负载后，输出电压为：U=UxlmaxR RLmaxxL+ R Rxmax-
7、R2x令电阻的相对变化为：Rxg= R x= x= Xm axm axX 为电刷相对行程非线性误差l ：U- Ud=xxl lU100%x令=RmmaxRL可得：d= 1 -l1 100%1 + mX (1 - X )（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。电阻式传感器的根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
8、测量的相应数据量值。依据电阻式传感器的工作原理和具体应用状况，可以将传感器制作成各种类型并和测量电路进展有机组合运用，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掌握。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 o 及相对磁导率 r 有关Rm=2/(orA)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
9、r。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、构造简洁，无活动电触点，工作牢靠、寿命长；2、灵敏度和区分率高，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，肯定位移范围内(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、掌握，在工业自 动化生产中被广泛使用；4、频率响应低、不宜进展快速动态测量。以自感式传感器为例1、简洁自感传感器的原理及特性L = N 2RMN 2 m S0=2d 为空气隙的厚度o 为空气隙的磁导率
10、S 为空气隙的横截面积RM 为电路总磁阻自感传感器根本类型R= 2dMm S0a： 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S 不变，空气隙有微小变化时，设初始空气隙厚度大小为d，此时线2、变间隙型自感传感器的工作特性圈的自感为：00L =N 2 m S2(dd )- D0电感的变化量为灵敏度k = DL L0Ddd0二次项非线性g2 L= Ddd100%通常取Dd / d00= 0.1 0.2工作特性是线性的，其灵敏度为：k = dL = N 2 m0dS2d0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
11、线性度好，测量范围大；3、构造比较简洁，运用便利。缺点有初始电感，线圈流向负载的电流不为零，衔铁永久受有吸力，这是构造带 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：DL = DL1+ DL2灵敏度DL2L0k = Dd d0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：Ddg= (3ld0) 2 100%5、根本测量电路如图沟通电桥，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，
12、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：U= 002) 衔铁时，得到输出电压：U= ( Z + D Z- 1 ) U= D Z U02 Z22 Z3) 当传感器线圈电阻远小于其感抗，即 r w L，输出电压的有效值为：2r 2+ (wL)2U=wDLU0为电源角频率明显，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：DZ = wDL4) 同理当衔铁时，可得到电压输出值为：U= ( Z - DZ- 1 )U= - DZ U02Z22Z有效值为：U= -wDLU2r 2 + (wL)20三电容式传感器工作原理利用电容
13、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。A电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。无视边缘效应，可得到平板电容器的电容为： C= e r e0= eAddr 平行板间介质的相对介电常数o 真空介电常数 平行板间介质的介电常数A 两平行板所掩盖的面积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转变平行板极间的距离来进展测量， 由于这样获得的测量灵敏度要于转变其他参数的电容传感器的灵敏度。转变平 行板间距的电容传感器可以微米数量级的位移，而转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
14、式传感器的构造类型及主要特性电容的电容量C = e r e0= eAAdd电容的相对变化量DC DdCd传感器的灵敏度为k = DC cDdd电容传感器的电容相对变化实际关系DCDd DdDdC=d1 + d+ ( d )2 + L 测量电路1、电桥电路电桥承受稳定频率、稳定幅度、固定波形的信号源低内阻鼓励，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：ZCd1=1=2ZCd221电桥输出电压为w U1/ jDCUDZ02U=AC1R+=AC2ZRo -为电容的耗损电阻 0jwC0DC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
15、A1、A2 为比较器D 为双稳态 RS 触发器Ur 为参考电压3、运算放大器电路放，依据运放的工作原理，可得下式成立：U1i= - 1U0 U= -UC0 dSCe A0SCx利用运放的高增益、高输入阻抗的特点，可抑制变间隙型电容传感器特性的非 线性状况，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0i应用领域：广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的周密测量，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、周密轴系回转精度、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
16、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、承受单边式电容传感器，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。电容式传感器的构造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。1 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，又因其本身发热性微小，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、零漂等状况。2 构造简洁，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
17、状况。3 动态响应好。电容传感器由于带电极板间的静电引力很小，需要的作用能量微小。又由于它的可动局部质量可以做得很轻，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。4 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。1 输出阻抗高，负载力量差。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。因此传感器的负载力量 差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严峻时甚至无法工作，必需实行屏 蔽措施。2 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
18、、电子线路的杂散电容及传感器内极板与四周道题构成的电容 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、型传感器简介及传感器将来进展由于人们愈来愈生疏到传感器的重要性，很多兴旺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，传感器争论方面投入量大量的人力和物力，取得了较大的进展，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
19、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、牢靠、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，是一种很有进展前途的型传感器。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，在传感器技术中开头利用生物目前阶段常用微生物来敏感信号。
20、例如，可以利用微生物的呼吸作用、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 传感器技术争论和进展的重要方向之一。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分。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 调整与掌握的功
21、能等。随着计算机技术的进一步进展，智能传感器的争论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 年月开头进展起来的一门特地用于机器人技术方面的型传感器。一般机器人传感器的根本原理与传统传感器的原理一样， 但机器人传感器又有其特别性。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，它就必需具备能够推断四周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，其供给信息的目的是掌握机器人按 规定的位置、轨迹、速度、加速度和受力大小进展工作。机器人外部传感器的 功能是生疏工作环境，其供给信息的目的是检查产品质量、去污、掌握操作、 应付环境和修改程序。目前，对机器人传感器的争论已经成为智能机器人的重要课题。5.进展随着科技的进展以及人们对传感器重要性的生疏，人力和物力的不断加大 投入，传感器必将向着周密化、智能化、高端化的方向进展。材料将向着更广 泛的方向进展，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】Elmar Schrfer 著