传感器原理及应用精编版

传感器技术及应用模块一传感器的基本知识任务目标★了解传感器的定义和组成方框图；★了解传感器的特点及应用；★掌握传感器的分类；★掌握传感器的主要参数。一、传感器的作用因为一般的仪器、仪表要求输入的信号必须为电信号，计算机及各种电子设备只能处理电信号，而表征物质特性或其运动形式的参数中有很多都是非电量，如大家在自然界经常接触到的温度、压力、距离、流量、重量、速度、加速度、浓度、酸碱度、湿度、光、磁场等。上述的非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量，再运用电子设备和仪器测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。二、传感技术的特点1.用传感技术进行检测时，响应速度快，精确度高，灵敏度高；2.能在特殊环境下连续进行检测，便于自动记录能在人类无法存在的高温、高压、恶劣环境中，和对人类五官不能感觉到的信息（如超声波、红外线等），进行连续检测，记录变化的数据。3.可与计算机相连，进行数据的自动运算、分析和处理传感器将非电物理量转换成电信号后，通过接口电路变成计算机能够处理的信号，进行自动运算、分析和处理。4.品种繁多，应用广泛现代信息系统中待测的信息量很多，一种待测信息可由几种传感器来测量，一种传感器也可测量多种信息，因此传感器种类繁多，应用广泛，从航空、航天、兵器、交通、机械、电子、冶炼、轻工、化工、煤炭、石油、环保、医疗、生物工程等领域，到农、林、牧、副、渔业，以及人们的衣、食、住、行等生活的方方面面，几乎无处不使用传感器，无处不需要传感器。三、传感器的发展趋势1．新材料的开发、应用如：半导体材料、功能陶瓷材料、功能金属、功能有机聚合物、非晶态材料、固体材料及薄膜材料等，都可进一步提高传感器的产品质量，降低生产成本。2．新工艺、新技术的应用将半导体的精密细微加工技术应用在传感器的制造中，可极大提高传感器的性能指标，并为传感器的集成化、超小型化提供技术支撑。借助半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、静电封闭技术、全固态封接技术，也可取得类似的功效。3．向小型化、集成化方向发展由于航空技术的发展，以及医疗器件和一些特殊场合的需要，传感器必须向小型化、微型化方向发展，以便减小体积和质量。4．传感器的智能化将传统的传感器和微处器及相关电路组成一体化的结构就是智能传感器。因为它本身带有微型计算机，具有自动校准、自动补偿、自动诊断、数据处理、远距离双向通信、信息存储记忆和数字信号输出等功能。5．传感器的网络化将传感器和计算机与网络技术有机结合，使传感器成为网络中的智能节点。这种努力使多个传感器组成网络直接通信，实现数据的实施发布、共享，以及网络控制器对节点的控制操作。另外，通过Internet网，传感器与用户之间可异地交换信息，厂商能直接与异地用户交流，能及时完成传感器故障诊断，指导用户维修或交换新仪器改进的数据，软件升级等工作。另外，在微机电技术、自组织网络技术、低功耗射频通信技术及低功耗微型计算机技术的共同促进下，传感器朝微型化和网络化的方向迅速发展，产生了无线传感器网络。四、传感器需求与开发的重点方向1．工业过程控制与汽车传感器2．环保传感器3．医疗卫生与食品监测传感器4．微小型传感器及MEMS（微电子机械系统）5．生物、医学研究急需要的新型传感器6．生态农业传感器五、传感器的定义与组成传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由对被测量敏感的元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，如应变式压力传感器中的弹性膜片，就是敏感元件；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的被测量转换成适于传输或测量的电信号（电压、电流）部分，如电阻应变片就是转换元件。根据以上定义可画出传感器的组成框图，如图1-1所示。图1-1传感器组成框图六、传感器的分类与特点传感器常用的分类方法有两种，一种是按被测输入量划分，另一种是按传感器的工作原理划分。1．按被测物理量划分这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如被测量分别为温度、湿度、压力、位移、流量、加速度、光，则对应的传感器分别为温度传感器、湿度传感器，压力传感器、位移传感器、流量传感器、加速度传感器、光电传感器。2．按传感器工作原理划分这一种分类方法是以工作原理来划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据，据此可将传感器分为电阻式、电感式、电容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式、光电式、超声式、微波式等类别。这种分类方法有利于传感器的专业工作者从原理与设计上作归纳性的分析研究。七、传感器的基本特性传感器的基本特性一般是指传感器的输出与输入之间的关系，有静态和动态之分。通常是以建立数学模型来体现的，为了简化传感器的静、动态特性，可以分开来研究。1．传感器的静态特性静态特性是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量间的一种函数关系，其静态特性可表示为y=a0+a1x+a2x2+…+anxn（1-1）常用的静态性能指标包括灵敏度、精确度、测量范围、量程、线性度及误差等。（1）灵敏度传感器的灵敏度K是指达到稳定状态时，输出增量与输入增量的比值yKx（1-3）线性传感器的灵敏度就是其静态特性的斜率，而非线性传感器的灵敏度则是其静态特性曲线某点处切线的斜率。（2）线性度线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差，如图1-2所示，即为在垂直方向上最大偏差|Δymax|与最大输出ymax的百分比，图中a0称为零位输出，即被测量为零时传感器的指示值。maxmax||%100%Lyy（1-4）图1-2传感器的线性度误差图1-3传感器的重复性（3）重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得到的特性曲线的不一致程度，如图1-3所示，用公式表示为maxmax%xmy（1-5）式中，⊿mmax取⊿m1、⊿m2中最大的计算，ymax为满量程输出值。传感器输出特性的不重复性主要是由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动、部件内摩擦、积尘、电路元件老化、工作点漂移等原因产生的。（4）迟滞现象迟滞现象是传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间输出—输入曲线不重合的程度，如图1-4所示。图1-4传感器的迟滞现象maxmax%100%Hhymaxmax1%100%2Hhy（1-6）（1-7）迟滞现象反映了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀等。（5）精确度传感器的精确度是指传感器的输出指示值与被测量约定真值的一致程度，反映了传感器测量结果的可靠程度。在工程应用中，为了简单表示测量结果的可靠性程度，引入精确度这个等级概念，用A表示，它表示允许的最大绝对误差与满度量程的比值的百分数，即max100%AAy（1-8）式中A——传感器精确度；⊿A——测量范围内允许的最大绝对误差；ymax——满度量程输出值。常用的档次为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0。例如，0.5级的仪表表示其允许的最大使用误差为0.5%。（6）分辨力传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量的能力。通常是以最小量程单位值表示。当被测量的变化值小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。（7）稳定性传感器的稳定性是指在室温条件下经过一定的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常有长期稳定性（如年、月、日）和短期稳定性（如时、分、秒）之分，传感器的稳定性常用长期稳定性表示。（8）漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。2．传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器在测量快速变化的输入信号情况下，输出对输入的响应特性。传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录的过程不受时间限制。但是在工程实践中，检测的是大量随时间变化的动态信号，这就要求传感器不仅能精确地测量信号的幅值大小，而且还能显示被测量随时间变化的规律，即正确的再现被测量波形。传感器测量动态信号的能力用动态特性来表示。在动态测量中，当被测量作周期性变化时，传感器的输出值随着周期性变化，其频率与前者相同，但输出幅值和相位随频率的变化而变化，这种关系称为频率特性。输出信号的幅值随频率变化而改变的特性称为幅频特性；输出信号的相位随频率的变化而改变的特性称为相频特性，幅值下降到稳定幅值的0.707倍时所对应的频率称为截止频率。习题：1、2模块二力敏传感器及其应用课题一力敏传感器的工作原理与分类任务目标★掌握电阻应变式力敏传感器的工作原理；★掌握电感应变式力敏传感器的工作原理；★了解电阻应变式和电感应变式力敏传感器之间的区别。一、力敏传感器概述力敏传感器，顾名思义就是能对各种力或能转化为力的物理量产生反应，并能将其转变为电参数的装置或元件。很显然，要成为真正实用意义上的力敏传感器，这个由力转化为电参数的过程最好能成线性关系。根据由力至电参数转变的方式不同，力敏传感器一般有电阻应变式传感器、电位计式传感器、电感式传感器、压电式传感器、电容式传感器等，它们也可用来测量力值。二、电阻应变式传感器电阻应变式传感器是目前工程测力传感器中应用最普遍的一种传感器，它测量精度高，范围广，频率响应特性较好，结构简单，尺寸小，易实现小型化，并能在高温、强磁场等恶劣环境下使用，并且工艺性好，价格低廉。它主要应用在力作用下，将材料应变转变为电阻值的变化，从而实现力值的测量。组成电阻应变片的材料一般为金属或半导体材料。1．电阻应变式传感器工作原理（1）应变效应由物理学可知，电阻丝的电阻R与电阻丝的电阻率、导体长度及截面积存在如下关系（2-1）图2-1电阻丝应变效应（2）电阻应变式传感器的结构及特性金属电阻应变片分为金属丝式和金属箔式两种。①金属丝式电阻应变片。金属丝式电阻应变片的基本结构图如图2-2所示。由敏感栅1、基底2和盖层3、引线4和黏结剂几个基本部分组成。图2-2金属丝式电阻应变片的基本结构图②金属箔式应变片。如图2-3所示，它与金属丝式电阻应变片相比，有如下优点：用光刻技术能制成各种复杂形状的敏感栅；横向效应小；散热性好，允许通过较大电流，可提高相匹配的电桥电压，从而提高输出灵敏度；疲劳寿命长，蠕变小；生产效率高。但是，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式应变片的大，有的能相差几十欧姆，需要调整阻值。金属箔式应变片因其一系列优点而将逐渐取代丝式应变片，并占主要地位。（a）箔式单向应变片（b）箔式转矩应变片（c）箔式压力应变片（d）箔式花状应变片图2-3各种箔式应变片2．电阻应变片传感器基本应用电路将电阻应变片粘贴于待测构件上，应变片电阻将随构件应变而改变，将应变片电阻接入相应的电路中，使其转化为电流或电压输出，即可测出力值。通常将应变片接入电桥来实现电阻至电压或电流的转换。根据电桥电源不同，又分直流电桥和交流电桥。这里主要介绍直流电桥。图2-4所示为一直流电桥，计算可知图2-4直流电桥（2-2）若使此电桥平衡，即，只要。一般我们取即可实现。现将换成电阻应变片，即组成半桥单臂电桥，随构件产生应变造成传感器电阻变化时，式（2-2）变成0U04231RRRRRRRRR43211R42RUERR（2-3）RR一般，可忽略，由此可得可见，输出电压与电阻变化率成线性关系，也即和应变成线性关系，由此即可测出力值，由式（2-3）可得半桥单臂工作输出的电压灵敏度（2-4）为了提高输出电压灵敏度，可以采用半桥双臂或全桥电路，如图2-5所示。图2-5（a）为半桥双臂，图2-5（b）为全桥电路。（a）半桥双臂（b）全桥电路图2-5直流电桥的连接方式对于半桥双臂（2-5）全桥（2-6）即半桥双臂可使电压灵敏度比半桥单臂提高一倍，而全桥电路电压灵敏度又比半桥双臂电压灵敏度提高一倍。可见，利用全桥，并提高供