传感器的含义

1、1、传感器的定义 英文名称： transducer / sensor 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。 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。 2、传

2、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

3、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。 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 热敏传感器 加速度传感器 射线辐射传感器 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

4、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

5、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

6、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

7、数的高稳定性等原因， 采用陶瓷和 厚膜传感器比较合理。 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。 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 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

8、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 热电阻传感器 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

9、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。 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 10K 3% 。温度越

10、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。 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 5K 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。 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 5K 3% 。 3. 、模块温度传感器：

11、 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 6K 1% 。 3、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、分辨力和迟滞等。 4、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

12、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。 5、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

13、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。 6、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

14、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。 7、传感器的分辨力 分辨力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力时， 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力并不相同， 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 分辨力的指标。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。 8、

15、传感器的迟滞特性 迟滞特性表征传感器在正向 （输入量增大） 和反向（输入量减小） 行程间输出 - 一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间 的最大差值MAX 与满量程输出 FS 的百分比表示。 迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。 9、接口传感器 魏德米勒传感器 / 执行器接口产品，可以通过加装相应的总线协 议适配器，SAI 产品可以直接连接到现场总线。 可以支 Profibus-DP 、 CANopen 、DeviceNet 、Interbus 和 ASi 现场总线协议。 无源传感器 / 执行器接口产品 （SAI） 防护等级达到 IP68 ，可直接安装而无需防护。 节约安装材料

16、、时间、空间。 提供 4、6、8 路的分配器，每路有 3 针、4 针和 5 针的结构 （提 供一路和两路信号 ） 。 有带接线盖型 （标准型 ）和电缆预制型。 可另外提供金属外壳的产品， 适用于食品行业。 带有信号和电源的指示。 有源传感器 / 执行器接口产品 （SAI） 通过加装相应的总线协议适配器， SAI 产品可以直接连接到现场 总线。可以支持 Profibus-DP 、 CANopen 、DeviceNet 、Interbus 和 ASi 现场总线协议。 - 10 - 提供两种防护等级的产品： IP67（ 总线连接方式为圆形接头连 接 ）， IP68（ 总线连接方式为自装配型 ）。 提

17、供 8DI 、8DO 、 8DI/4DO 、16DI 、8DI/8DO 五种输入输出 的产品。 10 、传感器的发展趋势 采用新原理、开发新型传感器； 大力开发物性型传感器 （因为靠结构型有些满足不了要求 ）； 传感器的集成化； 传感器的多功能化； 传感器的智能化 （Smart Sensor） ； 11 、传感器的工作过程举例 向传感器提供 15V 电源，激磁电路中的晶体振荡器产生 400Hz 的方波，经过 TDA2030 功率放大器即产生交流激磁功率电源， 通过 能源环形变压器 T1 从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到 的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到 5V 的直流电源，该电源

18、做运算放大器 AD822 的工作电源；由基准电源 AD589 与双运放 AD822 组成的高精度稳压电源产生 4.5V 的精密直流电源， 该电源 既作为电桥电源，又作为放大器及 V/F 转换器的工作电源。当弹性 轴受扭时，应变桥检测得到的 mV 级的应变信号通过仪表放大器 AD620 放大成 1.5v 1v 的强信号，再通过 V/F 转换器 LM131 变 换成频率信号，通过信号环形变压器 T2 从旋转的初级线圈传递至静 - 11 - 止次级线圈， 再经过外壳上的信号处理电路滤波、 整形即可得到与弹 性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为 TTL 电平 ,既可提供给 专用二次仪表或频率计显示

19、也可直接送计算机处理。 由于该旋转变压 器动- 静环之间只有零点几毫米的间隙， 加之传感器轴上部分都密封 在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。 12 、传感器的组成 在工程技术领域，传感器是人体“五官”的工程模拟物，是一 种能把特定的被测非电量信息（包括物理量、化学量、生物量等）按 一定规律转换成电量的器件或装置。 传感器是一种能把非电输入信息转换成电信号输出的器件或装 置。传感器又叫变换器、换能器或探测器。传感器一般是由物理、化 学和生物等学科的某些效应或原理按照一定的制造工艺研制出来的， 它能“感知”被控量或被测量的大小不等与变化并进行处理。传感器 由敏感元件、转换元

20、件、信号调节电路和其他辅助电路组成。 一） 敏感元件 在完成非电量到电量的转换时，并非所有的非电量都能用现有 的技术直接转换为电量， 而是先进行预转换， 然后再转换为电量 敏感元件是直接感受被测非电量，并按一定规律转换成与被测量 有确定对应关系的其他量（一般仍为非电量）的元件。通常把这 种能完成预转换的元件称为敏感元件。如热敏电阻是敏感元件， - 12 - 它能将温度的变化预转换为电阻的变化，再转换为电压或电流的 变化。 （二）转换元件 转换元件又叫变换器，是能将敏感元件感受到的非电量直接转 换成电量的元件。信号的转换元件是构成传感器的核心。转换元 件又可分为一次转换型（直接转换）和二次转换型

21、（间接转换）。 （1） 一次转换型 对于物性型传感器而言，一般都可一次完成，即可实现“被测非 电量 有用电量”的直接转换。 （2） 二次转换型 对于结构型传感器来说，通常必须通过前置敏感元件预转换后才 能完成，即实现“被测非电量 有用非电量 有用电量”的二次 转换。 （三）信号调节电路 信号调节电路， 把转换元件输出的电信号转换为便于现实、 记录、 处理和控制的电信号的电路。 （四）辅助电路 通常指电源电路（交、直流）及其外围电路。 在实际应用中，传感器的具体构成视被测对象、转换原理、使用 环境及性能要求等具体情况的不同而有很大差异。 13 、福特车用传感器 - 13 - 1 ）节气门位置传感

22、器 节气门位置传感器 （ TPS）安装在节气门体上， 与节气门轴相连。 （2）拉压传感器 采用合金材料， S 型结构，拉压 均可使用。采用先进的密封工艺，密 封等级 IP65 ，可应用于高湿度环境， 具有优越的抗扭抗侧抗偏载能力 。应 用于皮带秤，料斗秤，机电结合秤，吊钩秤及各种工程装置的测力 技术参数 参数 单位 技术指标 灵敏度 mV/V 2.0 0.01 非线性 %F S 0.02 - 14 - 滞后 %F S 0.02 重复性 %F S 0.01 蠕变 %F S / 30min 0.02 零点输出 %F S 1 零点温度系 数 %F S / 10 0.02 灵敏度温度 系数 %F S

23、/ 10 0.02 工作温度范 围 -20 +80 输入电阻 380 2 输出电阻 350 2 安全过载 %FS 150%F S 绝缘电阻 M 5000 M （50 VDC ） 推荐激励电 压 V 10V 15V 结构图 - 15 - 结构尺寸 量程 A B C D E 50Kg M10 1.5 25.4 19 50.8 76.2 100Kg M10 1.5 25.4 19 50.8 76.2 200Kg M12 25.4 19 50.8 76.2 1.75 300Kg M12 1.75 25.4 19 50.8 76.2 500Kg M12 1.75 25.4 19 50.8 76.2 75

24、0Kg M12 1.75 25.4 19 50.8 76.2 1000Kg M12 19 50.8 76.2 - 16 - 1.75 1500Kg M12 1.75 19 50.8 76.2 2T M18 1.5 25.4 76.2 108 2.5T M18 1.5 25.4 76.2 108 3T M18 1.5 25.4 76.2 108 5T M18 1.5 25.4 76.2 108 7.5T M24 2 31.8 100.1 139.7 10T M30 2 49.3 125.5 177.8 3）筒式荷重传感器 根据额定载荷大小分别采用柱式， 板环式和 S 型双梁式结构。各种电子汽车衡

25、，轨道衡，平 台秤，料斗秤及其它各种称重测力场合 技术参数 参数 单位 技术指标 灵敏度 mV/V 2.0 0.01 非线性 %F S 0.1 滞后 %F S 0.1 重复性 %F S 0.1 - 17 - 蠕变 %F S / 30min 0.05 零点输出 %F S 1 零点温度系 数 %F S / 10 0.03 灵敏度温度 系数 %F S / 10 0.03 工作温度范 围 -20 +80 输入电阻 380 2 输出电阻 350 2 安全过载 %FS 150%F S 绝缘电阻 M 5000 M （50 VDC ） 推荐激励电 压 V 10V 15V 结构图 - 18 - 结构尺寸 量程

26、?1 ?2 ?3 ?4 H1 H2 H3 4-M 10-30t 97 42 94 56 130 106 40 10 50-100 128 76 124 82 178 150 75 12 150-200 147 100 148 98 220 188 95 14 250-300 184 132 180 130 260 224 120 16 (4 )测力传感器 C2 压式 C2 压式 耐 腐蚀不 锈钢 壳体； 量程: 0.5,1,2,5,10,20,50,100,200,500 kN; 精度: 0.1 % ; 防护等级 : IP67(IP68); 扁 外形 ,形变0.1mm; 适于高动态载荷。 -

27、19 - 14 、雪弗兰车用传感器 （ 1）产品名称： FC3015 雪弗兰传感 器（带螺丝） 适用车型：雪佛兰 OEM ： 2 ）发动机数据传感器 -氧传感器电路图 - 20 - （3 ）称重传感器 PR6201 适用于所有工业称重，可广泛的安装于 各类工业用的平台称、斗称、仓称、及所有 要求符合标准工业计量要求的工业称 重系 统中。 4）测力传感器 S9 拉/ 压式 独有的单柱式设计，统一的高度及标准的安装尺寸 产品范围： 500kg.300t 技术参数 压式传感器 罐秤/料 斗秤 配料系统 L、D1 、C3 C6 OIML 、 NTEP 500 Kg 300t 操作温度 防护 防爆 备注

28、 -30 +95 IP68 * ，EX,Factory Mutual 也可提供 4 可选 120 NEMA 6 System 20mA 模拟输出 /150 S9 拉/压式 S形 低外形 钢质 量程: 2, 5, 10, 20, 50 kN; 精度: 0.05 %; 抗横向力的影响 ; 精度高 , 稳定性好 , 用于精密测力 - 21 - 15 、别克车用传感器 （1）氧传感器 汽车氧传感器是现代汽车中一个非常重要 的传感器：它被用来监测发动机所排出废气中氧 的含量或浓度，并根据所测得的数据输出一个信 号电压，反馈给车载电脑（ ECU），车载电脑根 据收到的信号控制喷油量、进气量的大小，调整气、

29、油比，从而达到 省油、提高效率、减少污染等目的。 （最佳气油比为 14.7:1） 。 它通常安装在排气系统中， 直接与排气气流接触。 据国外权威机 构统计：汽车使用氧传感器后可省油 15% 、提高效率 18% 、降低污 染 50% 。 如果氧传感器出现故障， 不但会使汽车费油及排放超标， 还会使 发动机工况恶化，导致怠速熄火、发动机运转失准等各种故障。 （2 ）别克凯越 ABS 传感器 适用车型：未分类 型 号： 96549712 OE 编号： 96549712 发布日期： 2009-2-25 16:42:30 - 22 - 配套厂家： 商标（文字）： 制 造 商：上海爱搜机电 产 地：上海

30、自身参数： 重 量： 0 外形尺寸 （cm） ： 3）测力传感器 Z4A 拉/ 压式 4 ）高精度压力传感器 Z4A 拉/ 压式 国际力值比对标准传 感器量程 : 20,50,100,200,500 kN; 精度: EN10002-3/ISO376 标准最 高等级 ;长期稳定性极好 , 高精度标 准力值传感器。 技术参数 新结构、绝对密封、高精度、高可靠、长 期稳定，广泛用于油田、机床、化工、电 力、冶金、天然气等。 量程： 20200Mpa 参数 单位 技术指标 灵敏度 mV/V 1.0 0.01 - 23 - 非线性 %F S 0.02 0.03 滞后 %F S 0.02 0.03 重复性

31、 %F S 0.02 0.03 蠕变 %F S / 30min 0.02 零点输出 %F S 2 零点温度系 数 %F S / 10 0.02 灵敏度温度 系数 %F S / 10 0.02 工作温度范 围 -20 +80 输入电阻 400 10 输出电阻 352 2 安全过载 %FS 150%F S 绝缘电阻 M 5000 M （50 VDC ） - 24 - 推荐激励电 10V 15V 16 、 凯迪拉克车用传感器 （1）氧传感器电路图 - 25 - 26 2）涡轮增压器传感器 - 27 - Products 获得了一家全球领先涡轮增压器传感器制造商的涡轮 增压器位置 将用于测量 器的叶片

32、位 开始投产， 100 万单位 传感器生产项目。这种传感器 欧洲客车上各种形状涡轮增压 置。公司将自 2008 年下半年 年产量将稳步增长，远远超过 预计该项目有效期内 （五年） 的总收入将达 3000 万美 元左右。 涡轮增压器正被越来越多地用在客车上，以满足日益严格的排 放规定。如今， 几乎所有柴油机都使用涡轮增压器，而这些柴油机正 增压 多样 具备 排污 位置传感器用于对这些叶片 被用于多种汽油发动机。新推出的涡轮 器整合了叶片，使吸气管嘴的形状实现 化，从而令涡轮增压器能在低速运作下 更高响应度。一些涡轮增压器还整合了 闸式阀，以减少进入涡轮增压器的废气。 和闸门进行闭环控制 凯迪拉克

33、公司高级副总裁 Tyler Buchanan 评论说： 凯迪拉 克涡轮增压器传感器扩充了我们的排气再循环 （EGR）传感器产品线 作为全球领先的 EGR 传感器生产商，我们为客户提供了有关位置传 感器高温应用（如这些涡轮增压器应用）的多年确凿经验。我们能够 利用我们的全球工程和生产足迹，支持这项技术在全球各地得到发 展。（3）轮辐式传感器 - 28 - EVOQ 内部拥有高技术的感觉，使司机总是可以“手扶转向盘， 眼注前进路”。在中 面荧屏 ,可显示由装 摄像机拍摄的图像。 则会反映出车子后面 forewarn 倒车辅助 央控制台上有两台平 在 EVOQ 外部门上的 控制台上并列的荧屏 的全部情景。 后障碍探测系统使用 装在后保险杠上的三个传感器，一个是雷达，两个是超声波。当司机 倒车时探测 EVOQ 是否靠近障碍物， 如果探测出来， 即