传感器技术基础

1、绪绪 论论一、传感器的地位和作用例1 人与机器的机能对应关系定性人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。定量传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。电五官v光敏传感器视觉v声敏传感器听觉v气敏传感器嗅觉v化学传感器味觉v压敏、温敏、流体传感器触觉人与机器的机能对应关系图人与机器的机能对应关系图外界对象感官传感器人脑微机肢体执行器 无论是金属粮仓还是土仓，为防止霉变，粮食都是分层存放，仓内温度和湿度不能过高，为此，需在各层安放温湿度传感器

2、进行检测。装有温湿度探头的粮仓示意图如下。 将各层探头输出接至温湿度巡检仪上，通过巡检仪监视器监视各点温湿度情况。通过通风口保持温湿度在要求范围内。例例2 粮仓温度、湿度检测粮仓温度、湿度检测装有温湿度探头的粮仓示意图装有温湿度探头的粮仓示意图通风口探头通风口通风口例3：感温、 感烟火灾报警器集控器1中央监控 监控系统组成框图探头11探头12探头1N其监控系统组成框图如图2:可在每一房间安放一对感温、感烟探头（智能传感器），它们输出温度、浓度信号通过串行通讯线送入由微机组成的检测系统（集控器）；集控器负责信号汇总，汇总各房间的温度和浓度信号，并监控各房间温度、烟浓度是否异常，如异常，声光报警并

3、打开喷淋设备灭火，一层一台。各层集控器通过CAN总线、M-BUS总线等现场总线将温度、浓度等信号送入中央监控计算机。值班人员在电脑屏幕上直观监视各房间情况（温度、烟雾浓度）。房间、楼道装配摄像头，还可通过电视屏幕查看房间、楼道情况。可看出没有感温、感烟传感器，就像人缺少感官，系统无法工作。热轧带钢表面温度的测量热轧带钢表面温度的测量 用辐射温度计测量热轧带钢表面温度的方法巳被广泛采用。从加热炉出来的钢坯最后到卷取机之前的整个轧制线上，如加热炉出口、粗轧机的入口和出口、精轧机的入口和出口以及在卷取机之前都设有辐射温度计，用以测量各阶段带钢的表面温度。并用此温度信号来控制轧制速度、轧辊压下力和冷却

4、水流量等。二、传感器的定义与组成1、定义 能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。（GB766587） 使物理量或化学量转变为电量（或电磁量）的器件或元件称为传感器。传感器也称作换能器或探测器 它是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。通俗地说， 输入量是物理量、化学量和生物量。 输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、处理及显示） 输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要满足测控系统的应用要求。v定义的理解v传感器是测量装置，能完成检测任务；v输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；v输出量是某种

5、物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；v输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度2、组成敏感元件转换元件转换电路传感器组成框图被测量中间量电量电信号敏感元件：能直接感受或响应被测量的元件，比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：能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分v测量转换电路：由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有测量转换电路，进行放大、运算调制等，使输出的电信号变换为便于处理、显示、记录和控制的可用电信号。v辅助电源电路：为传感器提供工作电源。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的测量转换电路与敏

6、感元件一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。v应该指出的是，并不是所有的传感器必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件；如果转换元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的电量，此时传感器就无敏感元件。例如压电晶体、热电偶、热敏电阻及光电器件等。传感器组成传感器一般由敏感元件，转换元件和测量转换电路（接口电路）三部分组成，如图所示。膜盒差动电感电桥电路气体压力传感器组成框图PSLU0mVTT0BA热电偶IhfG光电池f+Q压电传感器RRTR0RU0Ui热敏电阻传感器传感器的分类传感器的分类v 传感器千差万别，种类繁多。根据某种设计原理设计的传感器可以同

7、时测量多种非电物理量，而有时一种非电物理量又可以用几种不同的传感器测量。v传感器有许多分类方法，常用分类方法有三种：一是按被测量分类，二是按传感器工作原理分类，按传感器输出信号分类。 按被测量分类按被测量分类v按被测量分为：温度、压力、流量、速度、位移等传感器v常见的被测物理量有：v机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量;v声: 声压,噪声；v磁: 磁通,磁场；v温度:温度,热量,比热；v光：亮度，色彩等等。v这种分类又分为基本被测量和派生被测量两类。例如从力可派生出压力、重力、应力和力矩等派生被测量。v传感器按被测量分类的

8、优点是比较明确的表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。其缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理和分析方法。 按传感器工作原理分类按传感器工作原理分类v按传感器工作原理分：电阻、电感、电容、霍尔、光电、热电偶等v电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； v磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； v压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； v光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；v气电式传感器：电位器式、应变式； v热电式传感器：热电偶、热电阻； v半导体式传感器：霍尔器件、热敏电阻； v其他原理

9、的传感器：差动变压器、振弦式等。v按工作原理分类的优点是对传感器的工作原理表达比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入研究分析。其缺点是不便于使用者根据用途选用。按传感器输出信号分类v 开关型传感器：有触点式（如微动开关、行程开关、接触开关）；无触点式（如光电开关、接近开关）；v模拟量型传感器：电阻型（如电位器、电阻应变片等）；电压、电流型（如热电偶、光电池等）；电感、电容型（如电感、电容式位移传感器）；v数字型传感器：计数型（计数器 ）；代码型（如旋转编码器、磁尺等）v传感器按输出信号分类，便于接口电路的设计制作。传感器实例温度传感器 压力传感器 液位 传感器传感器的特性

10、与技术指标 一、传感器的静特性二、传感器的动特性三、传感器的技术指标 研究传感器输入输出关系及特性。 输入信号可分为静态量和动态量。 传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。 传感器的静态特性传感器的静态特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。 衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度, 迟滞和重复性等。它们是衡量传感器优劣的指标。 一、线性度(非线性误差) 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。线性度是用实测的检测系统输入输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示的，又称非线性误差，如图所示传感器非线性大小评定方法传感器

11、非线性大小评定方法 静特性曲线可通过实际测试获得。 首先在标准工作状态下，用标准仪器设备对传感器进行标定（测试），得到其输入输出实测曲线，即校准曲线，然后作一条理想直线，即拟合直线，校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称为传感器的非线性误差（或线性度） 在采用直线拟合线性化时，传感器的输出输入校正曲线与其拟合曲线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差，通常用相对误差表示。灵敏度v灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输入与输出特性曲线的斜率，如下图所示，可表示为：v非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，其灵敏

12、度表达式为：v一般希望灵敏度s在整个测量范围内保持为常数。这样，可得均匀刻度的标尺，使读数方便，也便于分析和处理测量结果。 重复性 重复性指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。当多次测量的不重复误差的曲线越重合，说明其重复性越好重复性误差属于随机误差, 常用标准偏差表示, 也可用正反行程中的最大偏差表示 分辨力 分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力可用绝对值表示，也可用与满量程的百分数表示。传感器的动态特性 动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 动态特性是指传感器在动态的输入信号情况下，要求传感器不仅能精确地测量信号的幅

13、值大小，而且能测量出信号变化的过程。这就要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。动态特性反映传感器随时间变化的响应特性,动态特性好的传感器，其输出量随时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线相近。实际中一般传感器产品只给出响应时间。传感器的动特性取决于什么因素？ a.首先取决于传感器本身 b.其次动特性与被测量的变化形式有关 v最大超调量p是指响应曲线偏离阶跃曲线的最大值，常用百分数表示，能说明传感器的相对稳定性。v响应时间ts：响应曲线逐渐趋于稳定，到与稳态值之差不超过（5%2%）所需要的时间，也称过渡过程时间。v动态性能要求最大超调量p要小，响应时间ts要短。前者表明传感测量的平滑性

14、；后者表明传感器测量的快速性。 温度传感器温度传感器 1、温度标准2、温度测量方法3、温度传感器国际规定的温标v摄氏温标、华氏温标、热力学温标v摄氏温标是把标准大气压下纯水的冰融点定为0度，纯水的沸点定为100度的一种温标。在0度和100度之间分成100等分，每一分为一摄氏度，符号为t，单位为。v华氏温标规定在大气压下，纯水的冰融点为32度，纯水的沸点为212度，中间划分为180等分，每一分为一华氏度，符号为v热力学温标又称开尔文温标，符号为T，单位为开尔文（K），是当前国际通用温标，与摄氏温标的换算公式：t=T273.15温度温度测量方法测量方法按感温元件是否与被测物接触分为：接触式、非接触

15、式接触式：传感器接触被测量温度，二者进行热交换（热电偶传感器、热电阻温度传感器）。它有结构简单、工作稳定可靠及测量精度高等优点。测温范围在2501800度，适用于远距离多点测量。 非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理物体辐射能量的大小与温度有关, 当选择合适的接收检测装置时, 便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号, 实现温度的测量这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。测量范围6006000度。热电偶传感器热电偶传感器 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。 它构造简单, 使用方便, 具有较高的准

16、确度、稳定性及复现性, 温度测量范围宽, 在温度测量中占有重要的地位。 一、热电偶工作原理（利用热电效应）一、热电偶工作原理（利用热电效应） 1.热电效应：热电效应：两种不同的导体（或半导体） A和B组成一个闭合回路,其两端互相连接时，只要两结点处的温度不同在闭合回路中产生一个电动势 两种不同材料的导体或半导体连成闭合回路，两个接点分别置于温度为T和T0的热源中，该回路内会产生热电势。热电势的大小反映两个接点温度差，保持T0不变，热电势随着温度T变化而变化。测得热电势的值，即可知道温度T的大小。 两种不同的导体（或半导体)组成一个闭合回路,其两端互相连接时，只要两结点处的温度不同在闭合回路中产

17、生一个电动势，热电效应。A、B导体称为热电极。T端结点称为工作端或热端；T0端结点称为冷端或自由端。产生的热电势由两部分组成产生的热电势由两部分组成: 温差温差电势和接触电势电势和接触电势(1)接触电势产生原因：由于两种不同导体的自由电子密度不产生原因：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。同而在接触处形成的电动势。 两种导体接触时,自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散, （NANB,A到B）在接触处失去电子的一侧带正电, 得到电子的一侧带负电, 形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。触点的温

18、度。（2）同一导体温差电势）同一导体温差电势同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。 同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大, 因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多, 结果高温端因失去电子而带正电, 低温端因获得多余的电子而带负电, 形成一个静电场，该静电场阻止电子继续向低温端迁移，最后达到动态平衡。因此, 在导体两端便形成温差电势, 其大小由下面公式给出: 温差电动势：热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和热电偶回路的几点结论热电偶回路的

19、几点结论： 如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。 如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。 热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。2. 热电偶基本定律热电偶基本定律 （1） 中间导体定律中间导体定律 利用热电偶进行测温, 必须在回路中引入连接导线和仪表, 接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明, 在热电偶测温回路内在热电偶测温回路内, 接入第接入第三种导体三种导体, 只要其两端温只要其两端温度相同度相同, 则对回路的总热电势没有影响。则对

20、回路的总热电势没有影响。 接入第三种导体回路如图 所示。 由于温差电势可忽略不计, 则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。 即（2）参考电极定律）参考电极定律当结点温度为T, T0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。000( ,)( ,)( ,)ABACCBET TET TET T 参考电极的实用价值在于：它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。 用作参考电极(标准电极)的材料，目前主要为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与

21、常温时的物理、化学性能都比较稳定。(3)中间温度定律中间温度定律 热电偶AB在接点温度为 、)(),(),(00TTETTETTECABCABABCT0T中间温度为T 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。 在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0的热电势进行修正。 常用热电偶常用热电偶 理论上讲, 任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶, 但为了准确可靠地测量温度, 对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件: 热电势变化尽量大, 热电势与温度关系尽量接近线性关系, 物理、 化学性能稳定, 易加工, 复现性好, 便于成批生产, 有良好

22、的互换性。 实际上并非所有材料都能满足上述要求。 目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶, 所谓标准化热电偶, 它已列入工业标准化文件中, 具有统一的分度表。 我国从1988年开始采用IEC标准生产热电偶。目前工业上常用的有四种标准化热电偶1.铂铑10铂热电偶2.镍铬镍硅热电偶3.镍铬考铜热电偶4.钨铼5钨铼20热电偶热电偶的结构形式热电偶的结构形式 为了适应不同生产对象的测温要求和条件, 热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。 (1)普通型热电偶普通型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多, 它一般由热电极、绝

23、缘套管、保护管和接线盒组成 (2)铠装热电偶铠装热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、 绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体, 它可以做得很细很长, 使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小, 动态响应快, 机械强度高, 挠性好, 可安装在结构复杂的装置上, 因此被广泛用在许多工业部门中。(3)薄膜热电偶薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料, 用真空蒸镀、 化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶, 薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m）, 具有热容量小, 反应速度快等的特点, 热相应时间达到微秒级, 适用于微小

24、面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。在实际测温时, 需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表, 这样参考端温度t0也比较稳定。热电偶一般做得较短 需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线, 它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成, 而且在0100温度范围内, 要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 热电偶补偿导线热电阻传感器 热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。优点：测量精度高； 有较大的测量范围；200500 易于使用在自动测量和远距离测量中分类分类热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两

25、大类, 一般把金属热电阻称为热电阻, 而把半导体热电阻称为热敏电阻。二、热电阻材料和 常用热电阻 用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率, R-t 关系最好成线性, 物理化学性能稳定, 复现性好等。 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。热电阻工作原理v 温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。 v大多数金属在温度升高1时，电阻值增加0.40.6，热电阻就是利用金属材料的阻值随温度升高而增大的这一特性来测量温度的。热敏电阻传感器热敏电

26、阻的特点电阻温度系数大，灵敏度高结构简单电阻率高，热惯性小阻值与温度变化呈非线性稳定性和互换性较差热敏电阻的结构与材料热敏电阻的结构与材料热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成主要由热敏探头、引先壳体构成热敏电阻的结构形式热敏电阻的结构形式负温度系数热敏电阻的特性负温度系数热敏电阻的特性电阻温度特性曲线电阻温度特性曲线热敏电阻的伏安特性热敏电阻的伏安特性温度补偿温度补偿对一些仪表的重要元器件进行温度补偿。被补偿元器件具有正的温度系数。热敏电阻具有负的温度系数。R2R1被补偿元件实现补偿。使。阻值减小了并联后与，。阻值增加，设温度增加锰锰02121RRRRRRRRCttt热敏电阻的应用热敏电阻的应用家电控温家电控温温度过高，RT减小，T截止，K失电，K1断开。负载失电。若RT为正温度系数，RW与RT对调即可。KD10K9013RTK1220V力传感器力传感器 v力传感器是将各种力学量转换为电信号的器件v力传感器的种类：电阻式、电感式、电容式、压电式、压磁式、压阻式v弹性敏感元件弹性敏感元件v作用：把力或压