现代测试技术中传感器的应用评述

1、现代测试技术中传感器的应用简介 摘要:介绍了现代测试技术中传感器的特性，对常用传感器和新型传感器的应用进行了简介，并分析了传感器应用中常见的技术问题关键词:测试技术;传感器;应用;简介 Application intro of sensors in modern measuring and testing techniqueAbstract: The characteristic of sensors in modern measuring and besting technique is introduced，the application of common and new type se

2、nsors is reviewed，and the common technical problems during application of sensors were analyzed.Keywords: measuring and besting technique; sensor; application; intro 在现代测试技术中，传感器是一种以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。传感器的分类方法有很多，按作用原理常用的传感器可以分为:电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、核辐射式传感器、

3、磁电式传感器和数字式传感器等。新型传感器可以分为:光纤传感器、生物传感器、湿度传感器、红外传感器、固态图像传感器、霍尔传感器、智能式传感器和超声波传感器等。1测试技术中传感器的特性 传感器的特性主要包括静态特性和动态特性。衡量传感器静态特性的主要指标是精确度、灵敏度、线性度和重复性。而衡量传感器动态特性的主要指标是时域性能指标和频域性能指标。时域性能指标包括时间常数、上升时间、响应时间、超调量等;频域性能指标包括通频带、工作频带、相位误差等。2常用传感器应用简介2.1电阻式传感器 电阻式传感器的工作原理是利用电阻元件把被测的物理量的变化转换为电阻阻值的变化，通过对电阻阻值的测量达到测量该物理量

4、的目的。电阻式传感器主要分为电位器式电阻传感器和应变式电阻传感器。电位器式电阻传感器具有结构简单、价格低、输出功率大、灵敏度较高。一般情况下可直接连接指示仪表，简化了测量电路;但也存在精度不高，动态响应差，不适宜测量快速变化量等缺点。电位器式电阻传感器通常用于被测对象参数变化较大的场合。而应变式电阻传感器具有外形小、质量轻、测量范围广、线性好、频率响应好、采取措施后可在强磁场、化学腐蚀、强振动、放射性场所等恶劣环境下工作;其缺点是输出信号小、抗干扰问题突出、在大应变下有较大的非线性。2.2电感式传感器 电感式传感器的工作原理是利用电磁感应把被测的物理量的变化转换成电感线圈的自感系数或互感系数的

5、变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器种类很多，根据转换原理的不同，可分为自感式、互感式和电涡流式。电感式传感器具有可靠性高，使用寿命长，结构简单，灵敏度和分辨率高，线性度和重复性比较好，稳定性好，能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制等优点;但也存在交流零位信号，不适用于高频动态测量场合等缺点。2.3电容式传感器电容式传感器的工作原理是利用电容元件把被的物理量的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率等物理量的测量装置。实际上是具有可变参数的电容器。电容式传感器将被测物理量转换为电容量的变化后，仍需要由后接电路将其转换为电

6、压、电流或频率信号。根据电容器变化的参数，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。电容式传感器具有测量范围大、灵敏度高、动态响应时间短、机械损失小、结构简单、适应性强等优点;但也存在寄生电容影响较大，使其稳定性较差等缺点。2.4压电式传感器 压电式传感器的工作原理是将被测参数转化为作用力作用于压电材料上形成电场而进行测量的而制成的传感器。压电式传感器可以将机械能转换成电能，又可以将电能转换成机械能，是一种可逆型传感器。在压电式传感器中，通常用两个或两个以上的晶片进行并接或串接，以增大输出。压电式传感器具有质量小、体积小、频带宽、信噪比大、结构坚固、稳定性好、可靠性高、使用方便等

7、优点。适用于测量动态力、压动态力、振动加速度等。2.5光电式传感器 光电式传感器的工作原理是将被测量的变化转换为光量的变化，再经过光电元件把光量的变化转换为电信号的一种测量装置。光电式传感器主要由光敏电阻、光电池、光敏晶体管等3部分组成。按照输出量的性质，可以把光电式传感器分为把被测量转换成连续变化的光电流和把被测量转换成断续变化的光电流两种。光电式传感器具有质量小、体积小、灵敏度高、功耗低、响应快、便于集成、易于实现非接触测量等优点。2.6热电式传感器 热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置，其工作原理是利用不同导体串接成的闭合回路中结合点不同温度而产生电势来进行测量的。常用的热电式传

8、感器又分为热电偶、热电阻、热敏电阻、热释电等类型。热电偶型具有测量精度高、测量范围广、构造简单、使用方便等特点;热电阻型具有信号输出较大、易于测量、要借助外加电源、测温反应速度慢等特点;热敏电阻型具有灵敏度高、热惰性小、重复性好、电阻率较大、成本较低、性能不稳定、互换性差、测量精度不高等特点;热释电型具有灵敏度高、光谱范围宽、响应快等特点。2.7核辐射式传感器 核辐射式传感器是把射线能量转换为容易测量的电信号的装置。其工作原理是根据被测物质对射线的吸收、散射或射线对被测物质的电离激发、穿透作用而进行工作的。核辐射式传感器主要由比例计数管、盖革计数管、闪烁计数管和半导体探测器等组成。核辐射式传感

9、器主要用来检测厚度、液位、物位、转速、材料密度、重量、气体压力、流速、温度及湿度等参数以及金属材料探伤等方面。2.8磁电式传感器 磁电式传感器就是一种把被测物理量转换为感应电动势的传感器。磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。由于磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。按照结构来分，磁电式传感器又分为动圈式和磁阻式两种。动圈式又可以分为线速度型和角速度型;磁阻式结构简单、使用方便、可靠性高，用来测量转速、振动和偏心量等。2.9数字式传感器 数字式传感器能够直接将非电量转换为数字量，而不需要A/D转换，可

10、以直接用数字显示，从而提高了测量精度和分辨率，方便于计算机连接，提高了系统的可靠性。数字式传感器主要包括放大器、A/D转换器、微处理器、存储器、通讯接口、温度测试电路等几部分组成。数字式传感器具有投资少、系统简单、精度高、可靠性高、抗干扰能力强、适用于远距离传输等优点。3新型传感器应用简介3.1光纤传感器 光纤传感器是利用被测量对在光纤内传输的光进行某种形式的调制，即可直接利用光纤的功能进行调制，也可通过其他的灵敏元件来实现，使传输光的强度、相位、频率或偏振状态等特性发生相应变化，再对被调制的光信号进行检测，测出被测量的传感器。一般情况下，光纤传感器可分为结构型和物性型。结构型光纤传感器是由光

11、检测元件与光纤传输回路组成的测量系统;物性型光纤传感器是由光纤把输人物理量变换为调制的光信号。光纤传感器具有体积小、重量轻、可弯曲、可测的物理信息种类多、可实现动态非接触测量、耐高压、耐腐蚀、灵敏度高、抗干扰能力强、可适应各种环境等优点。3.2生物传感器 生物传感器就是以生物活性物质为敏感元件的传感器。生物活性物质主要是指微生物、抗原、抗体、各种酶、组织切片和细胞等。生物传感器主要有微生物传感器、免疫传感器、酶传感器、组织切片传感器和细胞传感器等。近年来，生物传感器的快速发展为生物科学的定量分析、生物工程的测量提供了有力的技术支撑。生物传感器具有选择性能好、噪音低、操作简单快速准确、灵敏度高，

12、体积小等优点;同时生物传感器也具有使用寿命较短等缺点。3.3湿度传感器 湿度传感器就是指能将湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。湿度传感器不仅种类多，而且性能差异也很大。湿度传感器根据所用材料可以分为陶瓷型、电解质型、半导体型、高分子型等。由于湿度传感器工作环境是非密封性的，因此为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性、粉尘较大及含有机溶剂的环境中使用。为正确反映待测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的地方，如果被测的房间太大，就应放置多个传感器。有的湿度传感器对供电电源要求比较高，应按要求提供合适的、符合精度要求的供电电源，否则将影响测量精度。由于

13、湿度传感器的湿敏元件都存在一定的分散性，为了保证测量精度，需要按要求调试标定。当湿度传感器需要进行远距离信号传时，要注意信号的衰减问题，当传输距离超过200 m时，建议选用频率输出信号的湿度传感器。3.4红外传感器 红外传感器是一种能够探测红外线，利用物体产生红外辐射的特性来实现自动检测的装置。红外传感器包括光学系统、检测元件、转换电路3个部分。红外传感器主要用于温度测量和与温度相关的物理量的测量。红外传感器按照功能可分为:辐射计(用于辐射和光谱测量)、搜索和跟踪系统(用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪)、热成像系统(可产生整个目标红外辐射的分布图像)、红外测距和通信系

14、统等。由于红外传感器在测量时不与物体直接接触，所以不存在摩擦，且还具有灵敏度高、响应快、抗外界强光干扰能力强、能够设置多点采集，对射管阵列的间距和阵列数量可根据需求选取等优点。3.5固态图像传感器 固态图像传感器是采用固体图像敏感器件将二维图像变换为电信号的光电式传感器。固态图像传感器主要由物镜、固体图像敏感器件、驱动电路以及信息处理电路几部分组成。固态图像传感器具有体积小、重量轻、速度快、响应时间短、使用寿命长、稳定性好、灵敏度高、价格低、非接触、工作电压低等优点。固态图像传感器主要用于电视摄像、图像识别、机器人视觉、快速动态测量以及信息存储等方面。随着科学技术的发展，未来固态图像传感器将向

15、多功能化、单芯片化、智能化、多层感色和全色等方向发展。3.6霍尔传感器 根据美国物理学家霍尔发现的霍尔效应制成了各种霍尔元件，用霍尔元件制成的传感器就是霍尔传感器。霍尔传感器具有体积小、结构简单、频率响应宽、对磁场敏感、安装方便、功耗小、精度高、线性度好、使用寿命长、输出电压变化大、抗震动，可在灰尘、油污、水汽及盐雾环境中使用等优点。另外，霍尔传感器在使用时，如果需要准确测量交流电功率，则应对其角差指标进行验证。近年来，霍尔传感器已广泛应用于自动化、计算机、汽车等技术领域。3.7智能式传感器 智能式传感器就是带有集信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的微处理器的传感器。智能式传感器

16、由两部分组成，即传感器部分和微处理器部分。智能式传感器具有数据处理能力，可以通过软件修正其非线性，进行温度补偿和数字滤波，因此精度高;还具有信息处理、逻辑思维和判断能力，可提高工作的稳定性和可靠性;可以实现多传感器、多参数的复合和同步测量;此外还具有成本低、体积小、使用方便等优点，智能式传感器代表着未来传感器的发展方向。3.8超声波传感器 超声波传感器是应用超声波的特点和性能而制作出来的传感器。根据超声波的走向来分，超声波传感器又分为透射型和反射型2种，透射型就是超声波发生器与接收器分别置于被测物体两侧;反射型就是超声波发生器与接收器分别置于被测物体同侧。超声波传感器具有安装方便、可靠性高、灵

17、敏度高、与显示仪表连接方便、发射夹角较小等优点。超声波传感器广泛应用于物位监测、机器人防撞、防盗报警和各种超声波接近开关等方面。4结束语 传感器的选用要根据测试目的和实际条件，合理确定灵敏度、响应特性、精确度、稳定性等参数。另外，传感器在实际条件下的工作方式，也是选用传感器时要考虑的重要因素。在实际工作中，多数传感器的特性曲线总存在一定的非线性。这主要是由于传感器变换原理的非线性和转换电路的非线性2个方面造成的。为了保证测试系统的精度，就要对其进行线性化处理，其方法有硬件校正方法和软件校正方法。硬件校正方法有并联电阻法和折线逼近法;软件校正方法有计算法、查表法和线性插值法。参考文献:L1叶超明t测量技术z.北京:北京理_大学出版社， 2007:23-89,114-127.2李成华