传感器简介整理

传感器概述1316刘云绪论一：概念二：分类三：作为医用传感器的基本要求四、医用传感器的发展概念：传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，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。医用传感器是应用于生物医学领域的那一部分传感器，是把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。分类：按照传感器的工作原理区分：化学传感器利用化学反应原理，把化学成分、浓度转换成电信号生物传感器利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质物理传感器利用材料的物理变化按照检测的种类来区分移传感器、流量传感器、温度传感器、速度传感器、压力传感器等。对于压力传感器，包括有金属应变片压力传感器、半导体压力传感器、电容压力传感器等等所有能够检测压力的传感器。对于温度传感器，包括热敏电阻、热电偶、PN结温度传感器等所有能够检测温度的传感器。根据人体感官相对应的传感器功能区分视觉传感器包括各种光学传感器以及其他能够替代视觉功能的传感器；听觉传感器包括压电传感器、电容传感器以及其他能够替代听觉功能的传感器；嗅觉传感器

包括各种气体敏感传感器以及咒他能够替代嗅觉功能的传感器。这个分类方法有利于仿生传感器的开发。除了上述列举的常见传感器分类方法以外，还会根据传感器材料、传感器结构、能量转换分式等多种分类方法，都具有各自的优点与局限性。作为医用传感器的基本要求：

1传感器本身具有良好的技术性能，如灵敏度、线性、迟滞、重复性、频率响应范围、信噪比、温度漂移、零点漂移、灵敏度漂移等。2传感器的形状和结构应与被检测部位的解剖结构相适应，使用时，对被测组织的损害要小。3传感器对被测对象的影响要小，不会对生理活动带来负担，不干扰正常生理功能。4传感器要有足够的牢固性，引进到待测部位时，不致脱落、损坏。5传感器与人体要有足够的电绝缘，以保证人体安全。6传感器进入人体能适应生物体内的化学作用，与生物体内的化学成分相容，不易被腐蚀、对人体无不良刺激，并且无毒。7传感器进入血液中或长期埋于体内，不应引起血凝。8传感器应用操作简单、维护方便，结构上便于消毒。医用传感器的发展：1.智能化传感器：自诊断和自报警功能、接口功能2.微型化传感器3.多参数传感器4.遥控型传感器5.无创检测传感器传感器的基本特性一个高质量的传感器，必需不失真地完成信号的转换。在选择合适而有效的传感器组建测量系统时，除了需要了解被测信号的特点外，还需了解传感器的基本特性。传感器的特性是它转换信息的能力和性质。这种能力和性质常用传感器的输入和输出的对应关系来描述。传感器的输入量可分为静态和动态两大类，所以传感器的特性由静态特性和动态特性决定。传感器特性主要是指输出与输入间的关系：

静态特性：输入量为常量，或变化极慢

动态特性：输入量随时间较快地变化时快变信号考虑输出的动态特性,即随时间变化的特性；慢变信号研究静态特性，即不随时间变化的特性。定义：人体的各被测信息处于稳定状态时，传感器的输入量在较长时间维持不变或发生极其缓慢的变化，这时传感器的输出量与输入量间的关系就是传感器的静态特性。传感器的的静态特性传感器的动态特性

传感器的误差

原因：测量结果所反映的并不是被测对象的本来面貌，而只是一种近似。1.因为测量设备、测量对象、测量方法、测量者本身都不同程度受到本身和周围各种因素的影响，而且这些影响因素也在经常不断的变化着。2.测量过程中必须对测量系统施加作用，才能使测量系统给出测量结果。(1)绝对误差——示值与真值之差。它的负值称为修正值。2)相对误差——绝对误差与真值之比：在误差较小时，可以用测量值代替真值，称为示值相对误差γx

。(3)引用误差——绝对误差与测量仪表量程之比。按最大引用误差将电测量仪表的准确度等级分为7级，指数a

分别为：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0。电阻式传感器概念：把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器（见位移传感器）和锰铜压阻传感器等。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。结构：由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。分类：电阻应变式传感器：工作原理（应变效应）：将电阻应变片粘贴在弹性元件特定表面上，当力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于弹性元件时，会导致元件应力和应变的变化，进而引起电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经电路处理后以电信号的方式输出。

压阻式传感器工作原理（应变效应）

任何材料电阻的变化率都由下式决定

金属:上式中的

一项较小，即电阻率的变化率较小，有时可忽略不计，而Δl/l与Δs/s两项较大，即尺寸的变化率较大，故金属电阻的变化率主要是由Δl/l与Δs/s两项引起的，这就是金属应变片的基本工作原理——电阻应变效应。热电阻式温度传感器工作原理：导体（或半导体）的电阻值随温度变化而改变，通过测量其电阻值推算出被测物体的温度。热电阻的材料应具有以下特性：（1）电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；（2）电阻率高，热容量小，反应速度快；（3）材料的复现性和工艺性好，价格低；（4）在测温范围内化学物理性能稳定。应用与总结应用：电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。总结：主要介绍了电阻式传感器，电阻式传感器的基本原理都是将各种非电量转换成电阻的变化量，然后通过对电阻变化量的测量，达到非电量测量的目的。本章研究的电阻式传感器有电阻应变式传感器、压阻式传感器、热电阻式温度传感器、气敏电阻、湿敏电阻等。利用电阻传感器可以测量位移、力、加速度、转矩、温度、气体成分等。电容式传感器定义电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器分类根据被测参数的变化分：（1）变极距型电容传感器(d)（2）变面积型电容传感器(A)（3）变介质型电容传感器(ε)工作原理：若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εS/d，式中ε为极间介质的介电常数，S为两极板互相覆盖的有效面积，d为两电极之间的距离。d、s、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。一、变极距型传感器该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度和减小外界因素(如电源电压、环境温度)的影响，常常作成差动式结构或采用适当的测量电路来改善其非线性。图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化，其电容变化量ΔC为

极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化，其电容变化量ΔC为二、变面积型传感器

变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。平板形位移电容传感器设两个相同极板的长为b，宽为a，极板间距离为d，当动极板移动x后，电容Cx也随之改变。圆柱线位移电容传感器角位移形式的电容传感器:当动极板有一角位移时，两极板的相对面积A也发生改变，导致两极板间的电容量发生变化三、变介质型传感器

介质变化型电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。结构：四：测量电路电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。包括（1）调频电路（2）运算放大器式电路（3）二极管双T形交流电桥（4）脉冲宽度调制电路五、误差分析：1、温度对结构尺寸的影响

2、温度对介质介电常数的影响3、电容电场的边缘效应

4、寄生与分布电容的影响

5、漏电阻的影响电感式传感器电感式传感器——利用电磁感应原理[1]

将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量的输出。分类：（1）变磁阻式传感器——自感式（2）差动变压器式传感器——互感式（3）电涡流式传感器——电涡流式一、变磁阻式传感器——自感式非接触式位移传感器结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为σ;传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时σ发生变化，引起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈的电感值L变化；只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感工作原理：式中：N

线圈匝数；Rm磁路总磁阻；

S0

气隙的截面积；σ

气隙厚度；

μ0

导磁率（真空、空气）输出特性差动式原理：差动变隙式由两个相同的线圈和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁上下位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。电感初始气隙σ0处初始电感量为L0

衔铁位移Δσ引起的电感变化为：衔铁位移Δσ引起的电感变化为：

测量电路（转换电路）

（1）交流电桥式（2）变压器式交流电桥

（3）谐振式（调幅、调频、调相）

调幅式电路输出幅值随电感L变化

调频电路电感L变化时谐振频率变化二、差动变压器式传感器（互感式）工作原理：把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。差动变压器的结构形式较多，应用最多的是螺线管式差动变压器。它可测量1—100mm范围内的机械位移。等效电路：两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈三、电涡流式传感器由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;形成电涡流必须具备两个条件：①存在交变磁场②导电体处于交变磁场中工作原理：把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡