新型传感器技术与应用

新型传感器技术与应用参考文献(1)王化祥、张淑英.传感器原理及应用.天津大学出版社(2)黄继昌、徐巧鱼、张继贵等.传感器工作原理及应用实例，人民邮电出版社(3)强锡富.传感器.机械工业出版社(4)金发庆、李瑜芳.传感器技术与应用.机械工业出版社第一章传感器概述

我们生活的世界是由物质组成的，一切物质都处在永恒不停的运动之中。物质的运动形式很多，它们通过化学现象或物理现象表现出来。表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两种。1.1电量与非电量：电量：是指物理学中的电学量，如电流、电压、电阻、电容、电感等；非电量：除电量之外的一些参数。如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度、酸碱度等。

随着科学技术的不断进步和自动化水平的提高，对被测量动态变化过程的测量和远距离的检测都提出了更高的要求，这样就提出了传感器技术的非电量电测方法。

非电量的测量不能直接使用一般电工仪表和电工仪器测量，因为一般电工仪器和电工仪表要求输入的是电信号，这些仪器只能测量电量。非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量。实现这种转换技术的器件就是传感器。（1）可进行微量检测、精度高、反映速度快；（2）实现远距离遥控及遥测；（3）实现无损检测；（4）能连续进行测量、记录及显示；（5）可采用计算机技术对测量数据进行运算、存储及信息处理；（6）测量安全可靠。非电量电测法的优点：1.2非电量电测系统传感器：获得的信息正确与否，直接关系到整个系统的测量精度。测量电路：用来将传感器输出的信号进行处理和变换，使其输出的信号便于显示或记录。显示电路：电信号显示成被测非电量的数值。记录装置：进行记录或由打印机将数据打印出来。1.3传感器的定义我国国家标准（GB7665-87）中说，传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。我们的定义是：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换成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。（1）传感器是测量装置，能完成检测任务；（2）它的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；（3）它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；（4）输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。从字面上看，传感器的作用是一感二传：感受被测信息，并传送出去。含义：1.4传感器的组成：传感器通常由敏感元件、传感元件、测量电路和电源组成。敏感元件：是直接感受被测量（一般为非电量）并输出与被测量成确定关系的其他量（也可包括电量）的元件。如：膜片和波纹管可把被测压力变成位移量。传感元件：可以直接或间接感受被测量并输出电量。如：热电偶、热敏电阻，直接感受被测量并输出电量变化。测量电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示记录，控制和处理的有用信号的电路。如：电桥、放大、阻抗匹配等电路。电源：提供器件工作的能源。（1）有的传感器很简单，有的则很复杂，大多是开环系统，有些是带反馈的闭环系统；（2）有的传感器需要外加电源才能工作，例如：应变片组成的电桥、差动变压器等；有的传感器不需要外加电源才能工作。例如：压电晶体等；（3）有的传感器，传感元件不只一个，要经过若干次转换。说明：

（4）不是所有的传感器必须包括敏感元件和传感元件。如果敏感元件直接输出的是电量，则它同时兼做传感元件。如：热电偶直接感受被测量并输出电量变化。（5）敏感元件与传感元件在结构上常是装在一起的，而测量电路为了减少外界的影响也希望和它们装在一起，不过由于空间的限制或者其他原因，测量电路常装在电箱中。尽管如此，因为不少传感器要在通过测量电路后才能输出电信号，从而决定了测量电路是传感器的组成环节之一。（6）传感器转换能量的理论基础都是利用物理学、化学、生物学现象和效应来进行能量形式的变换。传感器技术就是掌握和完善这些转换的方法和手段，是涉及传感器能量转换原理、材料选取与制造、器件设计等多项综合技术。1.5传感器的分类

由某一原理设计的传感器可以同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传感器测量。

根据被测量的性质进行分类，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器及转矩传感器等。被测量可分为基本被测量和派生被测量两类。例如：力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力和力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。1.5.1按被测物理量分类

基本被测量派生被测量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、平面度角位移旋转角、偏转角、角振动速度线速度速度、振动、流量、动量角速度转速、角振动加速度线加速度振动、冲击、质量角加速度角振动、转矩、转动惯量力压力重量、应力、力矩时间频率周期、计数、统计分布温度

热容、气体速度、涡流光

光通量与密度、光谱分布湿度

水分、水气、露点

1.5.2按传感器工作原理分类一、电参量式传感器电阻式传感器：利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电容式传感器：改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生改变的原理制成。电感式传感器:利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成。二、磁电式传感器磁电式传感器：利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的。霍尔式传感器、磁栅式传感器。三、压电式传感器利用某些物质的压电效应为基础。四、光电式传感器首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电器件变换成电信号。可分为光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式。五、气电式传感器将被测量转换成气压变化或气流量变化信号，再进一步转换成电信号的一种传感器。六、热电式传感器根据热电效应做成。七、波式传感器超声波式、微波式等。八、射线式九、半导体式传感器以半导体为敏感材料，在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化。1.5.3按信号变换特性分：

传感器

1.5.4按能量关系分：

传感器

传感器的特性主要是输出与输入之间的关系。当输入量为常量或变化极慢时，这一关系就称为静特性；当输入量随时间较快地变化时，这一特性就称为动特性。

人们总是希望传感器的输出与输入具有确定的对应关系，而且最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素的影响，以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。图中的外界影响不可忽视，影响程度取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。图中的误差因素就是衡量传感器特性的主要技术指标。1.6传感器的静特性传感器的静态特性是指传感器转换的被测量数值处在稳定状态时，传感器的输出与输入的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性。1．线性度传感器的线性度是指传感器实际输出一输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即式中：——线性度；

——最大非线性绝对误差；

——输出满度值。

线性度又称为非线性误差。通常总是希望输出——输入特性曲线成为线性，但实际的输出——输入特性只能接近线性，实际曲线与理论直线之间存在的偏差就是传感器的非线性误差。由图可见，除图1.1(a)为理想特性外，其他都存在非线性，都应进行线性处理。

2．灵敏度传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值，即式中：

K——灵敏度，线性传感器的灵敏度是个常数；

——输出量的变化量；

——输入量的变化量。

3．迟滞传感器的迟滞是指传感器输入量增大行程期间和输入量减小行程期间，输出——输入特性曲线不重合的程度。产生迟滞现象的主要原因是传感器的机械部分不可避免地存在着间隙、摩擦及松动等。rH=±(1/2)(Δm/yfs)×100%Δm：正反行程间输出的最大差值。

4．重复性传感器的重复性是指传感器输入量在同一方向做全量程内连续重复测量所得输出——输入特性曲线不一致的程度。产生不一致的原因与产生迟滞现象是相同的。

图中正行程的最大重复性偏差为Δm2