传感器技术.doc

传感器技术一 传感器的作用、分类与工作原理1. 传感器的作用从广义上讲，传感器是一种能将被测的物理量转换为与之相对应的且具有规定准确度的某种信号的换能器件或装置。由于当今电信号最易于传输和处理，故亦可将传感器狭义地定义为能将被测物理量转换为电信号的装置。传感器是整个测试系统的首要环节，其作用类似于人的感觉器官。它将被测物理量，如力、位移、温度等，转换为可测信号后，传送给测试系统的信号处理装置，供作分析、处理，以便得到所需的测量数据，或变换为相应的控制信号。传感器也可以认为是人的感官的延伸，因为借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物，例如，用热电偶可以测量炽热物体乃至高温炉内的温度；用超声波探测器可以测量海水深度或者承载构件内的缺陷；用红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和污染情况等等。因此可以说，传感器是人们认识事物的有力工具，它不但在测试技术中，而且在现代信息工程、仪器仪表和自动化系统中都有着十分重要的作用。2. 传感器的分类传感器一般是由敏感元件、转换元件和其它辅助元件组成。其中敏感元件是用来感受被测量并输出与被测量成确定关系的其它量的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，它的作用是将压力转换成膜片的变形。转换元件则是将敏感元件输出的物理量转换为电量输出的元件，它是传感器的核心。如电阻应变片的作用就是将弹性膜片的变形转换为电阻的变化。然而也有诸多传感器是由敏感作用和变换作用合二为一的元件构成，如固体压力传感器。还有一些传感器直接将非电量转换成电量输出，不包含敏感元件，如光电转换器等。一种物理量可以用多种传感器来检测，而同一原理的传感器也可以测量多种物理量。为了从不同角度根据不同要求对传感器进行认识和研究，通常有以下几种分类方式：按传感器的检测用途分类，可分为位移传感器、力传感器、温度传感器、湿度传感器、流量传感器、化学成分传感器、生物信息传感器等。这种分类方法，对使用者十分方便，但由于把用途相同而变换原理不同的传感器分为一类，如可用于加速度测量的传感器，可利用不同变换原理的传感器元件组成，这样分类对学习和研究很不方便。按传感器的传感原理分类，有电阻式传感器，电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等。这种分类方法，对每一类传感器可具有相同的传感原理，基于一种传感原理可研究出多种传感器，如利用电阻传感原理可以研制出电阻式位移传感、压力传感器、加速度传感器、湿度传感器等，而且其后接的调理电路也基本相同，便于学习和研究。按传感器能量转换关系分类，可分为能量转换型和能量控制型两大类。能量转换型传感器直接将被测对象输入的能量转换为电能而不需要外加能源。机械工程测试中常用的能量转换型传感器有：电动式传感器、压电式传感器、热电式传感器、光电式传感器、磁电式传感器等。能量控制型传感器是借助辅助能源将被测的物理参数转换成电信号输出的，这里被测物理参数起着控制外加能源的作用。机械工程测试中常用的能量控制型传感器有：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器等。传感器还可根据信号转换的机理分为结构型传感器和物性型传感器；结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的，如电阻式、电感式、电容式等；物性型传感器是利用敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的，如水银温度计，压电式加速度机等。按其工作的物理基础分为机械式、电气式、光学式、流体式等；按其信号输出的特征可分为模拟式和数字式等等，此处不一一赘述。无论何种传感器，作为信号测试系统的首要环节，通常都必须具有快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本功能。组成传感器基本结构的类型有三种：直接变换型、差动型和平衡型。直接变换型传感器是典型的开环系统，它可以由几个串联环节组成，如图1所示：图1：传感器的直接变换型结构差动型传感器通常是由两个原理和特性完全相同的转换元件和一个减法器构成，如图2所示：图2：传感器的差动型结构平衡型传感器是一个小型的反馈系统。其结构如图3所示，它由敏感环节S、比较环节C、转换环节T、信号放大环节A以及逆变反馈环节F五个部分组成。图3：传感器的平衡型结构3. 传感器的工作原理敏感元件转换元件测量电路被测量中间量电量电信号信号接收信号处理电阻式传感器是将被测物理理（如位移、应变、力、加速度等）转换成电阻值变化的一种传感器。通过调理电路把其输出的电阻变化量变换为电压或电流，便可进行测量、记录、达到信息检测之目的。电阻式传感器按其转换原理可分为电阻应变片式、热敏电阻式、气敏电阻式、光敏电阻式等许多种。电感式传感器是利用电磁感应原理，把被测的非电量，如位移、压力等，转换为电感量变化的一种装置。电感式传感器种类较多，按照变换方式的不同，可分为自感式与互感式两种，根据结构形式的不同，可分为气隙型和螺管型两类。电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置。实际上，它就是一个可变参量的电容器。对于两个平行极板组成的电容器，由物理学可知，其电容量为：式中 ： 极板间介质的介电常数;r极板间介质的相对介电常数;0真空中的介电常数，A两平行极板覆盖的面积；两极板之间的距离（m）。由上式可知，电容C是、A、三者的函数，即C =f (, A, )。改变其中任一参数，都会引起电容C的变化，这就是电容式传感器的工作原理。根据其参数的变化,可将电容式传感器分为变极距型、变面积型、变介质型三类。压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。这种性质使它被广泛用于力、压力、加速度测量，也被用于超声波发射与接受装置。压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。这些物质在机械力作用下发生变形时，内部产生极化现象，在其表面上生成极性相反的电荷，形成电场。当外力撤消时，电荷立即消失，重新恢复到原来的状态，这种现象称为压电效应。二 传感器测量系统的基本特性在生产过程和科学实验中, 要对各种各样的参数进行检测和控制, 就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量, 这取决于传感器的基本特性,即输出输入特性。传感器所测量的物理量基本上有两种形式：传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。一个高精度的传感器必须有良好的静态特性和动态特性才能完成信号无失真的转换。1.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。只考虑传感器的静态特性时, 输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。尽管可用方程来描述输出输入关系，但衡量传感器静态特性的好坏是用一些指标。重要指标有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。传感器作为感受被测量信息的器件，希望它按照一定的规律输出有用信号，因此需要研究描述传感器的方法，来表示其输入 输出关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用。描述传感器最有效的方法是传感器的数学模型。在静态条件下，若不考虑迟滞及蠕变，则传感器的输出量y与输入量x的关系可由一代数方程表示，称为传感器的静态数学模型，即：式中：a0无输入时的输出，即零位输出； a1传感器的线性灵敏度； a2,a3 , , an非线性项的待定常数。设a0=0，即不考虑零位输出，则静态特性曲线过原点。一般可分为以下几种典型情况：（1）理想的线性特性 当a2=a3=an=0时，静态特性曲线是一条直线，传感器的静态特性为 ：（2）无奇次非线性项当a3=a5=0时，静态特性为：因不具有对称性，线性范围较窄，所以传感器设计时一般很少采用这种特性。 （3）无偶次非线性项 当a2=a4=0时，静态特性为 ：特性曲线关于原点对称，在原点附近有较宽的线性区。 （4）一般情况 特性曲线过原点，但不对称。这就是将两个传感器接成差动形式可拓宽线性范围的理论根据。借助实验方法确定传感器静态特性的过程称为静态校准。当满足静态标准条件的要求，且使用的仪器设备具有足够高的精度时，测得的校准特性即为传感器的静态特性。由校准数据可绘制成特性曲线，通过对校准数据或特性曲线的处理，可得到数学表达式形式的特性，及描述传感器静态特性的主要指标。线性度：传感器的校准曲线与选定的拟合直线的偏离程度称为传感器的线性度，又称非线性误差。 拟合直线的方法（1）端点直线法，对应的线性度称端点线性度。简单直观，拟合精度较低。最大正、负偏差不相等。 （2）端点平移直线法，对应的线性度称独立线性度。最大正、负偏差相等。（3）最小二乘拟合直线法，设拟合直线方程为y = b + kx，若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为：最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即：灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出改变量与引起此变化的输入改变量之比。常用Sn表示灵敏度，其表达式为 ：一般希望测试系统的灵敏度在满量程范围内恒定，这样才便于读数。也希望灵敏度较高，因为S越大，同样的输入对应的输出越大。迟滞（迟环）：在相同工作条件下做全量程范围校准时，正行程（输入量由小到大）和反行程（输入量由大到小）所得输出输入特性曲线不重合。 迟滞是由于磁性材料的磁化和材料受力变形，机械部分存在（轴承）间隙、摩擦、（紧固件）松动、材料内摩擦、积尘等造成的。重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次测试时, 所得特性曲线不一致的程度。静态误差：静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。是评价传感器静态特性的综合指标。其他指标：