浅谈常用传感器的基本工作原理

1、浅谈常用传感器的基本工作原理 摘 要传感器是一种检测装置，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。本文就传感器的基本原理进行介绍。 关键词传感器 敏感元件 标定 测量 中图分类号：s951.4+3 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2015）18-0113-01 传感器的定义 传感器是信息检测的必要工具，是生产自动化、科学测试、计量核算、检测诊断等系统中必不可少的基础环节。通常是检测系统与被测量对象之间的接口，处于监测系统的输入端，其性能直接影响着整个检测系统，对检测精确度起着

2、主要作用。一般来讲，自动监测装置中最初感受被测量并将它转换为可用信号输出的器件叫传感器，在工程上也称为探测器、换能器、测量头。 传感器的基本组成 传感器由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。敏感元件指传感器中能直接感受（或响应）与检测出被测对象的待测信息（非电量）的元件，如机械类传感器当中的弹性元件。转换元件指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）的信息直接转换成电信号的部分。如应变式压力传感器由弹性膜片和电阻应变片组成，其中电阻应变片就是转换元件。辅助器件通常包括电源，如交流、直流供电系统。 值得注意的是，有一些传感器的敏感元件和转换元件是二者合一的，如热电偶、压电晶体，光电器件。 传感器的

3、分类 由于工作原理、测量方法和被测对象的不同，传感器的分类方法也不同。目前，采用较多的分类方法如下： 按信号变换的特征，分为物性型传感器和结构型传感器。物性型传感器是指依靠敏感元件材料本身的物理变化来实现信号的变换。例如，水银温度计是利用谁引得热胀冷缩现象把温度的变化变成水银柱的高低，实现温度的测量。结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化来实现信号的转换。例如，极距变化型电容式传感器就是通过极板间距离的变化实现测量。 按用途，分为力传感器、加速度传感器、位移传感器、温度传感器、流量传感器等等。 按工作的物理基础，分为电气式传感器、光学式传感器、机械式传感器等等。 按能量关系，分为有源传感器和无

4、源传感器。有源传感器能将非电能量转换为电能量，也称为能量转换型传感器。通常配有电压测量和放大电路，如光电式传感器、热电式传感器均属此类传感器。无缘传感器本身不能换能，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，所以必须具有辅助能源（电源），故又称为能量控制型传感器。例如电阻式、电容式和电感式等参数型传感器属此类传感器，此类传感器通常使用的测量电路有电桥和谐振电路。 按测量方式，分为接触式传感器和非接触式传感器。接触式传感器与被测物体接触，如电阻应变式传感器和压电式传感器。非接触式传感器与被测物体不接触，如光电式传感器、红外线传感器、涡流式传感器和超声波传感器等。 按输出信号的形式，分为模拟式

5、传感器和数字式传感器、模拟式传感器输出信号是连续变化的模拟量，如电容式传感器。数字式传感器的输出信号是数字量，如光栅。 传感器的性能参数及要求 传感器的优劣，一般通过若干主要性能指标来表示。除了前面已在一般检测系统中介绍的特征参数如灵敏度、线性度、分辨率、准确度、频率特性等特性外，还常用阀值、漂移、过载能力、稳定性、可靠性以及与环境相关的参数、使用条件等。不同的传感器常常根据实际要求来确定其主要指标参数，有些指标可以低些或可不考虑。下面简单介绍一下阀值、漂移、过载能力、稳定性、重复性的定义，可靠性的指标内容以及传感器工作要求。 （1）阀值 即零位附近的分辨力，也就是指能使传感器输出端产生可测变

6、化量的最小被测输入量值。 （2）漂移 指一定时间间隔内传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。包括有零点漂移与灵敏度漂移。 （3）过载能力 指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。 （4）稳定性 指传感器在具体时间内仍保持其性能的能力。 （5）重复性 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。产生不一致主要原因是传感器的机械部分不可避免的存在着间隔、摩擦及松动等。 （6）可靠性 通常包括工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压等指标。 （7）传感器工作要求 主要要求是：高精度、低成本；高灵敏度

7、；稳定性好；工作可靠；抗干扰能力强；动态特性良好；结构简单；使用维护方面、功耗低等。 传感器的标定与校准 （1）传感器的标定 标定指利用标准设备产生已知非电量（标准量），或用基准量来确定传感器输出电量与非电输入量之间关系的过程。工程测试中传感器的标定在与其使用条件相似的环境状态下进行，并将传感器所配用的滤波器、放大器及电缆等和传感器连接后一起标定。标定时应按传感器规定的安装条件进行安装。 1）标定系统的组成 一般由被测非电量的标准发生器，被测非电量的标准测试系统，待标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等组成。 2）静态标定 指输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线，标定方程和

8、标定常熟，计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等传感器的静态指标。静态标定用于检测传感器（或系统）的静态特性指标。对标定设备的要求是：具有足够的精度，至少应比被标定的传感器及其系统高一个精度等级，且符合国家计量量值传递的规定，或经计量部门检查合格；量程范围应与被标定的传感器的量程相适应；性能稳定可靠；使用方便，能使用多种环境。 3）动态标定 用于确定动态性能指标。通过确定其线性工作范围（用同一频率不同肤质的正弦信号输入传感器，测量其输出）、频率响应函数、幅频特性和相频特性曲线、阶跃响应曲线来确定传感器的频率响应范围、幅值误差、时间常数、阻尼比、固有频率等。 （2）传感器的校准 传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可以继续使用，如能继续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正，确保传感器的测量精度的过程，称为传感器的校准。校准与标定的内容是基本相同的。 总之，由于传感器种类很多，一种传感器可以测量几种不同的被测量，而同一种被测量可以用几种不同类型的传感器来测