传感器工作原理

内部培训基础知识——之传感器及其应用第一章传感器的发展和作用•人类为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。人类依靠这些器官接收来自外界的刺激，再通过大脑进行分析判断，发出命令而动作。随着科学技术发展和人类社会的进步，人类为了进一步认识自然和改造自然，只靠这些感觉器官就显得很不够了。于是，一系列代替、补充、延伸人的感觉器官功能的各种手段就应用而生，从而出现了各种用途的传感器。1.2什么是传感器•传感器是与人的感觉器官相对应的元件•国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”•敏感元件——传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分；•转换元件——传感器中能将敏感元件感受的或响应的被测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。下图为传感器组成方框图此图也说明了传感器的基本组成和工作原理。•实际上有些传感器并不能明显区分敏感元件和转换元件两个部分而是二者合为一体。例如：压电传感器、热电偶等，没有中间环节，直接将被测量转换成电信号。•传感器种类繁多，功能各异。由于同一被测量可用不同转换原理实现探测，利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可制作出检测不同被测量的传感器，功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域，故传感器有不同的分类法。1.3.传感器的分类•基于物理效应如声、光、电、磁、热等效应进行工作的物理传感器；•基于化学反应如化学吸附、选择性化学反应等进行工作的化学传感器；•基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器。1）.根据传感感知外界信息所依据的基本效应分为：2）.按工作原理分类•应变式•电容式•电感式•电磁式•压电式•热电式；等等3）.根据传感器使用的敏感材料：•半导体传感器•光纤传感器•陶瓷传感器•金属传感器•高分子材料传感器•复合材料传感器；等等4）.按照被测量：•力学量传感器•热量传感器•磁传感器•光传感器•放射线传感器•气体成分传感器•液体成分传感器•离子传感器•真空传感器；等等5）.按能量关系可分为两大类：•能量控制型，其变换的能量是由外部电源供给，而外界的变化（即传感器输入量的变化）只能起到控制作用。如电桥测量电阻温度变化时，温度变化改变了热敏电阻的阻值，热敏电阻阻值的变化使电桥输出发生变化（注意电桥的输出是由电源供给的）•能量转换型，由传感器输入量变化直接引起能量变化。如热效应中的热电偶，当温度变化时，直接引起输出电势变化。再如传声器直接将声信号转化成电信号输出。6）.按传感器利用场的定律还是利用物质的定律可分为：•结构型传感器•物型传感器•复合型传感器•场的定律是关于物质作用的定律，例如动力场的运动定律、电磁场的感应定律、光的干涉现象等。利用场的定律做成的传感器，如电动式、电容式、激光检测器等。•物质的定律是指物质本身内在性质的规律。如弹性尊从虎克定律、晶体的压电性、半导体材料的压阻、热阻、光阻、湿阻、霍尔效应等。利用物质的定律做成的传感器，如压电式传感器、热敏电阻、光敏电阻、光电管等7）.按依靠还是不依靠外加电源工作可分为：•有源传感器（需外加电源才能工作）•无源传感器（不需外加电源）8）.按输出量可分为：•数字量传感器•模拟量传感器分类方法传感器的种类说明按依据的效应分类物理传感器化学传感器生物传感器基于物理效应（光、电、声、磁、热）化学传感器生物传感器按输入量分类位移、速度、温度、气体成分、浓度等传感器传感器以被测量命名按工作原理分类应变式、电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、传感器等传感器以工作原理命名按输出信号分类模拟式传感器数字式传感器输出为模拟量输出为数字量按能量关系分类能量转换型传感器能量控制型传感器直接将被测量转换为输出量的能量由外部供给传感器能量，而由被测量控制输出量能量按是利用场的定律还是利用物质的定律分类结构型传感器物型传感器通过敏感元件几何结构参数变化实现信息转换通过敏感元件材料物理性质变化实现信息转换按是否依靠外加电源分类有源传感器无源传感器传感器工作需外加电源传感器工作无需外加电源按使用敏感材料分类半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、金属传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器传感器以使用的敏感材料命名•以上所列传感器分类有较大的概括性，但由于传感器的分类不统一，而这种分类很难完备，例如有的学者将传感器作了如下分类：1）压力：2）力/荷重；3）位移（厚度）；4）力矩；5）角度；6）角速度（转速）；7）速度；8）加速度；9）角加速度；10）倾斜角；11）编码器；12）震动；13）气体/烟雾；14）温度；15）热能；16）湿度；17）水分；18）露点；19）液位；20）料位；21）流量；22）流速；23）风速；24）电流；25）电压；26）电功率；27）电频率；28）接近开关；29）磁性开关；30）pH值；31）光电开关；32）电阻率；33）电导率；34）水域氧；35）生物；36）红外线；37）紫外线；38）光纤；39）离子；40）激光；41）超声波；42）声音/噪声；43）触觉；44）图像/颜色；45）密度/粘度；46）混浊度。传感器的性能和评价为了更好地掌握和使用传感器，必须事先充分了解传感器的特性。传感器的各种特性一般是根据输入和输出的对应关系来描述的。传感器在稳态（静态或准静态）信号作用下，输入和输出的对应关系为静态特性；传感器在动态（周期或暂态）信号作用下，输入和输出的对应关系为动态特性；传感器的静态特性•1.灵敏度灵敏度是描述传感器的输出量（一般为电学量）对输入量（一般为非电学量）敏感程度的特性参数。其定义为：传感器输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比，用公式表示为：xyxk输入量的变化值输出量的变化值)(可见，传感器的校准曲线的斜率即为灵敏度。对于线性传感器来说灵敏度是一个常数；非线性传感器的灵敏度则随输入量变化。•2.线性度理想的传感器输出与输入呈线性关系。然而，输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的，总存在一定的非线性。线性度是评价非线性程度的参数。。其定义为：传感器的输出——输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程之比，称作该传感器的“非线性误差”或称“线性度”，也称“非线性度”。通常用相对误差表示其大小：%100maxFSfYe式中，ef为非线性误差（线性度），Δmax为校准曲线与理想拟合直线间的最大偏差，YFS为传感器满量程输出平均值，如图1.2所示△•非线性误差大小是以一拟合直线或理想直线作为基准计算出来的，基准直线不同，所得的线性度就不一样。因而不能笼统地提线性度或非线性误差，必须说明其所依据的基准直线。按照所依据的基准直线不同，有理论线性度、端基线性度、独立线性度等。•理论线性度：拟合直线为理论直线，通常以0%作为直线起始点，满量程输出100%作为终止点。•端基线性度：以校准曲线的零点和满量程输出值连成的直线为拟合直线。•独立线性度：作两条与端基直线平行的直线，使之恰好包围所有的标定点，以与二直线等距离的直线作为拟合直线。•3.灵敏度界限（阈值）•输入改变Δx时，输出变化Δy，Δx变小，Δy也变小。但是一般来说，Δx变小到某种程度，输出就不再变化了，这时的Δx叫做灵敏度界限。•存在灵敏度界限的原因有两个：一个是输入的变化量通过传感器内部被吸收，以而反映不到输出端上去。典型的例子是螺丝或齿轮的松动。螺丝和螺帽，齿条和齿轮之间多少有空隙，如果Δx相当于这个空隙的话，那么Δx是无法传递出去的。又例如，装有轴承的旋转轴，如果不加上能克服轴与轴之间的摩擦力的话，周是不会转动的。第二个原因是传感器输出存在噪声。如果传感器输出值比噪声电平小，就无法把有用信号和噪声分开。如果不加上最起码的输入值（这个输入值所产生的输出值与噪音的电平大小相当）始得不到有用的输出值的，该输入值即灵敏度界限。灵敏度界限也叫灵敏阈，门槛灵敏度，或阈值。•4.迟滞差•输入逐渐增加到某一值，与输出逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等，叫迟滞现象。迟滞差表示这种不相等的程度。其值以满量程的输出值YFS的百分数表示。%100maxFStYe或者%1002maxFStYe式中Δmax为输出值在正反行程的最大差值。如图1.3所示，Δmax=Y2-Y1图1.3是这种现象稍微夸张了的曲线。一般来说输入增加到某值时的输出要比输入下降到某值时的输出小，正如图1.3所示。如存在迟滞差，则输入和输出的关系就不是一一对应了，因此必须尽量减少这个差值。各种材料的物理性质是产生迟滞现象的原因。如把应力加于某弹性材料时，弹性材料产生变形，应力虽然取消了但材料材料不能完全恢复原状。又如铁磁体、铁电体在外加磁场、电场作用下均有这种现象。迟滞也反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，轴承磨擦、间隙、螺丝松动等。各种各样的原因混合在一起导致了迟滞现象的发生。•5.稳定性•稳定性表示传感器在一个较长时间内保持其性能参数的能力。•理想的情况是，不管什么时候传感器的灵敏度等特性参数不随时间变化。但是实际上，随着时间的推移，大多数传感器的特性会改变。这是因为传感元件或构成传感器的部件的特性随时间发生变化，产生一种经时变化的现象。即使长期放置不用的传感器也会产生经时变化的现象。变化与使用次数有关的传感器，受到这种经时变化的影响更大。因此传感器必须经常进行校准。传感器的动态特性•大多数情况下传感器输入信号是随时间变化的，这时要求传感器时刻精确的跟踪输入信号，按照输入信号的变化规率输出信号。当传感器输入信号变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号变化加快，传感器随动跟踪性能会逐渐下降。输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程叫响应。动态特性就是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。响应特性即动态特性，是传感器的重要特性之一。第二章应变式传感器•应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器，时常用传感器之一。应变式传感器的核心元件是电阻应变计。•电阻应变计，也叫应变计或应变片，是一种能将机械构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。图2.1为其构造简图。排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成敏感栅1，用粘合剂粘在绝缘的基片2上。敏感栅上贴有盖片（即保护片）3。电阻丝较细，一般在0.015~0.06mm，其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝（0.1~0.2mm）4作为引线，以便与测量电路连接。图2.1中l称为应变计的标距，也称（基）栅长，a称为（基）栅宽，，l×a称为应变电阻计的使用面积。•使用时用粘合剂将应变计粘在被测试件表面上。试件变形时，应变计的敏感栅与试件一起变形，使电阻发生变化，由测量电路将电阻变化转化为电压或电流的变化，在由显示记录仪表将其显示记录。应变电阻计的电阻变化是与形变成正比的，因此，由显示记录的电压或电流的变化，可得知被测试件应变的大小。•应变式测力传感器由弹性体、应变计和外壳组成。弹性体是测力传感器的基础，应变计是传感器的核心。根据弹性体结构不同可分为：柱式、轮辐式、梁式、环式等。以下是几种应变式测力与称重传感器：1.柱式传感器。柱式传感器是称重（或测力）传感器应用较普遍的一种形式。右图画出了传感器的结构示意图。其结构是在圆柱或圆筒上按一定方向贴上应变计。圆筒或圆柱在外力F作用下产生的应变为：AEFET式中E为弹性元件的弹性模量，A为圆筒或圆柱的截面积。2.轮辐式传感器•轮辐式传感器是一种剪切力传感器，其结构如右图1所示。由轮轱1、轮圈2、轮辐条3、承压应变计4和拉伸应变计5等组成。轮辐条成对连接在轮钴和轮圈之间，可为四根或八根（图中为四根）。采用钢球传递重力，因为圆球压头有自动定中心的功能。测量桥路图如右图2所示。当外力F作用在轮钴上端面时，是轮辐条产生平行四边形变形，如右图3所示。•当外力作用时，使辐条对角线缩短方向的应变计C受压，对角线伸长方向的应变计T受拉，。每对轮辐的受拉片和受拉片串联成一臂，受压臂合受压臂串联成相邻臂。这样有助于消除载荷偏心对输出的影响。加在轮钴和轮圈上的侧向力，若使一根轮辐受拉，其相