传感器原理及应用删减版模板

教材《传感器原理及应用》黄贤武郑筱霞编箸电子科技大学出版社参考书《传感器原理、设计与应用》（第三版）刘迎春叶湘滨编箸国防科技大学出版社《传感器原理与应用技术》刘爱华，满宝元编著人民邮电出版社,2006年第一章基本概念§1-1传感器的定义与组成§1-2传感器的特性§1-3传感器的误差及信噪比第一章基本概念§1-1传感器的定义与组成§1-2传感器的特性§1-3传感器的误差及信噪比§1-1传感器的定义与组成传感器的定义传感器的分类被测量与能量变换一、传感器的定义1、定义所谓传感器是来自“感觉”一词传感器技术属现代高新技术（电五官）根据GB7665-87，【传感器】（Transducer／Sensor）的定义为：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。我国往往把“传感器”和“敏感元件”等同使用传感器的定义2、传感器的组成敏感元件（Sensingelement）直接感受或响应被测量的部分。有时也将敏感元件称为传感器。转换元件（Transductionelement）能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。传感器的定义3、传感器的特征参数被测量传感器输入量，是传感器命名和分类的重要依据。输出量含有原始信号，且为便于接收与处理的信号形式。传感器的定义4、传感器的应用从被检测对象中获取原始信号（1）用于自动检测系统传感器的定义4、传感器的应用－续（2）用于测控系统自动检测与自动控制系统在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量汽车与传感器高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要30～100种传感器。传感器与家用电器自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院等。传感器在机器人上的应用机械手、机器人中的传感器：转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。密歇根大学的机械手装配模型机器人服务员AGV自动送货车香港理工AGV模型传感器在生物医学上的应用对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。医学传感器与航空及航天飞行器：控制在预定轨道上陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器航天传感器与环境保护保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。烟尘浊度测量传感器与遥感技术飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波船舶：超声波传感器微波红外接收传感器红外线分布差异矿藏埋藏地区地面二、传感器的分类1、按传感器输入量（用途）分类生产厂家往往按输入量分类，以向户提供基本的使用信息。如：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器、光强传感器、湿度传感器、粘度传感器、浓度传感器、…。传感器的分类2、按传感器工作机理分类此种分类方法能表示输入变量和输出变之间的关系。传感器的分类2、按传感器工作机理分类－续1（1）物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量的传感器。如：各种压电晶体传感器。（2）结构型传感器是以结构（如形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被测量转换为电量。如：气隙型电感式传感器。传感器的分类2、按传感器工作机理分类－续2（3）化学传感器是利用化学反应的原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。如：离子选择性电极。（4）生物传感器是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器。近年来发展很快。传感器的分类3、按信息能量变换方式分类在传感器内部，信息的传递与变换伴随着能量的流动。（1）能量变换型：传感器从被测对象中获取能量，用于直接输出。如：热电偶、光电池、压电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。（2）能量控制型：传感器从被测对象中获取能量，用于控制激励源，故又称有源型传感器。如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、…。三、被测量与能量变换1、示容变量和示强变量(1)示容变量或称为流通变量、扩展量(Extensive)示容变量是与空间分布成比例的量，表示能容纳多少的量。如：长度、面积、体积、质量、位移、速度、电荷、磁力线、电流、热流、熵、…。被测量与能量变换1、示容变量和示强变量(2)示强变量或跨越变量,密集量(Intensive)示强变量是指在某种场合下，表示作用程度的量。如：力、压力、温度、温差、电压、磁通、光通、气体浓度、湿度…。被测量与能量变换1、示容变量和示强变量示容量与示强量组合之积是与某种能量相对应的。如：力与位移之积是功、力与速度之积是功率、压力与体积之积是气体力学能量、温度与熵之积是热能、温差与热流之积是热功率、电压与电荷之积是电能、电压与电流之积是电功率。被测量与能量变换2、传感器能量变换传感器的工作过程可以视为是将示容量与示强量由一种组合变成另一种组合。被测量与能量变换3、能量变换与误差（1）传感器从被测物体拾取能量时对被测物体的状态产生了影响，从而导致了误差。如：热电偶测温时，输入的热流是被测物体传递的，若热电偶的热容量过大，将使被测物体的温度下降，从而产生误差。（2）传感器输出端的负载消耗传感器的能量时，亦对被测物体造成误差。传感器对被测物体的影响越小，负载对传感器输出的影响越小，测量精度就越高。被测量与能量变换4、传感器信号变换根据传感器输出信号是模拟量或是数字量，可将信号变换分为两大类。【模拟变换】输入为模拟量，输出为模拟量。【数字变换】输入为模拟量，输出为数字量。被测量与能量变换5、传感器的输入与输出特性（1）传感器的输入特性（负荷效应）传感器的输入特性是用来衡量传感器对被测对象的影响程度。其主要参数是广义输入阻抗Zi，定义为由于示强变量X与示容变量x的乘积为能量W（或功率），则有能量或功率：被测量与能量变换5、传感器的输入与输出特性可知：①当被测量为示强变量时（如：被测量为力、压力、温度等），传感器广义输入阻抗越大，从被测对象吸收的能量就越小，误差也就越小。②当被测量为示容变量时（如：位移、速度、加速度等），传感器广义输入阻抗则越小越好。③当被测示容变量为0时（如：用力传感器测量静态力时），此时被测点处于力平衡状态，速度为0，此时输入特性应用静态刚度来表示静态刚度：，此时被测力的功：kFW2被测量与能量变换5、传感器的输入与输出特性（2）传感器的输出特性（阻抗匹配）传感器的输出特性是用来衡量传感器承受负载能力大小的重要参数。主要参数是广义输出阻抗Zo，定义为从提高负载能力出发，Zo越小越好，承载能力强；从获得最大功率出发，Zo等于负载阻抗。总的要求是：希望从被测对象处获取较小的能量，而输出大的有用信号。四、传感器的发展趋势发现新现象开发新材料采用微细加工技术集成化智能化仿生传感器第二章电阻式传感器及检测电路§2-1线绕电位器式传感器§2-2金属电阻应变传感器§2-3压阻式传感器第二章电阻式传感器及检测电路电阻式传感器是将非电量如力、位移、形变、速度和加速度等的变化，通过电阻元件变换成电阻值的变化，然后再变成电信号。§2-1线绕电位器式传感器一、线绕电位器结构和工作原理是典型的零阶传感器。结构：由线绕电阻（将电阻丝绕在绝缘的骨架上）和移动电刷组成。§2-1线绕电位器式传感器一、线绕电位器结构和工作原理原理：通过电刷的移动，改变电阻值的大小，从而得到不同的输出出电压Uo，输出电压与电刷位移之间的关系为式中SV为电压灵敏度，即单位位移所输出的电压。线绕电位器式传感器一、线绕电位器结构和工作原理当电位器接上负载后，输出为式中R—电位器总电阻；Rx—电刷所在位置的电阻；RL—负载电阻。线绕电位器式传感器一、线绕电位器结构和工作原理电位器负载特性曲线线绕电位器式传感器一、线绕电位器结构和工作原理从上面电位器负载特性曲线可以看出:电位器的输出特性（负载特性）是非线性的，这种非线性受RL/R比值的影响，比值越大，非线性越小;开路时,RL/R→∞，满足线性关系。线绕电位器式传感器二、线绕电位器的阶梯特性线绕电位器的电阻不是连续可调节器的，它是从一圈移动到另一圈，若绕线共有n匝，则电刷每移动一圈的调节器节电压为所以分辩率为：因此输出呈阶梯变化。由于电刷在从一圈移向另一圈的瞬间，会造成两相邻匝线短接，使总电阻减少，而产生一个小的波动，如图所示。线绕电位器式传感器二、线绕电位器的阶梯特性阶梯误差为理想阶梯特性与理论特性之间的误差：线绕电位器式传感器三、非线绕电位器电阻值分辩率高。（1）膜式电位器：碳膜和金属膜。（2）导电塑料电位器：塑料粉加导电材料粉。（3）光电电位器：非接触式。第二章电阻式传感器及检测电路§2-1线绕电位器式传感器§2-2金属电阻应变传感器§2-3压阻式传感器§2-2金属电阻应变传感器概述【能量变换】【原理】应变效应【用途】检测力、压力、转矩、位移、加速度等金属电阻应变传感器概述【类型】金属电阻应变片式（丝式、箔式）压阻式（半导体应变片）——压敏电阻固态压阻器件（压力敏感元件）【特点】简便、精度高、体积小、动态响应好；电阻值受环境温度影响很大金属电阻应变传感器一、应变的检测当外力作用物体时，物体在其弹性限度内产生伸缩变位，这种关系如果用应力和应变来表示，则有如下关系式中σ——应力（单位面上的作用力）ε——应变（单位长度的变位）E——材料的弹性系数因此，检测出物体的这种应变，就可以知道应力，作用力，位移，加速度和作用于轴上的转矩。金属电阻应变传感器一、应变的检测【应变效应】导体在机械变形时，引起电阻值发生变化，这种现象称为金属电阻应变效应。导体的电阻可由下式计算:式中ρ——电阻丝材料的电阻率（Ω.mm2/m）；l——电阻丝长度（m）；S——电阻丝截面积（mm2）。金属电阻应变传感器一、应变的检测--应变效应对上式两边取对数，有再对等式两边微分,得式中dR/R——电阻的相对变化；dρ/ρ——电阻率的相对变化；dl/l——金属丝长度的相对变化；dS/S——截面积的相对变化。设电阻丝的半径为r令为金属丝的轴向应变，为径向应变。而材料的轴向应变与径向应变的关系为其中μ为金属材料的泊松比，代入前式，得金属电阻应变传感器一、应变的检测--应变效应金属电阻应变传感器一、应变的检测--应变效应金属材料电阻率的相对变化与其体积的相对变化有如下关系式中c为金属材料的一种常数。所以有金属电阻应变传感器一、应变的检测--应变效应【电阻丝灵敏度系数】单位应变引起的电阻相对变化值。金属电阻应变传感器二、应变片的结构与材料敏感栅：直径为0.015～0.05mm的金属丝电阻为60Ω、120Ω、200Ω、…盖片和底基：厚度为0.02～0.04mm的纸片或有机聚合物引线：直径为0.1～0.15mm的镀锡铜线。金属电阻应变传感器三、主要特性１、传感器灵敏度系数传感器灵敏度系数小于电阻丝灵敏度系数，原因：胶层的影响，敏感栅