传感器的基本知识

1学习要点掌握传感器的概念及组成熟悉传感器的分类方法了解传感器的命名方法掌握传感器的一般特性21.1传感器的作用与地位1.2传感器的应用与发展1.3传感器的定义与组成1.4传感器的分类1.5传感器的命名及代号1.6传感器的基本特性主要内容返回主目录31.1传感器的作用与地位世界是由物质组成的，各种事物都是物质的不同形态。人们为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能，人的大脑对“五官”感受到的信息进行加工、处理，从而调节人的行为活动。人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对某一事物的存在与否作定性了解，有时需要进行大量的实验测量以确定对象的量值的确切数据，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种仪器设备就是传感器。传感器是人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。4电量和非电量表征物质特性及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类。电量——一般是指物理学中的电学量，例如电压、电流、电阻、电容及电感等；非电量——则是指除电量之外的一些参数，例如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度及酸碱度等等。人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。5传感器的作用非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。传感器是获取自然或生产中信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。采用传感器技术的非电量电测方法，就是目前应用最广泛的测量技术。6传感器的地位随着科学技术的发展，传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱产业，分别充当信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，他们构成了一个完整的自动检测系统。在利用信息的过程中，首先要解决的问题就是获取可靠、准确信息，所以传感器精度的高低直接影响计算机控制系统的精度，可以说没有性能优良的传感器，就没有现代化技术的发展。返回本章目录71.2传感器的应用与发展传感器几乎渗透到所有的技术领域。如工业生产、宇宙开发、海洋探索、环境保护、资源利用、医学诊断、生物工程、文物保护等等广泛领域，并逐渐深入到人们的生活中。在机器人的技术发展中，传感器采用与否及采用数量的多少是衡量机器人是否具有智能的标志，现代智能机器人因为采用了大量的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器，才使得其具有自我诊断、自我补偿、自我学习等能力，机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用。传感器被称为机器人的“电五官”。8在兵器领域中，使用了诸如机械式、压电、电容、电磁、光纤、红外、激光、生物、微波等等传感器，以实现对周围环境的监测与目标定位信息的收集，从而更好的解决了安全、可靠的防卫能力。9在民用工业生产中，传感器也起着至关重要的作用。如一座大型炼钢厂就需要2万多台传感器和检测仪表炼铁高炉监控与传动系统10大型的石油化工厂需要6千台传感器和检测仪表11一部现代化汽车需要90多只传感器一台复印机需要20多只传感器12日常生活中的电冰箱、洗衣机、电饭煲、音像设备、电动自行车、空调器、照相机、电热水器、报警器等家用电器都安装了传感器；13在医学上，人体的体温、血压、心脑电波及肿瘤等的准确诊断与监控都需要借助各种传感器来完成。14当今信息时代，随着电子计算机技术的飞速发展，自动检测、自动控制技术显露出非凡的能力，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕获和转换，就没有现代化的自动检测和自动控制系统；没有传感器就没有现代科学技术的迅速发展。自1980年以来，世界传感器的产值年增长率达15%～30%，1985年世界传感器市场的年产值为50亿，1990年为155亿。传感器的发展是如泉涌，不可阻挡，它是衡量一个国家经济发展及现代化程度的重要标志。151.3传感器的定义与组成1.3.1传感器的定义“能感受（或响应）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”。这一定义包含了几个方面的含义：①传感器是测量装置，能完成测量任务；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它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处理和显示等，这就是所谓的“可用信号”的含义；④输出与输入有一定的对应关系，这种关系要有一定的规律。根据字义可以理解传感器为一感二传，即感受信息并传递出去。16被测非电量电量敏感元件转换元件转换电路它是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、更易于转换的某一物理量的元件。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把转换元件输出的电信号变换为便于处理、显示、记录、控制和传输的可用电信号敏感元件转换元件电源1.3.2传感器的组成并不是所有的传感器必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件如果转换元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的电量，它就同时兼为敏感元件。例如压电晶体、热电偶、热敏感电阻及光电器件等。敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器是很多的。返回本章目录171.4传感器的分类常用的分类方法有两种：一种是按被测输入量来分.另一种是按传感器的工作原理来分.181.4.1按被测物理量分类这一种方法是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、加速度传感器及转距传感器等。这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量。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。这种分类的优点：比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。19表1-1基本被测量和派生被测量基本被测量派生被测量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、平面度力压力重量、应力、力矩角位移旋转角、偏转角、角振动时间频率周期、记数、统计分布速度线速度速度、振动、流量、动量温度热容、气体速度、涡流角速度转速、角振动、角动量光光通量与密度、光谱分布加速度线加速度振动、冲击、质量湿度水分、水气、露点角加速度角振动、转矩、转动惯量201.4.2按传感器工作原理分类这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。这种分类的优点是对传感器的工作原理表达的比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入的研究分析。缺点是不便于使用者根据用途选用。211.电学式传感器电学式传感器常用的有:电阻式传感器——利用变阻器将被测非电量转换成电阻信号的原理制成。电容式传感器——利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成的。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的。磁电式传感器——利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量而制成。电涡流式传感器——利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理而制成。222.磁学式传感器磁学式传感器的是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的。磁学式传感器的主要用于位移、转矩等参数的测量。233.光电式传感器光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成。光电式传感器主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。244.电势型传感器电势型传感器是利用热电效应、光电效应及霍耳效应等原理而制成。电势型传感器主要用于温度、磁通量、电流、速度、光通量及热辐射等参数的测量。255.电荷型传感器电荷型传感器是利用压电效应原理而制成。主要用于力及加速度的测量。（动态力测量）266.半导体型传感器半导体型传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、电磁效应及半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。半导体型传感器主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。277.谐振式传感器谐振式传感器是利用改变电或机械固有参数来改变谐振频率的原理而制成。主要用来测量压力。288.电化学式传感器电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成。根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱（极化）式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位参数的测量。29其他分类方法按能量分类——有源传感器和无源传感器；按输出信号的性质分类——模拟式和数字式传感器。数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如盘式角度数字传感器，光栅传感器等。本书主要是按被测量分类编写的，适当加以工作原理的分析，重点讲述各种传感器的用途，使读者学会使用传感器，进一步去开发新型传感器。返回本章目录301.5传感器的命名及代号1.5.1传感器命名法的构成传感器产品的名称，应由主题词及四级修饰语构成。（1）主题词——传感器。（2）第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语。（3）第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字。（4）第三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必须的性能特征，一般可后续以“型”字。（5）第四级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。31本命名法在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合使用。例1传感器，绝对压力，应变式，放大型，1～3500kPa；例2传感器，加速度，压电式，±20g。在技术文件、产品样书、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序。例11～3500kPa放大型应变式绝对压力传感器；例2±20g压电式加速度传感器。321.5.2传感器代号的标记方法一般规定用大写汉字拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完整代号。传感器完整代号应包括以下四个部分，格式如下：：（1）主称（传感器）；（2）被测量；（3）转换原理；（4）序号。（4）序号（3）转换原理（2）被测量（1）主称返回本章目录有少数代号用其英文的第一个字母表示，如加速度用“A”表示。33在被测量、转换原理、序号三部分代号之间有连字符“-”连接。例1：应变式位移传感器，代号为：CWY-YB-10；例2：光纤压力传感器，代号为：CY-GQ-1；例3：温度传感器，代号为：CW-01A；例4：电容式加速度传感器，代号为：CA-DR-2。341.6传感器的基本特性传感器的基本特性，即输入——输出特性动态特性----被测量随时间快速变化时传感器输入与输出间的关系。静态特性----被测量不随时间变化或随时间变化缓慢时输入与输出间的关系。传感器的基本特性35静态测量36缓慢变化的测量-静态测量37动态测量381）绝对误差：δ=Ax（测量值）－X0（被测量真值）某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？1.绝对误差和相对误差392）相对误差%1000X相对误差：%1000L引用误差：%1000Lmm最大引用误差：L:仪表量程402）基本误差仪表的准确度等级和基本误差例：某指针式电压表的精度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的最大引用误差为2.5%。412.粗大误差、系统误差和随机误差1)粗大误差明显歪曲测量结果（明显偏离真值）的误差称为粗大误差