1、2.1 傳感器概述(i sh)2.1.1 傳感器的定義1）廣義定義：傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號(xnho)的器件。2）國際電工委員會定義為：“傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號(xnho)”。傳感器是傳感器系統的一個組成部分，它是被測量信號(xnho)輸入的第一道關口。第1頁/共51頁第一頁，共52頁。 傳感器系統的原理框圖于圖2-1所示，進入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時還需要將信號線性化，該工作(gngzu)是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路

2、完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號隨后轉換成數字信號，并輸入到微處理器。圖2-1 傳感器系統的原理(yunl)框圖第2頁/共51頁第二頁，共52頁。3）傳感器的基本要求（1）高靈敏度：抗干擾的穩定性(對噪聲不敏感(mngn)；（2）線性：容易調節(校準簡易)（3）高精度：高可靠性；（4）無遲滯性：工作壽命長(耐用性)；（5）可重復性：抗老化；（6）高響應速率：抗環境影響(熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力；（7）選擇性：安全性(傳感器應是無污染的)；（8）互換性：低成本；（9）寬測量范圍：小尺寸、重量輕和高強度。第3頁/共51頁第三頁，共52頁。

3、2.1.2 傳感器的組成（1）敏感元件(預變換器) 直接感受(gnshu)被測量(一般為非電量)并將其轉換為與被測量有確定關系的易變成電量(包括電量)的其它量的元件。（2）轉換元件(變換器) 它能將物理量直接轉換為有確定關系的電量的元件。（3）測量電路(變換電路) 把轉換元件輸出的電信號變為便于處理、顯示、記錄、控制的可用電信號的電路。（4）輔助電源 供給轉換能量。 非電量(dinling) 敏感元件 測量(cling)電路 輔助電源 電量 圖2-3 傳感器的組成框圖 轉換元件 第4頁/共51頁第四頁，共52頁。圖2-4 按傳感器工作原理(yunl)的分類2.1.3 傳感器的分類1）根據傳感器

4、工作原理，可分為(fn wi)物理傳感器和化學傳感器二大類，其分類示于圖2-4。第5頁/共51頁第五頁，共52頁。2）按照其用途，傳感器可分為：（1）壓力敏和力敏傳感器；（2）位置傳感器；（3）液面傳感器； （4）能耗傳感器；（5）速度傳感器； （6）熱敏傳感器；（7）加速度傳感器； （8）射線輻射(fsh)傳感器；（9）振動傳感器； （10）濕敏傳感器；（11）磁敏傳感器； （12）氣敏傳感器；（13）真空度傳感器； （14）生物傳感器等。第6頁/共51頁第六頁，共52頁。3）以其輸出信號為標準可將傳感器分為：（1）模擬傳感器：將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。（2）數字傳感器：將被測量的

5、非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。（3）膺數字傳感器：將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。（4）開關傳感器：當一個被測量的信號達到某個特定的閾值(y zh)時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。第7頁/共51頁第七頁，共52頁。4）從所應用的材料觀點出發可將傳感器分成(fn chn)下列幾類：（1）按照其所用材料的類別分：金屬、聚合物、陶瓷、混合物；（2）按材料的物理性質分：導體、絕緣體、半導體、磁性材料；（3）按材料的晶體結構分：單晶、多晶、非晶材料。第8頁/共51頁第八頁，共52頁。5）按照其制造工藝，可以將傳感器區分為：（1

6、）集成傳感器：是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。（2）薄膜傳感器：則是通過沉積在介質(jizh)襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。（3）厚膜傳感器：是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形。（4）陶瓷傳感器：采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。 第9頁/共51頁第九頁，共52頁。 電阻應變式傳感器是一種由電阻應變片(計)和彈性敏感元件組合起來的傳感器。 主要優點：（1）結構簡單，使用方

7、便，性能穩定可靠；（2）易于實現檢測(jin c)過程自動化和多點同步測量、遠距離測量和遙測；（3）靈敏度高，測量速度快，適合靜態動態測量；（4）可以測量多種物理量。2.2 2.2 電阻電阻(dinz)(dinz)應變式傳感器應變式傳感器第10頁/共51頁第十頁，共52頁。2.2.1 電阻應變式傳感器的理論基礎1）金屬導體的電阻定律 金屬導體的電阻值與其導線長度l成正比而與導線截面積S成反比，即: 2）金屬材料(cilio)的應變電阻效應 金屬材料(cilio)的電阻率的相對變化與其體積的相對變化成正比，即: 式中，c為由一定材料(cilio)和加工方式決定的常數。S Sl lR RVdVcd

8、第11頁/共51頁第十一頁，共52頁。3）材料的泊松比定律 在彈性(tnxng)限度內金屬絲沿長度方向伸長時，徑向尺寸縮小，反之亦然。即軸向應變t 與徑向應變r有下面的關系成立r=-t 4）半導體材料的壓阻效應 對于半導體材料施加應力(外力)時，除了產生變形外，材料的電阻率也隨著變化。這種由于應力的作用而使材料的電阻率改變的現象稱為“壓阻效應”，有下式關系成立 tEd第12頁/共51頁第十二頁，共52頁。2.2.2電阻應變式傳感器的數學模型 設有一長為l0的、截面積為S、電阻率為的導電金屬絲，它具有的電阻 當它受到軸向力被拉伸(或壓縮)時，其l、S和均將發生變化，因而導體的電阻也隨之發生變化。

9、利用數學求導的方法可求得電阻的相對變化量。將上式兩邊取對數，再對兩邊取微分得 式中， 為電阻的相對變化； 為材料的軸向線應變。 又由式由線應變定義(dngy)(徑向應變)和面積公式求導并代入得 式中為泊松比。SlR0 SdSldldRdR0 RdR0ldldRdR)21 (第13頁/共51頁第十三頁，共52頁。2.2.3 電阻應變式傳感器的主要應用 (1)將應變片粘貼于被測構件上，直接用來測定構件的應變和應力。 (2)將應變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構成應變式傳感器。這種傳感器常用(chn yn)來測量力、位移、加速度等物理參數。在這種情況下，彈性元件將得到與被測量成正比的應變，再通過應

10、變片轉換為電阻變化的輸出。第14頁/共51頁第十四頁，共52頁。2.3.1 電容式傳感器的理論基礎(jch) 電容式傳感器是以靜電場有關定律為其理論基礎(jch):1）兩塊無窮大的平行導電板(面電荷密度分別為+和-)的電場強度定律為: 極間電場強度為 板外電場強度為 E=0 電場方向：垂直于導電板由正電荷指向負電荷。2）電場強度與電位的關系定律對均強電場： 對非均強電場： 3）電場能量定律 2.3 電容式傳感器0EdUE dEdlE0 CQCUQUWe2212122 第15頁/共51頁第十五頁，共52頁。2.3.2 電容式傳感器的數學模型1）平行板電容器式傳感器的數學模型 假設：它們的表面積均

11、為S；內表面間距離為；極板面的線長度遠大于它們這間的距離，此時相當于極板為無窮大，所以除了邊緣外，兩極板內表面帶電均勻，極板間電場(din chng)也是均勻的；兩極板A、B的帶電量分別為q。則:SSCCrAB0第16頁/共51頁第十六頁，共52頁。2）圓柱形電容式傳感器的數學模型（1）同軸圓柱形電容式傳感器的數學模型 設A、B為兩個同軸圓柱形導體，A導體的半徑為r ,B導體的半徑為R，且Rr，L為導體的長度(chngd)，則（2）變介質式圓柱形電容傳感器的數學模型 C=a+ s1x 由上式可知，輸出電容與液面高度變化x成線性關系RrLRrLUqCABln22ln00第17頁/共51頁第十七頁

12、，共52頁。2.3.3 電容式傳感器的測量電路 將電容量轉換成電量 (電壓或電流)的電路稱作電容式傳感器的轉換電路。 1）電橋電路 下圖所示為電容式傳感器的電橋測量電路。通常(tngchng)采用電阻、電容或電感、電容組成交流電橋，該圖所示為一種電感、電容組成的電橋。由電容變化轉換為電橋的電壓輸出，經放大、相敏檢波、濾波后，再推動顯示、記錄儀器。第18頁/共51頁第十八頁，共52頁。 2）諧振電路 下圖所示為諧振式電路的原理框圖，電容傳感器的電容C3作為諧振回路(L2、C2、C3)調諧電容的一部分。諧振回路通過電感藕合，從穩定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當傳感器電容發生變化時，使得諧振回路的阻抗

13、發生相應的變化，而這個變化被轉換為電壓或電流(dinli)，再經過放大、檢波即可得到相應的輸出。第19頁/共51頁第十九頁，共52頁。說明：為了獲得較好的線性關系，一般諧振電路的工作點選在諧振曲線的線性區域內，最大振幅70%附近的地方，且工作范圍選在BC段內。這種電路的優點是比較靈活;其缺點是工作點不易選好，變化范圍也較窄，傳感器連接電纜的雜散電容(dinrng)對電路的影響較大，同時為了提高測量精度，要求振蕩器的頻率具有很高的穩定性。第20頁/共51頁第二十頁，共52頁。3）運算放大器電路 采用比例運算放大器電路，可以使輸出電壓約與位移的關系轉換為線性關系。如下圖所示，反饋回路中的Cx為極距

14、變化型電容式傳感器的輸入電路，采用固定電容C0，u0為穩定的工作電壓。由于(yuy)放大器的高輸入阻抗和高增益特性，比例器的運算關系為： 由上式可知，輸出電壓與電容傳感器的間隙成線性關系。第21頁/共51頁第二十一頁，共52頁。 2.4 氣體檢測傳感器 可燃氣體檢測報警器多采用基于(jy)熱化學反應的接觸燃燒原理。其構成原理如下圖所示。 元件C、D為傳感元件，其中是C補償元件，D為接觸燃燒元件。第22頁/共51頁第二十二頁，共52頁。2.4.1 氣體傳感器氣體傳感器能直接接受被測參數的有關數據(信息)，并能將所接受的物理量信息按一定規律轉變成同種或別種物理信息。為保證氣體檢測儀檢測的精度，氣體

15、傳感器必須滿足下列條件：（1）能夠檢測可燃氣體的允許濃度和其它基準設定濃度，并能及時給出報警、顯示和控制信號；（2）對被測氣體以外(ywi)的共存氣體或物質不敏感；（3）響應迅速，重復性好；（4）維護方便，價格便宜等。第23頁/共51頁第二十三頁，共52頁。1）催化型可燃氣體傳感器 催化型可燃氣體傳感器的主要特性如下：（1）它是一種通用的傳感器，適用于大多數檢測烴氣體的便攜式儀器和連續穩態儀器。（2）壽命12年。（3）有些化學品會使催化劑中毒，致使傳感器無響應。例如，曝露于硅的化合物、硫的化合物和氯等化學品時就會出現這種情況。（4）最常用于檢測甲烷。為檢測和精確測量其它氣體必須(bx)進行系數

16、校正。（5）不同廠商的產品質量是不一致的。第24頁/共51頁第二十四頁，共52頁。2）固態傳感器固體傳感器的重要特性如下：（1）它是所有通用傳感器中檢測范圍最寬的，能檢測低到PPm量級或易燃范圍的各種氣體，而且通過改變金屬氧化物材料、加工技術和工作溫度，可以獲得不同的響應特性。因此，它能在很寬的范圍檢測數百種氣體。（2）結構(jigu)簡單使其可靠壽命達1025年。具有魯棒性，耐沖擊和振動，并有防爆結構(jigu)。（3）其選擇性有限，并對可能造成誤觸發報警的干擾和背景氣體敏感。第25頁/共51頁第二十五頁，共52頁。3）紅外氣體傳感器紅外傳感器的主要特性(txng)如下：（1）它不與被測氣體

17、相接觸。光學器件保護傳感器的主要元件不受氣體本身影響，因此這種傳感器能在高濃度場合可長期有效使用。（2）由于無需曝露于氣體，所以沒有傳感器中毒、燒壞或疲勞問題，容易實現滿足防爆要求的結構。（3）元件故障造成的信號丟失將關閉報警。但只要保持零氣體讀數校準，則傳感器就有良好的響應和測量準確度。（4）它是高濃度可燃碳氫化合物氣體的理想傳感器，也是極有效的監測器。第26頁/共51頁第二十六頁，共52頁。2.4.2 氣體傳感器的分類1）按原理分類 （1）利用物理化學性質的氣體傳感器：如半導體式(表面控制型、體積控制型、表面電位型)、催化燃燒(rnsho)式、固體熱導式等。（2）利用物理性質的氣體傳感器：

18、如熱傳導式、光干涉式、紅外吸收式等。（3）利用電化學性質的氣體傳感器：如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電極式、固定電解質式等。第27頁/共51頁第二十七頁，共52頁。2.按結構分類 氣體傳感器從結構上可區分為干式和濕式兩大類。凡構成氣體傳感器的材料為固體者均稱為(chn wi)干式氣體傳感器；凡利用水溶液或電解液感知待測氣體濃度的稱為(chn wi)濕式氣體傳感器。圖2-9為氣體傳感器的分類情況： 圖2-9 氣體(qt)傳感器的分類第28頁/共51頁第二十八頁，共52頁。2.5.1 靜態特性的性能指標1）精確度、精密度和準確度精確度的含義是：傳感器反映的信號值與被測物理量真值(約定)的一

19、致程度。精密度指的是在一定條件下進行多次測量時，在測量結果比較(bjio)集中和儀器分辨率較高的條件下，隨機誤差的大小。準確度是指在規定條件下，測量結果的正確程度。 2.5 傳感器主要(zhyo)技術性能指標第29頁/共51頁第二十九頁，共52頁。minmaxYY量程2）測量范圍與量程(lingchng) 測量范圍指被測物理量可以按規定的精確度進行測量的范圍。量程(lingchng)是指測量范圍的上限值與下限值的代數差。即： 第30頁/共51頁第三十頁，共52頁。3）線性度誤差度理想(lxing)情況下，傳感器的輸入和輸出是線性關系，其圖形是一條理想(lxing)直線。而實際測量系統的靜態特性

20、則是按下面的多項式規律變化的：由上式可知，輸出量的變化除按線項外，還有多項高次分量的影響，所以，輸入輸出特性應是一條變化程度不同的曲線(稱校準曲線)。 nnxaxaxaaY2210第31頁/共51頁第三十一頁，共52頁。線性度誤差就是指校準曲線與規定直線(zhxin)的最大偏差，通常用百分數來表示。這個百分數就是表示輸入輸出特性的非線性度，或稱線性度誤差(見下圖)。%100minmaxmax,YYYLL從圖中可知(k zh)，最大偏差為 ，通常用量程的百分數表示，即：max,LY第32頁/共51頁第三十二頁，共52頁。4）靈敏度靈敏度反映傳感器對被測物理量的變化程度。靈敏度用輸出變化值 除以輸

21、入變化值 ，即：可見，線性系統的靈敏度就是特性(txng)曲線的斜率，且靈敏度為一常數。非線性系統，其靈敏度是特性(txng)曲線某點處的切線斜率，隨輸入量的變化而變化。靈敏度可用百分數或絕對值表示，一定用途的傳感器要限定其范圍。XYKYX第33頁/共51頁第三十三頁，共52頁。5）回差 回差也稱變差。在測量全范圍內，同一個輸入信號所對應的上、下行程輸出之間的最大差值稱回差?；夭畎?zh hu)誤差和死區，回差以輸出量程的百分數表示：式中 測量全范圍內，上、下行程輸出的最大差值。%100minmaxmax,YYYVVmax,VY第34頁/共51頁第三十四頁，共52頁。（1）死區輸入變量變

22、化時，輸出變量幾乎毫無變化的有限區間(q jin)，稱死區。見圖2-12。死區用輸入量程的百分數表示： %100minmaxXXXdd圖2-12 死區第35頁/共51頁第三十五頁，共52頁。（2）滯后誤差在全范圍內的被測值上、下行程均得校準曲線，兩曲線間的最大偏差 ，減去死區值后的輸出增量為稱之為滯后誤差。其曲線如圖2-13所示。滯后誤差同樣(tngyng)用百分數表示為：%100minmaxmax,YYYHHmax,VYmax,HY圖2-13 滯后(zh hu)誤差第36頁/共51頁第三十六頁，共52頁。6）分辨率：儀器能夠(nnggu)檢測出被測信號的最小增量，稱為該儀器的分辨率。如：某一

23、溫度傳感器的量程是-5099.9，其分辨率應是0.1。7）閾值：能引起傳感器(儀器)輸出的被測物理量最小變化值，稱作傳感器的閾值。8）重復性：在同一工作條件下，傳感器對同一輸入，并按同一方向連續多次檢測時，其輸出值相互間的一致程度，稱傳感器的重復性。有時用重復誤差來表示重復性。第37頁/共51頁第三十七頁，共52頁。9）過載：在不致引起規定性能指標永久改變的前提下，允許傳感器超過測量范圍的能力，稱過載。過載能力可用下式表示：10）飄移：傳感器輸入輸出特性，隨某一外界因素的影響而出現緩慢變化的現象，稱飄移。對于采用電橋電路的傳感器，零點飄移是儀器主要性能指標之一。靜態特性是從靜態角度考察傳感器測

24、量精度的指標，為了獲取準確的輸出信號，要求傳感器應具備靜態響應良好的綜合性能。為此，就應盡量(jnling)獲取合適的測量范圍和量程，具備足夠的靈敏度、分辯力和重復性，以及盡量(jnling)小的閾值、線性度誤差、回差和飄移。%100)(量程的測量值或下限允許超過被測上限過載第38頁/共51頁第三十八頁，共52頁。2.5.2 動態特性 傳感器動態特性，是指傳感器對于隨著時間變化的輸入信號的響應性能，一般(ybn)用響應時間來表示。因為被測參數在輸入輸出過程中，存在一定的運動慣性和能量傳遞時間，必然引起輸入與輸出之間出現一定的差值。這一誤差稱作動態誤差。第39頁/共51頁第三十九頁，共52頁。衡

25、量動態誤差(響應時間)，常用時間常數T和傳遞滯后時間 (又稱時滯或死區)表示：（1）時間常數T 值越大，響應時間越長(yu chn)，動態誤差存在的時間也越長(yu chn)，動態誤差的數值也越大，反之，誤差數值就小T值越小越好。（2）傳遞滯后時間(時滯) 從輸入信號產生變化的瞬間開始到所引起的輸出量變化瞬間為止，這段時間間隔叫時滯。在時滯階段，動態誤差最大，并一直持續到時滯結束，所以，我們希望時滯越小越好。 第40頁/共51頁第四十頁，共52頁。 1）合理選擇結構、材料與參數 決定傳感器性能的技術指標很多，因此根據實際的需要與可能，在確保主要指標實現的基礎上，放寬對次要指標的要求，以求得高的

26、性能價格比。在設計、制造傳感器時合理選擇結構、材料與參數是保證具有良好性能價格比的前提。由于傳感器種類繁多(fndu)，國內外采用羅列若干基本參數和比較重要的環境參數的方法來作為檢驗、使用和評價傳感器的依據?；緟抵笜?、環境參數指標、可靠性指標、其它指標量程指標第41頁/共51頁第四十一頁，共52頁。2）采用線性化技術 要求傳感器具有線性輸出特性的優越性在于：（1）可簡化理論分析和設計計算；（2）便于標定和數據處理；（3）便于刻度、制作、安裝調試，并能提高(t go)精度水平；（4）可不用非線性補償環節。只有當傳感器的輸入與輸出具有線性關系時，才能保證無失真的復現。但實際上傳感器的線性特性很

27、難做到。所以，人們要通過各種方法來完成輸入輸出特性的線性化，以改善傳感器的性能。第42頁/共51頁第四十二頁，共52頁。3）平均技術 通用的平均技術有誤差平均處理和數據平均處理。（1）誤差平均處理 是利用n個傳感器單元同時感受被測量，因而其輸出是這些單元輸出的總和，假如將每一個單元可能帶來的誤差0均視為隨機誤差，根據誤差理論，總的誤差將減小為 。 誤差平均對由于工藝缺陷造成的隨機誤差有較好的彌補作用。（2）數據平均處理 在相同條件下和測量重復n次或進行n 次采樣，然后進行數據處理，隨機誤差也將按上式減小 倍。對于(duy)帶有微機芯片的智能化傳感器尤為方便。n0n第43頁/共51頁第四十三頁，

28、共52頁。4）采用補償與校正技術 有時(yush)傳感器的誤差規律過于復雜，采用一定的技術措施后仍難以滿足要求，或雖然可以滿足要求，但因價格昂貴或技術過分復雜而無現實意義。這時可以找出誤差的方向和數值，采用修正的方法加以補償和校正。5）采用屏蔽、隔離與抑制干擾措施 傳感器可以視為一個復雜的輸入系統，除能敏感有用信號外，還能敏感外界其它無用信號，即干擾信號而造成誤差。消除或削弱干擾有方法可以從以下兩個方面著手： （1）減小傳感器對干擾的靈敏度； （2）降低外界干擾對傳感器作用的實際功率。第44頁/共51頁第四十四頁，共52頁。2.6 2.6 傳感器的選用傳感器的選用(xunyng)(xunyng

29、)原則原則2.6.1 靈敏度1) 要求傳感器本身的噪聲小，而且不易從外界引進干擾噪聲。2)與靈敏度緊密相關的是量程范圍。當傳感器的線性工作范圍一定時，傳感器的靈敏度越高，干擾噪聲越大，則難以保證傳感器的輸入在線性區域內工作。3)當被測量是一個向量時，并且是一個單向(dn xin)量時，就要求傳感器單向(dn xin)靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好;如果被測量是二維或三維的向量，那么還應要求傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。第45頁/共51頁第四十五頁，共52頁。2.6.2 響應特性 傳感器的響應特性是指在所測頻率范圍內，保持不失真的測量條件。2.6.3 線性范圍 任何傳感器都有一定(ydng)的線性工作范圍。在線性范圍內輸出與輸入成比例關系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區域內，是保證測量精度的基本條件。第46頁/共51頁第四十六頁，共52頁。2.6.4 穩定性 穩定性是表示傳感器經過長期使用以后，其輸出特性不發生變化的性能。 影響傳感器穩定性的因素(yn s)是時間與環境。 為了保證穩定性，在選擇傳感器時，一般應注意兩個問題。 1）根據環境條件選擇傳感器。 2）要創造或保持一個良好的環境，在要求傳感器長期地工作而不需經常地更換或校準的情況下，應對傳感器的穩定性有嚴格的要求。第47