傳感器技術摘要一、傳感器的定義隨著科學技術的發展，用非電量的測量方法去測量非電量已不能滿足工程測量要求，因而研究開發了新的測量技術——非電量電測技術。非電量電測技術中的關鍵技術是研究如何將非電量轉換成電量的技術——傳感器技術。傳感器是一種以一定精確度把被測量（主要是非電量）轉換為與之有確定關系、便于應用的某種物理量（主要是電量）的測量裝置。這一定義包含了以下幾個方面的含義：（1）傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；（2）它的輸入量是某一被測量，如物理量、化學量、生物量等；（3）它的輸入是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；（4）輸出與輸入間有對應關系，且有一定的精確度。總之，傳感器處于測量系統的最前端，起著獲取信息與轉換信息的重要作用。傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路3部分組成，組成框圖如圖所示：1、敏感元件：直接感受被測量，輸出與被測量有確定關系；2、轉換元件：磁芯與電感線圈；3、轉換電路：磁芯變化引起轉換電路輸出變化。傳感器的分類傳感器是一門知識密集型技術，其原理各種各樣，它與許多學科有關，種類繁多，分類方法也很多，目前廣泛采用的分類方法有以下幾種。1、按傳感器的工作原理：物理型、化學型、生物型；2、按傳感器的構成原理：結構型(定理、數學公式)、物性型(材料有關)3、按能量轉換：能量控制型：外加電源、應變電阻、熱阻、光阻；能量轉換型：壓電效應、熱電效應、光電動勢效應。4、按用途：位移、壓力、溫度、振動、電流、電壓、功率等；5、按物理型的分類：1)電參量：電阻式、電感式、電容式；2)磁電式：磁電感3)壓電式；4)光電式：光柵、激光、光纖、紅外、攝像；5)熱電式；6)波式：超聲波、微波；7)半導體式；正文一、傳感器的特性所謂傳感器的特性就是傳感器的輸入、輸出關系。傳感器在出廠或使用之前需要進行標定，確定其輸入與輸出之間的關系，從而得到其性能指標。由于從時間角度可以將被測非電量分為靜態和動態兩大類，所以，傳感器的特性和性能指標分為靜態特性和動態特性兩大類。1、靜態特性：輸入量為常量或變化緩慢的信號；2、動態特性：空載輸出電壓 電壓靈敏度：電阻靈敏度：ρ、A、t：導線的電阻率、截面積、節距b、h：骨架的寬度及高度；I：工作電流電壓分別率ΔU電位器電刷作臺階式的跳躍變化。電刷每移過一匝，輸出電壓(電阻)就會產生一個階躍，其階躍值為：ΔU=Umax/N負載特性接入負載后，輸出電壓為：令電阻的相對變化γ為：X為電刷相對行程非線性誤差δl： 令 可得： （4）線性電位器傳感器的應用特點：整個量程范圍內，單位長度上的電阻值處處相等，只要是能轉變成位移的參數均可用電位器作為檢測元件。例如：溫度、物位，振動、位移、速度等。小結：電阻式傳感器是目前非電量測量最主要的傳感器器件之一，其種類繁多，應用相當廣泛，應用技術也相對成熟。電阻式傳感器的基本原理是將被測非電物理量的相對變化轉換成為電阻值的變化量，經過測量電路匹配后獲得費電量測量的相應數據量值。根據電阻式傳感器的工作原理和具體應用情況，可以將傳感器制作成各種類型并和測量電路進行有機組合運用，構成測量如壓力、形變、唯一、加速度、扭矩、溫度等非電量參數的測量器件或監測系統。（二）電感式傳感器原理：與各種非電量能影響傳感器的電阻值，因此成為可測的量一樣，電感也能受非電量的控制。在這類電感式傳感器中，線圈的電感L是要測量的電量。它取決于線圈匝數N的平方和線圈的磁阻Rm一個有環形鐵心的線圈的磁阻與磁力線所走過的路程長度s、磁力線穿過的截面積A、真空磁導率μo及相對磁導率μr有關Rm=2/(μoμrA)在電感式傳感器中發生變化的物理量是路程長度s和相對磁導率μr。電感式傳感器主要類型1）自感式傳感器2）差動變壓器式傳感器3）電渦流式傳感器電感式傳感器的主要特點1、結構簡單，無活動電觸點，工作可靠、壽命長；2、靈敏度和分辨率高，能測出0.01um位移變化傳感器的輸出信號強，電壓靈敏度一般為每毫米的位移可達幾百毫伏的輸出；3、線性度和重復性好，一定位移范圍內(幾十至幾毫米)，非線性誤差可做到0.05%~0.1%，穩定性也好。能實現信息的遠距離傳輸、控制，在工業自動化生產中被廣泛使用；4、頻率響應低、不宜進行快速動態測量。以自感式傳感器為例1、簡單自感傳感器的原理及特性σ為空氣隙的厚度μo為空氣隙的磁導率S為空氣隙的橫截面積RM為電路總磁阻自感傳感器基本類型a：不變，電感值隨氣隙變化的變氣隙型傳感器b：不變，電感值隨面積變化的變面積型傳感器2、變間隙型自感傳感器的工作特性S不變，空氣隙有微小變化時，設初始空氣隙厚度大小為，此時線圈的自感為：電感的變化量為靈敏度二次項非線性通常取工作特性是線性的，其靈敏度為：傳感器的測量特點1、變氣隙型靈敏度高，非線性誤差大，測量范圍小；2、變面積型靈敏度較低，但線性度好，測量范圍大；3、結構比較簡單，運用方便。缺點有初始電感，線圈流向負載的電流不為零，銜鐵永遠受有吸力，這是結構帶來的固有誤差。線圈電阻受溫度影響引起溫度誤差，靈敏度低4、差動自感傳感器變間隙型差動自感傳感器的原理圖如圖組成：一個公共銜鐵、上下兩個對稱線圈電感變化量為：靈敏度非線性特性差動自感傳感器僅含有奇次方非線性項，其三次方非線性誤差為：5、基本測量電路如圖交流電橋，Z1、Z2為傳感器的兩個線圈中的阻抗，構成一對橋臂，另兩臂為電源變壓器二次線圈的兩半（每一半的電壓為)，0為零電壓參考電壓，A、B點為電壓輸出端。工作過程1)銜鐵處于中心位置時，兩線圈完全對稱：2)銜鐵↓時，得到輸出電壓：3)當傳感器線圈電阻遠小于其感抗，即，輸出電壓的有效值為： ω為電源角頻率顯然，當銜鐵運動時，阻抗Z1，Z2雖變化，但變化的僅為電感量L，而線圈電阻r可認為不變，故： 4)同理當銜鐵↑時，可得到電壓輸出值為：有效值為：（三）電容式傳感器工作原理利用電容器的原理，將一些非電物理量轉化為電容量，實現非電量向電量的轉化及測量。電容式傳感器是一個具有可變參數的電容器。忽略邊緣效應，可得到平板電容器的電容為：εr-----平行板間介質的相對介電常數εo-----真空介電常數ε-----平行板間介質的介電常數A-----兩平行板所覆蓋的面積d-----兩平行板之間的距離C-----電容量實際的使用中，電容式傳感器通常以改變平行板極間的距離來進行測量，因為這樣獲得的測量靈敏度要于改變其他參數的電容傳感器的靈敏度。改變平行板間距的電容傳感器可以微米數量級的位移，而改變面積的傳感器只適用于測量厘米數量級的位移。電容式傳感器的分類類型：變面積型、變間隙型、變介電常數型電容式傳感器的結構類型及主要特性電容的電容量電容的相對變化量傳感器的靈敏度為電容傳感器的電容相對變化實際關系測量電路1、電橋電路電橋采用穩定頻率、穩定幅度、固定波形的信號源（低內阻）激勵，經電流放大和相敏整流得到直流輸出信號。電橋平衡條件為：電橋輸出電壓為Ro-------為電容的耗損電阻-------為差動電容的變化量Co-------電容的初始值Z-------、的等效阻抗2、差動脈沖調寬電路C1、C2為差動電容傳感器A1、A2為比較器D為雙穩態RS觸發器Ur為參考電壓3、運算放大器電路利用運放的高增益、高輸入阻抗的特點，可克服變間隙型電容傳感器特性的非線性情況，使其輸出信號能與輸入機械位移呈線性關系，選用高輸入阻抗的運放，根據運放的工作原理，可得下式成立：應用領域：廣泛用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，且逐步擴大應用于壓力、液面、成分含量等方面的測量。1、測量直線位移、角位移、振動振幅(可測微小振幅).2、測量高頻振動振幅、精密軸系回轉精度、加速度等機械量。3、測量壓力、差壓、液位、料面、成分含量（如油、糧食、木材的含水量）及非金屬材料的涂層、油膜厚度4、測量電介質的溫度、密度、厚度等。5、作為位置信號發生器。6、采用單邊式電容傳感器，把被測物作為電容器的一個電極，另一個電極則在傳感器內，它可以用來測定料位、振動振幅，具有測量精度高，快速準確的特點。電容式傳感器的結構類型及主要特性電容傳感器的特點：電容傳感器與電阻、電感等傳感器相比有以下優點。eq\o\ac(○,1)溫度穩定性好。電容傳感器的電阻值一般與電極材料無關，有利于選擇溫度系數低的材料，又因其本身發熱性極小，影響穩定性甚微。而電阻傳感器有電阻，電感傳感器有銅損等，易產生發熱、零漂等情況。eq\o\ac(○,2)結構簡單，適應性強，能夠承受很大的溫度變化，能夠承受高壓力、高沖力、過載等情況。eq\o\ac(○,3)動態響應好。電容傳感器由于帶電極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小。又由于它的可動部分質量可以做得很輕，因此其固有頻率很高，動態響應時間短，特別適用于動態測量。eq\o\ac(○,4)可實現非接觸測量，且具有平均效應，可以減小由于傳感器極板加工過程中局部誤差較大而對整體測量精度的影響。電容傳感器存在以下缺點。eq\o\ac(○,1)輸出阻抗高，負載能力差。電容傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器輸出阻抗很高。因此傳感器的負載能力差，易受外界干擾影響而產生不穩定現象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施。eq\o\ac(○,2)寄生電容影響大。電容傳感器的初始電量小，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容、電子線路的雜散電容及傳感器內極板與周圍道題構成的電容等寄生電容卻很大，這不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容常常是隨機變化的，使儀器工作很不穩定，影響測量精度。因此，電容傳感器對電纜的選擇、安裝、接法等都有要求。三、新型傳感器簡介及傳感器未來發展由于人們愈來愈認識到傳感器的重要性，許多發達國家甚至把傳感器技術與計算機、通信、激光、半導體及超導體等并列為六大核心技術。近年來，傳感器研究方面投入量大量的人力和物力，取得了較大的發展，其中光纖傳感器、生物傳感器、智能傳感器和機器人傳感器是有代表性的新型傳感器。下面簡要介紹這些方面的現狀。光纖傳感器光纖即光導纖維。光纖技術在通訊中獲得成功后，近年來在傳感器領域中的應用也取得了引人注目的進展。光纖多是用石英為主要原料制作的一種通明度很高的導光介質材料，其直徑一般為一二百微米。它有體積小、重量輕、柔軟性好、可彎曲、傳送功率損耗小、絕緣性能極好等一系列優點；在高壓、強磁場、有腐蝕性介質及高溫高濕等環境條件下使用安全、可靠、抗干擾性強，現已廣泛用于測量壓力、位移、應變、液面、速度、溫度、磁場、電流、電壓等物理量，是一種很有發展前途的新型傳感器。光纖的工作原理基于光的全反射。生物傳感器和仿生傳感器傳統的傳感器都是利用非生物（金屬、半導體）的物性變化來檢測信號。近年來，在傳感器技術中開始利用生物（目前階段常用微生物）來敏感信號。例如，可以利用微生物的呼吸作用、新陳代謝機能來測定有機物的濃度。這方面的成果已經用于發酵工業、環境監測、生物醫學等領域中。生物體具有目前世界上最奇異的檢測功能，如貓的視覺、獵犬的嗅覺、蝙蝠的聽覺等。現在仿生物傳感器正在興起。可以預言，仿生感覺器將會是今后傳感器技術研究和發展的重要方向之一。智能傳感器所謂智能傳感器就是一種帶有微處理機的，兼有檢測與信息處理功能的傳感器。簡而言之，就是帶計算機的傳感器，它和傳統傳感器有明顯的區別。它除具備傳統傳感器的功能外，還具有記憶及運算的功能；空間信息處理及非線性濾波的功能；多重輸入系統的構成與同一數據的周期重復處理功能；系統的調節與控制的功能等。隨著計算機技術的進一步發展，智能傳感器的研究必定會進入一個全盛時期。機器人傳感器機器人傳感器是20世紀70年代開始發展起來的一門專門用于機器人技術方面的新型傳感器。一般機器人傳感器的基本原理與傳統傳感器的原理相同，但機器人傳感器又有其特殊性。要使機器人能代替人的勞動，自如地去完成人所能干的，甚至某些人所難以勝任的動作，它就必須具備能夠判斷周圍環境狀態的感覺功能。機器人傳感器可分為人內部傳感器和機器人外部傳感器兩種。機器人內部傳感器的功能是測量運動學和動力學參數，其提供信息的目的是控制機器人按規定的位置、軌跡、速度、加速度和受力大小進行工作。機器人外部傳感器的功能是認識工作環境，其提供信息的目的是檢查產品質量、去污、控制操作、應付環境和修改程序。目前，對機器人傳感器的研究已經成為智能機器人的重要課題。5.發展隨著科技的發展以及人們