常用传感器原理与应用分析

《传感器与测量技术》课程设计题目常用传感器原理与应用分析姓名学号院（系）班级指导教师职称二O一一年七月十日摘要传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。

这些不同提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。

如在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件称为敏感元件，如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等，在超声波技术中则强调的是能量的转换，如压电式换能器。

这些提法在含义上有些狭窄，而传感器一词是使用最为广泛而概括的用语。

传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。

如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，获得最佳数据的显示与控制都是不可能实现的。

传感器的输出信号通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。

电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成，组成框图如图l —l所示。

其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中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。

由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换电路可能目录摘要 (1)第一章传感器的概述 (3)1.1传感器的定义及分类 (3)1.2传感器的作用与地位 (3)1.3传感器的特性 (4)1.3.1传感器的动态特征 (4)1.3.2传感器的静态特征 (4)第二章传感器的原理及应用 (4)2.1电容式传感器 (4)2.1.1概念 (4)2.1.2电容传感器传感器的原理 (5)2.1.3电容式传感器应用 (8)2.2磁电式传感器 (9)2.2.1概念 (9)2.2.2磁电式传感器原理 (10)2.2.3磁电式传感器的应用 (11)2.3电容式传感器 (11)2.3.1概念 (11)2.3.2电容式传感器的原理 (12)2.3.3电容式传感器的应用 (14)第三章总结 (14)第一章传感器的概述1.1传感器的定义及分类定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

分类：可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

1、传感器按照其用途分类：压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器、24GHz雷达传感器2、传感器按照其原理分类：振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器真空度传感器、生物传感器等。

3、传感器按照其输出信号为标准分类：模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。

开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

4、根据传感器工作原理分类：可分为物理传感器和化学传感器二大类1.2传感器的作用与地位人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 nm 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。

许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。

一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之广泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

世界各国都十分重视这一领域的发展。

相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平1.3传感器的特性1.3.1传感器静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。

因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。

表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

1.3.2传感器动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。

在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。

这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。

最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

第二章传感器的原理及应用2.1电容式传感器2.1.1概念电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。

结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。

随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。

由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数ε0 (8.854×10－12F/m)、极板间介质的相对介电常数εr 、极板的有效面积A 以及两极板间的距离δ有关：δεε/0A C r = (4-1)若被测量的变化使式中δ、A 、εr 三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。

因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型2.1.2电容传感器传感器的原理图4.1为传感器的原理图。

当传感器的εr 和A 为常数，初始极距为δ0，由式(4-1)可知其初始电容量C 0为:图4.1变极距型电容传感器原理图000/δεεA C r = (4-2)当动极端板因被测量变化而向上移动使δ0减小Δδ0时，电容量增大ΔC则有:()()0000000/1//δδδδεε∆-=∆-=∆+C A C C r (4-3)可见，传感器输出特性C ＝f(δ)是非线性的，如图4-2所示。

电容相对变化量为:1000001/-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-∆=∆δδδδC C(4-4)如果满足条件(Δδ0/δ0)<<1，式(4-4)可按级数展开成:⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+∆+∆=∆ 300200000001/δδδδδδδδC C(4-5)略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系和灵敏度S 分别为:000/δδ∆≈∆C C (4-6)和200000///δεεδδA C C S r ==∆∆= (4-7)如果考虑式(4-5)中的线性项及二次项，则: ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+∆=∆000001/δδδδC C(4-8)图4.2 C ＝f(δ)特性曲线 图4.3 变极距型电容传感器的非线性特性式(4-6)的特性如图4.3中的直线1，而式(4-8)的特性如曲线2。

因此，以式(4-6)作为传感器的特性使用时，其相对非线性误差e f 为:%100%100/0000200⨯∆=⨯∆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=δδδδδδf e (4-9)由上讨论可知：(1)变极距型电容传感器只有在|Δδ0/δ0|很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出；(2)灵敏度S 与初始极距δ0的平方成反比，故可用减少δ0的办法来提高灵敏度。

例如在电容式压力传感器中，常取δ0＝0.1～0.2mm ，C 0在20～100pF 之间。

由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01μm的线位移，故在微位移检测中应用最广。

图4.4 具有固体介质的变极距型电容传感器 图4.5 变极距型差动式结构由式(4-9)可见, δ0的减小会导致非线性误差增大；δ0过小还可能引起电容器击穿或短路。

为此，极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质，如图4.4所示。

设两种介质的相对介电质常数为εr1 、εr2(对于空气：εr1＝1)，相应的介质厚度为δ1、δ2，则有:2210/r A C εδδε+=(4-10)图4.5所示为差动结构，动极板置于两定极板之间。

初始位置时，δ1＝δ2＝δ0，两边初始电容相等。

当动极板向上有位移Δδ时，两边极距为δ1＝δ0-Δδ，δ2＝δ0+Δδ；两组电容一增一减。

同差动式自感传感器式(3-41)的同样分析方法，由式(4-4)和式(4-5)可得电容总的相对变化量为：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+∆=∆-∆=∆ 40200021012/δδδδδδC C C C C(4-11)略去高次项，可得近似的线性关系：002/δδ∆=∆C C(4-12)相对非线性误差e f ′为：%100)/(%100)/(2)/(220030'⨯∆=⨯∆∆=δδδδδδf e(4-13)上式与式(4-6)及式(4-9)相比可知，差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。

由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。

2.1.3电容式传感器应用电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(测至 0.05μm 的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。