第四章 常用传感器(1)

第四章常用传感器

工程上把直接感受被测量(如物理量、化学量、生物量等)，并将其转换为同种或别种与之有确定对应关系，且便于计量的量值形式(通常是电量)的装置称为传感器。传感器作为测量装置的输入环节，其性能直接影响到测量装置的性能。

随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域的重要基础功能部件受到了普遍的重视。

传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。在自动测量过程或控制系统中，首先由传感器感受被测量，而后把它转换成电信号，供显示仪表指示或用以控制执行机构。如果传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意义。

在传统的传感器中，以把被测量转换为电路参数变化，如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器和磁电式传感器等。后来直接利用各种物理效应、化学反应的传感器逐渐增加，如压电式传感器、霍尔传感器、超声波传感器、光纤传感器、磁弹性传感器和电化学传感器等。

随着半导体技术的发展，又出现了新型的半导体传感器，如采用扩散硅半导体的压阻式传感器，和利用电荷耦合器件的光电式传感器。随着科学技术的发展，一方面需要在不同环境下测量不同的物理量、化学量和生物量的各类传感器；另一方面新材料、新元件和新工艺的不断出现，也为研制新型传感器提供了新的基础，因此新型的传感器不断地出现。

未来传感器发展将主要表现在利用半导体材料和大规模集成电路工艺，将测量电路和敏感元件结合成一体，以提高传感器的灵敏度、精确度和可靠性，实现小型化、智能化、数字化。

采用新型材料，如高分子有机材料、液晶、生物功能材料和超导材料等，以改善原有传感器的某些性能。例如，聚偏氟乙烯薄膜经拉伸、极化后，可用来作为力传感器和温度传感器的敏感元件，与压电陶瓷相比，它的优点是压电常数高，柔性好，机械强度高，质轻，并可制成阵列式的敏感元件。

本章将介绍常用的部分传感器。

4.1 传感器的分类和性能要求

传感器种类繁多，往往一种被测量可以用几种不同类型的传感器检测，而同一转换原理的传感器有时也可以测量多种物理量。为了对传感器有一概括的认识，对传感器加以分类是必要的。通常有两种分类原则，即按被测量性质分类和按传感器工作原理分类。

4.1.1按被测物理量分类

这种分类方法是从方便使用者角度划分的，如加速度传感器、位移传感器、温度传感器等，当需要测量某一物理量时，使用者从这种分类中选取一种，然后配上适当的测量电路就可以了。这一分类方法强调了传感器的用途，却把不同变换原理的传感器归为一类，这就很难看出每种传感器在变换原理上有什么共性和差异，不利于从变换原理的物理、化学基础上去认识传感器的内在规律。况且被测量种类繁多，按被测量的性质划分传感器将十分繁杂。

4.1.2 按传感器变换原理分类

按传感器的变换原理分类易于从原理上认识传感器的变换特性，同时由于每一类变换器所配用的测量电路也基本相同，便于学习和掌握。这样，一种类型的传感器若配以适当的敏感元件还可以实现多种物理量的测量。

1．参量型传感器：其输出是无源的电参量如电阻、电感、电容、频率等。可再细分为电阻式、电感式、电容式传感器等。

2．发电型传感器，其输出是电势、电荷、电流等。又可分为热电式、光电池式、电极电位式、磁电式、压电式传感器等。

实际上，传感器是人为地按一定目的来分类的，为的是分类研究其共同性，便于利用和发展。分类的方法并不是一成不变的，它是根据技术和使用要求的发展而变化的。上述两种分类方法，第一种方法是从应用的目的出发的，第二种方法则便于从原理上研究、认识传感器的变换特性，表4-1列出了一些常用传感器的类型。

4.1.3 传感器应具有的性能

作为测量装置的一个重要组成部分，传感器必须具有良好的性能。这些性能一般包括下列各项：

1．输出与输入信号呈线性关系，灵敏度高。

2．内部噪声小，对被测对象以外的其它物理量变化无响应。

3．回程误差、滞后、漂移量小。

4．动态响应好。

5．功耗小。

6．不使被测对象受到影响。

7．重现性好，有互换性。

8．容易校准。

当然，一种传感器很难同时满足上述所有要求。这时应根据测量的目的、环境、对象、精度要求、信号处理、配套仪器及成本等方面的情况综合考虑，选择适当的变换原理和材料、元件及结构形式，以便尽可能多地满足上述要求。

4.2 电阻式传感器

电阻式传感器是把被测量如位移、力等参数转换为电阻变化的一种传感器，按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。

4.2.1 变阻器式传感器

变阻器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它主要用于将机械位移或角位移转换为与位移成一定函数关系的电阻或电压。

变阻器按其制作材料可分为线绕式和薄膜式两类；按其结构可分为直线式和旋转式两类。线绕变阻式传感器也称为滑线电阻式传感器，其工作原理是通过改变电路中电阻值的大

小，实现将位移转换为电阻值的变化。其阻值为：

2

l l

R

F r

ρρ

π

==（Ω）（4-1）

式中ρ电阻率(Ω·mm2／m)；

l——电阻丝长度(m)；

F——电阻丝截面积(mm2)；

r——电阻丝半径(mm)。

上式说明当电阻丝直径与材质一定时，其阻值随电阻丝长度变化。

图4－1(a)为线性直线位移型传感器，(b)为线性角位移型传感器，当触点C沿变阻器滑动时，A点与C点间的电阻值分别为：

x

K

R

l

=(4-2)

α

α

K

R=(4-3)

式中

l

K—单位长度中的电阻值；

α

K—单位角度中的电阻值。

当输入量与变阻器位移x呈非线性关系时，要获得与该输入量成线性关系的输出（电阻值）则要利用非线性电位器式传感器，图4-1（C）既是一种变骨架式非线性位移传感器，其阻值与位移的函数关系取决于输入变量与位移的关系。设输入量为f(x)，要得到输出量R(x)

a)直线型位移型b）角位移型c)非线性型

图4-1 电位器式传感器