传感器概述

传感器概述 绪论 一、概念: 传感器(英文名称:transducer/sensor)是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,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。 医用传感器是应用于生物医学领域的那一部分传感器,是把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。 二、分类: 1) 按照传感器的工作原理区分: 化学传感器利用化学反应原理,把化学成分、浓度转换成电信号 生物传感器利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质 物理传感器利用材料的物理变化 2)按照检测的种类来区分 移传感器、流量传感器、温度传感器、速度传感器、压力传感器等。对于压力传感器,包括有金属应变片压力传感器、半导体压力传感器、电容压力传感器等等所有能够检测压力的传感器。对于温度传感器,包括热敏电阻、热电偶、PN结温度传感器等所有能够检测温度的传感器。 3)根据人体感官相对应的传感器功能区分 视觉传感器包括各种光学传感器以及其他能够替代视觉功能的传感器; 听觉传感器包括压电传感器、电容传感器以及其他能够替代听觉功能的传感器; 嗅觉传感器包括各种气体敏感传感器以及咒他能够替代嗅觉功能的传感器。 这个分类有利于仿生传感器的开发。 除了上述列举的常见传感器分类方法以外,还会根据传感器材料、传感器结构、能量转换分式等多种分类方法,都具有各自的优点与局限性。 三、作为医用传感器的基本要求: 1传感器本身具有良好的技术性能,如灵敏度、线性、迟滞、重复性、频率响应范围、信噪比、温度漂移、零点漂移、灵敏度漂移等。 2传感器的形状和结构应与被检测部位的解剖结构相适应,使用时,对被测组织的损害要小。 3传感器对被测对象的影响要小,不会对生理活动带来负担,不干扰正常生理功能。 4传感器要有足够的牢固性,引进到待测部位时,不致脱落、损坏。 5传感器与人体要有足够的电绝缘,以保证人体安全。 6传感器进入人体能适应生物体内的化学作用,与生物体内的化学成分相容,不易被腐蚀、对人体无不良刺激,并且无毒。 7传感器进入血液中或长期埋于体内,不应引起血凝。 8传感器应用操作简单、维护方便,结构上便于消毒。 四、医用传感器的发展: 1.智能化传感器:自诊断和自报警功能、接口功能 2.微型化传感器 3.多参数传感器 4.遥控型传感器 5.无创检测传感器 传感器的基本特性 一、静态特性:人体的各被测信息处于稳定状态时,传感器的输入量在较长时间维持不 变或发生极其缓慢的变化,这时传感器的输出量与输入量间的关系就是传感器的静态特性。 四种情况: 1.理想线性特性:理想情况下,传感器的输出量 y 与输入量x 之间为线性关系。 2.非线性项次数为偶数:不具有对称性,且线性范围较窄,传感器设计时一般很少采用 这种特性。 3.非线性次数为奇数: 4.一般情况: 二、静态特性指标: 1.测量范围:传感器的测量范围是指按其标定的精确度可进行测量 的被测量的变化范围,而测量范围的上限值y max与下限值 y min 之差就是传感器的量程y m 。 2.灵敏度:灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标,其定义是输出量的变化Δy 与 输入量的变化Δx 之比。用k 示灵敏度,即K=△y/△x。传感器灵敏度和测量 范围有关,多数传感器的灵敏度越高,测量范围越窄。 3.线性度:在规定条件下传感器特性曲线与拟合直线间的最大偏差(ΔL max)与传感 。 4.迟滞: 5.稳定性:稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。在传感 器输入端加进同样大小的输入时,最理想的情况是不管什么时候,输出值的大小保 持不变。但实际上,随着时间的推移,大多数传感器的特性会发生改变。这是因为 敏感元件或构成传感器的部件,其特性会随时间发生变化,从而影响了传感器的稳 定性。 6.环境特性:温度影响体现在灵敏度改变、输出漂移;气压变化影响传感元件或容 器发生体积变化;湿度变化使光学传感器改变折射率,电容传感器介电 常数改变;电源电压波动会引起灵敏度和输出漂移;电源频率对交流磁场的传感器 有影响,其他不大。 7.重复性:重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特 性曲线不一致的程度。 二、动态特性: 1.传感器动态特性的数学模型 2.传递函数:初始条件为零时,输出量(响应函数)的拉普拉斯变换与输入量(激励函数) 拉普拉斯变换之比。 三、传感器的动态响应:输入信号从某一稳定状态到另一稳定状态时,输出信号也跟 着变化。 1.瞬态响应:输出信号到达新的稳定状态以前的响应特性称为瞬态响应。 2.稳态响应:当时间t趋于无穷大时传感器的输出状态称为稳态响应。 四、误差:首先因为测量设备、测量对象、测量方法、测量者本身都不同程度受到本身和周围各种因素的影响,而且这些影响因素也在经常不断的变化着。其次,测量过程中必须对测量系统施加作用,才能使测量系统给出测量结果。 电阻式传感器 概念:把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。 结构 分类: 一、 电阻应变式传感器: 工作原理(应变效应):将电阻应变片粘贴在弹性元件特定表面上,当力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于弹性元件时,会导致元件应力和应变的变化,进而引起电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经电路处理后以电信号的方式输出。 二、 压阻式传感器 工作原理(应变效应) 任何材料电阻的变化率都由下式决定 金属: 上式中的 一项较小,即电阻率的变化率较小,有时可忽略不计,而Δl/l 与Δs /s 两项较大,即尺寸的变化率较大,故金属电阻的变化率主要是由Δl/l 与Δs /s 两项引起的,这就是金属应变片的基本工作原理——电阻应变效应。 三、 热电阻式温度传感器 工作原理:导体(或半导体)的电阻值随温度变化而改变,通过测量其电阻值推算出被测物体的温度。 热电阻的材料应具有以下特性: (1)电阻温度系数要大而且稳定,电阻值与温度之间应具有良好的线性关系; (2)电阻率高,热容量小,反应速度快; (3)材料的复现性和工艺性好,价格低; (4)在测温范围内化学物理性能稳定。 矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。 总结:主要介绍了电阻式传感器,电阻式传感器的基本原理都是将各种非电量转换成电阻的变化量,然后通过对电阻变化量的测量,达到非电量测量的目的。本章研究的电阻式传感器有电阻应变式传感器、压阻式传感器、热电阻式温度传感器、气敏电阻、湿敏电阻等。利用电阻传感器可以测量位移、力、加速度、转矩、温度、气体成分等。 s s l l R R ?-?+?=?ρρρρ/? 电容式传感器 定义 电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器 分类 根据被测参数的变化分: (1)变极距型电容传感器(d) (2)变面积型电容传感器(A) (3)变介质型电容传感器(ε) 工作原理:若忽略边缘效应,平板电容器的电容为εS/d,式中ε为极间介质的介电常数,S 为两极板互相覆盖的有效面积,d为两电极之间的距离。d、s、ε 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化,并可用于测量。 一、变极距型电容传感器 二、变面积型传感器 变面积式电容传感器的两个极板中,一个是固定不动的,称为定极板,另一个是可移动的,称为动极板。 a)平板形位移电容传感器设两个相同极板的长为b,宽为a,极板间距离为d,当动极板 移动x后,电容Cx也随之改变。 b)圆柱线位移电容传感器 c)角位移形式的电容传感器:当动极板有一角位移时,两极板的相对面积A也发生改 变,导致两极板间的电容量发生变化 二、变介质型传感器 介质变化型电容传感器的极距、有效作用面积不变,被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。 结构: 四:测量电路 电容传感器的特点:电容量小,变化更小(PF级)。理论上,交流电桥可作为电容传感器的测量电路,但由于电容及变化太小,不易实现。包括(1)调频电路(2)运算放大器式电路(3)二极管双T形交流电桥(4)脉冲宽度调制电路 五、误差分析: 一、温度对结构尺寸的影响 二、温度对介质介电常数的影响 三、电容电场的边缘效应 三、寄生与分布电容的影响 四、漏电阻的影响 ?电感式传感器 电感式传感器——利用电磁感应原理[1]将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量的输出。 分类: (1)变磁阻式传感器——自感式 (2)差动变压器式传感器——互感式 (3)电涡流式传感器——电涡流式 一、变磁阻式传感器——自感式 结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为σ; 传感器运动部分与衔铁相连,衔铁移动时σ发生变化,引起磁路的磁阻Rm变化,使电芯线圈的电感值L变化;只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感。 二、差动变压器式传感器——互感式 工作原理:这种传感器根据变压器的基本原理制成,并将次级线圈绕组用 差动形式连接。差动变压器的结构形式较多,应用最多的是螺线管式差动变压 器。它可测量1—100mm范围内的机械位移。 基本特性:铁芯向右移,输出与E2a同极性;铁芯向左移,输出与E2b同极性; 输出电压的幅值取决于线圈互感即衔铁在线圈中移动的距离X。Uo与Ui的相位由 衔铁的移动方向决定。 三、电涡流式传感器——电涡流式 工作原理:把一个扁平线圈置于金属导体附近,当线圈中通以交变电流I1时,线圈周围空间产生交变磁场H1,当金属导体靠近交变磁场中时,导体内部就会产生涡流I2,这个涡流同样产生反抗H1的交变磁场H2 。 等效电路分析: 根据涡流的分布,可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路次级线圈。当线圈靠近金属导体时,次级线圈通过互感M 对初级作用。等效电路的两个回路方程(基尔霍夫第二定律): 总结:凡是能引起R2 L2 M变化的物理量均可以引起传感器线圈R1 、L1的变化。被测体(金属)的电阻率ρ导磁率μ厚度d,线圈与被测体间的距离X,激励线圈的角频率ω等都,通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系