傳感器簡(jiǎn)介整理

1、傳感器概述1316劉云l緒論 一：概念 二：分類(lèi) 三：作為醫(yī)用傳感器的基本要求 四、醫(yī)用傳感器的發(fā)展概念： 傳感器（英文名稱(chēng)：transducer/sensor）是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。 醫(yī)用傳感器是應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的那一部分傳感器，是把人體的生理信息轉(zhuǎn)換成為與之有確定函數(shù)關(guān)系的電信息的變換裝置。分類(lèi)：按照傳感器的工作原理區(qū)分： 化學(xué)傳感器 利用化學(xué)反應(yīng)原理，把化學(xué)成分、濃度轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 生物傳感器 利用生物活性物質(zhì)選擇性識(shí)別來(lái)測(cè)定生化物質(zhì) 物理傳感器 利

2、用材料的物理變化 按照檢測(cè)的種類(lèi)來(lái)區(qū)分 移傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、壓力傳感器等。對(duì)于壓力傳感器，包括有金屬應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體壓力傳感器、電容壓力傳感器等等所有能夠檢測(cè)壓力的傳感器。對(duì)于溫度傳感器，包括熱敏電阻、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器等所有能夠檢測(cè)溫度的傳感器。 根據(jù)人體感官相對(duì)應(yīng)的傳感器功能區(qū)分 視覺(jué)傳感器 包括各種光學(xué)傳感器以及其他能夠替代視覺(jué)功能的傳感器； 聽(tīng)覺(jué)傳感器 包括壓電傳感器、電容傳感器以及其他能夠替代聽(tīng)覺(jué)功能的傳感器； 嗅覺(jué)傳感器 包括各種氣體敏感傳感器以及咒他能夠替代嗅覺(jué)功能的傳感器。 這個(gè)分類(lèi)方法有利于仿生傳感器的開(kāi)發(fā)。除了上述列舉的常見(jiàn)傳感器分類(lèi)

3、方法以外，還會(huì)根據(jù)傳感器材料、傳感器結(jié)構(gòu)、除了上述列舉的常見(jiàn)傳感器分類(lèi)方法以外，還會(huì)根據(jù)傳感器材料、傳感器結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換分式等多種分類(lèi)方法，都具有各自的優(yōu)點(diǎn)與局限性。能量轉(zhuǎn)換分式等多種分類(lèi)方法，都具有各自的優(yōu)點(diǎn)與局限性。作為醫(yī)用傳感器的基本要求： 1傳感器本身具有良好的技術(shù)性能，如靈敏度、線性、遲滯、重復(fù)性、頻率響應(yīng)范圍、信噪比、溫度漂移、零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移等。 2傳感器的形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)與被檢測(cè)部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，使用時(shí)，對(duì)被測(cè)組織的損害要小。 3傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響要小，不會(huì)對(duì)生理活動(dòng)帶來(lái)負(fù)擔(dān)，不干擾正常生理功能。 4傳感器要有足夠的牢固性，引進(jìn)到待測(cè)部位時(shí)，不致脫落、損壞。 5傳感器與

4、人體要有足夠的電絕緣，以保證人體安全。 6傳感器進(jìn)入人體能適應(yīng)生物體內(nèi)的化學(xué)作用，與生物體內(nèi)的化學(xué)成分相容，不易被腐蝕、對(duì)人體無(wú)不良刺激，并且無(wú)毒。 7傳感器進(jìn)入血液中或長(zhǎng)期埋于體內(nèi)，不應(yīng)引起血凝。 8傳感器應(yīng)用操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，結(jié)構(gòu)上便于消毒。醫(yī)用傳感器的發(fā)展： 1.智能化傳感器：自診斷和自報(bào)警功能、接口功能 2.微型化傳感器 3.多參數(shù)傳感器 4.遙控型傳感器 5.無(wú)創(chuàng)檢測(cè)傳感器l傳感器的基本特性 一個(gè)高質(zhì)量的傳感器，必需不失真地完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在選擇合適而有效的傳感器組建測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，除了需要了解被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)外，還需了解傳感器的基本特性。 傳感器的特性是它轉(zhuǎn)換信息的能力和性質(zhì)。這種能力

5、和性質(zhì)常用傳感器的輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)描述。 傳感器的輸入量可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩大類(lèi)，所以傳感器的特性由靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性決定。 傳感器特性主要是指輸出與輸入間的關(guān)系： 靜態(tài)特性：輸入量為常量，或變化極慢 動(dòng)態(tài)特性：輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)快變信號(hào) 考慮輸出的動(dòng)態(tài)特性,即隨時(shí)間變化的特性； 慢變信號(hào) 研究靜態(tài)特性，即不隨時(shí)間變化的特性。 定義：人體的各被測(cè)信息處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸入 量在較長(zhǎng)時(shí)間維持不變或發(fā)生極其緩慢的變化，這時(shí)傳感 器的輸出量與輸入量間的關(guān)系就是傳感器的靜態(tài)特性。傳感器的的靜態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的誤差 原因：測(cè)量結(jié)果所反映的并不是被測(cè)對(duì)象的本來(lái)面貌，而只是一種近

6、似。1.因?yàn)闇y(cè)量設(shè)備、測(cè)量對(duì)象、測(cè)量方法、測(cè)量者本身都不同程度受到本身和周?chē)鞣N因素的影響，而且這些影響因素也在經(jīng)常不斷的變化著。2.測(cè)量過(guò)程中必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)施加作用，才能使測(cè)量系統(tǒng)給出測(cè)量結(jié)果。(1)絕對(duì)誤差示值與真值之差。它的負(fù)值稱(chēng)為修正值。2)相對(duì)誤差絕對(duì)誤差與真值之比：在誤差較小時(shí)，可以用測(cè)量值代替真值，稱(chēng)為示值相對(duì)誤差x 。(3)引用誤差絕對(duì)誤差與測(cè)量?jī)x表量程之比。按最大引用誤差將電測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度等級(jí)分為7級(jí)，指數(shù)a 分別為：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0。100%xxAA100%nmAA100%mnmmAaAl電阻式傳感器 概念：把位移、力、壓力、加速度、

7、扭矩等非電物理量轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。它主要包括電阻應(yīng)變式傳感器、電位器式傳感器（見(jiàn)位移傳感器）和錳銅壓阻傳感器等。電阻式傳感器與相應(yīng)的測(cè)量電路組成的測(cè)力、測(cè)壓、稱(chēng)重、測(cè)位移、加速度、扭矩等測(cè)量?jī)x表是冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和國(guó)防等部門(mén)進(jìn)行自動(dòng)稱(chēng)重、過(guò)程檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化不可缺少的工具之一。 結(jié)構(gòu)：由電阻元件及電刷(活動(dòng)觸點(diǎn))兩個(gè)基本部分組成。電刷相對(duì)于電阻元件的運(yùn)動(dòng)可以是直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)，因而可以將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。分類(lèi)：電阻應(yīng)變式傳感器：工作原理（應(yīng)變效應(yīng)）：將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件特定表面上，當(dāng)力、扭矩、速度、加速

8、度及流量等物理量作用于彈性元件時(shí)，會(huì)導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化，進(jìn)而引起電阻應(yīng)變片電阻的變化。電阻的變化經(jīng)電路處理后以電信號(hào)的方式輸出。 ssllRR/ 壓阻式傳感器工作原理（應(yīng)變效應(yīng)） 任何材料電阻的變化率都由下式?jīng)Q定 金屬: 上式中的 一項(xiàng)較小，即電阻率的變化率較小，有時(shí)可忽略不計(jì)，而l/l與s/s兩項(xiàng)較大，即尺寸的變化率較大，故金屬電阻的變化率主要是由l/l與s/s兩項(xiàng)引起的，這就是金屬應(yīng)變片的基本工作原理電阻應(yīng)變效應(yīng)。 熱電阻式溫度傳感器工作原理：導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）的電阻值隨溫度變化而改變，通過(guò)測(cè)量其電阻值推算出被測(cè)物體的溫度。熱電阻的材料應(yīng)具有以下特性： （1）電阻溫度系數(shù)要大而且穩(wěn)定，

9、電阻值與溫度之間應(yīng)具有良好的線性關(guān)系； （2）電阻率高，熱容量小，反應(yīng)速度快； （3）材料的復(fù)現(xiàn)性和工藝性好，價(jià)格低； （4）在測(cè)溫范圍內(nèi)化學(xué)物理性能穩(wěn)定。應(yīng)用與總結(jié) 應(yīng)用：電阻式傳感器與相應(yīng)的測(cè)量電路組成的測(cè)力、測(cè)壓、稱(chēng)重、測(cè)位移、加速度、扭矩等測(cè)量?jī)x表是冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和國(guó)防等部門(mén)進(jìn)行自動(dòng)稱(chēng)重、過(guò)程檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化不可缺少的工具之一。 總結(jié)：主要介紹了電阻式傳感器，電阻式傳感器的基本原理都是將各種非電量轉(zhuǎn)換成電阻的變化量，然后通過(guò)對(duì)電阻變化量的測(cè)量，達(dá)到非電量測(cè)量的目的。本章研究的電阻式傳感器有電阻應(yīng)變式傳感器、壓阻式傳感器、熱電阻式溫度傳感器、氣敏電阻、濕敏

10、電阻等。利用電阻傳感器可以測(cè)量位移、力、加速度、轉(zhuǎn)矩、溫度、氣體成分等。l電容式傳感器 定義 電容式傳感器將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器 分類(lèi) 根據(jù)被測(cè)參數(shù)的變化分： （1）變極距型電容傳感器(d) （2）變面積型電容傳感器(A) （3）變介質(zhì)型電容傳感器() 工作原理：若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為S/d，式中為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為兩極板互相覆蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。d、s、 三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測(cè)量。一、變極距型傳感器該類(lèi)型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實(shí)際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度和減小外界因素(如電源電壓、環(huán)境溫

11、度)的影響，常常作成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)或采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路來(lái)改善其非線性。圖中極板1固定不動(dòng)，極板2為可動(dòng)電極(動(dòng)片)，當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化 ，其電容變化量C為 極板1固定不動(dòng)，極板2為可動(dòng)電極(動(dòng)片)，當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化 ，其電容變化量C為二、變面積型傳感器 變面積式電容傳感器的兩個(gè)極板中，一個(gè)是固定不動(dòng)的，稱(chēng)為定極板，另一個(gè)是可移動(dòng)的，稱(chēng)為動(dòng)極板。 平板形位移電容傳感器設(shè)兩個(gè)相同極板的長(zhǎng)為b，寬為a，極板間距離為d，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x后，電容Cx也隨之改變。 圓柱線位移電容傳感器 角位移形式的電容傳感器: 當(dāng)

12、動(dòng)極板有一角位移時(shí)，兩極板的相對(duì)面積A也發(fā)生改變，導(dǎo)致兩極板間的電容量發(fā)生變化 三、變介質(zhì)型傳感器 介質(zhì)變化型電容傳感器的極距、有效作用面積不變，被測(cè)量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。 結(jié)構(gòu)： 四：測(cè)量電路電容傳感器的特點(diǎn)：電容量小，變化更?。≒F級(jí)）。理論上，交流電橋可作為電容傳感器的測(cè)量電路，但由于電容及變化太小，不易實(shí)現(xiàn)。包括（1）調(diào)頻電路（2）運(yùn)算放大器式電路（3）二極管雙T形交流電橋（4）脈沖寬度調(diào)制電路 五、誤差分析：1、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響 2、溫度對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響3、電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng) 4、寄生與分布電容的影響 5、漏電阻的影響 l電感式傳感器 電感式傳感器利用電磁感

13、應(yīng)原理1 將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量的輸出。 分類(lèi)： （1）變磁阻式傳感器自感式 （2）差動(dòng)變壓器式傳感器互感式 （3）電渦流式傳感器電渦流式 一、變磁阻式傳感器自感式非接觸式位移傳感器結(jié)構(gòu):由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為 ;傳感器運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，銜鐵移動(dòng)時(shí)發(fā)生變化，引起磁路的磁阻Rm變化，使電芯線圈的電感值L變化；只要改變氣隙厚只要改變氣隙厚 度或氣隙截面積度或氣隙截面積 就可以改變電感就可以改變電感 工作原理：22002NSNLRm式中：式中： N 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)

14、； Rm 磁路總磁阻；磁路總磁阻； S0 氣隙的截面積；氣隙的截面積； 氣隙厚度；氣隙厚度； 0 導(dǎo)磁率（真空、空氣）導(dǎo)磁率（真空、空氣） v輸出特性差動(dòng)式原理：差動(dòng)式原理： 差動(dòng)變隙式由兩個(gè)相同的線圈和磁路組成。當(dāng)被差動(dòng)變隙式由兩個(gè)相同的線圈和磁路組成。當(dāng)被測(cè)量通過(guò)導(dǎo)桿使銜鐵上下位移時(shí)，兩個(gè)回路中磁測(cè)量通過(guò)導(dǎo)桿使銜鐵上下位移時(shí)，兩個(gè)回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動(dòng)形阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動(dòng)形式。式。電感初始?xì)庀?處初始電感量為L(zhǎng)0 銜鐵位移銜鐵位移引起的電感變化為：引起的電感變化為：200002NSL銜鐵位移引起的電感變化為：20020000000022()(

15、1)1NSNSLLLL 調(diào)幅式電路調(diào)幅式電路輸出幅值隨電感輸出幅值隨電感L L變化變化調(diào)頻電路調(diào)頻電路電感電感L L變化時(shí)諧振頻率變化變化時(shí)諧振頻率變化v工作原理：把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成為把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成為 線圈互感量的變化的傳感器稱(chēng)為互感式傳感器這線圈互感量的變化的傳感器稱(chēng)為互感式傳感器這種傳感器根據(jù)變壓器的基本原理制成，并將次級(jí)種傳感器根據(jù)變壓器的基本原理制成，并將次級(jí)線圈繞組用差動(dòng)形式連接。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形線圈繞組用差動(dòng)形式連接。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器。它式較多，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器。它可測(cè)量可測(cè)量1 1100mm100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移。范圍內(nèi)的機(jī)械位移。三、電渦流式傳感器v由法拉第電磁感應(yīng)原理可知：一個(gè)塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制作的傳感器稱(chēng)電渦流傳感器;電渦流傳感器能夠?qū)Ρ粶y(cè)量進(jìn)行非接觸測(cè)量;形成電渦流必須具備兩個(gè)條件： 存在交變磁場(chǎng) 導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中 工作原理：把一個(gè)扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通以交變電流I1時(shí)，線圈周?chē)臻g產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1，當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生