傳感器簡介整理

傳感器概述1316劉云緒論一：概念二：分類三：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：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、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：按照傳感器的工作原理區(qū)分：化學傳感器利用化學反應(yīng)原理，把化學成分、濃度轉(zhuǎn)換成電信號生物傳感器利用生物活性物質(zhì)選擇性識別來測定生化物質(zhì)物理傳感器利用材料的物理變化按照檢測的種類來區(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壓力的傳感器。對于溫度傳感器，包括熱敏電阻、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器等所有能夠檢測溫度的傳感器。根據(jù)人體感官相對應(yīng)的傳感器功能區(qū)分視覺傳感器包括各種光學傳感器以及其他能夠替代視覺功能的傳感器；聽覺傳感器包括壓電傳感器、電容傳感器以及其他能夠替代聽覺功能的傳感器；嗅覺傳感器

包括各種氣體敏感傳感器以及咒他能夠替代嗅覺功能的傳感器。這個分類方法有利于仿生傳感器的開發(fā)。除了上述列舉的常見傳感器分類方法以外，還會根據(jù)傳感器材料、傳感器結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換分式等多種分類方法，都具有各自的優(yōu)點與局限性。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)與被檢測部位的解剖結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，使用時，對被測組織的損害要小。3傳感器對被測對象的影響要小，不會對生理活動帶來負擔，不干擾正常生理功能。4傳感器要有足夠的牢固性，引進到待測部位時，不致脫落、損壞。5傳感器與人體要有足夠的電絕緣，以保證人體安全。6傳感器進入人體能適應(yīng)生物體內(nèi)的化學作用，與生物體內(nèi)的化學成分相容，不易被腐蝕、對人體無不良刺激，并且無毒。7傳感器進入血液中或長期埋于體內(nèi)，不應(yīng)引起血凝。8傳感器應(yīng)用操作簡單、維護方便，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.無創(chuàng)檢測傳感器傳感器的基本特性一個高質(zhì)量的傳感器，必需不失真地完成信號的轉(zhuǎn)換。在選擇合適而有效的傳感器組建測量系統(tǒng)時，除了需要了解被測信號的特點外，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)。這種能力和性質(zhì)常用傳感器的輸入和輸出的對應(yīng)關(guān)系來描述。傳感器的輸入量可分為靜態(tài)和動態(tài)兩大類，所以傳感器的特性由靜態(tài)特性和動態(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

動態(tài)特性：輸入量隨時間較快地變化時快變信號考慮輸出的動態(tài)特性,即隨時間變化的特性；慢變信號研究靜態(tài)特性，即不隨時間變化的特性。定義：人體的各被測信息處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸入量在較長時間維持不變或發(fā)生極其緩慢的變化，這時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)特性傳感器的動態(tài)特性

傳感器的誤差

原因：測量結(jié)果所反映的并不是被測對象的本來面貌，而只是一種近似。1.因為測量設(shè)備、測量對象、測量方法、測量者本身都不同程度受到本身和周圍各種因素的影響，而且這些影響因素也在經(jīng)常不斷的變化著。2.測量過程中必須對測量系統(tǒng)施加作用，才能使測量系統(tǒng)給出測量結(jié)果。(1)絕對誤差——示值與真值之差。它的負值稱為修正值。2)相對誤差——絕對誤差與真值之比：在誤差較小時，可以用測量值代替真值，稱為示值相對誤差γx

。(3)引用誤差——絕對誤差與測量儀表量程之比。按最大引用誤差將電測量儀表的準確度等級分為7級，指數(shù)a

分別為：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0。電阻式傳感器概念：把位移、力、壓力、加速度、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)的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、加速度、扭矩等測量儀表是冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學和國防等部門進行自動稱重、過程檢測和實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化不可缺少的工具之一。結(jié)構(gòu)：由電阻元件及電刷(活動觸點)兩個基本部分組成。電刷相對于電阻元件的運動可以是直線運動、轉(zhuǎn)動和螺旋運動，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：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，當力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于彈性元件時，會導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化，進而引起電阻應(yīng)變片電阻的變化。電阻的變化經(jīng)電路處理后以電信號的方式輸出。

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

一項較小，即電阻率的變化率較小，有時可忽略不計，而Δl/l與Δs/s兩項較大，即尺寸的變化率較大，故金屬電阻的變化率主要是由Δl/l與Δs/s兩項引起的，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，通過測量其電阻值推算出被測物體的溫度。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，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，價格低；（4）在測溫范圍內(nèi)化學物理性能穩(wěn)定。應(yīng)用與總結(jié)應(yīng)用：電阻式傳感器與相應(yīng)的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、加速度、扭矩等測量儀表是冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學和國防等部門進行自動稱重、過程檢測和實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動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，然后通過對電阻變化量的測量，達到非電量測量的目的。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、濕敏電阻等。利用電阻傳感器可以測量位移、力、加速度、轉(zhuǎn)矩、溫度、氣體成分等。電容式傳感器定義電容式傳感器——將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器分類根據(jù)被測參數(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(ε)工作原理：若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為εS/d，式中ε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、ε三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。一、變極距型傳感器該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實際應(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)境溫度)的影響，常常作成差動式結(jié)構(gòu)或采用適當?shù)臏y量電路來改善其非線性。圖中極板1固定不動，極板2為可動電極(動片)，當動片隨被測量變化而移動時，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ΔC為

極板1固定不動，極板2為可動電極(動片)，當動片隨被測量變化而移動時，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ΔC為二、變面積型傳感器

變面積式電容傳感器的兩個極板中，一個是固定不動的，稱為定極板，另一個是可移動的，稱為動極板。平板形位移電容傳感器設(shè)兩個相同極板的長為b，寬為a，極板間距離為d，當動極板移動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:當動極板有一角位移時，兩極板的相對面積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：測量電路電容傳感器的特點：電容量小，變化更?。≒F級）。理論上，交流電橋可作為電容傳感器的測量電路，但由于電容及變化太小，不易實現(xiàn)。包括（1）調(diào)頻電路（2）運算放大器式電路（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、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響

2、溫度對介質(zhì)介電常數(shù)的影響3、電容電場的邊緣效應(yīng)

4、寄生與分布電容的影響

5、漏電阻的影響電感式傳感器電感式傳感器——利用電磁感應(yīng)原理[1]

將被測非電量如位移、壓力、流量、振動等轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量的輸出。分類：（1）變磁阻式傳感器——自感式（2）差動變壓器式傳感器——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σ;傳感器運動部分與銜鐵相連，銜鐵移動時σ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；只要改變氣隙厚度或氣隙截面積就可以改變電感工作原理：式中：N

線圈匝數(shù)；Rm磁路總磁阻；

S0

氣隙的截面積；σ

氣隙厚度；

μ0

導(dǎo)磁率（真空、空氣）輸出特性差動式原理：差動變隙式由兩個相同的線圈和磁路組成。當被測量通過導(dǎo)桿使銜鐵上下位移時，兩個回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動形式。電感初始氣隙σ0處初始電感量為L0

銜鐵位移Δσ引起的電感變化為：銜鐵位移Δσ引起的電感變化為：

測量電路（轉(zhuǎn)換電路）

（1）交流電橋式（2）變壓器式交流電橋

（3）諧振式（調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相）

調(diào)幅式電路輸出幅值隨電感L變化

調(diào)頻電路電感L變化時諧振頻率變化二、差動變壓器式傳感器（互感式）工作原理：把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成為線圈互感量的變化的傳感器稱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，并將次級線圈繞組用差動形式連接。差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器。它可測量1—100mm范圍內(nèi)的機械位移。等效電路：兩個次級線圈必須反相串聯(lián)接，保證差動形式。如果線圈完全對稱并且銜鐵處于中間位置時兩線圈三、電渦流式傳感器由法拉第電磁感應(yīng)原理可知：一個塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(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)制作的傳感器稱電渦流傳感器;電渦流傳感器能夠?qū)Ρ粶y量進行非接觸測量;形成電渦流必須具備兩個條件：①存在交變磁場②導(dǎo)電體處于交變磁場中工作原理：把一個扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當線圈中通以交變電流I1時，線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場H1，當金屬導(dǎo)體靠近交變磁場中時，導(dǎo)體內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流I2，這個渦