原创 [转]传感器基础知识（一）

                    传感器的定义

传感器的灵敏度
     灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△ y 对输入量变化△ x 的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度 S 是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化 1mm 时，输出电压变化为 200mV ，则其灵敏度应表示为 200mV/mm 。
当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。

传感器的分辨力
     分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。
通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。

传感器的迟滞特性
     迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出－一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值 △ MAX 与满量程输出 F·S的百分比表示，迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。

传感器的重复性
    重复性是指传感器在检测同一物理量时每次测量的不一致程度，也叫稳定性。重复性的高低与许多随机因素有关，也与产生迟滞的原因相似，它可用实验的方法来测定。

传感器的分类

    可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的工作原理(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；制作它们的材料和工艺等。

一、按传感器工作原理分

    可分为二大类：物理传感器和化学传感器。

    物理传感器：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。如电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅热电偶等传感器。 
    化学传感器：包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

二、按传感器用途分
    这种分类明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途使用。如压力传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、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。

三、按传感器输出信号为标准分
    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。
四、按传感器的制作材料和工艺分
    在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：
    1、按照其所用材料的类别分：金属、聚合物、陶瓷、混合物；
    2、按材料的物理性质分：导体、绝缘体、半导体、磁性材料；
    3、按材料的晶体结构分：单晶、多晶、非晶材料。 

典型传感器（工作原理）

一、电阻式
    电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。

1、电阻应变式传感器

    电阻应变式传感器工作原理是基于电阻应变效应原理。用金属电阻丝制作成电阻应变片，将其粘贴在弹性体上。测量时，当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。

    一段金属电阻丝长度为L，横截面为S，电阻率记作ρ，材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为：
              R = ρL/S（Ω）.............................（1-1）

    其中：L-金属导线长度

          S-金属导线横截面积

          ρ-电导率（不同材料电阻率不同）

    当金属导线两端受拉力F伸长变形。设其伸长ΔL，横截面积则缩小，它的截面圆半径减少Δr。金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，这种现象称为电阻应变效应。

    将变形后电导率记作Δρ，对式（2-1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，其电阻值改变了多少。我们有：
              ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S ＋CΔSρL/S2..........（1-2）

    用式（2-1）去除式（2-2）得到
              ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L ＋C ΔS/S............（1-3）

    另外，我们知道导线的横截面积 S =πr2，则 Δs = 2πr*Δr，所以，
             ΔS/S = 2Δr/r..................................（1-4）
    从材料力学我们知道：

             Δr/r = -μΔL/L................................（1-5）
    其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。

   把式（2-4）、（2-5）代入（2-3），得
             ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L

                    =（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

                    = K *ΔL/L..............................（1-6）
    其中：

              K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L）............（1-7）　  在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，常常把它的百万分之一作为单位，记作με。

    这样，式（２-６）常写作：
             ΔR/R = Kε .......................................(1-8)
    式（2-6））说明了电阻应变片的电阻变化率和电阻丝伸长率之间的关系。

结论：

1、当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化。

2、金属丝受外力作用而伸长时，长度增加，而截面积减少，电阻值会增大。

3、当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小，而截面增加，电阻值会减小。

4、阻值变化通常较小。
电阻应变片及其结构：

    电阻应变片通常由直径为0.015～0.05mm高电阻率的金属电阻丝绕成栅状，称为敏感栅。绕成栅状是为了获得高的阻值，将其粘贴在绝缘的基体上，电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层，如图1。敏感栅电阻值一般在100Ω以上。

    基底：为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。应变计工作时，基底起着把弹性体应变准确地传递给敏感栅的作用。为此，基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。
图1 金属电阻应变片的内部结构

    引线：它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。

保护盖层：用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。

    粘结剂：在制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变计时，用它把应变计基底再粘贴在弹性体表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。

2、压阻效应传感器

   所谓压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。压阻效应被用来制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器，把力学量转换成电信号。

    压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。
    用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
    目前，半导体压阻传感器已经广泛地应用于航空、化工、航海、动力和医疗等部门。它的优点有：灵敏度与精度高；易于小型化和集成化；结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，性能保持不变；动态特性好，其响应频率为103～105Hz。

3、热电阻传感器

    热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。

4、热敏电阻传感器

    热敏电阻传感器是利用PTC热敏电阻效应制成的。说一种材料具有PTC (Positive Temperature Coefficient) 效应，即正温度系数效应，仅指此材料的电阻会随温度的升高而增加。如大多数金属材料都具有PTC效应。在这些材料中，PTC效应表现为电阻随温度增加而线性增加，这就是通常所说的线性PTC效应。

    经过相变的材料会呈现出电阻沿狭窄温度范围内急剧增加几个至十几个数量级的现象，即非线性PTC效应，如图所示。相当多种类型的导电聚合体会呈现出这种效应，如高分子PTC热敏电阻。这些导电聚合体对于制造过电流保护装置来说非常有用。
 

5、气敏电阻传感器

    在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。

气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。
    常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；半导体气敏元件有N型和P型之分。
    N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。象SnO2金属氧化物半导体气敏材料，属于 N型半导体，在200～300℃温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当遇到有能供给电子的可燃气体（如CO等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。

二、电容式传感器
     电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上乃是具有一个可变参数的电容器

   如图所示，是最简单的平行板电容器原理图当不考虑边缘电场影响时其电容量C为 C＝εS/d=ε0.εS/d
         式中 S----极板面积S2m
              d----极板间距离dm ----真空介电常数
              ε0 ----介质的相对介电常数rε，
   由此可以看出当被测参数使得S、d或ε发生变化时ε电容量随之变化C如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数就可将该参数的变化单值地转换为电容量的变化所以电容式传感器可分为三种类型：改变极板间距离的变间隙式d、改变极板面积的变面积式和改变介质介电常数ε的变介电常数式Sr。

参考资料

1.百度.http://baike.baidu.com/view/16431.htm.

       http://baike.baidu.com/view/56000.htm

2.华巨科技.http://www.sinochip.net/TechSheet/12.htm.

3.传动网.http://www.chuandong.com/cdbbs/2007-8/23/07823DA4A3EF320.html

4.http://blog.sina.com.cn/s/blog_4fea453101007szg.html