传感器的设计与应用
王皓 信息114 32311416 摘要：随着科学技术的发展，电子技术特别是微电子技术的发展，促进了传感与检测技术的迅速发展，其应用领域也在迅速扩大，从人们日常生活的衣食住行到各种复杂的工程系统随处都可以看到传感与检测技术的实际应用压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用
关键词:传感器;设计;应用
The design and application of the
transducer
Wanghao Information 114 32311416 Abstract：With the development of science and technology, the development of electronic technology, microelectronics technology in particular, promoted the rapid development of the sensor and detection technology, its application fields are also expanding rapidly, from the daily life of People\'s Daily life to all kinds of complicated engineering system everywhere can see sensing and detection technology in the practical application of preure sensor is a industrial practice is most commonly used one kind of sensor, its widely used in various industrial control environment, involved in water conservancy and hydropower, railway transportation, intelligent buildings, production control, aerospace, military industry, petrochemical, oil, electric power, ships, machine tools, pipe, and many other industries, the following is a brief introduction some commonly used sensor principle and its application Key words: Sensor; Design; Application
一、应变片压力传感器原理与应用
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是 A/D转换和CPU）显示或执行机构。 它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 1.1电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m）
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。
二、电阻应变式传感器---称重传感器
原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。称重传感器可以采用两种不同的输入、输出接线方法：一种是四线制接法，另一种是六线制接法(如图1所示).四线制接法的称重传感器对二次仪表无特殊要求,使用起来比较方便,但当电缆线较长时,容易受环境温度波动等因素的影响;六线制接法的称重传感器要求与之配套使用的二次仪表具备反馈输入接口,使用范围有一定的局限性,但不容易受环境温度波动等因素的影响,在精密测量及长距离测量时具有一定的优势。
在称重设备中，四线的传感器用的比较多，如果要将六线传感器接到四线传感器的设备上时，可以把反馈正和激励正接到一起，反馈负和激励负，接到一起。信号线要注意一点就是，红色和白色在两种类型的传感器上对应的输出信号是不一样的。
三、陶瓷压力传感器原理及应用
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥 （闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。
陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度 >2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
四、电容式传感器---液位传感器
原理：电容式液位传感器系统; 它利用被测体的导电率, 通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化, 再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示,该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能, 并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。
五、扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
六、电感式传感器---压力传感器
原理：电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种:变磁阻和变磁导。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点就是不能应用于高频动态环境。变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。它们跟之间的气隙形成了一个磁路。当有压力作用时，气隙大小改变，即磁阻发生了变化。如果在铁芯线圈上加一定的电压，电流会随着气隙的变化而变化，从而测出压力。 在磁通密度高的场合，铁磁材料的导磁率不稳定，这种情况下可以采用变磁导式压力传感器测量。变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯，压力的变化导致磁性元件的移动，从而磁导率发生改变，由此得出压力值。
七、压电式传感器---薄膜传感器
原理：压电薄膜（PVDF）是一种独特的高分子传感材料，能相对于压力或拉伸力的变化输出电压信号，因此是一种理想的动态应变片，可加工成为高效可靠、低成本的振动传感器、加速度计或动态开关，也可作为高音频(>1kHz)至超声波(可高达100MHz)的高保真传感器。
八、蓝宝石压力传感器原理与应用
利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅 -蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。
九、热电式传感器---红外测温仪
原理：是利用红外辐射的热效应，通过温差电效应、热释电效应和热敏电阻等来测量所吸收的红外辐射，间接地测量辐射红外光物体的温度。
十、压电压力传感器原理与应用
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。
十一、光导纤维传感器---分布式温度光纤传感器
原理：单片机接收（数据采集卡ＤＳＰ）的信号，确认需要输出的载波信号频率，然后向直接数字合成器（ＤＤＳ）发送指令，直接数字合成器接收该指令后，输出对应频率的正弦波信号，信号经过ＬＤ激光器后得到调制激光，该激光信号分为两路，一路直接输入雪崩二极管ＡＤＤ２，另一路经耦合器后进入传感光纤，即为激光沿测温光纤向前传播的通道。同时耦合器还有一路回波，即反斯托克斯喇曼背向散射光回波通道。
十二、激光传感器原理
激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1，在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 为普朗克常数，v 为光子频率。反之，在频率为v 的光的诱发下，处于能级E2 的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布),就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v 的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生大的受激辐射光，简称激光。激光具有3 个重要特性。
高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米。
高单色性，激光的频率宽度比普通光小10 倍以上。 高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度
十三、智能传感器---智能温度传感器
原理：各检测单元能独立完成各自功能，并根据主控机的指令对温湿度进行实时采集。主控机负责控制指令的发送，并控制各个检测单元进行温度采集，收集测量数据，同时对测量结果进行整理和显示。其中包括单片机、复位电路、温度检测、报警电路、键盘及显示、报警电路等部分。
低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
下面详细介绍下BP01型压力传感器及其在便携式电子血压计中的应用
1 概述
BP01型压力传感器是为监测血压而专门设计的,主要用于便携式电子血压计。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龙塑料封装,具有高线性、低噪声和外界应力小的特点;采用内部标定和温度补偿方式,从而提高了测量的精度、稳定性以及可重复性,在全量程范围内,精度为±1%,零点失调不大于±300μV。
2 BP01的主要性能参数
BP01的内部等效电路和外形封装如图1所示;表1所列为BP01在电源电压Vs为5.0V、环境温度TA为25℃时的主要性能参数。
BP01的极限参数如下： ·最大工作电压：20VDC; ·最大耐压：1500 mmHg; ·工作温度范围：0～70℃; ·引脚焊接温度（最大值）：250℃（2～4秒）。
3 基于BP01的电子血压计
3.1工作原理
用BP01构成的便携式电子血压计的原理电路如图2所示,它由偏置电源电路（A
1、A2）、前置处理电路（A3～A6）、显示电路（A7）和压力传感器（BP01）组成,该血压计的血压测量范围为0～200mmHg,分辨率为0.1mmHg,工作电源为一节9V迭层电池。现将血压计中各主要电路的工作原理分述如下： a.偏置电源电路
电源电路由带有内置参考电压的双运放LM10组成,A1构成同相放大器,A2构成跟随器,它们的作用是将内置的参考电压放大后用作压力传感器BP01的偏置电压Vs,其Vs的值由下式决定：Vs=Vref（1+R2/R3）
式中：Vref为LM10的内置参考电压。其值为200mV,将此值连同电路中的R2和R3的值代入上式即可求得偏置电压Vs的值为5V。
b.前置处理电路
前置处理电路由A3～A6四个运算放大器组成,其中A3构成失调偏置电路以对电路失调进行补偿;A5构成跟随器,用于对压力传感器BP01的输出信号进行隔离缓冲;A
4、A6构成放大电路,其增益AV由下式决定： AV=1+（R1/RT）
若忽略失调,前置处理电路的输出电压Vout为：Vout=2（1+R1/RT）VIN 式中：VIN为压力传感器BP01的输出电压。 c.显示电路
显示电路选用三位半的显示驱动器。工作时,压力传感器BP01的输出经前置处理电路放大后,由显示驱动电路来驱动LCD,以读出测量的血压值。 3.2调试方法
a.零压输出调整
在零压输出时,调整失调电位器RP1,在血压计的显示值为000.0时,即可认为完成了零压输出调整。
b.前置电路增益的调整
压力传感器BP01的满量程输出与偏置电压有一定的关系,当5V偏置时,在200mmHg压力下的输出为10mV,其对应的显示驱动电路的输入为200mV,因此前置电路的增益AV为200mV/10mV,这样,利用前面Av的计算公式即可反推出增益电阻RT的值。若选取电阻R1为10kΩ,则增益电阻RT应为1.1kΩ。调试时可先用电位器调整输出值,再用万用表测出该电位器的阻值,最后再换成固定电阻。
c.满量程调整
满量程调整时,先在显示电路的输入端加上200mV电压,然后调整电位器RP2,使其读数为199.9mmHg即可。
上调整完成之后,一般应多重复几次,以使显示值可靠地符合精度要求。 3.3元器件的选择
为保证测量精度,上述电路的外围元器件的选择也是一个不容忽视的重要环节。一般情况下,电位器RP
1、RP2应选用1%精度的金属膜多圈电位器;电阻应选用1%精度的金属膜电阻器;电容一般选用聚脂薄膜或者云母电容。
致谢
传感器的种类和作用多种多样，也有不同的形式，上面介绍的只是冰山一角现在的传感器多的让人数不过来，有些看到后还会让人大吃一惊，感觉相当奇妙，一个好的传感器，关键是要有好的电路设计和思路，这样才能设计出好的传感器，才会有更好的应用。 参考文献
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