傳感器的原理及應(yīng)用

核心提示：傳感器技術(shù)是測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機(jī) 械、仿生學(xué)和材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性和高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)之一，是現(xiàn)代新技術(shù)革命和信息社會(huì)的重要基礎(chǔ)，是自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制技術(shù)不可缺 少的重要組成部分。目前，傳感器技術(shù)已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)*的支柱產(chǎn)業(yè)的一部分。傳感器在工業(yè)部門(mén)的應(yīng)用普及率己被社會(huì)作為衡量一個(gè)智能化、 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的重要標(biāo)志。

《傳感器檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》介紹了傳感器的基本知識(shí)、傳感器組成與分類(lèi)、傳感器的材料及特性、傳感器標(biāo)定與、傳感檢測(cè)技術(shù)的作用和發(fā)展，重點(diǎn)講解了位 移、力、視覺(jué)、觸覺(jué)、溫度、氣敏、濕度、光電、智能、生物、微波、超聲波、機(jī)器人等各種傳感器的工作原理與應(yīng)用方法，對(duì)傳感器檢測(cè)的輸出信號(hào)處理、傳感器 與微機(jī)的接口、傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了詳細(xì)敘述。書(shū)中列舉了傳感器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生、家用電器等許多方面的應(yīng)用實(shí)例，特別是介紹了傳感器在機(jī)電 一體化系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。《傳感器檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》介根據(jù)工學(xué)結(jié)合課程的教學(xué)安排，還編寫(xiě)了與內(nèi)容相關(guān)的綜合實(shí)訓(xùn)課題。《傳感器檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》介共10 個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目前后均附有知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)及習(xí)題。

《傳感器檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》介選材廣泛，圖文并茂，層次分明，條理清晰，結(jié)構(gòu)合理，重點(diǎn)突出，深入淺出，通俗易懂，通過(guò)大量的傳感器實(shí)例分析和綜合實(shí)訓(xùn)課題來(lái)幫助讀者理解傳感器的工作原理。

《傳感器檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》介深度適宜，實(shí)用性強(qiáng)，可作為高職院校、大專(zhuān)院校、成人高校及本科院校舉辦的二級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)院和民辦高校機(jī)電一體化、應(yīng)用電子技 術(shù)、自動(dòng)控制、儀器儀表測(cè)量、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、機(jī)械制造、數(shù)控加工、模具技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的教學(xué)用書(shū)，也可作為相關(guān)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)教材或相關(guān)工程技術(shù)人員的參考學(xué)習(xí)用書(shū)。

隨著這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來(lái)越重要。傳感器已成為自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來(lái)越明顯。下面為大家介紹傳感器技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。

傳感器技術(shù)

一、傳感器技術(shù)特性

(1)傳感器的動(dòng)態(tài)性。動(dòng)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性輸入信號(hào)變化時(shí)，輸出信號(hào)隨時(shí)間變化而相應(yīng)地變化，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為響應(yīng)。 傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，當(dāng)輸入信號(hào)是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，傳感器能及時(shí)地跟蹤輸入信 號(hào)，按照輸入信號(hào)的變化規(guī)律輸出信號(hào)。當(dāng)傳感器輸入信號(hào)的變化緩慢時(shí)，是容易跟蹤的，但隨著輸入信號(hào)的變化加快，傳感器的及時(shí)跟蹤會(huì)逐漸下降。通常要 求傳感器不僅能地顯示被測(cè)量的大小，而且還能復(fù)現(xiàn)被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律，這也是傳感器的重要特性之一。

(2)傳感器的線(xiàn)性度。通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線(xiàn)而非直線(xiàn)。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線(xiàn)近似地代表 實(shí)際的特性曲線(xiàn)、線(xiàn)性度(非線(xiàn)性誤差)就是這個(gè)近似程度的一個(gè)指標(biāo)。擬合直線(xiàn)的選取有多種方法。如將零輸入和滿(mǎn)量程輸出點(diǎn)相連的理論直線(xiàn)作為擬合直 線(xiàn);或?qū)⑴c特性曲線(xiàn)上各點(diǎn)偏差的平方和為zui小的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)，此擬合直線(xiàn)稱(chēng)為zui小二乘法擬合直線(xiàn)。

(3)傳感器的靈敏度。靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對(duì)輸入量變化△x的比值。它是輸出一輸入特性曲線(xiàn)的斜率。如果傳感器的輸出和輸入 之間顯線(xiàn)性關(guān)系，則靈敏度S是一個(gè)常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm 時(shí)，輸出電壓變化為200mV,則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm.當(dāng)傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。

(4)傳感器的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其參數(shù)的能力。理想的情況是不論什么時(shí)候，傳感器的特性參數(shù)都不隨時(shí)間變化。但實(shí)際 上，隨著時(shí)間的推移，大多數(shù)傳感器的特性會(huì)發(fā)生改變。這是因?yàn)槊舾衅骷驑?gòu)成傳感器的部件，其特性會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，從而影響傳感器的穩(wěn)定性。

(5)傳感器的分辨力。分辨力是指?jìng)鞲衅骺赡芨惺艿降谋粶y(cè)量的zui小變化的能力。也就是說(shuō)，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當(dāng)輸入變化值未超過(guò)某一數(shù)值 時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化，即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來(lái)的。只有當(dāng)輸入量的變化超過(guò)分辨力時(shí)，其輸出才會(huì)發(fā)生變化。通常傳感器在滿(mǎn)量程范圍 內(nèi)各點(diǎn)的分辨力并不相同，因此常用滿(mǎn)量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的zui大變化值作為衡量分辨力的指標(biāo)。上述指標(biāo)若用滿(mǎn)量程的百分比表示，則稱(chēng)為 分辨率。

(6)傳感器的遲滯性。遲滯特性表征傳感器在正向(輸入量增大)和反向(輸入量減小)行程間輸出-輸入特性曲線(xiàn)不一致的程度，通常用這兩條曲線(xiàn)之間的zui大差值△MAX與滿(mǎn)量程輸出F·S的百分比表示。遲滯可由傳感器內(nèi)部元件存在能量的吸收造成。

(7)傳感器的重復(fù)性。重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線(xiàn)不一致的程度。各條特性曲線(xiàn)越靠近，說(shuō)明重復(fù)性越好，隨機(jī)誤差就越小。

傳感器技術(shù)

二、傳感器技術(shù)參數(shù)

(1)額定載荷：傳感器的額定載荷是指在設(shè)計(jì)此傳感器時(shí)，在規(guī)定技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)能夠丈量的zui大軸向負(fù)荷。但實(shí)際使用時(shí)，一般只用額定量程的2/3~1/3。

(2)答應(yīng)使用負(fù)荷(或稱(chēng)過(guò)載)：傳感器答應(yīng)施加的zui大軸向負(fù)荷。答應(yīng)在一定范圍內(nèi)超負(fù)荷工作。一般為120%~150%。

(3)極限負(fù)荷(或稱(chēng)極限過(guò)載)：傳感器能承受的不使其喪失工作能力的zui大軸向負(fù)荷。意即當(dāng)工作超過(guò)此值時(shí)，傳感器將會(huì)受到損壞。

(4)靈敏度：輸出增量與所加的負(fù)荷增量之比。通常每輸進(jìn)1V電壓時(shí)額定輸出的mV。本公司產(chǎn)品與其它公司產(chǎn)品配套時(shí)，其靈敏系數(shù)必須一致。

(5)非線(xiàn)性：這是表征此傳感器輸出的電壓信號(hào)與負(fù)荷之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的程度的參數(shù)。

(6)重復(fù)性：重復(fù)性表征傳感器在同一負(fù)荷在同樣條件下反復(fù)施加時(shí)，其輸出值是否能重復(fù)一致，這項(xiàng)特性重要，能反映傳感器的。對(duì)重復(fù)性的誤差 的表述：重復(fù)性誤差可與非線(xiàn)性同時(shí)測(cè)定。傳感器的重復(fù)性誤差(R)按下式計(jì)算：R=ΔθR/θn×100%。ΔθR--同一試驗(yàn)點(diǎn)上3次丈量的實(shí)際輸出信 號(hào)值之間的zui大差值(mv)。

(7)滯后：滯后的通俗意思是：逐級(jí)施加負(fù)荷再依次卸下負(fù)荷時(shí)，對(duì)應(yīng)每一級(jí)負(fù)荷，理想情況下應(yīng)有一樣的讀數(shù)，但事實(shí)上下一致，這不一致的程度用滯后誤差這 一指標(biāo)來(lái)表示。中是這樣來(lái)計(jì)算滯后誤差的：傳感器的滯后誤差(H)按下式計(jì)算：H=ΔθH/θn×100%。ΔθH--同一試驗(yàn)點(diǎn)上3次行程實(shí)際輸出 信號(hào)值的算術(shù)均勻與3次上行程實(shí)際輸出信號(hào)值的算術(shù)均勻之間的zui大差值(mv)。

(8)蠕變和蠕變恢復(fù)：要求從兩個(gè)方面檢驗(yàn)傳感器的蠕變誤差：其一是蠕變：在5-10秒時(shí)間無(wú)沖擊地加上額定負(fù)荷，在加荷后5~10秒讀數(shù)，然后在30分 鐘內(nèi)按一定的時(shí)間間隔依次記下輸出值。傳感器蠕變(CP)按下式計(jì)算：CP=θ2-θ3/θn×100%。其二是蠕變恢復(fù)：盡快往掉額定負(fù)荷(在5~10 秒時(shí)間內(nèi))，卸荷后在5~10秒內(nèi)立即讀數(shù)，然后在30分鐘內(nèi)按一定的時(shí)間間隔依次記下輸出值。傳感器的蠕變恢復(fù)(CR)按下式計(jì)算：CR=θ5- θ6/θn×100%。

(9)答應(yīng)使用溫度：規(guī)定了此傳感器能適用的場(chǎng)合。例常溫傳感器一般標(biāo)注為：-20℃---+70℃。高溫傳感器標(biāo)注為：-40℃---250℃。

(10)溫度補(bǔ)償范圍：說(shuō)明此傳感器在生產(chǎn)時(shí)已在這樣的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了補(bǔ)償。例常溫傳感器一般標(biāo)注為-10℃-+55℃。

(11)零點(diǎn)溫度影響(俗稱(chēng)零點(diǎn)溫漂)：表征此傳感器在環(huán)境溫度變化時(shí)它的零點(diǎn)的穩(wěn)定性。一般以每10℃范圍內(nèi)產(chǎn)生的漂移為計(jì)量單位。

(12)輸出靈敏系數(shù)的溫度影響(俗稱(chēng)系數(shù)溫漂)：此參數(shù)表征此傳感器在環(huán)境溫度變化時(shí)輸出靈敏度的穩(wěn)定性。一般以每10℃范圍內(nèi)產(chǎn)生的漂移為計(jì)量單位。

(13)輸出阻抗：本公司傳感器與其它廠(chǎng)感器并聯(lián)使用時(shí)，必須弄清該公司產(chǎn)品的輸出阻抗，此值必須與其一致，否則它會(huì)直接影響電子秤的輸出特征和四角誤差的調(diào)試。

(14)輸進(jìn)阻抗：由于傳感器的輸進(jìn)端彈模補(bǔ)償電阻和靈敏系數(shù)調(diào)整電阻，所以傳感器的輸進(jìn)電阻都大于輸出電阻，但可通過(guò)并聯(lián)電阻方法使其變化。要求各傳感 器的輸進(jìn)阻抗一致，若與其它廠(chǎng)家的傳感器匹配。則應(yīng)使輸進(jìn)阻抗與其一致，否則在調(diào)試四角誤差時(shí)會(huì)增加工時(shí)，由于傳感器的輸進(jìn)阻抗對(duì)穩(wěn)壓電源而言是一個(gè)負(fù) 載，只有負(fù)載一樣，同一穩(wěn)壓電源才會(huì)提供一樣的電源電壓。

(15)盡緣阻抗：盡緣阻抗相當(dāng)于傳感器橋路與地之間串了一個(gè)阻值與其相當(dāng)?shù)牡碾娮瑁M緣電阻的大小會(huì)影響傳感器的各項(xiàng)。而當(dāng)盡緣阻抗低于某一個(gè)值時(shí)，電橋?qū)o(wú)法正常工作。

(16)推薦激勵(lì)電壓：一般為5~10伏。因一般稱(chēng)重儀表內(nèi)配的穩(wěn)壓電源為5或10伏。

(17)答應(yīng)zui大激勵(lì)電壓：為了進(jìn)步輸出信號(hào)，在某些情況下(例如大皮重)要求利用加大激勵(lì)電壓來(lái)獲得較大的信號(hào)。

(18)電纜長(zhǎng)度：它與現(xiàn)場(chǎng)布局有關(guān)，定貨前必須看清楚公司產(chǎn)品的常規(guī)電纜長(zhǎng)度。另外，留意環(huán)境是否有腐蝕性、是否有沖擊情況、是否高溫或低溫。

(19)密封防護(hù)等級(jí)IP67：防浸水影響，以規(guī)定的壓力和時(shí)間浸進(jìn)水中不受影響。灌膠保護(hù)的傳感器可達(dá)到IP67。除可防油、防水外，還可防一般的腐蝕性氣體，腐蝕性介質(zhì)。