傳感器的原理及應用

核心提示：傳感器技術是測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、微電子學、光學、聲學、精密機 械、仿生學和材料科學等眾多學科相互交叉的綜合性和高新技術密集型前沿技術之一，是現代新技術革命和信息社會的重要基礎，是自動檢測和自動控制技術不可缺 少的重要組成部分。目前，傳感器技術已成為我國國民經濟*的支柱產業的一部分。傳感器在工業部門的應用普及率己被社會作為衡量一個智能化、 數字化、網絡化的重要標志。

《傳感器檢測技術及應用》介紹了傳感器的基本知識、傳感器組成與分類、傳感器的材料及特性、傳感器標定與、傳感檢測技術的作用和發展，重點講解了位 移、力、視覺、觸覺、溫度、氣敏、濕度、光電、智能、生物、微波、超聲波、機器人等各種傳感器的工作原理與應用方法，對傳感器檢測的輸出信號處理、傳感器 與微機的接口、傳感器網絡進行了詳細敘述。書中列舉了傳感器在工農業生產、科學研究、醫療衛生、家用電器等許多方面的應用實例，特別是介紹了傳感器在機電 一體化系統中的具體應用。《傳感器檢測技術及應用》介根據工學結合課程的教學安排，還編寫了與內容相關的綜合實訓課題。《傳感器檢測技術及應用》介共10 個項目，每個項目前后均附有知識目標、能力目標及習題。

《傳感器檢測技術及應用》介選材廣泛，圖文并茂，層次分明，條理清晰，結構合理，重點突出，深入淺出，通俗易懂，通過大量的傳感器實例分析和綜合實訓課題來幫助讀者理解傳感器的工作原理。

《傳感器檢測技術及應用》介深度適宜，實用性強，可作為高職院校、大專院校、成人高校及本科院校舉辦的二級職業技術學院和民辦高校機電一體化、應用電子技 術、自動控制、儀器儀表測量、計算機應用、機械制造、數控加工、模具技術等專業的教學用書，也可作為相關專業培訓教材或相關工程技術人員的參考學習用書。

隨著這些系統能力的增強，作為信息采集系統的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統和機器人技術中的關鍵部件，作為系統中的一個結構組成，其重要性變得越來越明顯。下面為大家介紹傳感器技術的相關內容。

傳感器技術

一、傳感器技術特性

(1)傳感器的動態性。動特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。動態特性輸入信號變化時，輸出信號隨時間變化而相應地變化，這個過程稱為響應。 傳感器的動態特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。動態特性好的傳感器，當輸入信號是隨時間變化的動態信號時，傳感器能及時地跟蹤輸入信 號，按照輸入信號的變化規律輸出信號。當傳感器輸入信號的變化緩慢時，是容易跟蹤的，但隨著輸入信號的變化加快，傳感器的及時跟蹤會逐漸下降。通常要 求傳感器不僅能地顯示被測量的大小，而且還能復現被測量隨時間變化的規律，這也是傳感器的重要特性之一。

(2)傳感器的線性度。通常情況下，傳感器的實際靜態特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線近似地代表 實際的特性曲線、線性度(非線性誤差)就是這個近似程度的一個指標。擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直 線;或將與特性曲線上各點偏差的平方和為zui小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為zui小二乘法擬合直線。

(3)傳感器的靈敏度。靈敏度是指傳感器在穩態工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入 之間顯線性關系，則靈敏度S是一個常數。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，輸出電壓變化為200mV,則其靈敏度應表示為200mV/mm.當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數。

(4)傳感器的穩定性。穩定性表示傳感器在一個較長的時間內保持其參數的能力。理想的情況是不論什么時候，傳感器的特性參數都不隨時間變化。但實際 上，隨著時間的推移，大多數傳感器的特性會發生改變。這是因為敏感器件或構成傳感器的部件，其特性會隨時間發生變化，從而影響傳感器的穩定性。

(5)傳感器的分辨力。分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的zui小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數值 時，傳感器的輸出不會發生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨力時，其輸出才會發生變化。通常傳感器在滿量程范圍 內各點的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產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。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為 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-輸入特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的zui大差值△MAX與滿量程輸出F·S的百分比表示。遲滯可由傳感器內部元件存在能量的吸收造成。

(7)傳感器的重復性。重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續多次變動時所得特性曲線不一致的程度。各條特性曲線越靠近，說明重復性越好，隨機誤差就越小。

傳感器技術

二、傳感器技術參數

(1)額定載荷：傳感器的額定載荷是指在設計此傳感器時，在規定技術指標范圍內能夠丈量的zui大軸向負荷。但實際使用時，一般只用額定量程的2/3~1/3。

(2)答應使用負荷(或稱過載)：傳感器答應施加的zui大軸向負荷。答應在一定范圍內超負荷工作。一般為120%~150%。

(3)極限負荷(或稱極限過載)：傳感器能承受的不使其喪失工作能力的zui大軸向負荷。意即當工作超過此值時，傳感器將會受到損壞。

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

(5)非線性：這是表征此傳感器輸出的電壓信號與負荷之間對應關系的程度的參數。

(6)重復性：重復性表征傳感器在同一負荷在同樣條件下反復施加時，其輸出值是否能重復一致，這項特性重要，能反映傳感器的。對重復性的誤差 的表述：重復性誤差可與非線性同時測定。傳感器的重復性誤差(R)按下式計算：R=ΔθR/θn×100%。ΔθR--同一試驗點上3次丈量的實際輸出信 號值之間的zui大差值(mv)。

(7)滯后：滯后的通俗意思是：逐級施加負荷再依次卸下負荷時，對應每一級負荷，理想情況下應有一樣的讀數，但事實上下一致，這不一致的程度用滯后誤差這 一指標來表示。中是這樣來計算滯后誤差的：傳感器的滯后誤差(H)按下式計算：H=ΔθH/θn×100%。ΔθH--同一試驗點上3次行程實際輸出 信號值的算術均勻與3次上行程實際輸出信號值的算術均勻之間的zui大差值(mv)。

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

(9)答應使用溫度：規定了此傳感器能適用的場合。例常溫傳感器一般標注為：-20℃---+70℃。高溫傳感器標注為：-40℃---250℃。

(10)溫度補償范圍：說明此傳感器在生產時已在這樣的溫度范圍內進行了補償。例常溫傳感器一般標注為-10℃-+55℃。

(11)零點溫度影響(俗稱零點溫漂)：表征此傳感器在環境溫度變化時它的零點的穩定性。一般以每10℃范圍內產生的漂移為計量單位。

(12)輸出靈敏系數的溫度影響(俗稱系數溫漂)：此參數表征此傳感器在環境溫度變化時輸出靈敏度的穩定性。一般以每10℃范圍內產生的漂移為計量單位。

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

(14)輸進阻抗：由于傳感器的輸進端彈模補償電阻和靈敏系數調整電阻，所以傳感器的輸進電阻都大于輸出電阻，但可通過并聯電阻方法使其變化。要求各傳感 器的輸進阻抗一致，若與其它廠家的傳感器匹配。則應使輸進阻抗與其一致，否則在調試四角誤差時會增加工時，由于傳感器的輸進阻抗對穩壓電源而言是一個負 載，只有負載一樣，同一穩壓電源才會提供一樣的電源電壓。

(15)盡緣阻抗：盡緣阻抗相當于傳感器橋路與地之間串了一個阻值與其相當的的電阻，盡緣電阻的大小會影響傳感器的各項。而當盡緣阻抗低于某一個值時，電橋將無法正常工作。

(16)推薦激勵電壓：一般為5~10伏。因一般稱重儀表內配的穩壓電源為5或10伏。

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

(18)電纜長度：它與現場布局有關，定貨前必須看清楚公司產品的常規電纜長度。另外，留意環境是否有腐蝕性、是否有沖擊情況、是否高溫或低溫。

(19)密封防護等級IP67：防浸水影響，以規定的壓力和時間浸進水中不受影響。灌膠保護的傳感器可達到IP67。除可防油、防水外，還可防一般的腐蝕性氣體，腐蝕性介質。