首页>

生活常识>

浅谈:传感器技术的特性及参数

浅谈:传感器技术的特性及参数

发布:2019-02-03 19:45:29

传感器(英文名称:transducer/sensor)是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展,让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求随着这些系统能力的增强,作为信息采集系统的前端单元,传感器的作用越来越重要。传感器技术已成为自动化系统和机器人中的关键部件,作为系统中的一个结构组成,其重要性变得越来越明显。下面我将为大家介绍传感器技术的相关内容。

传感器原理

1、压电传感器:基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量,如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。

它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施,而且输出的直流响应差,需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现,使压电传感器的使用更为方便。它广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。

2、应变传感器:应变传感器是国内外应用较广泛的一种,它是以电阻应变计为转换元件,将非电量如:力、压力、位移、加速度、扭矩等参数转换为电量。

3、光电传感器:将光信号转换成电信号的传感器

4、热电传感器:将热信号转换成电信号的传感器

5、电容式压力传感器简介

科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类,现在,压力传感器的敏感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。

金属应变式压力传感器是一种历史较长的压力传感器,但由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点,其应用场合受到了很大的限制。

压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器,它具有制造方便,成本低廉等特点,但由于半导体材料对温度极为敏感,所以其性能受温度影响较大,产品的一致性较差。

传感器应用

常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟:

光敏传感器——视觉

声敏传感器——听觉

气敏传感器——嗅觉

化学传感器——味觉

压敏、温敏、流体传感器——触觉

敏感元件的分类:

物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

化学类,基于化学反应的原理。

生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类(还有人曾将敏感元件分46类)。

传感器尺寸

传感器的尺寸,其实是说感光器件的面积大小,这里就包括了CCD和CMOS。感光器件的面积越大,CCD/CMOS面积越大,捕捉的光子越多,感光性能越好,信噪比越高。

传感器尺寸越大,感光面积越大,成像效果越好。1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前者的55%)。而相同尺寸的传感器像素增加固然是件好事,但这也会导致单个像素的感光面积缩小,有曝光不足的可能。 传感器尺寸较大的数码相机,价格也较高。感光器件的大小直接影响数码 相机的体积重量。超薄、超轻的数码相机一般传感器尺寸也小,而越专业的数码相机,传感器尺寸也越大。

传感器技术特性

(1)传感器的动态性。动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性输入信号变化时,输出信号随时间变化而相应地变化,这个过程称为响应。传感器的动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器,当输入信号是随时间变化的动态信号时,传感器能及时精确地跟踪输入信号,按照输入信号的变化规律输出信号。当传感器输入信号的变化缓慢时,是容易跟踪的,但随着输入信号的变化加快,传感器的及时跟踪性能会逐渐下降。通常要求传感器不仅能精确地显示被测量的大小,而且还能复现被测量随时间变化的规律,这也是传感器的重要特性之一。

(2)传感器的线性度。通常情况下,传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中,为使仪表具有均匀刻度的读数,常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线,此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

(3)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。

(4)传感器的稳定性。稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。理想的情况是不论什么时候,传感器的特性参数都不随时间变化。但实际上,随着时间的推移,大多数传感器的特性会发生改变。这是因为敏感器件或构成传感器的部件,其特性会随时间发生变化,从而影响传感器的稳定性。

(5)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。

(6)传感器的迟滞性。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-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。

(7)传感器的重复性。重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。各条特性曲线越靠近,说明重复性越好,随机误差就越小。

传感器技术参数

(1)额定载荷:传感器的额定载荷是指在设计此传感器时,在规定技术指标范围内能够丈量的最大轴向负荷。但实际使用时,一般只用额定量程的2/3~1/3。

(2)答应使用负荷(或称安全过载):传感器答应施加的最大轴向负荷。答应在一定范围内超负荷工作。一般为120%~150%。

(3)极限负荷(或称极限过载):传感器能承受的不使其丧失工作能力的最大轴向负荷。意即当工作超过此值时,传感器将会受到损坏。

(4)灵敏度:输出增量与所加的负荷增量之比。通常每输进1V电压时额定输出的mV。本公司产品与其它公司产品配套时,其灵敏系数必须一致。

(5)非线性:这是表征此传感器输出的电压信号与负荷之间对应关系的精确程度的参数。

(6)重复性:重复性表征传感器在同一负荷在同样条件下反复施加时,其输出值是否能重复一致,这项特性更重要,更能反映传感器的品质。国标对重复性的误差的表述:重复性误差可与非线性同时测定。传感器的重复性误差(R)按下式计算:R=ΔθR/θn×100%。ΔθR--同一试验点上3次丈量的实际输出信号值之间的最大差值(mv)。

(7)滞后:滞后的通俗意思是:逐级施加负荷再依次卸下负荷时,对应每一级负荷,理想情况下应有一样的读数,但事实上下一致,这不一致的程度用滞后误差这一指标来表示。国标中是这样来计算滞后误差的:传感器的滞后误差(H)按下式计算:H=ΔθH/θn×100%。ΔθH--同一试验点上3次行程实际输出信号值的算术均匀与3次上行程实际输出信号值的算术均匀之间的最大差值(mv)。

(8)蠕变和蠕变恢复:要求从两个方面检验传感器的蠕变误差:其一是蠕变:在5-10秒时间无冲击地加上额定负荷,在加荷后5~10秒读数,然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。传感器蠕变(CP)按下式计算:CP=θ2-θ3/θn×100%。其二是蠕变恢复:尽快往掉额定负荷(在5~10秒时间内),卸荷后在5~10秒内立即读数,然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。传感器的蠕变恢复(CR)按下式计算:CR=θ5-θ6/θn×100%。

(9)答应使用温度:规定了此传感器能适用的场合。例常温传感器一般标注为:-20℃---+70℃。高温传感器标注为:-40℃---250℃。

(10)温度补偿范围:说明此传感器在生产时已在这样的温度范围内进行了补偿。例常温传感器一般标注为-10℃-+55℃。

(11)零点温度影响(俗称零点温漂):表征此传感器在环境温度变化时它的零点的稳定性。一般以每10℃范围内产生的漂移为计量单位。

(12)输出灵敏系数的温度影响(俗称系数温漂):此参数表征此传感器在环境温度变化时输出灵敏度的稳定性。一般以每10℃范围内产生的漂移为计量单位。

(13)输出阻抗:本公司传感器与其它厂祖传感器并联使用时,必须弄清该公司产品的输出阻抗,此值必须与其一致,否则它会直接影响电子秤的输出特征和四角误差的调试。

(14)输进阻抗:由于传感器的输进端弹模补偿电阻和灵敏系数调整电阻,所以传感器的输进电阻都大于输出电阻,但可通过并联电阻方法使其变化。要求各传感器的输进阻抗一致,若与其它厂家的传感器匹配。则应使输进阻抗与其一致,否则在调试四角误差时会增加工时,由于传感器的输进阻抗对稳压电源而言是一个负载,只有负载一样,同一稳压电源才会提供一样的电源电压。

(15)尽缘阻抗:尽缘阻抗相当于传感器桥路与地之间串了一个阻值与其相当的的电阻,尽缘电阻的大小会影响传感器的各项性能。而当尽缘阻抗低于某一个值时,电桥将无法正常工作。

(16)推荐激励电压:一般为5~10伏。因一般称重仪表内配的稳压电源为5或10伏。

(17)答应最大激励电压:为了进步输出信号,在某些情况下(例如大皮重)要求利用加大激励电压来获得较大的信号。

(18)电缆长度:它与现场布局有关,定货前必须看清楚公司产品的常规电缆长度。另外,留意环境是否有腐蚀性、是否有冲击情况、是否高温或低温。

(19)密封防护等级IP67:防浸水影响,以规定的压力和时间浸进水中性能不受影响。灌胶保护的传感器可达到IP67。除可防油、防水外,还可防一般的腐蚀性气体,腐蚀性介质。

编辑总结:抛开尺寸优势,小尺寸的感光元件在制造成本以及功耗水平上也都会比大尺寸的传感器低很多。就拿制造成本来说,之所以数码相机能够走进千家万户,之所以我们花一千多块钱就能买到一台数码相机,很大程度上就是因为小尺寸的感光元件制造成本低。这点对于数码相机的普及还是有很大意义的。