傳感器知識

傳感器知識   

[2008-9-17 ]



傳感器的定義
　　國家標準 GB7665-87 對傳感器下的定義是： “ 能感受規定的被測量并按照一定的
規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成 ” 。傳感器是一
種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為
電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控
制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。
傳感器的分類
　　 目前對傳感器尚無一個統一的分類方法，但比較常用的有如下三種：
　　１、按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳
感器。
　　 ２、按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵
熱電偶等傳感器。
　　 ３、按傳感器輸出信號的性質分類，可分為：輸出為開關量（ “ １ ” 和 “ ０
” 或 “ 開 ” 和 “ 關 ” ）的開關型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或
代碼的數字型傳感器。
傳感器的靜態特性
　　 傳感器的靜態特性是指對靜態的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相
互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜
態特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量
作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有：線性度、靈敏
度、分辨力和遲滯等。
傳感器的動態特性
　　 所謂動態特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感
器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信
號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響
應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍
信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。
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性能指標。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
為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。
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。
　　 提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩定性也往
往愈差。
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最小變化的能力。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最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。
電阻式傳感器
　 電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量
轉換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、
濕敏等電阻式傳感器件。
電阻應變式傳感器
　　 傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產生機械形變，從而
使電阻值隨之發生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類，金屬應變片有金
屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍
）、橫向效應小等優點。
壓阻式傳感器
    壓阻式傳感器是根據半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經擴散電阻而制
成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內接成電橋形式。當基片
受到外力作用而產生形變時，各電阻值將發生變化，電橋就會產生相應的不平衡輸出。
用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感 材料而制成
的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態壓阻式傳感器
應用最為普遍。
熱電阻傳感器
    熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有
關的參數。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的
熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數大、線性好、性能穩定、使用溫度
范圍寬、加工容易等特點。用于測量 -200 ℃ ～ +500 ℃ 范圍內的溫度。
傳感器的遲滯特性
　　 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 -
一輸入特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的最大差值 △ 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。
傳感器的選用
    傳感器千差萬別，即便對于相同種類的測定量也可采用不同工作原理的傳感器，因
此，要根據需要選用最適宜的傳感器。
  (1) 測量條件
如果誤選傳感器，就會降低系統的可靠性。為此，要從系統總體考慮，明確使用的目的
以及采用傳感器的必要性，絕對不要采用不適宜的傳感器與不必要的傳感器。測量條件
列舉如下，即測量目的，測量量的選定，測量的范圍，輸入信號的帶寬，要求的精度，
測量所需要的時間，過輸入發生的頻繁程度。
  (2) 傳感器的性能
選用傳感器時，要考慮傳感器的下述性能，即精度，穩定性，響應速度，模擬信號或者
數字信號，輸出量及其電平，被測對象特性的影響，校準周期，過輸人保護。
  (3) 傳感器的使用條件
傳感器的使用條件即為設置的場所，環境 ( 濕度、溫度、振動等 ) ，測量的時間，與
顯示器之間的信號傳輸距離，與外設的連接方式，供電電源容量。