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HangYe.Asia行业宝典之传感器篇

贡献者:行业知识百科


HangYe.Asia行业宝典之传感器

传感器是一种物理装置或生物器官,能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾),并将探知的信息传递给其他装置或器官。

传感器的定义
      
  英文名称:transducer / sensor 
  国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,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。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 
  “传感器”在新韦式大词典中定义为: 
  -“从一个系统接受功率,通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。 
  根据这个定义,传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式,所以不少学者也用“换能器-Transducer”来称谓“传感器-Sensor”。 
传感器的作用
  人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。 
  新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 
  在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。 
  在基础学科研究中,传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展,进入了许多新领域:例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙,微观上要观察小到 cm的粒子世界,纵向上要观察长达数十万年的天体演化,短到 s的瞬间反应。此外,还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究,如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然,要获取大量人类感官无法直接获取的信息,没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍,首先就在于对象信息的获取存在困难,而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现,往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展,往往是一些边缘学科开发的先驱。 
  传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。 
  由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相称的新水平。 
传感器的原理
  传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,被测信号量的微小变化也将转换成电信号。向传感器提供±15V电源,激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波,经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源,通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈,得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源,该电源做运算放大器AD822的工作电源;由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源,该电源既作为电桥电源,又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时,应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号,再通过V/F转换器LM131变换成频率信号,通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈,再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号,该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙,加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内,形成有效的屏蔽,因此具有很强的抗干扰能力。有些传感器既不能划分到物理类,也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多,例如可靠性问题,规模生产的可能性,价格问题等,解决了这类难题,化学传感器的应用将会有巨大增长。 
传感器的应用
  常见的: 
  1.自动门,利用人体的红外微波来开关门 
  2.烟雾报警器,利用烟敏电阻来测量烟雾浓度,从而达到报警目的 
  3.手机,数码相机的照相机,利用光学传感器来捕获图象 
  4.电子称,利用力学传感器(导体应变片技术)来测量物体对应变片的压力,从而达到测量重量目的 
  5.水位报警,温度报警,湿度报警,光学报警等都是…… 
  智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。例如,它在机器人领域中有着广阔应用前景,智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能,可感知各种现象,完成各种动作。在工业生产中,利用传统的传感器无法对某些产品质量指标(例如,黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等)进行快速直接测量并在线控制。而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量(如温度、压力、流量等)。Cygnus公司生产了一种"葡萄糖手表",其外观像普通手表一样,戴上它就能实现无疼、无血、连续的血糖测试。"葡萄糖手表"上有一块涂着试剂的垫子,当垫子与皮肤接触时,葡萄糖分子就被吸附到垫子上,并与试剂发生电化学反应,产生电流。传感器测量该电流,经处理器计算出与该电流对应的血糖浓度,并以数字量显示。 
传感器的功能
  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: 
  ①物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 
  ②化学类,基于化学反应的原理。 
  ③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)。 
传感器的分类
  可以用不同的观点对传感器进行分类:它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应);它们的用途;它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。 
  根据传感器工作原理,可分为物理传感器和化学传感器二大类 : 
  传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 
  化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,被测信号量的微小变化也将转换成电信号。 
  有些传感器既不能划分到物理类,也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多,例如可靠性问题,规模生产的可能性,价格问题等,解决了这类难题,化学传感器的应用将会有巨大增长。 
  常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。 
1、传感器按照其用途分类:
  压力敏和力敏传感器 位置传感器 
  液面传感器 能耗传感器 
  速度传感器 加速度传感器 
  射线辐射传感器 热敏传感器 
  24GHz雷达传感器 
2、传感器按照其原理分类:
  振动传感器 湿敏传感器 
  磁敏传感器 气敏传感器 
  真空度传感器 生物传感器等。 
3、传感器按照其输出信号为标准分类:
  模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 
  数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 
  膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。 
  开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时,传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 
4、传感器按照其材料为标准分类:
  在外界因素的作用下,所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料,即那些具有功能特性的材料,被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类: 
  (1)按照其所用材料的类别分 
  金属 聚合物 陶瓷 混合物 
  (2)按材料的物理性质分: 导体 绝缘体 半导体 磁性材料 
  (3)按材料的晶体结构分: 
  单晶 多晶 非晶材料 
  与采用新材料紧密相关的传感器开发工作,可以归纳为下述三个方向: 
  (1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应,然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。 
  (2)探索新的材料,应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。 
  (3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应,并在传感器技术中加以具体实施。 
  现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。 
5、传感器按照其制造工艺分类:
  集成传感器 薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器 
  集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 
  薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的,相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时,同样可将部分电路制造在此基板上。 
  厚膜传感器是利用相应材料的浆料,涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常是Al2O3制成的,然后进行热处理,使厚膜成形。 
  陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。 
  完成适当的预备性操作之后,已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性,在某些方面,可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。 
  每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低,以及传感器参数的高稳定性等原因,采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。 
  (空侣网暖通专家提供) 
6、传感器根据测量目的不同分类
  物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的。 
  化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的。 
  生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的,用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。 
传感器的特性 - 传感器的原理及应用
传感器静态特性
  传感器的静态特性是指对静态的输入信号,传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关,所以它们之间的关系,即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程,或以输入量作横坐标,把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有:线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。 
  (1)线性度:指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。 
  (2)灵敏度:灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。 
  (3)迟滞:传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号,传感器的正反行程输出信号大小不相等,这个差值称为迟滞差值。 
  (4)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化时,所得特性曲线不一致的程度。 
  (5)漂移:传感器的漂移是指在输入量不变的情况下,传感器输出量随着时间变化,此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面:一是传感器自身结构参数;二是周围环境(如温度、湿度等)。 
传感器动态特性
  所谓动态特性,是指传感器在输入变化时,它的输出的特性。在实际工作中,传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得,并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系,往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种,所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 
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。 
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。 
  提高灵敏度,可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高,测量范围愈窄,稳定性也往往愈差。 
传感器的分辨率
  分辨率是指传感器可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率时,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率并不相同,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率的指标。上述指标若用满量程的百分比表示,则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。 
24GHz雷达传感器
  24GHz雷达传感器通过发射与接收频率为24.125GHz左右的微波来感应物体的存在,测量物体的运动速度,静止距离,物体所处角度等,采用平面微带技术,具有体积小.集成化程度高.感应灵敏,无需接触等特点。 
  24GHz雷达传感器是一种可以将微波回波信号转换为一种电信号的装换装置,是雷达测速仪,水位计,汽车ACC辅助巡航系统,自动门感应器等的核心芯片。 
电阻式传感器
  电阻式传感器是将被测量,如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。 
  称重传感器 
  引称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力--电转换装置,是电子衡器的一个关键部件。 
  能够实现力--电转换的传感器有多种,常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平,电容式用于部分电子吊秤,而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单,准确度高,适用面广,且能够在相对比较差的环境下使用。因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。 
电阻应变式传感器
  传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应,即在外力作用下产生机械形变,从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类,金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高(通常是丝式、箔式的几十倍)、横向效应小等优点。 
压阻式传感器
  压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件,扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时,各电阻值将发生变化,电桥就会产生相应的不平衡输出。 
  用作压阻式传感器的基片(或称膜片)材料主要为硅片和锗片,硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视,尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。 
热电阻传感器
  热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。 
  热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合,这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等,它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃~+500℃范围内的温度。 
  热电阻传感器分类: 
  1.NTC热电阻传感器: 
  该类传感器为负温度系数传感器,即,传感器阻值随温度的升高而减小; 
  2.PTC热电阻传感器: 
  该类传感器为正温度系数传感器,即,传感器阻值随温度的升高而增大。 
温度传感器
  1、室温管温传感器: 
  室温传感器用于测量室内和室外的环境温度,管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。室温传感器和管温传感器的形状不同,但温度特性基本一致。按温度特性划分,目前美的使用的室温管温传感器有二种类型:1、常数B值为4100K±3%,基准电阻为25℃对应电阻10KΩ±3%。温度越高,阻值越小;温度越低,阻值越大。离25℃越远,对应电阻公差范围越大;在0℃和55℃对应电阻公差约为±7%;而0℃以下及55℃以上,对于不同的供应商,电阻公差会有一定的差别。兹附“南韩新基”传感器的温度与电阻的对应关系表(中间为标称值,左右分别为最小最大值):-10℃→(57.1821─62.2756─67.7617)KΩ;-5℃→(48.1378─46.5725─50.2355)KΩ;0℃→(32.8812─35.2024─37.6537)KΩ;5℃→(25.3095─26.8778─28.5176)KΩ;10℃→(19.6624─20.7184─21.8114)KΩ;15℃→(15.4099─16.1155─16.8383)KΩ;20℃→(12.1779─12.6431─13.1144)KΩ;30℃→(7.67922─7.97078─8.26595)KΩ;35℃→(6.12564─6.40021─6.68106)KΩ;40℃→(4.92171─5.17519─5.43683)KΩ;45℃→(3.98164─4.21263─4.45301)KΩ;50℃→(3.24228─3.45097─3.66978)KΩ;55℃→(2.65676─2.84421─3.04214)KΩ;60℃→(2.18999─2.35774─2.53605)KΩ。除个别老产品外,美的空调电控使用的室温管温传感器均使用这种类型的传感器。常数B值为3470K±1%,基准电阻为25℃对应电阻5KΩ±1%。同样,温度越高,阻值越小;温度越低,阻值越大。离25℃越远,对应电阻公差范围越大。兹附“日本北陆”传感器的温度与电阻的对应关系表(中间为标称值,左右分别为最小最大值):-10℃→(22.1498─22.7155─23.2829)KΩ;0℃→(13.9408─14.2293─14.5224)KΩ;10℃→(9.0344─9.1810─9.3290)KΩ;20℃→(6.0125─6.0850─6.1579)KΩ;30℃→(4.0833─4.1323─4.1815)KΩ;40℃→(2.8246─2.8688─2.9134)KΩ;50℃→(1.9941─2.0321─2.0706)KΩ;60℃→(1.4343─1.4666─1.4994)KΩ。这种类型的传感器仅用于个别老产品,如RF7.5WB、T-KFR120C、KFC23GWY等。 
  2、排气温度传感器: 
  排气温度传感器用于测量压缩机顶部的排气温度,常数B值为3950K±3%,基准电阻为90℃对应电阻5KΩ±3%。兹附“日本芝蒲”传感器的温度与电阻的对应关系表(中间为标称值,左右分别为最小最大值):-30℃→(823.3─997.1─1206)KΩ;-20℃→(456.9─542.7─644.2)KΩ;-10℃→(263.7─307.7─358.8)KΩ;0℃→(157.6─180.9─207.5)KΩ;10℃→(97.09─109.8─124.0)KΩ;20℃→(61.61─68.66─76.45)KΩ;25℃→(49.59─54.89─60.70)KΩ;30℃→(40.17─44.17─48.53)KΩ;40℃→(26.84─29.15─31.63)KΩ;50℃→(18.35─19.69─21.12)KΩ;60℃→(12.80─13.59─14.42)KΩ;70℃→(9.107─9.589─10.05)KΩ;80℃→(6.592─6.859─7.130)KΩ;100℃→(3.560─3.702─3.846)KΩ;110℃→(2.652─2.781─2.913)KΩ;120℃→(2.003─2.117─2.235)KΩ;130℃→(1.532─1.632─1.736)KΩ。 
  3.、模块温度传感器:模块温度传感器用于测量变频模块(IGBT或IPM)的温度,目前用的感温头的型号是602F-3500F,基准电阻为25℃对应电阻6KΩ±1%。几个典型温度的对应阻值分别是:-10℃→(25.897─28.623)KΩ;0℃→(16.3248─17.7164)KΩ;50℃→(2.3262─2.5153)KΩ;90℃→(0.6671─0.7565)KΩ。 
  温度传感器的种类很多,现在经常使用的有热电阻:PT100、PT1000、Cu50、Cu100;热电偶:B、E、J、K、S等。温度传感器不但种类繁多,而且组合形式多样,应根据不同的场所选用合适的产品。 
  测温原理:根据电阻阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律的变化的原理,我们可以得到所需要测量的温度值。 
  (空侣网暖通专家提供) 
光敏传感器
  光敏传感器是最常见的传感器之一,它的种类繁多,主要有:光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近,包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测,它还可以作为探测元件组成其他传感器,对许多非电量进行检测,只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一,它在自动控制和非电量电测技术引中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻,当光子冲击接合处就会产生电流。 
湿度传感器资讯
  高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上,用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极,再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中,因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化,此即为湿度传感器的基本机理。影响高分子电容型元件的温度特性,除作为介质的高分子聚合物的介质常数ε及所吸附水分子的介电常数ε受温度影响产生变化外,还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。根据德拜理论的观点,液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。水分子的ε在T=5℃时为78.36,在T=20℃时为79.63。有机物ε与温度的关系因材料而异,且不完全遵从正比关系。在某些温区ε随T呈上升趋势,某些温区ε随T增加而下降。多数文献在对高分子湿敏电容元件感湿机理的分析中认为:高分子聚合物具有较小的介电常数,如聚酰亚胺在低湿时介电常数为3.0一3.8。而水分子介电常数是高分子ε的几十倍。因此高分子介质在吸湿后,由于水分子偶极距的存在,大大提高了吸水异质层的介电常数,这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。由于ε的变 化,使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比。在设计和制作工艺中很难组到感湿特性全湿程线性。作为电容器,高分子介质膜的厚度d和平板电容的效面积S也和温度有关。温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响C值。高分子聚合物的平均热线胀系数可达到 的量级。例如硝酸纤维素的平均热线胀系数为108x10-5/℃。随着温度上升,介质膜厚d增加,对C呈负贡献值;但感湿膜的膨胀又使介质对水的吸附量增加,即对C呈正值贡献。可见湿敏电容的温度特性受多种因素支配,在不同的湿度范围温漂不同;在不同的温区呈不同的温度系数;不同的感湿材料温度特性不同。总之,高分子湿度传感器的温度系数并非常数,而是个变量。所以通常传感器生产厂家能在-10-60摄氏度范围内是传感器线性化减小温度对湿敏元件的影响。 
  比较优质的产品主要使用聚酰胺树脂,产品结构概要为在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作金电极,再喷镀感湿介质材料(如前所述)形式平整的感湿膜,再在薄膜上蒸发上金电极.湿敏元件的电容值与相对湿度成正比关系,线性度约±2%。虽然,测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想,在工业领域使用,寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。 
  陶瓷湿敏传感器是近年来大力发展的一种新型传感器。优点在于能耐高温,湿度滞后,响应速度快,体积小,便于批量生产,但由于多孔型材质,对尘埃影响很大,日常维护频繁,时常需要电加热加以清洗易影响产品质量,易受湿度影响,在低湿高温环境下线性度差,特别是使用寿命短,长期可靠性差,是此类湿敏传感器迫切解决的问题。 
  当前在湿敏元件的开发和研究中,电阻式湿度传感器应当最适用于湿度控制领域,其代表产品氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点,氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史,有着多种多样的产品型式和制作方法,都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。 
  氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料,在众多的感湿材料之中,首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件,氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。 
  氯化锂湿敏器件的衬底结构分柱状和梳妆,以氯化锂聚乙烯醇涂覆为主要成份的感湿液和制作金质电极是氯化锂湿敏器件的三个组成部分。多年来产品制作不断改进提高,产品性能不断得到改善,氯化锂感湿传感器其特有的长期稳定性是其它感湿材料不可替代的,也是湿度传感器最重要的性能。在产品制作过程中,经过感湿混合液的配制和工艺上的严格控制是保持和发挥这一特性的关键。 
传感器的迟滞特性
  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-一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。 
  接口传感器 
  魏德米勒传感器/执行器接口产品,可以通过加装相应的总线协议适配器,SAI产品可以直接连接到现场总线。可以支持Profibus-DP、CANopen、DeviceNet、Interbus和ASi现场总线协议。 
  无源传感器/执行器接口产品(SAI) 
  防护等级达到IP68,可直接安装而无需防护。 
  节约安装材料、时间、空间。 
  提供4、6、8路的分配器,每路有3针、4针和5针的结构(提供一路和两路信号)。 
  有带接线盖型(标准型)和电缆预制型。 
  可另外提供金属外壳的产品,适用于食品行业。 
  带有信号和电源的指示。 
  有源传感器/执行器接口产品(SAI) 
  通过加装相应的总线协议适配器,SAI产品可以直接连接到现场总线。可以支持Profibus-DP、 CANopen、DeviceNet、Interbus和ASi现场总线协议。 
  提供两种防护等级的产品:IP67(总线连接方式为圆形接头连接), IP68(总线连接方式为自装配型)。 
  提供8DI、8DO、8DI/4DO、16DI、8DI/8DO五种输入输出的产品。 
  传感器的发展趋势 
  采用新原理、开发新型传感器; 
  大力开发物性型传感器(因为靠结构型有些满足不了要求); 
  传感器的集成化; 
  传感器的多功能化; 
  传感器的智能化(Smart Sensor); 
  研究生物感官,开发仿生传感器。 
传感器的工作过程举例
  向传感器提供±15V电源,激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波,经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源,通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈,得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源,该电源做运算放大器AD822的工作电源;由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源,该电源既作为电桥电源,又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时,应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号,再通过V/F转换器LM131变换成频率信号,通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈,再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号,该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙,加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内,形成有效的屏蔽,因此具有很强的抗干扰能力。 
生物传感器
  生物传感器的概念 
  生物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科,是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法,也是物质分子水平的快速、微量分析方法。各种生物传感器有以下共同的结构:包括一种或数种相关生物活性材料(生物膜)及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器(传感器),二者组合在一起,用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工,构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。 
  生物传感器的原理 
  待测物质经扩散作用进入生物活性材料,经分子识别,发生生物学反应,产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号,再经二次仪表放大并输出,便可知道待测物浓度。 
  生物传感器的分类 
  按照其感受器中所采用的生命物质分类,可分为:微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等等 
  按照传感器器件检测的原理分类 ,可分为:热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。 
  按照生物敏感物质相互作用的类型分类,可分为亲和型和代谢型两种。 
  UVA-1210是一个近紫外波光电传感器,可见光范围不响应,输出电流与紫外指数呈线性关系。适用于手机、PDA、MP4等便携式移动产品测量紫外指数,随时提醒人们(特别是女士)紫外线的强度并注意防晒,也适用于紫外波段的检测器、紫外线指数检测器。 
  紫外传感器 
  ■电气特性 
  采用氮化镓基材料; 
  PIN型光电二极管; 
  光伏工作模式; 
  对可见光无响应; 
  暗电流低; 
  输出电流与紫外指数成线性关系。 
  符合欧盟RoHS指令,无铅、无镉 
  ■典型应用 
  测量紫外指数:手机、数码相机、MP4、PDA、GPS等携式移动产品; 
  用于紫外检测器:全部紫外线波段的检测器、单UV-A波段检测器、紫外线指数检测器、紫外线杀菌灯辐照检测器。 
  传感器制造工艺 
  以下步骤:1)以注塑方法,成型传感器本体;2)将带有感应头的电路板安装在传感器本体上,并通过焊锡进行焊接;3)盖上保护罩,通过卡扣及加密封胶工艺将感应头固定安装在传感器本体上。应用本制造工艺,由于注塑过程和电路板安装过程是分开进行的,因而避免了现有技术中,在注塑过程中因温度高而损坏电路器件的现象。 
  由于材料科学的发展,一系列无机非金属材料被用来制造传感器,因为它们的一些性质,例如耐高温性、抗腐蚀能力、耐磨损等,对传感器具有实用价值。 
  陶瓷传感器 
  传感器选用陶瓷材料是因为陶瓷材料具有下述性质: 
  相对而言,通过控制它的成分和烧结条件等手段,陶瓷的微观结构比较容易调节。微观结构对陶瓷的所有特性都有重大影响,包括它们的电学、磁性、光学、热学和机械性能。 
  由于陶瓷材料的耐高温和抗恶劣环境影响能力很强,所以常常将它们用于高温环境下的处理过程。 
  陶瓷主要是由价格便宜的材料制备而成的,这就是说用它生产的传感器价格也将比较低廉。 
  陶瓷的结构特性是和下列因素密切相关的:晶粒(块体),分隔相邻晶粒的表面(晶粒间界),分隔晶粒表面和空间的界面,以及结构中的孔隙。由于这些各不相同的特性,既可利用陶瓷块体,也可利用陶瓷表面的性质来制造传感器。 
  目前已用于传感器制备的陶瓷材料有以下几类: 
  1)基于利用其晶粒物理特性的材料 
  2)基于利用其晶粒间界性质的材料 
  3)基于利用其表面特性的陶瓷材料 
  有时,无法严格地将某些陶瓷材料归入任何上述类型,因为传感器的工作是基于不止一种的、而是多种特性的综合效应。表1.4示出了按照所利用的材料属性进行的陶瓷传感器分类。一类是在其工作过程中利用陶瓷块体性质的陶瓷传感器,这类传感器具有材料物理性质的特征——介质,压电体,磁性或半导体。在这些传感器中已经达到的材料特性水准已接近单晶材料所具有的特性水准。 
全球传感器市场预测
  2008年全球传感器市场容量为506亿美元,预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示,东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区,而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言,传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场,占第二位的是过程控制市场,看好通讯市场前景。 
  一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大,分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems,微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中,无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。 
  目前,全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。 
传感器常用术语
  1.传感器 
  能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常有敏感元件和转换元件组成。 
  ① 敏感元件是指传感器中能直接(或响应)被测量的部分。 
  ② 转换元件指传感器中能较敏感元件感受(或响应)的被测量转换成是与传输和(或)测量的电信号部分。 
  ③ 当输出为规定的标准信号时,则称为变送器。 
  2.测量范围 
  在允许误差限内被测量值的范围。 
  3. 量程 
  测量范围上限值和下限值的代数差。 
  4. 精确度 
  被测量的测量结果与真值间的一致程度。 
  5.重复性 
  在所有下述条件下,对同一被测的量进行多次连续测量所得结果之间的符合程度: 
  相同测量方法: 
  相同观测者: 
  相同测量仪器: 
  相同地点: 
  相同使用条件: 
  在短时期内的重复。 
  6. 分辨力 
  传感器在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量。 
  7. 阈值 
  能使传感器输出端产生可测变化量的被测量的最小变化量。 
  8. 零位 
  使输出的绝对值为最小的状态,例如平衡状态。 
  9. 激励 
  为使传感器正常工作而施加的外部能量(电压或电流)。 
  10. 最大激励 
  在市内条件下,能够施加到传感器上的激励电压或电流的最大值。 
  11. 输入阻抗 
  在输出端短路时,传感器输入端测得的阻抗。 
  12. 输出 
  有传感器产生的与外加被测量成函数关系的电量。 
  13. 输出阻抗 
  在输入端短路时,传感器输出端测得的阻抗。 
  14. 零点输出 
  在室内条件下,所加被测量为零时传感器的输出。 
  15. 滞后 
  在规定的范围内,当被测量值增加和减少时,输出中出现的最大差值。 
  16. 迟后 
  输出信号变化相对于输入信号变化的时间延迟。 
  17. 漂移 
  在一定的时间间隔内,传感器输出中有与被测量无关的不需要的变化量。 
  18. 零点漂移 
  在规定的时间间隔及室内条件下零点输出时的变化。 
  19. 灵敏度 
  传感器输出量的增量与相应的输入量增量之比。 
  20. 灵敏度漂移 
  由于灵敏度的变化而引起的校准曲线斜率的变化。 
  21.热灵敏度漂移 
  由于灵敏度的变化而引起的灵敏度漂移。 
  22. 热零点漂移 
  由于周围温度变化而引起的零点漂移。 
  23. 线性度 
  校准曲线与某一规定直线一致的程度。 
  24. 非线性度 
  校准曲线与某一规定直线偏离的程度。 
  25.长期稳定性 
  传感器在规定的时间内仍能保持不超过允许误差的能力。 
  26. 固有频率 
  在无阻力时,传感器的自由(不加外力)振荡凭率。 
  27. 响应 
  输出时被测量变化的特性。 
  28.补偿温度范围 
  使传感器保持量程和规定极限内的零平衡所补偿的温度范围。 
  29. 蠕变 
  当被测量机器多有环境条件保持恒定时,在规定时间内输出量的变化。 
  30. 绝缘电阻 
  如无其他规定,指在室温条件下施加规定的直流电压时,从传感器规定绝缘部分之间测得的电阻值。 
位移传感器
  位移传感器又称为线性传感器,把位移转换为电量的传感器。位移传感器是一种属于金属感应的线性器件,传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量它分为电感式位移传感器,电容式位移传感器,光电式位移传感器,超声波式位移传感器,霍尔式位移传感器。 
  在这种转换过程中有许多物理量(例如压力、流量、加速度等)常常需要先变换为位移,然后再将位移变换成电量。因此位移传感器是一类重要的基本传感器。在生产过程中,位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。机械位移包括线位移和角位移。按被测变量变换的形式不同,位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型(如自发电式)和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多,包括电位器式位移传感器、 电感式位移传感器(见电感式传感器)、自整角机、电容式位移传感器(见电容式传感器)、电涡流式位移传感器(见电涡流式传感器)、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统(见数字式传感器)。这种传感器发展迅速,应用日益广泛(见感应同步器、码盘、光栅式传感器、磁栅式传感器)。 
  电位器式位移传感器 它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是,为实现测量位移目的而设计的电位器,要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。某些应用中,电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值,阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压,以把电阻变化转换为电压输出。线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化,其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件,则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。它的优点是:结构简单,输出信号大,使用方便,价格低廉。 
压力传感器
  压力传感器引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, 
超声波测距离传感器
  超声波测距离传感器m314076,采用超声波回波测距原理,运用精确的时差测量技术,检测传感器与目标物之间的距离,采用小角度,小盲区超声波传感器,具有测量准确,无接触,防水,防腐蚀,低成本等优点,可应于液位,物位检测,特有的液位,料位检测方式,可保证在液面有泡沫或大的晃动,不易检测到回波的情况下有稳定的输出,应用行业:液位,物位,料位检测,工业过程控制等 
  环境给传感器造成的影响主要有以下几个方面: 
  (1)高温环境对传感器造成涂覆材料熔化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题。对于高温环境下工作的传感器常采用耐高温传感器;另外,必须加有隔热、水冷或气冷等装置。 
  (2)粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响。在此环境条件下应选用密闭性很高的传感器。不同的传感器其密封的方式是不同的,其密闭性存在着很大差异。 
  常见的密封有密封胶充填或涂覆;橡胶垫机械紧固密封;焊接(氩弧焊、等离子束焊)和抽真空充氮密封。 
  从密封效果来看,焊接密封为最佳,充填涂覆密封胶为最差。对于室内干净、干燥环境下工作的传感器,可选择涂胶密封的传感器,而对于一些在潮湿、粉尘性较高的环境下工作的传感器,应选择膜片热套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的传感器。 
  (3)在腐蚀性较高的环境下,如潮湿、酸性对传感器造成弹性体受损或产生短路等影响,应选择外表面进行过喷塑或不锈钢外罩,抗腐蚀性能好且密闭性好的传感器。 
  (4)电磁场对传感器输出紊乱信号的影响。在此情况下,应对传感器的屏蔽性进行严格检查,看其是否具有良好的抗电磁能力。 
  (5)易燃、易爆不仅对传感器造成彻底性的损害,而且还给其它设备和人身安全造成很大的威胁。因此,在易燃、易爆环境下工作的传感器对防爆性能提出了更高的要求:在易燃、易爆环境下必须选用防爆传感器,这种传感器的密封外罩不仅要考虑其密闭性,还要考虑到防爆强度,以及电缆线引出头的防水、防潮、防爆性等。 
  对传感器数量和量程的选择: 
  传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数(支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定)而定。一般来说,秤体有几个支撑点就选用几只传感器,但是对于一些特殊的秤体如电子吊钩秤就只能采用一个传感器,一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。 
  传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说,传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷,其称量的准确度就越高。但在实际使用时,由于加在传感器上的载荷除被称物体外,还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷,因此选用传感器量程时,要考虑诸多方面的因素,保证传感器的安全和寿命。 
  传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后,经过大量的实验而确定的。 
  公式如下: 
  C=K-0K-1K-2K-3(Wmax+W)/N 
  C—单个传感器的额定量程 
  W—秤体自重 
  Wmax—被称物体净重的最大值 
  N—秤体所采用支撑点的数量 
  K-0—保险系数,一般取值在1.2~1.3之间 
  K-1—冲击系数 
  K-2—秤体的重心偏移系数 
  K-3—风压系数 
  例如:一台30t电子汽车衡,最大称量是30t,秤体自重为1.9t,采用四只传感器,根据当时的实际情况,选取保险系数K-0=1.25,冲击系数K-1=1.18,重心偏移系数K-2—=1.03,风压系数K-3=1.02,试确定传感器的吨位。 
  解:根据传感器量程计算公式: 
  C=K-0K-1K-2K-3(Wmax+W)/N 
  可知: 
  C=1.25?.18?.03?.02?(30+1.9)/4 
  =12.36t 
  因此,可选用量程为15t的传感器(传感器的吨位一般只有10T、15T、20t、25t、30t、40t、50t等,除非特殊订做)。 
  根据经验,一般应使传感器工作在其30%~70%量程内,但对于一些在使用过程中存在较大冲击力的衡器,如动态轨道衡、动态汽车衡、钢材秤等,在选用传感器时,一般要扩大其量程,使传感器工作在其量程的20%~30%之内,使传感器的称量储备量增大,以保证传感器的使用安全和寿命。 
  要考虑各种类型传感器的适用范围: 
  传感器的准确度等级包括传感器的非线形、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。在选用传感器的时候,不要单纯追求高等级的传感器,而既要考虑满足电子秤的准确度要求,又要考虑其成本。 
  对传感器等级的选择必须满足下列两个条件: 
  1. 满足仪表输入的要求。称重显示仪表是对传感器的输出信号经过放大、A/D转换等处理之后显示称量结果的。因此,传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入信号大小,即将传感器的输出灵敏度代人传感器和仪表的匹配公式,计算结果须大于或等于仪表要求的输入灵敏度。 
  传感器和仪表的匹配公式: 
  传感器输出灵敏度*激励电源电压*秤的最大称量 
  秤的分度数*传感器的个数*传感器量程 
  例如:一称量为25kg的定量包装秤,最大分度数为1000个分度;秤体采用3只L—BE—25型传感器,量程为25kg,灵敏度为2.0?.008mV/V,拱桥电压力12V;秤采用AD4325仪表。问采用的传感器能否与仪表匹配。 
  解:经查阅,AD4325仪表的输入灵敏度为0.6μV/d,因此根据传感器和仪表的匹配公式可得仪表的实际输入信号为:2?2?5/1000??5=8μV/d>0.6μv/d,所以,采用的传感器满足仪表输入灵敏度的要求,能够与所选仪表匹配。 
  2. 满足整台电子秤准确度的要求。一台电子秤主要是由秤体、传感器、仪表三部分组成,在对传感器准确度选择的时候,应使传感器的准确度略高于理论计算值,因为理论往往受到客观条件的限制,如秤体的强度差一点,仪表的性能不是很好、秤的工作环境比较恶劣等因素都直接影响到秤的准确度要求,因此要从各方面提高要求,又要考虑经济效益,确保达到目的。 
PTC温度传感器
  PTC热敏电阻采用DIN 44081标准(三头串联型是DIN 44082标准)是用于防止电器过热的最佳设备。 
  DIN标准确保了互换性。温度范围在60到190度。 
  不同反应温度的PTC热敏电阻可以串接在一起。这样可以对电器在不同温度阶段起到最经济和优良的保护。
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