一、传感器的定义
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。
二、传感器的分类
目前对传感器尚无一个统一的分类方法,但比较常用的有如下三种:
1、按传感器的物理量分类,可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器
2、按传感器工作原理分类,可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。
3、按传感器输出信号的性质分类,可分为:输出为开关量( “ 1 ” 和 " 0 ” 或 “ 开 ” 和 “ 关 ” )的开关型传感器;输出为模拟型传感器;输出为脉冲或代码的数字型传感器。
三、传感器的静态特性
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、分辨力和迟滞等。
四、传感器的动态特性
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。zui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。
五、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zui小的理论直线作为拟合直线,此拟合直线称为zui小二乘法拟合直线。
六、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。
七、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zui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zui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。
八、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。
九、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。
十、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zui为普遍。
十一、热电阻传感器
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。
十二、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zui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。
十三、传感器基础知识与常用术语
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)的被侧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. 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圆可能检测出的被测量的zui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zui小变化量。
8. 零位:使输出的值为zui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. zui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zui大值。
11. 输入阻抗:在输出端短路时,传感器输入的端测得的阻抗。
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:在市内条件下,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zui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,传感器输出终于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只限一致的程度。
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. 固有凭率: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。