传感器的原理及应用

核心提示：传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机 械、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的综合性和高新技术密集型前沿技术之一，是现代新技术革命和信息社会的重要基础，是自动检测和自动控制技术不可缺 少的重要组成部分。目前，传感器技术已成为我国国民经济*的支柱产业的一部分。传感器在工业部门的应用普及率己被社会作为衡量一个智能化、 数字化、网络化的重要标志。

《传感器检测技术及应用》介绍了传感器的基本知识、传感器组成与分类、传感器的材料及特性、传感器标定与、传感检测技术的作用和发展，重点讲解了位 移、力、视觉、触觉、温度、气敏、湿度、光电、智能、生物、微波、超声波、机器人等各种传感器的工作原理与应用方法，对传感器检测的输出信号处理、传感器 与微机的接口、传感器网络进行了详细叙述。书中列举了传感器在工农业生产、科学研究、医疗卫生、家用电器等许多方面的应用实例，特别是介绍了传感器在机电 一体化系统中的具体应用。《传感器检测技术及应用》介根据工学结合课程的教学安排，还编写了与内容相关的综合实训课题。《传感器检测技术及应用》介共10 个项目，每个项目前后均附有知识目标、能力目标及习题。

《传感器检测技术及应用》介选材广泛，图文并茂，层次分明，条理清晰，结构合理，重点突出，深入浅出，通俗易懂，通过大量的传感器实例分析和综合实训课题来帮助读者理解传感器的工作原理。

《传感器检测技术及应用》介深度适宜，实用性强，可作为高职院校、大专院校、成人高校及本科院校举办的二级职业技术学院和民办高校机电一体化、应用电子技 术、自动控制、仪器仪表测量、计算机应用、机械制造、数控加工、模具技术等专业的教学用书，也可作为相关专业培训教材或相关工程技术人员的参考学习用书。

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。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。下面为大家介绍传感器技术的相关内容。

传感器技术

一、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，传感器的及时跟踪会逐渐下降。通常要 求传感器不仅能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。

(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。

(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。

(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

二、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zui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(或称过载)：传感器答应施加的zui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zui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，这项特性重要，能反映传感器的。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zui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。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zui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。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zui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。