传感器的基本概念

2014-05-27 09:38

灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
传感器的特性 传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。一般来说，传感器的输入和输出关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即可得到静态特性。因此传感器的静特性是其动特性的一个特例。 传感器除了描述输入与输出量之间的关系特性外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。
　　当输出为规定的标准信号时，则一般称为变送器。最简单的传感器是由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电阻、热电偶等。传感技术——研究传感器的材料、设计、工艺、性能和应用等的综合技术。传感技术是一门边缘技术，它涉及物理学，数学，化学，材视对其敏感元件部分的研究和开发，除了对其芯片的研究和开发外，也应十分重视传感器的封装工艺和封装结构的研究，这往往是引起传感器不能稳定可靠地工作的关键因素之一。传感器的作用越来越被工业界、科技界、领导决策部门所认识。这是因为传感技术是信息技术的三大组成部分之一。信息技术主要由信息的采集、信息的处理、信息的传输三大部分组成。传感技术与信息技术的关系：信息-采集-传感技术;信息-处理-计算机技术;信息-传输 -通讯技术。信息的采集主要利用传感技术，信息的处理主要利用计算机技术，信息的传输主要采用通讯技术。传感技术是现代控制测量技术的主要环节。如果没有传感技术对原始数据进行准确、可靠的测量，无论对信息的转换、处理、传输和显示多么精确，都将失去任何意义。人们往往把传感器誉为人的感官：眼——光敏传感器;鼻——气敏传感器;耳——声敏传感器;嘴——味觉传感器;手——触觉传感器;而把计算机誉为人的大脑;把通讯技术作为人的经络。因此通过感官来获取信息(传感器)，由大脑(计算机)发出指令，由经络(通讯技术)进行传输，现代信息技术缺一不可。在科学研究和基础研究中，传感器能获取人类感官无法获得的大量信息。如利用传感器和传感技术，可以观察到10^(-lOcm)的微粒;能测量10^(- 24)s的时间;一艘宇宙飞船可以看作是一个高性能传感器的集合体，可以捕捉和收集宇宙之中的各种信息;一辆小轿车上所用的传感器有百余种之多，利用传感器可以测量油温、水温、水压、流量、排气量、车速、姿态等。传感器的水平是衡量一个国家综合经济实力和技术水平的标志之一，它的发展水平、生产能力和应用领域已成为一个国家科学技术进步的重要标志，正如国外有的专家认为;谁支配了传感器，谁就支配了目前的新时代。
传感器的分类传感器的分类目前尚无统一规定，传感器本身又种类繁多，原理各异，检测对象五花八门，给分类工作带来一定困难，通常传感器按下列原则进行分类 
1.按被检测量分类按被检测量分类，可分为物理量传感器，化学量传感器，生物量传感器。在各类传感器中可分为若干族，每一族中又可分为若干组。
2.按物理原理分类这种分类方法是以传感器的物理原理作为分类依据。可分为压阻式、压电式、电感式、电容式、应变式、霍尔式……;这种分类方法有利于传感器专业工作者从原理和设计上作归纳性的分析和研究。
3.按能量的传递方式分类 按能量的传递方式分类，传感器可分为有源传感器和无源传感器两大类。有源传感器将非电量转换为电量。 无源传感器本身并不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，所以它必须具有辅助能源——电源。
4.按传感器的工作机理分类 按传感器的工作机理分类，可分为结构型和物性型两大类。结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的。物理学中的定律一般是以方程式给出。对于传感器来说，这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器特点是传感器的性能与它的结构材料没有多大关系。以差动变压器为例，无论使用坡莫合金或铁氧体做铁芯，还是使用铜线或其它导线做绕组，都是作为差动变压器而工作。物性型传感器是利用物质法则构成的。物质法则是表示物质某种客观性质的法则。这种法则大多数以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如所有的半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器都是物性型传感器。另外，根据传感器输出是模拟信号还是数字信号，可分为模拟传感器和数字传感器;根据转换过程可逆与否，可分为双向传感器和单向传感器等等。
　　1 传感器的静特性传感器的输入-输出关系:输入(外部影响：冲振、电磁场、线性、滞后、重复性、灵敏度、误差因素)—传感器—输出(外部影响：温度、供电、各种干扰稳定性、温漂、稳定性(零漂)、分辨力、误差因素)。人们总希望传感器的输入与输出成唯一的对应关系，而且最好呈线性关系。但一般情况下，输入输出不会完全符合所要求的线性关系，因传感器本身存在着迟滞、蠕变、摩擦等各种因素，以及受外界条件的各种影响。 传感器静态特性的主要指标有：线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性等。 2 传感器的动特性 动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间关系要用动特性来说明。设计传感器时要根据其动态性能要求与使用条件选择合理的方案和确定合适的参数;使用传感器时要根据其动态特性与使用条件确定合适的使用方法，同时对给定条件下的传感器动态误差作出估计。总之，动特性是传感器性能的一个重要方面，对其进行研究与分析十分必要。总的来说，传感器的动特性取决于传感器本身，另一方面也与被测量的形式有关。
　　(1)规律性的：1)周期性的：正弦周期输入、复杂周期输入;2)非周期性的：阶跃输入、线性输入、其他瞬变输入(2)随机性的：1)平稳的：多态历经过程、非多态历经过程;2)非平稳的随机过程。在研究动态特性时，通常只能根据“规律性”的输入来考虑传感器的响应。复杂周期输入信号可以分解为各种谐波，所以可用正弦周期输入信号来代替。其它瞬变输入不及阶跃输入来得严峻，可用阶跃输入代表。因此，“标准”输入只有三种;正弦周期输入、阶跃输入和线性输入。而经常使用的是前两种四、传感器选用原则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量　环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
　　根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法，有线或是非接触测量;传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
　　在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。　　
传感器的基本概念 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。通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件指传感器中能直接感受(或响应)被测量的部分。转换元件指传感器中能将敏感元件感受(或响应)的被测量转换成适合于传输和(或)测量的电信号的部分。