关于传感器介绍

关于传感器介绍点击次数：115 发布时间：2010-8-29 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： CK-0K-1K-2K-3(WmaxW)/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1.21.3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-01.25，冲击系数K-11.18，重心偏移系数K-21.03，风压系数K-31.02，试确定传感器的吨位。 解：根据传感器量程计算公式： CK-0K-1K-2K-3(WmaxW)/N 可知： C1.25?.18?.03?.02?(301.9)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、AD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LBE25型传感器，量程为25kg，灵敏度为2.0?.008mVV，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0.6Vd，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?51000?58Vd0.6vd，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。 关键词：传感器；特性；传感器；SCC调理模块；SCXI调理模块；cDAQ 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。人的五官就是天然的传感器，具有视、听、嗅、味、触觉，大脑就是通过五官来感知外界的信息（图1）。图1 人与机器的对应关系 工程科学与技术领域的传感器既是对人体五官的工程模拟物，是能将特定的被测量信息（包括物理量、生物量、生物量）按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。可用信号既是便于处理和传输的信号，目前由于电信号最符合这一要求，传感器也可狭义定义为把外界非电信息转换成电信号输出的器件（图2）。图2 各类传感器传感器的构成 传感器的具体构成根据被测对象、转换原理，使用环境和性能要求的情况有很大差异。 自源型是仅含有转换元件的传感器构成形式，它不需要外能源，可直接从外部被测对象吸收能量转换为电效应，但输出的能量较弱。常见的有热电偶、压电器件等。 带激励源型是在转换器件外加了辅助能源的构成形式，辅助能源起到激励的作用，可以是电源或磁源，这样不需要变换电路也有较大电量输出。常见的有霍尔传感器等。 外源型是由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成，必须通过带外电源的变换电路才能获得电量输出。常见的有电桥等。 相同传感器补偿型（图3-a）是使用两个完全相同的转换元件置于同样环境下的构成形式。实际使用其中一个元件进行工作，另一个用于抵消其受到的环境干扰影响。常见的有应变式，固态压阻式传感器等。 差动结构补偿型（图3-b）和相同传感器补偿型类似，但其两个转换元件都进行工作，除了可以抵消环境干扰，还使有用的输出值增加。 不同传感器补偿型（图3-c）是两个原理和性质不同的转换元件置于同样环境下的构成形式，也是通过一个转换元件给工作的转换元件提供补偿。常见的有热敏电阻的温度补偿，加速度的干扰补偿等。 目前随着计算机技术的发展，传感器和微处理器结合在一起，形成了智能化传感器的概念，这种构成具有了信息处理的功能，前景十分广阔。传感器的分类 传感器的种类繁多，分类方式多种多样。对于被测量，可以用不同的传感器来测量；而对于同一原理的传感器，通常又可以测量多种非电量。 具体分类可按转换的基本效应、构成原理等分多种，其中又以按照工作原理分类最为详细（表1）。表1 传感器类型分类传感器的基本要求 无论何种传感器，作为直接面对测试对象的先锋，必须能够快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本要求。 传感器的工作范围和量程需要足够大，可以满足相应测试的极端要求，需要具备一定的过载能力；必须有能满足要求的灵敏度和精度，要求转换后输出的信号和被测量的输入信号成确定的关系，且比值要大。传感器还需要具备快速的响应能力，稳定可靠的工作能力，较长的寿命和较低的成本，同时维修，校准方便。根据特定的现场应用，有时对传感器的体积和重量都有严格要求，且希望其内部噪声小不易受到外部干扰。最后是传感器输出的信号最好采取通用的标准形式，以便于和外部系统对接。 可见选择一款合适的传感器并不轻松，需要根据需求全面综合地考虑，不可马虎。传感器重要指标介绍 传感器在检测静态量时的静态特性和检测动态量时的动态特性通常可以分开考虑。对于输入信号的，传感器的数学模型也通常有静态和动态之分。静态特性 静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时，输入和输出的关系，主要要考虑线性度和随机变化等因素。线性度： 线性度又称非线性，是表征传感器输出-输入校准曲线与选定的拟合直线之间的吻合程度的指标。通常用相对误差来表示线性度或非线性误差，有：（公式1）表示输出平均值与拟合直线间的最大偏差； 表示理论满量程输出值。 所以，选定的拟合直线不同时，计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线要保证获得尽量小的非线性误差，还要考虑计算是否方便。常见的方法有理论直线法、端点线法、最小二乘法等。迟滞:迟滞是反应传感器在输入量增大和减小的行程过程中输出和输入曲线的不重合程度的指标（图2）。通常用正反行程输出的最大差值计算，有：（公式2）图1 迟滞灵敏度:灵敏度（图3）是传感器输出量增量与被测输入量增量之比，线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即： （公式3）非线性传感器的灵敏度不是常数，用dy/dx表示。对于需要外部激励的传感器来说，其灵敏度的表达还要考虑电源电压的因素。图2 灵敏度分辨力: 分辨力是传感器在规定测量范围内所能测试出的被测输入量的最小变化量，有时用该值相对满量程输入值的百分数表示，称为分辨率。重复性： 重复性是指输入量按同一方向做全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标，各条曲线越接近，重复性越好。重复性误差反映的是校准数据的离散程度，是随机误差计算：漂移: 漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的变化，主要包括零点漂移和 灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。 时间漂移指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移则是周围温度变化所引起的。稳定性: 稳定性指传感器在长时间使用时仍保持其性能的能力，一般以在室温条件下经过一段规定的时间后，输出与起始标定时的输出之间的差异表示。静态误差（精度）: 精度是评价传感器静态性能的综合性指标，指传感器在满量程内任一点输出值相对其理想值的可能偏离（接近）程度，它表示该传感器在静态测量时所得数据的不精确度。精度的测量方法很多，目前国内外尚不统一。动态特性 动态特性是反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。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频率响应和阶跃响应来表示。传感器的频率响应特性 将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，其输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应特性。由于相频特性和幅频特性之间有一定的内在关系，因此表示传感器的频响特性及频域性能指标时主要用幅频特性（图3）。图3 典型的对数幅频特性传感器的阶跃响应特性当给静止的传感器输入一个单位阶跃信号 时，其输出信号称为阶跃响应（图4，a为一阶系统；b为二阶系统）。 温度测量 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。测量温度的热电式传感器是最早开发，应用最广的一类传感器，这类传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度进行检测的。热电偶 热电偶传感器（图1）是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，具有结构简单，制作方便，测温范围宽等特点。热电偶测温的基本原理是两种不同材质导体组成闭合回路,当两端存在不同温度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电势，这就是所谓的塞贝克效应。热电偶直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与仪表连接，显示热电偶所产生的热电势（图2）。图2 热电偶原理 根据材质不同，热电偶分不同的型号，目前按IEC国际标准，主要有S、B、E、K、R、J、T七种标准。由于热电偶产生的电势较小，且非线性，通常使用热电偶测温度时需要进行放大和线性化。热电偶输出的电热是两结点温度差的函数，通常将热电偶一端作为被测温度端，T0作为固定冷端（参考温度端），通常要求T0保持0度。但实际使用很难满足，所以产生了热电偶冷端补偿的问题，冷端补偿可采用补偿导线或补偿电桥等多种方法。 NI公司的SCC和SCXI系列调理产品均有针对热电偶调理的模块。NI SCC-TC系列是可调理各类热电偶的单通道模块，该产品支持100mV范围内的