传感器的选型原则及设计时要把握的要素分析

1、【Word版本下载可任意编辑】 传感器的选型原则及设计时要把握的要素分析 导读：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。 随着传感器的不断发展其应用的领域越来越广泛，然而，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用也是十分明显的。本文将对传感器选型原则及设计时要把握的要素开展了深入的分析，为后期的传感技术方面的设计作铺垫。 1 传感器的概念 传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被

2、测量的信息，并能将感受到的信息，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。 一般理解传感器是将一种物理量经过电路转换成一种能以另外一种直观的可表达的物理量的描述。比方转换成仅依赖于此测物理量的较高的电压电流等信号，再显示出来。 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律（数学函数法则）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”. 传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且

3、还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术根底上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。 2 传感器的特性 2.1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。 2.2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

4、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。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。 2.3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。 2.4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

5、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，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。 2.5传感器的分辨率。分辨率是指传感器可感受到的被测量的变化的能力。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。 3 传感器选型的原则 3.1根据测量对象与测量环境确定类型 要开展-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

6、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，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。 3.2依据灵敏度的选择 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

7、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，尽量减少从外界引入的干扰信号。 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。 3.3判断频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真。实际上传感器的响应总有-定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应越高，可测的信号频率范围就越宽。 在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生过大的误差。 3.4根据传感器的线性范围 传感器的线形范围是指输出与

8、输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。 但实际上，任何传感器都不能保证的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 3.5根据传感器的稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身构造外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 在选择传感器之前，应对

9、其使用环境开展调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 3.6传感器的精度不可忽略 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器阿特拉斯空压机配件。 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。 4 传感器的设计的注意事项 4.1一般所测得的物理量是

10、非常小的，通常还带有作为传感器物理转换元件固有的转换噪声。比方传感器在1被放大倍率下的信号强度为0.11uV,此时的背景噪声信号也有这么大的水平，甚至于将其湮灭。如何将有用信号尽量取出并且压低噪声是传感器设计的首要解决的问题。 4.2传感器电路一定要简单精炼。设想具有3级放大电路的，带有2级有源滤波器的放大回路，放大了信号的同时也将噪声放大了，如果噪声不是明显偏离有用信号频谱，则无论怎样滤波两者同时放大，结果信噪比没有提高。因此传感器电路一定要精炼简约。能省1只电阻或电容就一定要将它去掉。这一点是许多设计传感器的工程师们容易忽略的问题。已知的情况是，传感器电路随着噪声的问题困扰，电路越修改越复杂，成为怪圈。 4.3功耗问题。传感器通常在后续电路的前端，有可能需要较长的引线连接。当传感器功耗较大时引线的连接将会所有的无谓噪声以及电源噪声引入使得后续电路愈发难以设计。在够用的情况小如何降低功耗也是一个不小的考验。 4.4元器件的选用和电源回路。元器件的选用一定要够用为好，只要器件指标在需要的范围之内就可以了，余下的就是电路设计问题。电源是传感器电路设计过程一定要遇到的难题，不要追求无法到达的电源指标，而选择一款带有较好的共模抑制比的运放，采用差分放大电路设计可能