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传感器的特性及种类

来源:电工天下   编辑:小电工发布时间:2019-11-08 17:07:08

有关传感器的特性及种类,常见传感器的特性及种类有哪些,在电工行业工作,掌握些传感器的知识很有必要,电工天下小编为大家介绍传感器的特性,常见的传感器种类,以及传感器的定义分类及特性等知识。

第一部分:常见传感器的特性及种类

传感器是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。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。

因此,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。传感器有很多种类,而本文把传感器的一些特性及种类一一总结出来,以便为大家日后的应用提供参考。

一、传感器的特性

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,传感器能及时精确地跟踪输入信号,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,传感器的及时跟踪性能会逐渐下降。通常要求传感器不仅能精确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最小的理论直线作为拟合直线,此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。【传感器的特性及种类】

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。

传感器的特性及种类

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性能参数的能力。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最小变化的能力。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最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最大差值△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。【传感器的特性及种类】

传感器的特性及种类

二、常见的传感器种类

上面总结了传感器的一些主要特性,下面就把常见的传感器的种类带给大家。

1.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。

2.变频功率传感器

变频功率传感器通过对输入的电压、电流信号进行交流采样,再将采样值通过电缆、光纤等传输系统与数字量输入二次仪表相连,数字量输入二次仪表对电压、电流的采样值进行运算,可以获取电压有效值、电流有效值、基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、基波功率、谐波功率等参数。

3.称重传感器

称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力→电转换装置,是电子衡器的一个关键部件。

能够实现力→电转换的传感器有多种,常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平,电容式用于部分电子吊秤,而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单,准确度高,适用面广,且能够在相对比较差的环境下使用。

4.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。

5.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最为普遍

传感器的特性及种类

6.热电阻传感器

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。它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。

7.激光传感器

利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表,它的优点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等。激光传感器工作时,先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲,经目标反射后激光向各方向散射,部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。

8.霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数,能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

9.温度传感器

温度传感器主要是根据电阻阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律的变化的原理,我们可以得到所需要测量的温度值。温度传感器不但种类繁多,而且组合形式多样,应根据不同的场所选用合适的产品。

10.无线温度传感器

无线温度传感器将控制对象的温度参数变成电信号,并对接收终端发送无线信号,对系统实行检测、调节和控制。可直接安装在一般工业热电阻、热电偶的接线盒内,与现场传感元件构成一体化结构。通常和无线中继、接收终端、通信串口、电子计算机等配套使用,这样不仅节省了补偿导线和电缆,而且减少了信号传递失真和干扰,从而获的了高精度的测量结果。

11.智能传感器

智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作,结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。是一个相对独立的智能单元,它的出现对原来硬件性能苛刻要求有所减轻,而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。

12.光敏传感器

光敏传感器是最常见的传感器之一,它的种类繁多,主要有:光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近,包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测,它还可以作为探测元件组成其他传感器,对许多非电量进行检测,只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一,它在自动控制和非电量电测技术引中占有非常重要的地位。

13.视觉传感器

视觉传感器是指:具有从一整幅图像捕获光线的数发千计像素的能力,图像的清晰和细腻程度常用分辨率来衡量,以像素数量表示。视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素,图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量,以像素数量表示。

14.位移传感器

位移传感器又称为线性传感器,把位移转换为电量的传感器。位移传感器是一种属于金属感应的线性器件,传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量它分为电感式位移传感器,电容式位移传感器,光电式位移传感器,超声波式位移传感器,霍尔式位移传感器。

15.光栅传感器

计量光栅通常用于数字检测系统,用来检测高精度直线位移和角位移,是数控机床上应用较多的一种检测装置。光栅传感器的空间分辨率一般可达1μm左右,单根光栅的长度可达600mm以上,主光栅能够进行拼接,测量范围可达几米以上。

传感器的特性及种类

16.红外传感器

红外线传感器是利用热电偶原理,由红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器,多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。测量目标物与传感器或者物体与环境温度之间的差值,热电偶的原理是二种不同的金属A和B构成一个闭合回路,当二个接触端温度不同时(T>To),回路中产生热电势Eab,其中T称为热端、工作端或测量端,To称为冷端、自由端或参比端。A和B称为热电极。热电势的大小由接触电势(也叫伯尔贴电势)和温差电势(也叫汤姆逊电势)决定。

17.真空度传感器

真空度传感器,采用先进的硅微机械加工技术生产,以集成硅压阻力敏元件作为传感器的核心元件制成的绝对压力变送器,由于采用硅-硅直接键合或硅-派勒克斯玻璃静电键合形成的真空参考压力腔,及一系列无应力封装技术及精密温度补偿技术,因而具有稳定性优良、精度高的突出优点,适用于各种情况下绝对压力的测量与控制。

18.压力传感器

压力传感器引是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

19.超声波测距离传感器

超声波测距离传感器采用超声波回波测距原理,运用精确的时差测量技术,检测传感器与目标物之间的距离,采用小角度,小盲区超声波传感器,具有测量准确,无接触,防水,防腐蚀,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。

20.电容式物位传感器

电容式物位传感器由电容式传感器与电子模块电路组成,它以两线制4~20mA恒定电流输出为基型,经过转换,可以用三线或四线方式输出,输出信号形成为 1~5V、0~5V、0~10mA等标准信号。电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时,因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数,所以电容量随着物料高度的变化而变化。

21.锑电极酸度传感器

锑电极酸度传感器是集 PH检测、自动清洗、电信号转换为一体的工业在线分析仪表,它是由锑电极与参考电极组成的PH值测量系统。在被测酸性溶液中,由于锑电极表面会生成三氧化二锑氧化层,这样在金属锑面与三氧化二锑之间会形成电位差。该电位差的大小取决于三所氧化二锑的浓度,该浓度与被测酸性溶液中氢离子的适度相对应。

22.电导传感器

它是通过测量溶液的电导值来间接测量离子浓度的流程仪表(一体化传感器),可在线连续检测工业过程中水溶液的电导率。【传感器的特性及种类】

由于电解质溶液与金属导体一样的电的良导体,因此电流流过电解质溶液时必有电阻作用,且符合欧姆定律。但液体的电阻温度特性与金属导体相反,具有负向温度特性。为区别于金属导体,电解质溶液的导电能力用电导(电阻的倒数)或电导率(电阻率的倒数)来表示。当两个互相绝缘的电极组成电导池时,若在其中间放置待测溶液,并通以恒压交变电流,就形成了电流回路。如果将电压大小和电极尺寸固定,则回路电流与电导率就存在一定的函数关系。

传感器的特性及种类

第二部分,传感器的定义分类及特性

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。

关于传感器的分类:

1.按被测物理量分:如:力,压力,位移,温度,角度传感器等;

2.按照传感器的工作原理分:如:应变式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等;

3.按照传感器转换能量的方式分:
(1)能量转换型:如:压电式、热电偶、光电式传感器等;
(2)能量控制型:如:电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等;

4.按照传感器工作机理分:
(1)结构型:如:电感式、电容式传感器等;
(2)物性型:如:压电式、光电式、各种半导体式传感器等;

5.按照传感器输出信号的形式分:
(1)模拟式:传感器输出为模拟电压量;
(2)数字式:传感器输出为数字量,如:编码器式传感器。

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。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阶跃响应和频率响应来表示。

第三部分,从传感器分类看优缺点

从传感器分类看优缺点

按传感器输出信号分类:

模拟式:输出信号为模拟信号。

数字式:输出信号为数字信号。

按结构形式分类:柱式、桥式、轮辐式、悬臂梁式、板环式等。

柱式:特点是结构简单、紧凑,易于加工,成本费用低,密封性能良好,对于潮湿环境很适用,可设计成压式或拉式的,可以承受很大的载荷;其缺点是位移量小、灵敏度低。

桥式:传感器弹性体为桥式,其两端用两只螺栓紧固到下面的支撑体上,其弹性体与支撑体之间有一间隙,为弹性体的受力变形空间。该类传感器的特点如下:由于传感器与秤体之间的连接为要求很低的间隙配合,所以安装方便,维护简单,重复性好。

轮辐式:高度低、精度高、抗偏心载荷和侧向力强。

剪切梁式:该类传感器有以下特点:输出信号不受称重点位置变化的影响;线性好、精度高;传感器受拉伸与压缩时,切应力的幅度与分布基本相同,即传感器的拉伸、压缩灵敏度基本相同,所以特别适用于同时受拉和压的测量;外形低、体积小、重量轻,易于安装和维修;结构简单易于密封;抗侧向力强。

板环式:特点是输出灵敏度高、受力状态稳定、温度均匀性好、结构简单、易于加工,可制成拉压2种型号,对于0.5~30吨的拉压方式称重传感器,这种方式是很好的。

目前,我公司采用的传感器主要为桥式、柱式。

新的传感器在不断涌现,以电阻应变式称重传感器为主的局面在改变,特别是小称量范围内的衡器,已经使用更有优越性的音叉振弦式传感器替代电阻应变式传感器,成为十分有发展前景的新产品。它的优点是:无需高稳定度的激励电源和A/D转换器等电子线路,体积小,不要预热,结构紧密、快速响应、批量生产成本低,生产工具简单。 

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