传感器及其接口电路应用300问(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)


发布时间:2020-07-30 18:06:09

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作者:李刚,林凌

出版社:电子工业出版社

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传感器及其接口电路应用300问

传感器及其接口电路应用300问试读:

前言

作为“职场新生代实用电子技术问答系列”丛书之一的《电子电路与元器件应用900问》,主要是介绍有关电路的基本理论与常识、基本元器件和工艺的问题及其解答,如电路定理、定律的应用,数字电路与模拟电路,信号频率,电磁量的测量与量纲,电阻、电容和电感,各种各样的晶体管等。这些基础理论与常识的重要性是不言而喻的。实际上,一个电路高手就是在扎实的理论基础上,对元器件、电路、系统、仪器和测量的实际知识有全面而深刻的理解。虽然在学校学习期间,职场新生代已经学习并掌握了基本理论,但对基本元器件的知识和工艺的问题接触并不是太多,“基本理论如何联系实际”也往往是他们面对实际应用时无从下手的问题。本书的目的就是要帮助职场新生代尽快地了解和掌握元器件、电路、系统、仪器和测量的实际应用知识。

本书收集了高年级大学生、研究生在实验和课题研究工作中的电路基础理论与基本元器件问题,这些问题中的绝大多数是从事电子领域工作人员必然会遇到的。书中问题涉及面广、解答深入,对电子、机电、测控和仪器仪表类专业的大学生掌握电子电路的理论、提高实践能力有很大的帮助,同时对从事电子领域的工程技术人员也具有很高的参考价值。

本书收集的问题可能从不同的角度、层面提出,因而有不少的问题有相当程度的重叠。相应地,回答问题也有多种角度、不同的层面,这样可能更有助于读者理解和体会这些问题和相关知识。

本书共分5章,王金海教授编写了第1章,刘玉良副教授编写了第2章,乔晓艳副教授编写了第3章,曾锐利副教授编写了第4章,李家星博士编写了第5章。全书由林凌教授和李刚教授整理和统稿。

编者

于北洋园第1章 传感器基础知识001 什么是传感器?

传感器(transducer/sensor)是一种检测装置,能感受到被测量的信息,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。002 传感器有什么作用?

人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象及其规律中就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。

新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

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。因此可以说,没有众多优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中,传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展,进入了许多新领域:例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙,微观上要观察小到飞米的粒子世界,纵向上要观察长达数十万年的天体演化,短到秒级的瞬间反应。此外,还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究,如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然,要获取大量人类感官无法直接获取的信息,没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍,首先就在于对研究对象信息的获取存在困难,而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现,往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展,往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程甚至文物保护等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。003 目前传感器的发展有何特点?

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)技术基础之上的,已成功地应用在硅器件上,做成了硅压力传感器。004 传感器与人类的感觉有何对应关系?

常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟:

光敏传感器——视觉;

声敏传感器——听觉;

气敏传感器——嗅觉;

化学传感器——味觉;

压敏、温敏、流体传感器——触觉。005 目前传感器有哪些类别和功能?

按照敏感原理可以分为三大类:

物理类:基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

化学类:基于化学反应的原理。

生物类:基于酶、抗体和激素等分子识别功能。

按照基本感知元件又可以分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十类。006 什么是传感器的敏感元件?

敏感元件指能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件,是传感器中能直接感受被测量的部分。敏感元件是传感器的重要组成部分,下一环节是转化元件(见图1-1)。图1-1 传感器的组成方框图

敏感元件是能敏锐地感受某种物理、化学、生物的信息并将其转变为电信息的特种电子元件。有些传感器,它的敏感元件与转化元件合并在一起,如半导体气体、湿度、温度和压力传感器等。不同的传感器,它的敏感元件是不同的。例如应变式压力传感器,它的敏感元件是一个弹性膜片。007 什么是传感器的转换元件?

转化元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。转化元件是传感器的重要组成部分,它的前一环节是敏感元件,如用于压力、形变的测量中的应变片。但有些传感器的敏感元件与转化元件是合并在一起的,如半导体气体、湿度传感器等。008 传感器有哪些主要特性?(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的相互关系。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、迟滞、重复性、漂移等。

A.线性度:指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。

B.灵敏度:灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。

C.迟滞:传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号,传感器的正反行程输出信号大小不相等,这个差值称为迟滞差值。

D.重复性:重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度。

E.漂移:传感器的漂移是指在输入量不变的情况下,传感器输出量随着时间变化,此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面:一是传感器自身结构参数;二是周围环境(如温度、湿度等)。

F.分辨力:当传感器的输入从非零值缓慢增加时,在超过某一增量后输出发生可观测的变化,这个输入增量称传感器的分辨力,即最小输入增量。

G.阈值:当传感器的输入从零值开始缓慢增加时,在达到某一值后输出发生可观测的变化,这个输入值称传感器的阈值电压。(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。(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一条曲线而非直线。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。(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Δy对输入量变化Δx的比值。

它是输出-输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间呈线性关系,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。

提高灵敏度,可得到较高的测量精度。但灵敏度越高,测量范围越窄,稳定性也往往越差。(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率时,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率并不相同,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率的指标。上述指标若用满量程的百分比表示,则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相关性。009 传感器的常用技术性能指标有哪几类?

由于传感器的类型五花八门,使用要求千差万别,无法列举全面衡量各种传感器质量优劣的统一性能指标,下面给出常用的技术性能指标。(1)关于输入量的性能指标:量程或测量范围、过载能力等。(2)关于静态特性指标:线性度、迟滞、重复性、精度、灵敏度、分辨率、稳定性和漂移等。(3)关于动态特性指标:固有频率、阻尼比、频率特性、时间常数、上升时间、响应时间、超调量、稳态误差等。(4)关于可靠性指标:工作寿命、平均无故障时间、故障率、疲劳性能、绝缘、耐压、耐温等。(5)关于对环境要求指标:工作温度范围、温度漂移、灵敏度漂移系数、抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁场干扰能力、抗冲振要求等。(6)关于使用及配接要求:供电方式(直流、交流、频率、波形等)、电压幅度与稳定度、功耗、安装方式(外形尺寸、重量、结构特点等)、输入阻抗(对被测对象影响)、输出阻抗(对配接电路要求)等。010 如何对传感器选型?

选择传感器应该依据以下选型原则。(1)测量对象与测量环境

要进行一个具体的测量工作,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。

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。(2)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,则应选择其他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)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一定延迟,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)响应特性选择合适型号的传感器,以免产生过大的误差。(4)线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。从理论上讲,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绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求的测量精度比较低时,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。(5)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的结构外,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,应对其使用环境进行调查,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。

传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。

在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验。(6)精度

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。

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,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。

对某些特殊使用场合,无法选到合适的传感器,则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。011 有关传感器的术语有哪些?(1)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。它通常由敏感元件和转换元件组成。

A.敏感元件是指传感器中能直接(或响应)被测量的部分。

B.转换元件指传感器中能将敏感元件感受(或响应)的被测量转换成可被进一步处理电信号的部分。

C.当输出为规定的标准信号时,则称为变送器。(2)测量范围

被测量值的范围并保证测量值在允许的误差内。(3)量程

测量范围上限值和下限值的代数差。(4)精确度

被测量的测量结果与真值间的一致程度。(5)重复性

在所有下述条件下,对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的符合程度:

A.相同测量方法;

B.相同观测者;

C.相同测量仪器;

D.相同地点;

E.相同使用条件。(6)分辨力

传感器在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量。(7)阈值

能使传感器输出端产生可测变化量的被测量的最小变化量。(8)零位

使输出的绝对值为最小的状态,如平衡状态。(9)激励

为使传感器正常工作而施加的外部能量(电压或电流)。(10)最大激励

在室内条件下,能够施加到传感器上的激励电压或电流的最大值。(11)输入阻抗

在输出端短路时,传感器输入端测得的阻抗。(12)输出

由传感器产生的与外加被测量成函数关系的电量。(13)输出阻抗

在输入端短路时,传感器输出端测得的阻抗。(14)零点输出

在室内条件下,所加被测量为零时传感器的输出。(15)滞后

在规定的范围内,当被测量值增加和减少时,输出中出现的最大差值。(16)迟后

输出信号变化相对于输入信号变化的时间延迟。(17)漂移

在一定的时间间隔内,传感器输出中有与被测量无关的不需要的变化量。(18)零点漂移

在规定的时间间隔及温度条件下零点输出时的变化。(19)灵敏度

传感器输出量的增量与相应的输入量增量之比。(20)灵敏度漂移

由于灵敏度的变化而引起的校准曲线斜率的变化。(21)灵敏度温漂

由于温度的变化而引起的灵敏度漂移。(22)零点温漂

由于周围温度变化而引起的零点漂移。(23)线性度

校准曲线与某一规定直线一致的程度。(24)非线性度

校准曲线与某一规定直线偏离的程度。(25)长期稳定性

传感器在规定的时间内仍能保持不超过允许误差的能力。(26)固有频率

在无阻力时,传感器的自由(不加外力)振荡频率。(27)响应

输出时被测量变化的特性。(28)补偿温度范围

使传感器保持量程和规定极限内的零平衡所补偿的温度范围。(29)蠕变

当被测量在环境条件保持恒定时,在规定时间内输出量的变化。(30)绝缘电阻

如无其他规定,指在室温条件下施加规定的直流电压时,从传感器规定绝缘部分之间测得的电阻值。012 环境有可能对传感器产生什么样的影响?

环境对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,焊接密封最佳,充填涂覆密封胶最差。对于在室内干净、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)腐蚀性较高的环境(如潮湿、酸性)会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,而且还给其他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。013 什么是多功能传感器?

由若干种敏感元件组成的多功能传感器是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统,它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式,用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展,在20世纪末就已经可以生产出来将若干种敏感元件封装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。

多功能传感器主要的执行规则和结构模式如下:(1)多功能传感器系统由若干种各不相同的敏感元件组成,可以用来同时测量多种参数。例如,可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起,制造成一种新的传感器,这种新的传感器就能够同时测量温度和湿度。(2)将若干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中,从而构成一种高度综合化和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件是被组装在同一块硅片中的,它们无论何时都工作在同一种条件下,所以很容易对系统误差进行补偿和校正。(3)借助于同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息。以线圈为例,它所表现出来的电容和电感是各不相同的。(4)在不同的激励条件下,同一个敏感元件将表现出不同的特征。而在电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下,由若干种敏感元件组成的一个多功能传感器的特征可想而知将会是多么的千差万别!有时候简直就相当于是若干个不同的传感器一样,其多功能特征可谓名副其实。014 什么是智能传感器?

智能传感器(intelligent sensor)是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机,具有采集、处理、交换信息的能力,是传感器集成化与微处理机相结合的产物。一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成,采集的信息需要计算机进行处理,而使用智能传感器就可将信息分散处理,从而降低成本。与一般传感器相比,智能传感器具有以下三个优点:通过软件技术可实现高精度的信息采集,而且成本低;具有一定的编程自动化能力;功能多样化。

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的要求有所减轻,而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。(1)信息存储和传输:随着全智能集散控制系统的飞速发展,对智能单元要求具备通信功能,用通信网络以数字形式进行双向通信,这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能,如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。(2)自补偿和计算功能:多年来从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线性作了大量的补偿工作,但都没有从根本上解决问题。而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。这样,放宽传感器加工精密度要求,只要能保证传感器的重复性好,利用微处理器对测试的信号通过软件计算,采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿,从而能获得较精确测量结果的压力传感器。(3)自检、自校、自诊断功能:普通传感器需要定期检验和标定,以保证它在正常使用时足够的准确度,这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行,对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。采用智能传感器情况则大有改观,首先自诊断功能在电源接通时进行自检,诊断测试以确定组件有无故障;其次根据使用时间可以在线进行校正,微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。(4)复合敏感功能:我们观察周围的自然现象,常见的信号有声、光、电、热、力、化学等。敏感元件测量一般通过两种方式:直接和间接的测量。而智能传感器具有复合功能,能够同时测量多种物理量和化学量,给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利福尼亚大学研制的复合液体传感器,可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&GIC Sensors公司研制的复合力学传感器,可同时测量物体某一点的三维振动加速度(加速度传感器)、速度(速度传感器)、位移(位移传感器),等等。(5)智能传感器的集成化:由于大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路都集成到同一芯片上,而这种具有某些智能功能的传感器叫作集成智能传感器。集成智能传感器的功能有三个方面的优点:

较高信噪比:传感器的弱信号先经集成电路信号放大后再远距离传送,就可大大改进信噪比。

改善性能:由于传感器与电路集成于同一芯片上,对于传感器的零漂、温漂和零位可以通过自校单元定期自动校准,又可以采用适当的反馈方式改善传感器的频响。

信号规一化:传感器的模拟信号通过程控放大器进行规一化,又通过模数转换成数字信号,微处理器按数字传输的几种形式进行数字规一化,如串行、并行、频率、相位和脉冲等。015 智能传感器有何特点?

智能传感器是一个以微处理器为内核、扩展了外围部件的计算机检测系统。相比一般传统的传感器,智能传感器有如下显著特点。(1)提高了传感器的精度

智能传感器具有信息处理功能,通过软件不仅可修正各种确定性系统误差(如传感器输入输出的非线性误差、灵敏度误差、零点误差、正反行程误差等),而且还可显著地补偿随机误差、降低噪声,大大提高了传感器精度。(2)提高了传感器的可靠性

集成传感器系统小型化,消除了传统结构的某些不可靠因素,改善了整个系统的抗干扰性能;同时它只有自诊断、自校准和数据存储功能(对于智能结构系统还有自适应功能),具有良好的稳定性。(3)提高了传感器的性能价格比

在相同精度的需求下,多功能智能传感器与单一功能的普通传感器相比,性能价格比明显提高,尤其是在采用较便宜的单片机后更为明显。(4)促成了传感器多功能化

智能传感器可以实现多传感器多参数综合测量,可编程扩大测量与使用范围;有一定的自适应能力,根据检测对象或条件的改变,相应地改变量程反输出数据的形式;具有数字通信接口功能,直接送入远地计算机进行处理;具有多种数据输出形式(如RS232、I2C、SPI串行输出,PIO并行输出,IEE-488总线输出以及经D/A转换后的模拟量输出等),适配各种应用系统。016 什么是有源传感器?

能够将非电能量转化为电能量,并不需要外加电源就能够工作的传感器,称为有源传感器,也称为能量转换性传感器或换能器。有源传感器常常直接配合放大器,如压电式、热电式、磁电式等传感器。017 什么是复合型传感器?

复合型传感器本身是一个组合体。可以理解为一个整体,在这个组合体中,集成了2个及以上的检测不同物理量的传感器单元。例如,用于水质检测的复合传感器,一个探头置于水中,可以检测多种水中化学物质的含量。018 两线制传感器是什么?

两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线,这两根线既是电源线,又是信号线。

目前大多数传感器都向两线制发展,且在此基础上实现数据通信(比如用HART协议)。对于传输距离大和防爆等场合,最好用无源的两线制传感器。

两线制变送器的原理是利用了 4~20mA 信号为自身提供电能。如果变送器自身耗电大于 4mA,那么将不可能输出下限4mA值。因此一般要求两线制变送器自身耗电(包括传感器在内的全部电路)不大于3.5mA。这是两线制变送器的设计根本原则之一。

从整体结构上来看,两线制变送器由三大部分组成:传感器、调理电路、两线制 V/I 变换电路。传感器将温度、压力等物理量转化为电参量,调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出。两线制V/I变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流;同时从环路上获得电压并稳压,供调理电路和传感器使用。

除了 V/I 变换电路之外,电路中每个部分都有其自身的耗电电流,两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在V/I变换的反馈环路内。019 传感器的两线制与三线制和四线制相比有何优点?

两线制与三线制(一根正电源线,两根信号线,其中一根共GND)和四线制(两根正负电源线,两根信号线)相比,两线制的优点是:(1)不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响,可用非常便宜的更细的导线;可节省大量电缆线和安装费用。(2)在电流源输出电阻足够大时,经磁场耦合感应到导线环路内的电压,不会产生显著影响,因为干扰源引起的电流极小,一般利用双绞线就能降低干扰;两线制与三线制必须用屏蔽线,屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。(3)电容性干扰会导致接收器电阻有关误差,对于4~20mA两线制环路,接收器电阻通常为250Ω(取样U=1~5V),这个电阻小out到不足以产生显著误差,因此,可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远。(4)各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接,不因电线长度的不等而造成精度的差异,实现分散采集,分散采集的好处就是分散采集,集中控制。(5)将4mA用于零电平,使判断开路与短路或传感器损坏(0mA状态)十分方便。(6)在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆。020 什么是弹性敏感元件?

弹性敏感元件(elastic sensitive element)是指传感器中由弹性材料制成的敏感元件。在传感器的工作过程中常采用弹性敏感元件把力、压力、力矩、振动等被测参量转换成应变量或位移量,然后再通过各种转换元件把应变量或位移量转换成电量。

弹性敏感元件(见图1-2)的形式可以是实心或空心的圆柱体、等截面圆环、等截面或等强度悬臂梁、扭管等,也可以是弹簧管(波登管)、膜片、膜盒、波纹管、薄壁圆筒、薄壁半球等。弹性敏感元件在传感器中占有很重要的地位,其质量的优劣直接影响传感器的性能和精度。在很多情况下,它甚至是传感器的核心部分。

弹性敏感元件的基本特性可用刚度和灵敏度来表征。刚度是对弹性敏感元件在外力作用下变形大小的定量描述,即产生单位位移所需要的力(或压力)。灵敏度是刚度的倒数,它表示单位作用力(或压力)使弹性敏感元件产生形变的大小。实际的弹性材料在不同程度上普遍存在弹性滞后和弹性后效现象。弹性滞后是指弹性材料在加载、卸载的正反行程中,位移曲线是不重合的,构成一个弹性滞后环,即当载荷增加或减少至同一数值时位移之间存在一差值(见图1-3)。弹性滞后的存在表明在卸载过程中没有完全释放外力所做的功,在一个加卸载的循环中所消耗的能量相当于滞后环包围的面积。弹性后效是指载荷在停止变化之后,弹性元件在一段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移,又称弹性蠕变。这两种现象在弹性元件的工作过程中是相随出现的,其后果是降低元件的品质因素并引起测量误差和零点漂移,在传感器的设计中应尽量使它们减小。图1-2 各式各样的弹性敏感元件的示意图图1-3 弹性滞后环021 传感器是怎样组成的?

一般地说,传感器由两个基本元件组成,即敏感元件与转换元件。相对于传感器的参数转换作用而言,常称敏感元件为预转换器。因为在完成非电量到电量的转换时,并非所有的非电量参数都能一次直接转换为电量,往往是先转换一种易于转换成电量的非电量,然后再通过适当的方法转换成电量。因而,人们把能够完成预转换的器件称为敏感元件。所以,在传感器中建立在力学结构分析上的各种类型的弹性元件(如梁、板等)常称为敏感元件,并统称为弹性敏感元件。而转换元件是能将感受到的被测非电量参数转换为电量的器件,如应变计、压电晶体、热电偶等。当然,转换元件是传感器的核心部分,它是利用各种物理、化学、生物效应等原理制成的。在自然界中,新的物理、化学、生物效应的被发现与开拓,常被用到研制与开发新型传感器上,使其品种与功能日益增多,应用领域更加宽广。应该指出的是,并不是所有的传感器都包括敏感元件与转换元件,有一部分传感器不需要预转换作用的敏感元件,如热敏电阻、光电器件等。此外,还有一部分传感器采用先进工艺技术和材料后,能使敏感元件与转换元件合为一体,例如通过半导体材料集成的(IC)技术,便能使其合为整体的固态压力传感器。022 传感器是怎样分类的?

传感器的种类名目繁多,分类不尽相同。常用的四种分类方法如下。(1)按传感器检测的物理量分类:力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人。(2)按传感器工作原理分类:可分为电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。(3)按传感器的输出信号性质分类:数字式、模拟式。(4)按信号处理方式分类:直接传感器、差分传感器、补偿传感器。023 传感器现状和发展趋势是什么?

传感器技术大体可分三代:

第一代:结构型传感器,它利用结构参量变化来感受信号和转化信号。

第二代:20 世纪 70 年代发展起来的固体型传感器,这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料某些特性制成的。例如,利用热电效应、霍尔效应、光敏效应,分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器。

第三代:刚刚发展起来的智能型传感器,是微型计算机技术与检测技术相结合的产物,使传感器具有一定的人工智能。

现代传感器利用新的材料、新的集成加工工艺使传感器技术越来越成熟,传感器种类越来越多,除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料外,光纤以及超导材料的发展为传感器的发展提供了物质基础。未来还会有更新的材料,如纳米材料,更有利于传感器的小型化。目前,现代传感器正从传统的分立式,朝着集成化、智能化、数字化、系统化、多功能化与网络化并向着微功耗、高精度、高可靠性、高信噪比、宽量程的方向发展。现代传感器具有全集成化、智能化、高精度、高性能、高可靠性和低价格等显著优点。

只有通过计算机与传感器的协调发展,现代科学技术才能有所突破。可以说传感器技术已成为现代技术进步的重要因素之一。

现代传感器的发展方向如下:(1)发展、利用新效应;(2)开发新材料;(3)提高传感器性能和检测范围;(4)微型化与微功耗;(5)集成化与多功能化;(6)传感器的智能化;(7)传感器的数字化和网络化。024 传感器电路尽量设计成线性系统,请问什么是线性系统?

满足以下叠加原理的系统是线性系统,即线性系统满足:(1)齐次性:零入零出。(2)叠加性:两次静态测试,x、x是输入信号,y、y是对应1212的两个输出信号,有y=f(x),y=f(x),若有y+y=f(x+x),11221212则满足叠加性。025 如何实现非电量的测量?

为实现非电量的电测量,首先要实现从非电量到电量的转换,这一转换是靠传感器来实现的。传感器接口电路是为了与传感器配合将传感器输出信号转换成低输出电阻的电压信号以便后续电路的处理。一般来说,信号都需要进一步放大并滤除噪声。放大后的信号经模拟/数字转换后得到数字信号,以便于微处理器或微控制器进步处理。微处理器或微控制器是测控系统的核心,它主要有两个作用:一是对数字信号进行进一步处理并将信号输出显示、存储和控制;二是管理测控系统的各个部分以实现测控系统的智能化,即根据信号和测量条件的变化,自动地改变放大器的增益、滤波器的参数及其他的电路参数。

在选用合适的传感器之后,就要设计传感器的接口电路。从电子学的角度来看,不同的传感器具有不同的电特性和需要不同的驱动信号(也有的传感器不需要驱动信号),为取得更高的精度和最佳的性能,需要设计传感器接口电路。026 如何从精度上选择传感器?

在已知或确定被测对象和相应类型传感器的情况下,选择传感器的具体信号和主要参数可参考如下说明:(1)量程:也就是最大测量范围。具体选择时应该适当增加传感器的裕量:一则可能出现超出传感器所能够承受的输入而导致传感器的损坏;二则在传感器测量范围的两端通常会呈现较大的非线性,难以保证测量精度。(2)精度:传感器的精度是由若干项“误差”来保证的,如线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨率和漂移等。这里既要注意不要用单项误差来确定精度,这样往往高估了传感器的精度,也不要机械地认为传感器的精度不可能超过这些误差总和的影响。后者请参考27问——如何实现传感器的“超精度”应用。(3)测量环境:在温度、气压、湿度等恶劣环境下应用的传感器,必须考虑其温度系数以及长时间温度等变化所造成的传感器灵敏度等性能蠕动的影响。(4)分辨率:有一些传感器的输出有“台阶”,如绕线式电位器型位移传感器,这种台阶决定了传感器的分辨率。虽然多数传感器没有明显的台阶,但一定存在一个灵敏度的极限——像机械的迟滞、到极微小量级的“量子”化等决定传感器极限分辨率的因素。实际上,由于电阻热噪声的存在,传感器的分辨率远远低于上述“量子”的量级水平。(5)注意:数据手册上给出的传感器性能是在给定的工作条件下能够达到的性能,但在某些应用上可能达不到额定的工作条件,如物联网中的应用可能在驱动电源等工作条件上达不到额定值,注意传感器的精度要打折扣。027 如何实现传感器的“超精度”应用?

由于数据手册上给定的精度是由多项误差所综合决定的,而这些误差的来源都很不一样,并不是“必定”存在的。如一致性,是指一批或一个型号的传感器可能存在的最大离散性和一定的随机性,而具体到某个传感器,可能这项误差就在很大程度上具有“确定性”,属于可以补偿的系统误差,如现在很多数字化的温度传感器,其精度很低但分辨率很高。利用上述原理可以对其特性进行标定,从而实现远远超过数据手册中所给定精度的测量。

传感器必定存在的误差还有温度系数这一项,如果能够在应用时固定传感器的温度,也即恒温,也可以大幅度提高传感器的测量精度。在难以实现恒温或代价太大时,可以采用补偿的方法消除温度系数引起的误差。

既要实现“超精度”测量又要保证测量可靠性的方法是针对“温漂”(温度漂移)和“时漂”(时间漂移)所引起的误差:定时标定。也即隔一段时间用高精度的仪器对传感器灵敏度曲线进行标定,并以此修正传感器的误差。028 如何为传感器测量选定ADC?

现代采用传感器测量的仪器无一例外地采用微处理器,多数传感器输出的是模拟信号,而微处理器只能处理数字信号,因此必定需要采用 ADC(模数转换器),除非微处理器本身自带 ADC。不管微处理器自带ADC还是需要外加ADC,都需要选择合适的ADC。

为传感器选择ADC主要考虑以下几个方面。(1)精度/分辨率

实际上更准确地说是需要选定ADC的动态范围,也即常说的ADCn的位数n。n位的ADC可以把满足其输入范围的信号“分解”成2个最n小单位——分辨率,也即1/2。所以,已知传感器的量程和所要求的精度可以依据下式得到ADC的位数n:

但事情到此并未结束,一个ADC并不能保证其精度能够到达其分辨率,换言之,一个刻度为1mm的尺子并不能保证其精度能够做到1mm,而是常常相差1位以上。到此,我们可以根据上式计算到的“最小”n+ADC的误差位数+1~2位的裕量选择ADC。(2)速度

ADC的速度是sps(sample per second,采样次数/秒),经常不太正确地称之为“Hz”(赫兹)。

选取ADC速度的依据是奈奎斯特定律(采样定律)。按照采样定律,必须保证采样速度高于信号中最高频率的2倍或以上。由于在实际应用时很难保证信号中的频率不超过我们所预想的频率(只要是电路,就必定存在白噪声,而白噪声是无限带宽的),另一方面,为了简化抗混叠滤波器(其作用是滤除超出我们设计的信号频带的高频分量,而要做到阻带衰减特性好的低通滤波器就需要更高的阶数,也就是更复杂的电路、更多的元件和成本),在工程上把采样率定到奈奎斯特频率的5~10倍。再有,ADC在工作到它的最高采样速度时难以保证其性能。综上所述,所选择ADC速度应该比传感器所得到的有用信号的最高频率高出1个数量级以上。(3)其他性能

请参考本系列丛书有关ADC部分的问题。029 什么是传感器精度?

所谓传感器精度,通常是指传感器的总误差δ与满程输出U的百H分比值,即

通常用线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨率和漂移等表示其精度。030 什么是传感器的线性度?

线性度是指传感器的输出与输入呈线性关系的程度。传感器的理想输入-输出曲线特性应该是线性的,但是传感器的实际输入-输出特性大都具有一定程度的非线性,在输入量变化范围不大的条件下,可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、断点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段,这就是传感器非线性特性的线性化。

传感器的线性度一般用非线性误差表示,即实际的工作特性曲线与理想的线性特性曲线的偏离程度。通常以最大偏移量Δ与而定max输出值S的百分比值表示,即N031 什么是传感器的迟滞?

迟滞也叫回程误差,是指在相同测量条件下,对应于同一大小的输入信号,传感器正反行程的输出信号大小不相等的现象。产生迟滞的原因:传感器机械部分存在不可避免的摩擦、间隙、松动、积尘等,引起能量的吸收和消耗。

迟滞的大小一般由实验的方法来确定。用正反行程的最大输出差值ΔH与满量程输出Y的百分比来表示:maxF.S.032 什么是传感器的重复性?

重复性表示传感器在输入量按照同一方向做全量程多次测试时所得的输入-输出特性曲线的一致程度。

重复性指标一般采用输出最大不重复误差ΔR与满量程输出maxY之比的百分数表示:F.S.033 什么是传感器的灵敏度?

灵敏度是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值,用S来表示,即N

对于线性传感器,它的灵敏度就是它的静态特性的斜率;非线性传感器的灵敏度为一变量。曲线越陡峭,灵敏度越大;越平坦,灵敏度越小。灵敏度实质上是一个放大倍数,体现了传感器将被测量的微小变化放大为显著变化的输出信号的能力,即传感器对输入变量微小变化的敏感程度。

通常用拟合直线的斜率表示系统的平均灵敏度。一般希望传感器灵敏度高,但是灵敏度越高越容易受到外界干扰的影响,系统稳定性就越差。034 什么是传感器的分辨率?

传感器的输入-输出关系在整个测量范围内不可能处处连续。输入量变化太小时,输出量不会发生变化;而当输入量变化到一定程度时,输出量才发生变化。因此,从微观来看,实际传感器的输入-输出特性有许多微小起伏。

对于实际标定过程中的第 i 个测点 x,当有Δx变化时,输出ii,min就有可能观测到变化,那么Δx就是该测点处的分辨力,对应的i,min分辨率为:035 什么是传感器的漂移?

漂移是指传感器在输入量不变的情况下,输出量随时间变化的现象;漂移将影响传感器的稳定性。产生漂移的原因主要有两个:一个是传感器自身结构参数发生老化,如零点漂移,它是在规定条件下,一个恒定的输入在规定的时间内的输出在标称范围最低值处的变化。二是在测试过程中周围环境发生变化。最常见的是温度漂移,它是周围环境温度变化引起的输出变化。036 什么是传感器的测量误差?

被测量在客观上存在一个真实值,简称被测量的真值,记为 x;t利用传感器对其测量就是将它作用于所选用的传感器上,并以传感器的输出值 y(或称响应值、实测值、指示值等)来表示被测真值的大t小。因此,对传感器的根本要求就是希望通过它能够无失真地给出被测量的大小。而实际传感器,由于其实现结构及参数、测量原理、测试方法的不完善,或由于使用环境条件的变化,致使传感器给出的输出值y不等于无失真输出值y。通常定义它们之间产生的差值为测量at误差,即

传感器在测量过程中产生的测量误差的大小是衡量传感器质量的重要技术指标之一。037 什么是传感器的误差因素与标准规范?

误差主要来自以下几个方面:

设备误差。它包括标准器误差、仪表误差与附件误差等。设备装置误差又可区分为机构误差、调整误差等。

环境误差。它包括因各种环境因素(温度、湿度、气压、振动、电磁干扰、动加速度等)与要求的标准值不一致时所引起的附加误差。

测量方法误差。它包括所依据的测量原理的误差。

操作误差。它包括操作人员因素质等影响所产生的疏忽或过失误差。

实际测量过程中,往往存在着多种因素的联合作用。因此,精度与误差是一个涉及面十分广泛的工程和统计学问题。

传感器的静态精度需经校准确定。校准是在传感器的测量范围内,用一个标准仪表进行测量结果对比,所以传感器校准必须符合有关传感器校准的规程,采用规定的设备和方法。为了保证传感器测量结果的可靠性与精确度,也为了保证测量的统一和便于量值的传递,国家建立了各类传感器的检定标准,并设有标准测试装置和仪器作为量值传递基准,以便对新生产的传感器或使用过一段时间的传感器的灵敏度、频率响应、线性度等进行校准,以保证测量数据的可靠性。

传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标,包括线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性等。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数,如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。对传感器的标定是根据标准仪器与被标定传感器的测试数据进行的,即利用标准仪器产生已知的非电量并输入到待标定的传感器中,然后将传感器的输出量与输入的标准量进行比较,从而得到一系列标准数据或曲线。实际应用中,输入的标准量可用标准传感器检测得到,即将待标定的传感器与标准传感器进行比较,因此,只有当标准仪器的测量精度高于被标定传感器的测量精度至少一个等级时,被标定的传感器的测量结果才会是可信的。

在国内,标定的过程一般分为三级精度:国家计量院进行的标定是一级精度的标准传递。在此处标定的传感器叫标准传感器,具有二级精度。用标准传感器对出厂的传感器和其他需要校准的传感器进行标定,得到的传感器具有三级精度。038 传感器实现不失真测量的条件是什么?

一个理想的传感器就是要确保被测信号(或能量)的无失真转换,使检测结果尽量反映被测量的原始特征,用数学语言描述就是其输出y(t)和输入x(t)满足:

式中A和t都是常数,表明该系统输出的波形和输入的波形精确0一致,只是幅值放大了A倍及时间上延迟了t,在此条件下的传感器0被认为具有不失真测量的特性。039 如何评估传感器精度?

传感器的精度就是指测量结果的可靠程度,它以给定的准确度表示重复某个读数的能力,误差越小,则传感器的精度越高。

传感器的精度由其量程范围内的最大基本误差与满量程之比的百分数表示。基本误差是由系统误差和随机误差两部分组成的。系统误差是在相同条件下,对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。随机误差是指在重复条件下,某些测量结果与对同一被测量进行无限多次测量所得平均值之差。

迟滞与线性度所表示的误差为传感器的系统误差,重复性所表示的误差为随机误差。迟滞特性表明传感器的正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程输出-输入特性曲线不重合的程度,如图1-4所示。线性度是指传感器的输出与输入之间的线性程度,如图 1-5 表示。重复度表示传感器在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不一致的程度,如图1-6所示。

所以传感器的精度δ为:

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