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傳感器

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傳感器(英文名稱:transducer/sensor)是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將檢測感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

目錄

主要作用

主要特點

基本功能

常見種類

4.1 電化學傳感器

4.2 電量傳感器

4.3 電阻式傳感器

4.4 稱重傳感器

4.5 溫度傳感器

4.6 位移傳感器

4.7 壓力傳感器

4.8 液位傳感器

主要特性

5.1 傳感器動態特性

5.2 傳感器的分辨率

5.3 傳感器的靈敏度

1 主要作用

  傳感器廣泛應用于社會發展及人類生活的各個領域,如工業自動化、農業現代比、航天技術、軍事工程、機器人技術、資源開發、海洋探測、環境監測、安全保衛、醫療診斷、交通運輸、家用電器等。

  據前瞻產業研究院發布的《中國傳感器制造行業發展前景與投資預測分析報告前瞻》顯示,近年來,國內傳感器應用主要分布在機械設備制造、家用電器、科學儀器儀表、醫療衛生、通信電子以及汽車等領域。

  人們為了從外界獲取信息,必須借助于感覺器官。傳感器匯總圖片精選(6張)而單靠人們自身的感覺器官,在研究自然現象和規律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況,就需要傳感器。因此可以說,傳感器是人類五官的延長,又稱之為電五官。

  新技術革命的到來,世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中,首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息,而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。的粒子世界,縱向上要觀察長達數十萬年的天體演化,短到 s的瞬間反應。此外,還出現了對深化物質認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究,如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁場等等。顯然,要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息,沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙,首先就在于對象信息的獲取存在困難,而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現,往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發展,往往是一些邊緣學科開發的先驅。

  傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不夸張地說,從茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各種復雜的工程系統,幾乎每一個現代化項目,都離不開各種各樣的傳感器。

  由此可見,傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方面的重要作用,是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發展。相信不久的將來,傳感器技術將會出現一個飛躍,達到與其重要地位相稱的新水平。

2 主要特點

  傳感器的特點包括:微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化,它不僅促進了傳統產業的改造和更新換代,而且還可能建立新型工業,從而成為21世紀新的經濟增長點。微型化是建立在微電子機械系統(MEMS)技術基礎上的,已成功應用在硅器件上做成硅壓力傳感器。

  接近傳感器工程項目,是代替限位開關等接觸式檢測方式,以無需接觸檢測對象進行檢測為目的的傳感器的總稱。

  
接近傳感器工程項目是傳感器家族中非常重要的一員,在工業上應用非常廣泛。雖然單只接近傳感器的價格不是很高,但是一般工廠都是批量需要,所以接近傳感器也是有很大市場的。一提到接近傳感器,大家都知道比較有名的像圖爾克、歐姆龍、巴魯夫等,這些傳感器品牌相當長時間內占據了接近傳感器很大市場。

  
我們一般將檢測金屬存在的感應型接近傳感器、檢測金屬及非金屬物體存在的靜電容量型接近傳感器、利用磁力產生的直流磁場的開關定義為“接近傳感器”。——智研咨詢整理

  
以前國內接近傳感器工程項目主要依靠圖爾克、歐姆龍、巴魯夫等進口品牌,進口的接近傳感器由于價格昂貴,供貨周期長所以不能滿足很多客戶的需要,國內很多工廠希望找到國產的接近傳感器,在這種情形下很多傳感器廠家開始生產接近傳感器,起初都是引進國外的機器和人才來仿制進口的接近傳感器,但是隨著國內傳感器技術的發展,現在已經有了很多自主品牌的接近傳感器,很大程度上已經能夠滿足國內的需要。

  
目前國內很多工廠都是使用國產接近傳感器或者正在嘗試使用國產接近傳感器。接近傳感器已經不再依賴進口品牌了。

3 基本功能

  敏感元件的分類:

  生物類,基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。

  化學類,基于化學反應的原理。

  物理類,基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。

  常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬:

  壓敏、溫敏、傳感器流體傳感器——觸覺

  氣敏傳感器——嗅覺

  光敏傳感器——視覺

  聲敏傳感器——聽覺

  化學傳感器——味覺

  通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類(還有人曾將敏感元件分46類)。

4 常見種類

4.1 電化學傳感器

  電化學傳感器通過與被測氣體發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。可分為一氧化碳傳感器、二氧化氮傳感器、甲醛傳感器等。

4.2 電量傳感器

  電量傳感器是一種將被測電量參數(如電流,電壓,功率,頻率,功率因數等信號)轉換成直流電流、直流電壓并隔離輸出模擬信號或數字信號的裝置。產品符合國標GB/T13850-1998。注:真有效值電壓電流變送器用于測量電網中波形畸變較嚴重的電壓或電流信號,也可以測量方波,三角波等非正弦波形。 信瑞達LF系列電量傳感器通用技術條件:

  引用標準及規則:GB/T13850-1998

  相對濕度:≤93%

  準確度等級: 0.2、0.5級

  貯藏條件:溫度-40~+70℃,相對濕度20~90%,無凝露

  工作溫度:-10~55℃

  平均無故障時間:≥30000h

4.3 電阻式傳感器

  電阻式傳感器是將被測量,如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。

4.4 稱重傳感器

  稱重傳感器是一種能夠將重力轉變為電信號的力→電轉換裝置,是電子衡器的一個關鍵部件。

  能夠實現力→電轉換的傳感器有多種,常見的有電阻應變式、電磁力式和電容式等。電磁力式主要用于電子天平,電容式用于部分電子吊秤,而絕大多數衡器產品所用的還是電阻應變式稱重傳感器。電阻應變式稱重傳感器結構較簡單,準確度高,適用面廣,且能夠在相對比較差的環境下使用。因此電阻應變式稱重傳感器在衡器中得到了廣泛地運用。

4.5 溫度傳感器

  1、室溫管溫傳感器:室溫傳感器用于測量室內和室外的環境溫度,管溫傳感器用于測量蒸發器和冷凝器的管壁溫度。室溫傳感器和管溫傳感器的形狀不同,但溫度特性基本一致。按溫度特性劃分,目前美的使用的室溫管溫傳感器有二種類型:1.常數B值為4100K±3%,基準電阻為25℃對應電阻10KΩ±3%。溫度越高,阻值越小;溫度越低,阻值越大。離25℃越遠,對應電阻公差范圍越大;在0℃和55℃對應電阻公差約為±7%;而0℃以下及55℃以上,對于不同的供應商,電阻公差會有一定的差別。溫度越高,阻值越小;溫度越低,阻值越大。離25℃越遠,對應電阻公差范圍越大。

  2、排氣溫度傳感器:排氣溫度傳感器用于測量壓縮機頂部的排氣溫度,常數B值為3950K±3%,基準電阻為90℃對應電阻5KΩ±3%。

  3、模塊溫度傳感器:模塊溫度傳感器用于測量變頻模塊(IGBT或IPM)的溫度,目前用的感溫頭的型號是602F-3500F,基準電阻為25℃對應電阻6KΩ±1%。幾個典型溫度的對應阻值分別是:-10℃→(25.897─28.623)KΩ;0℃→(16.3248─17.7164)KΩ;50℃→(2.3262─2.5153)KΩ;90℃→(0.6671─0.7565)KΩ。

  溫度傳感器的種類很多,現在經常使用的有熱電阻:PT100、PT1000、Cu50、Cu100;熱電偶:B、E、J、K、S等。溫度傳感器不但種類繁多,而且組合形式多樣,應根據不同的場所選用合適的產品。

  測溫原理:根據電阻阻值、熱電偶的電勢隨溫度不同發生有規律的變化的原理,我們可以得到所需要測量的溫度值。

4.6 位移傳感器

  位移傳感器又稱為線性傳感器,把位移轉換為電量的傳感器。位移傳感器是一種屬于金屬感應的線性器件,傳感器的作用是把各種被測物理量轉換為電量它分為電感式位移傳感器,電容式位移傳感器,光電式位移傳感器,超聲波式位移傳感器,霍爾式位移傳感器。

  在這種轉換過程中有許多物理量(例如壓力、流量、加速度等)常常需要先變換為位移,然后再將位移變換成電量。因此位移傳感器是一類重要的基本傳感器。在生產過程中,位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種。機械位移包括線位移和角位移。按被測變量變換的形式不同,位移傳感器可分為模擬式和數字式兩種。模擬式又可分為物性型(如自發電式)和結構型兩種。常用位移傳感器以模擬式結構型居多,包括電位器式位移傳感器、 電感式位移傳感器、自整角機、電容式位移傳感器、電渦流式位移傳感器、霍爾式位移傳感器等。數字式位移傳感器的一個重要優點是便于將信號直接送入計算機系統。這種傳感器發展迅速,應用日益廣泛。

4.7 壓力傳感器

  壓力傳感器引是工業實踐中最為常用的一種傳感器,其廣泛應用于各種工業自控環境,涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。

4.8 液位傳感器

  1、浮球式液位傳感器

  浮球式液位傳感器由磁性浮球、測量導管、信號單元、電子單元、接線盒及安裝件組成。

  一般磁性浮球的比重小于0.5,可漂于液面之上并沿測量導管上下移動。導管內裝有測量元件,它可以在外磁作用下將被測液位信號轉換成正比于液位變化的電阻信號,并將電子單元轉換成4~20mA或其它標準信號輸出。該傳感器為模塊電路,具有耐酸、防潮、防震、防腐蝕等優點,電路內部含有恒流反饋電路和內保護電路,可使輸出最大電流不超過28mA,因而能夠可靠地保護電源并使二次儀表不被損壞。

  2、浮簡式液位傳感器

  浮筒式液位傳感器是將磁性浮球改為浮筒,它是根據阿基米德浮力原理設計的。浮筒式液位傳感器是利用微小的金屬膜應變傳感技術來測量液體的液位、界位或密度的。它在工作時可以通過現場按鍵來進行常規的設定操作。

  3、靜壓或液位傳感器

  該傳感器利用液體靜壓力的測量原理工作。它一般選用硅壓力測壓傳感器將測量到的壓力轉換成電信號,再經放大電路放大和補償電路補償,最后以4~20mA或0~10mA電流方式輸出。

  但在傳感器設備領域,我國產業目前還不能滿足市場發展需要。有關人士表示,目前國產的傳感器芯片已經大規模使用,例如公交卡、酒店的房卡,以及手機近場支付等領域。但是,高頻和超高頻等高端芯片,如酒品和服裝的標簽,和國外相比依然有欠缺,有待進一步的技術突破。我國在低端的溫度、濕度傳感器方面取得了一些進展,但是在比較高端的傳感器方面,尤其是那種將感知、傳輸和處理集成到小尺寸芯片中的高端微機電系統方面,和國外相比仍有較大差距。傳感器領域發展遇阻,也對我國未來一段時間的物聯網產業推廣造成相當大的困擾,如果用國外產品,在安全性可能會有很多的顧慮。

5 主要特性

5.1 傳感器動態特性

  所謂動態特性,是指傳感器在輸入變化時,它的輸出的特性。在實際工作中,傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得,并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系,往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種,所以傳感器的動態特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。

5.2 傳感器的分辨率

  分辨率是指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說,如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數值時,傳感器的輸出不會發生變化,即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨率時,其輸出才會發生變化。

5.3 傳感器的靈敏度

  靈敏度是指傳感器在穩態工作情況傳感器下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。

  它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系,則靈敏度S是一個常數。否則,它將隨輸入量的變化而變化。

  當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時,靈敏度可理解為放大倍數。

  提高靈敏度,可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高,測量范圍愈窄,穩定性也往往愈差。

 

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