科普：常用的傳感器基礎(chǔ)知識掃盲

傳感器的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，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(guī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

一、常用的傳感器基礎(chǔ)知識

傳感器的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，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(guī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

二、傳感器的分類

目前對傳感器比較常用的分類有如下三種：

1、按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器。

2、按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。

3、按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類，可分為：輸出為開關(guān)量(“1”和"0”或“開”和“關(guān)”)的開關(guān)型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。

關(guān)于傳感器的分類

1、按被測物理量分：如：力，壓力，位移，溫度，角度傳感器等。

2、按照傳感器的工作原理分：如：應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器等。

3、按照傳感器轉(zhuǎn)換能量的方式分：

(1) 能量轉(zhuǎn)換型：如：壓電式、熱電偶、光電式傳感器等。

 (2) 能量控制型：如：電阻式、電感式、霍爾式等傳感器以及熱敏電阻、光敏電阻、濕敏電阻等。

4、按照傳感器工作機(jī)理分：

 (1) 結(jié)構(gòu)型：如：電感式、電容式傳感器等。

 (2) 物性型：如：壓電式、光電式、各種半導(dǎo)體式傳感器等。

 5、按照傳感器輸出信號的形式分：

(1) 模擬式：傳感器輸出為模擬電壓量。

(2) 數(shù)字式：傳感器輸出為數(shù)字量，如：編碼器式傳感器。

三、傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變數(shù)的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。

四、傳感器的動(dòng)態(tài)特性

所謂動(dòng)態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。

五、傳感器的線性度

通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實(shí)際的特性曲線、線性度(非線性誤差)就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)。

擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點(diǎn)相連的理論直線作為擬合直線；或?qū)⑴c特性曲線上各點(diǎn)偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。

六、傳感器的靈敏度

靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△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(guān)系，則靈敏度S是一個(gè)常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。

靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。

當(dāng)傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。

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(wěn)定性也往往愈差。

七、傳感器的遲滯特性

遲滯特性表征傳感器在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減小）行程間輸出-一輸入特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的最大差值△MAX與滿量程輸出F·S的百分比表示。

遲滯可由傳感器內(nèi)部元件存在能量的吸收造成。

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(zhuǎn)換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。

電阻應(yīng)變式傳感器

傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類，金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)。

壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴(kuò)散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當(dāng)基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時(shí)，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。

用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應(yīng)用最為普遍。

熱電阻傳感器

熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。用于測量-200℃～+500℃范圍內(nèi)的溫度。

霍爾傳感器

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器。將一個(gè)有電流的物體放在磁場中。如果電流方向和磁場方向相互垂直，則在同時(shí)垂直于磁場和電流方向的方向上會產(chǎn)生橫向電位差。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，由此產(chǎn)生的電位差稱為霍爾電壓。

霍爾器件由產(chǎn)生顯著霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成。作為霍爾傳感器中的磁電轉(zhuǎn)換元件，可用于電磁測量，如測量磁場、電流、電功率等磁物理量和電?；魻杺鞲衅鬟€可以利用磁場作為介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)許多物理量的非接觸式測量。

通過對力、位移、振動(dòng)、加速度、速度、流量等非電量進(jìn)行換算，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、通訊、自動(dòng)控制和家庭使用電器等領(lǐng)域。

按照霍爾器件的功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。

按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個(gè)磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。

霍爾器件分為：霍爾元件和霍爾集成電路兩大類，前者是一個(gè)簡單的霍爾片，使用時(shí)常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大。后者將霍爾片和它的信號處理電路集成在同一個(gè)芯片上。

霍爾元件可用多種半導(dǎo)體材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子阱材料等等。

霍爾開關(guān)電路

霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。在外磁場的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過導(dǎo)通閾值BOP時(shí)，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后，B再增加，仍保持導(dǎo)通態(tài)。若外加磁場的B值降低到BRP時(shí)，輸出管截止，輸出高電平。我們稱BOP為工作點(diǎn)，BRP為釋放點(diǎn)，BOP－BRP=BH稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增強(qiáng)?；魻栭_關(guān)電路的功能框見圖4。圖4(a)表示集電極開路(OC)輸出，(b)表示雙輸出。它們的輸出特性見圖5，圖5(a)表示普通霍爾開關(guān)，(b)表示鎖定型霍爾開關(guān)的輸出特性。

一般規(guī)定，當(dāng)外加磁場的南極(S極)接近霍爾電路外殼上打有標(biāo)志的一面時(shí)，作用到霍爾電路上的磁場方向?yàn)檎?，北極接近標(biāo)志面時(shí)為負(fù)。

鎖定型霍爾開關(guān)電路的特點(diǎn)是：當(dāng)外加場B正向增加，達(dá)到BOP時(shí)，電路導(dǎo)通，之后無論B增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導(dǎo)通態(tài)，只有達(dá)到負(fù)向的BRP時(shí)，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱為鎖定型。

霍爾器件應(yīng)用時(shí)的一般問題

（1）測量磁場

使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片的表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計(jì)算被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到場的分布狀態(tài)，并可對狹縫，小孔中的磁場進(jìn)行檢測。

（2）工作磁體的設(shè)置

用磁場作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場。例如，用一個(gè)5×4×2.5（mm3）的釹鐵硼Ⅱ號磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約2300高斯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在空氣隙中，磁感應(yīng)強(qiáng)度會隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計(jì)算總有效工作氣隙時(shí)，應(yīng)從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊中會給出。

因?yàn)榛魻柶骷枰ぷ麟娫?，在作運(yùn)動(dòng)或位置傳感時(shí)，一般令磁體隨被檢測物體運(yùn)動(dòng)，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結(jié)果中提取被檢信息。

（3）與外電路的接口

霍爾開關(guān)電路的輸出級一般是一個(gè)集電極開路的NPN晶體管，其使用規(guī)則和任何一種相似的NPN開關(guān)管相同。輸出管截止時(shí)，輸漏電流很小，一般只有幾nA，可以忽略，輸出電壓和其電源電壓相近，但電源電壓最高不得超過輸出管的擊穿電壓（即規(guī)范表中規(guī)定的極限電壓）。輸出管導(dǎo)通時(shí)，它的輸出端和線路的公共端短路。因此，必須外接一個(gè)電阻器（即負(fù)載電阻器）來限制流過管子的電流，使它不超過最大允許值（一般為20mA），以免損壞輸出管。輸出電流較大時(shí)，管子的飽和壓降也會隨之增大，使用者應(yīng)當(dāng)特別注意，僅這個(gè)電壓和你要控制的電路的截止電壓（或邏輯“零”）是兼容的。

（4）用在直流無刷電機(jī)中

直流無刷電機(jī)使用永磁轉(zhuǎn)子，在定子的適當(dāng)位置放置所需數(shù)量的霍爾器件，它們的輸出和相應(yīng)的定子繞組的供電電路相連。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場令已通電的霍爾器件輸出一個(gè)電壓使定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場極性相同的磁場，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。到下一位置，前一位置的霍爾器件停止工作，下位的霍爾器件導(dǎo)通，使下一繞組通電，產(chǎn)生推斥場使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此循環(huán)，維持電機(jī)的工作。

在這里，霍爾器件起位置傳感器的作用，檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置，它的輸出使定子繞組供電電路通斷，又起開關(guān)作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極離去時(shí)，令上一個(gè)霍爾器件停止工作，下一個(gè)器件開始工作，使轉(zhuǎn)子磁極總是面對推斥磁場，霍爾器件又起定子電流的換向作用。

無刷電機(jī)中的霍爾器件，既可使用霍爾元件，也可使用霍爾開關(guān)電路。使用霍爾元件時(shí)，一般要外接放大電路，使用霍爾開關(guān)電路，可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組，使線路大為簡化。