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如何將振動傳感器輸出信號放大?

振動傳感器 2020-08-25 220 0

傳感器
一、傳感器(transducer)的定義
國家標準GB-87對傳感器下的定義是:“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成”。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。
二、傳感器的分類
傳感器的分類
可以用不同的觀點對傳感器進行分類:它們的轉換原理(傳感器工作的基本物理或化學效應);它們的用途;它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。
根據傳感器工作原理,可分為物理傳感器和化學傳感器二大類
傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應,諸如壓電效應,磁致伸縮現象,離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。
化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器,被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。
有些傳感器既不能劃分到物理類,也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的。化學傳感器技術問題較多,例如可靠性問題,規模生產的可能性,價格問題等,解決了這類難題,化學傳感器的應用將會有巨大增長。
常見傳感器的應用領域和工作原理列于表1.1。
按照其用途,傳感器可分類為:
壓力敏和力敏傳感器 ?位置傳感器
液面傳感器 ?能耗傳感器
速度傳感器 ?熱敏傳感器
加速度傳感器 ?射線輻射傳感器
振動傳感器? 濕敏傳感器
磁敏傳感器? 氣敏傳感器
真空度傳感器? 生物傳感器等。?
以其輸出信號為標準可將傳感器分為:
模擬傳感器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。?
數字傳感器——將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。?
膺數字傳感器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。?
開關傳感器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時,傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。
?
在外界因素的作用下,所有材料都會作出相應的、具有特征性的反應。它們中的那些對外界作用最敏感的材料,即那些具有功能特性的材料,被用來制作傳感器的敏感元件。從所應用的材料觀點出發可將傳感器分成下列幾類:
(1)按照其所用材料的類別分?
金屬? 聚合物? 陶瓷? 混合物?
(2)按材料的物理性質分? ? 導體? 絕緣體? 半導體? 磁性材料?
(3)按材料的晶體結構分?
單晶? 多晶? 非晶材料?
與采用新材料緊密相關的傳感器開發工作,可以歸納為下述三個方向:?
(1)在已知的材料中探索新的現象、效應和反應,然后使它們能在傳感器技術中得到實際使用。?
(2)探索新的材料,應用那些已知的現象、效應和反應來改進傳感器技術。?
(3)在研究新型材料的基礎上探索新現象、新效應和反應,并在傳感器技術中加以具體實施。?
現代傳感器制造業的進展取決于用于傳感器技術的新材料和敏感元件的開發強度。傳感器開發的基本趨勢是和半導體以及介質材料的應用密切關聯的。表1.2中給出了一些可用于傳感器技術的、能夠轉換能量形式的材料。?
按照其制造工藝,可以將傳感器區分為:
集成傳感器?薄膜傳感器?厚膜傳感器?陶瓷傳感器
集成傳感器是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。?
薄膜傳感器則是通過沉積在介質襯底(基板)上的,相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時,同樣可將部分電路制造在此基板上。?
厚膜傳感器是利用相應材料的漿料,涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常是Al2O3制成的,然后進行熱處理,使厚膜成形。
陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。?
完成適當的預備性操作之后,已成形的元件在高溫中進行燒結。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性,在某些方面,可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。?
每種工藝技術都有自己的優點和不足。由于研究、開發和生產所需的資本投入較低,以及傳感器參數的高穩定性等原因,采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。
三、傳感器的靜態特性
傳感器的靜態特性是指對靜態的輸入信號,傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關,所以它們之間的關系,即傳感器的靜態特性可用一個不含時間變量的代數方程,或以輸入量作橫坐標,把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有:線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。
四、傳感器的動態特性
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。
五、傳感器的線性度
通常情況下,傳感器的實際靜態特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中,為使儀表具有均勻刻度的讀數,常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度(非線性誤差)就是這個近似程度的一個性能指標。
擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線;或將與特性曲線上各點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態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。
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,輸出電壓變化為200mV,則其靈敏度應表示為200mV/mm。
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。
七、傳感器的分辨力
分辨力是指傳感器可能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力時,其輸出才會發生變化。
通常傳感器在滿量程范圍內各點的分辨力并不相同,因此常用滿量程中能使輸出量產生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標。上述指標若用滿量程的百分比表示,則稱為分辨率。
八、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。
九、電阻應變式傳感器
傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應,即在外力作用下產生機械形變,從而使電阻值隨之發生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類,金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高(通常是絲式、箔式的幾十倍)、橫向效應小等優點。
十、壓阻式傳感器
壓阻式傳感器是根據半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件,擴散電阻在基片內接成電橋形式。當基片受到外力作用而產生形變時,各電阻值將發生變化,電橋就會產生相應的不平衡輸出。
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壓阻式傳感器應用最為普遍。
十一、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的參數。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大、線性好、性能穩定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200℃~+500℃范圍內的溫度。
十二、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。
遲滯可由傳感器內部元件存在能量的吸收造成。

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