傳感器的選用

    國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)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(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

    （一）、現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。

    1、根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型：要進(jìn)行一個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，那一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下具體問題：量程的大小；被測(cè)位置對(duì)傳感器的體積要求；測(cè)量方式為接觸式或非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來源，是進(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)的，價(jià)格能否接受，還是自行研制。

    2、靈敏度的選擇：通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好，因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)才比較大有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度，因此要求傳感器本身具有很高的信躁比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲膹S憂信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器，如果被測(cè)量是**向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

    3、頻率響應(yīng)特性：傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲，希望延遲越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)（穩(wěn)態(tài)、隨機(jī)等）響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。

    4、線性范圍：傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。從理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值，傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)可以將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性，這會(huì)給測(cè)量帶來極大的方便。

    5、穩(wěn)定性：傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p少環(huán)境影響。在某些要求傳感器能長(zhǎng)期使用而又輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能 夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。

    6、精度：精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高，這樣就可以在滿足同一測(cè)量的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。如果測(cè)量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值，就需選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器，自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。

    （二) 測(cè)溫器：

    1、熱電阻：熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精度是最高的，它不廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。

① 熱電阻測(cè)溫原理及材料：熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻大都由金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用銠、鎳、錳等材料制造熱電阻。

② 熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的組成：熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和數(shù)碼溫度控制顯示表等組成。必須注意兩點(diǎn)：“熱電阻和數(shù)碼溫度控制顯示表的分度號(hào)必須一致；為了消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采取三線制接法。”

    2、熱敏電阻：NTC熱敏電阻器，具有體積小，測(cè)試精度高，反應(yīng)速度快，穩(wěn)定可靠，抗老化，互換性，一致性好等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣設(shè)備、電子體溫計(jì)、液位傳感器、汽車電子、電子臺(tái)歷等領(lǐng)域。

    3、熱電偶：熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：

① 測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)影響。

② 測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。

③ 構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的**，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。

(1)．熱電偶測(cè)溫基本原理

將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。

(2)．熱電偶的種類

常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。

標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。

非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。

我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。

(3)．熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時(shí)），而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。