浅谈传感器选用原则

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传感器选用原则

     现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类
　　要进行—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，还是自行研制。
　　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，尽员减少从外界引入的厂扰信号。
　　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，则应选择其它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的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
　　传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。
　　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，以免产生过火的误差。
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。以理论上讲，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，其性能保持不变化的能力称为稳定性。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。

附录:各类传感器及应用


一、 力学量传感器（6学时）
1. 力学量的分类
2. 几何学量传感器
i. 线位移、形变和位置传感器
接触型传感器：差动变压器、电阻应变片、滑线变阻器
非接触型传感器：电容式传感器
ii. 角度传感器
电阻式角度和角位移传感器、应变式角度和角位移传感器
3. 运动学量和力学量传感器
i. 线速度传感器
电动式速度传感器、多路狭缝板
ii. 角速度传感器
电容式转速传感器
iii. 加速度和力学量传感器
压阻式传感器、压电式传感器

二、 温度敏感器件（6学时）
1. 温度敏感器件的种类
2. 金属热敏电阻及应用
i. 工作原理，
ii. 铂热电阻、
iii. 铜热电阻
iv. 原理电路
v. 应用实例
3. 半导体热敏电阻及应用
i. NTC: 工作原理、原理电路、应用实例
ii. PTC：工作原理、原理电路、应用实例
iii. CTR：工作原理、原理电路、应用实例
4. 半导体PN结热敏电阻及应用
i. 工作原理
ii. 二极管PN结热敏电阻及应用
iii. 三极管温度传感器及应用
iv. 集成温度传感器
5. 热电势式测温传感器
i. 工作原理及热电偶的基本定律
ii. 电路结构及应用实例
6. 半导体的塞贝克效应及其在温度传感器中的应用
7. 铁氧体的热磁效应及其在温度传感器中的应用

三、 光敏传感器（5学时）
1. 光电式传感器的原理和特点
2. 外光电效应及光电器件：
i. 光电管：原理、结构、基本特性
ii. 光电倍增管：原理、结构、基本特性
iii. 电路结构及应用实例
3. 内光电效应及光电器件
i. 光敏电阻：原理、材料、结构、基本特性
ii. 光生伏特性光电传感器件
(a) 光电池：原理、结构、基本特性
(b) 光敏二极管：原理、结构、基本特性
(c) 光敏三极管：原理、结构、基本特性
(d) 光电耦合器：原理、结构、基本特性
iii. 电路结构及应用实例

四、 光纤传感器（4学时）
1. 概述：
i. 结构和种类，
ii. 传光原理：
iii. 集光能力，
iv. 传光损耗：费涅尔反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗、减小损耗的对策
2. 各类光纤传感器
i. 功能型光纤传感器：相位调制型光纤传感器、加速度传感器、光纤磁场传感器、光强调制型光纤传感器、偏振态调制型光纤传感器
ii. 非功能型光纤传感器：改变光纤相对位置的光强调制型光纤传感器、遮断光路的光强调制型光纤传感器、光纤温度传感器、反射光强调制型光纤传感器

五、 磁敏传感器（4学时）
1. 霍尔传感器
i. 霍尔效应
ii. 霍尔元件及相关材料
iii. 霍尔传感器及应用实例
2. 磁阻传感器
i. 磁阻效应：物理磁阻效应、几何磁阻效应
3. 磁敏二极管
4. 磁敏三极管
5. 磁敏集成电路
6. 强磁性敏感器
7. 磁性液体

六、 离子敏感器件（4学时）
1. 离子敏感器的几个基础理论
i. 溶液电化学的基础理论
ii. 生物电化学的基础理论
2. 离子敏感器的分类
3. 基本离子敏感器
i. 无机绝缘栅离子敏感器
ii. 固态膜离子敏感器
iii. 有机高分子PVC膜离子敏感器
4. 生物敏感器
i. 酶敏感器
ii. 免疫敏感器
iii. 微生物敏感器
5. 离子敏感器的应用
i. 离子敏感器的结构特点及其测试仪器的框图
ii. 测量仪器的设计和制造
iii. ISFET在科技领域的应用
iv. 微生物敏感器的应用
v. 免疫敏感器的应用
6. 气、湿敏传感器
i. 气敏传感器
(a) 半导体气敏传感器
(b) 非电阻式气敏传感器
(c) 固体电解质气敏传感器
(d) 气敏传感器研究的新进展
ii. 湿敏传感器
(a) 主要性能参数和一般性能要求
(b) 烧结型半导体陶瓷湿敏传感器
(c) 多孔氧化物陶瓷湿敏传感器
(d) 结型和MOS型湿敏传感器
(e) 其它湿敏传感器

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