1、傳感器的概念

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，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)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

2、傳感器的工作原理

傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波，經(jīng)過tda2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級(jí)線圈傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級(jí)線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運(yùn)算放大器AD822的工作電源；由基準(zhǔn)電源AD589與雙運(yùn)放AD822組成的高精度穩(wěn)壓電源產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉(zhuǎn)換器的工作電源。

當(dāng)彈性軸受扭時(shí)，應(yīng)變橋檢測得到的mV級(jí)的應(yīng)變信號(hào)通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強(qiáng)信號(hào)，再通過V/F轉(zhuǎn)換器變換成頻率信號(hào)，通過信號(hào)環(huán)形變壓器 T2從旋轉(zhuǎn)的初級(jí)線圈傳遞至靜止次級(jí)線圈，再經(jīng)過外殼上的信號(hào)處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號(hào)，該信號(hào)為TTL電平，既可提供給專用二次儀表或頻率計(jì)顯示也可直接送計(jì)算機(jī)處理。由于該旋轉(zhuǎn)變壓器動(dòng)——靜環(huán)之間只有零點(diǎn)幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內(nèi)，形成有效的屏蔽，因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的。化學(xué)傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長。

3、傳感器的特性介紹

(1)、靜態(tài)特性：是指對靜態(tài)的輸入信號(hào)，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)間變量的代數(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。

(2)、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(hào)的響應(yīng)來表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)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(hào)的響應(yīng)與它對任意輸入信號(hào)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(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)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。

(3)、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。

(4)、遲滯特性：表征傳感器在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減?。┬谐涕g輸出-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。

(5)、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。

4、傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)、一般所測得的物理量是非常小的，通常還帶有作為傳感器物理轉(zhuǎn)換元件固有的轉(zhuǎn)換噪聲。比如傳感器在1被放大倍率下的信號(hào)強(qiáng)度為0.1~1uV，此時(shí)的背景噪聲信號(hào)也有這么大的水平，甚至于將其湮滅。如何將有用信號(hào)盡量取出并且壓低噪聲是傳感器設(shè)計(jì)的首要解決的問題。

(2)、傳感器電路一定要簡單精煉。設(shè)想具有3級(jí)放大電路的，帶有2級(jí)有源濾波器的放大回路，放大了信號(hào)的同時(shí)也將噪聲放大了，如果噪聲不是明顯偏離有用信號(hào)頻譜，則無論怎樣濾波兩者同時(shí)放大，結(jié)果信噪比沒有提高。因此傳感器電路一定要精煉簡約。能省1只電阻或電容就一定要將它去掉。這一點(diǎn)是許多設(shè)計(jì)傳感器的工程師們?nèi)菀缀雎缘膯栴}。已知的情況是，傳感器電路隨著噪聲的問題困擾，電路越修改越復(fù)雜，成為怪圈。

(3)、功耗問題。傳感器通常在后續(xù)電路的前端，有可能需要較長的引線連接。當(dāng)傳感器功耗較大時(shí)引線的連接將會(huì)所有的無謂噪聲以及電源噪聲引入使得后續(xù)電路愈發(fā)難以設(shè)計(jì)。在夠用的情況小如何降低功耗也是一個(gè)不小的考驗(yàn)。

(4)、元器件的選用和電源回路。元器件的選用一定要夠用為好，只要器件指標(biāo)在需要的范圍之內(nèi)就可以了，余下的就是電路設(shè)計(jì)問題。電源是傳感器電路設(shè)計(jì)過程一定要遇到的難題，不要追求無法達(dá)到的電源指標(biāo)，而選擇一款帶有較好的共模抑制比的運(yùn)放，采用差分放大電路設(shè)計(jì)可能最普通的開關(guān)電源以及器件就能滿足你的要求。

5、傳感器的重要性

傳感器技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中具有十分重要的地位，被稱為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱(傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù))之一。微電子技術(shù)的大力發(fā)展與進(jìn)步，極大地促進(jìn)了通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。與此形成鮮明對照的是，傳感器技術(shù)發(fā)展十分緩慢，制約了信息技術(shù)的發(fā)展，被稱為技術(shù)發(fā)展的瓶頸。這種發(fā)展不協(xié)調(diào)的狀況以及由此帶來的負(fù)面影響，在近幾年科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展過程中表現(xiàn)的尤為突出，甚至局部領(lǐng)域出現(xiàn)了由于傳感器技術(shù)發(fā)展的滯后，反過來影響、制約了其他相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步的情況。所以傳感器技術(shù)又被認(rèn)為是現(xiàn)代信息技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和智能技術(shù)的先導(dǎo)。許多國家都把傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。美國曾把20世紀(jì)80年代看成是傳感器技術(shù)時(shí)代，并列為20世紀(jì)90年代22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一；日本把傳感器技術(shù)列為20世紀(jì)80年代10大技術(shù)之首；從20世紀(jì)80年代中后期開始，我國也把傳感器技術(shù)列為國家優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)之一。

可見，傳感器技術(shù)是一項(xiàng)與現(xiàn)代技術(shù)密切相關(guān)的尖端技術(shù)。一個(gè)國家、一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)中傳感器應(yīng)用的數(shù)量和水平直接標(biāo)志著其技術(shù)先進(jìn)的程度。當(dāng)今傳感器技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在各種先進(jìn)的設(shè)備和系統(tǒng)中。例如，“阿波羅”運(yùn)載火箭采用的傳感器達(dá)2077個(gè)；宇宙飛船部分的傳感器達(dá)1218個(gè)；一架波音飛機(jī)所用的傳感器達(dá)上千只……?？梢哉f，任何自動(dòng)控制裝置和系統(tǒng)都離不開傳感器技術(shù)。

從生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展角度看，人類社會(huì)已經(jīng)或正在經(jīng)歷著由手工化向機(jī)械化向自動(dòng)化到信息化… …的發(fā)展歷程。在這個(gè)發(fā)展歷程中的每一歷史時(shí)代，都有其代表性的生產(chǎn)方式作為標(biāo)志，它們是：手工化――人與簡單工具；機(jī)械化――動(dòng)力與機(jī)械；自動(dòng)化――自動(dòng)測量與控制；信息化――智能機(jī)械與裝置(智能機(jī)器人)。而每一種生產(chǎn)方式，又要以相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)水平作支柱。很顯然，科學(xué)技術(shù)的重要作用在于，不斷用機(jī)(儀)器來代替和擴(kuò)充人的體力勞動(dòng)(第一次產(chǎn)業(yè)革命)和腦力勞動(dòng)(第二次產(chǎn)業(yè)革命)，以大大提高社會(huì)生產(chǎn)力。為此目的，人們在不懈地探索著機(jī)器與人之間的機(jī)能模擬――人工智能，并不斷地創(chuàng)造出擬人裝置――自動(dòng)化機(jī)械，以至智能機(jī)器人(第三次產(chǎn)業(yè)革命的象征)。

由前述可知，作為模擬人體感官的“電五官”(傳感器)是獵取所研究對象信息的“窗口”；如果對象也視為系統(tǒng)，從廣義上講傳感器是系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)信息交流的“接口”，它為系統(tǒng)提供著賴以進(jìn)行處理和決策所必須的對象信息，它是高度自動(dòng)化系統(tǒng)乃至現(xiàn)代尖端技術(shù)必不可少的關(guān)鍵組成部分。例如：儀器儀表是科學(xué)研究和工業(yè)技術(shù)的“耳目”。在基礎(chǔ)科學(xué)和尖端技術(shù)的研究中，大到上千光年的茫茫宇宙，小到10-13cm的粒子世界；長到數(shù)十億年的天體演變，短到10-24s的瞬間反應(yīng)；高達(dá)5×104～108℃的超高溫、或3×108Pa的超高壓，低到0.01K的超低溫，或10-13Pa的超真空；強(qiáng)到25T以上的超強(qiáng)磁場，弱到10-13T的超弱磁場……，要檢測如此極端巨微的信息，單靠人的感官或一般電子設(shè)備遠(yuǎn)已無能為力，必須借助配有相應(yīng)傳感器的高精度或大型檢測系統(tǒng)才能奏效。因此，某些傳感器的發(fā)展，是一些邊緣科學(xué)研究和高、新技術(shù)開發(fā)的先驅(qū)。

在工業(yè)和國防領(lǐng)域，傳感器更有用武之地。高度自動(dòng)化的工廠、設(shè)備、裝置或系統(tǒng)，可以說是傳感器的大集合地。例如：工廠自動(dòng)化中的柔性制造系統(tǒng)(FMS)，或計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)；幾十萬千瓦的大型發(fā)電機(jī)組；連續(xù)生產(chǎn)的軋鋼生產(chǎn)線；無人駕駛的自動(dòng)化汽車；多功能裝備指揮系統(tǒng)；直至宇宙飛船或星際、航海、海洋探測器等等，均需配置數(shù)以千計(jì)的傳感器，用以檢測各種各樣的工況參數(shù)，以達(dá)到運(yùn)行監(jiān)控的目的。

當(dāng)傳感器技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化、軍事國防和以宇宙開發(fā)為代表的尖端科學(xué)與工程等重要領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的同時(shí)，它正以自己的巨大潛力，向著與人們生活密切相關(guān)的方面滲透；生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、安全防范、家用電器等方面的傳感器已層出不窮，并在日新月異地發(fā)展。

可見，從茫茫太空，到浩瀚海洋；從各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，到日常生活的衣食住行，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目都離不開各種各樣的傳感器，可以毫不夸張地說，未來的社會(huì)將是充滿傳感器的世界。