传感器百科:光电传感器

2021/10/31 09:55 · 传感器知识资讯 ·  · 传感器百科:光电传感器已关闭评论
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光电传感器
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光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件。其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时,物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。根据光电效应现象的不同将光电效应分为三类:外光电效应、内光电效应及光生伏特效应。光电器件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。分析了光电器件的性能、特性曲线。
[1]
中文名
光电传感器
外文名
photoelectric sensor/micro sensor
学 科
物理
组 成
光源、光学通路和光电元件
目 的
被测量的变化转换成光信号的变化
原 理
光电效应
目录
1
传感器概述
2
原理
3
分类
?
安全类型
?
特长
?
应用
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特性
?
市场领域
?
新技术和应用
4
发展方向
光电传感器传感器概述
编辑
语音
光电传感器一般由处理通路和处理元件2 部分组成。其基本原理是以光电效应为基础,把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将非电信号转换成电信号。光电效应是指用光照射某一物体,可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上,此时光子能量就传递给电子,并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收,电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化,从而使受光照射的物体产生相应的电效应。通常把光电效应分为3 类:(1 )在光线作用下能使电子溢出物体表面的现象称为外光电效应,如光电管、光电倍增管等;(2 )在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应,如光敏电阻、光敏晶体管等;(3 )在光线作用下,物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应,如光电池等。
[2]
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(可见及紫外镭射光)转变成为电信号的器件。
光电传感器
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电物理量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度,以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。新的光电器件不断涌现,特别是CCD图像传感器的诞生,为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。
光电传感器原理
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语音
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换
光电传感器
成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射到光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关。
光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样,当无光照时,它与普通二极管一样,反向电流很小,称为光敏二极管的暗电流;当有光照时,载流子被激发,产生电子-空穴,称为光电
光电传感器
载流子。在外电场的作用下,光电载流子参与导电,形成比暗电流大得多的反向电流,该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比,于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外,还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大,一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极,基极不引出,管壳同样开窗口,以便光线射入。为增大光照,基区面积做得很大,发射区较小,入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏,发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=(1+β)Icbo(很小),比一般三极管的穿透电流还小;当有光照时,激发大量的电子-空穴对,使得基极产生的电流Ib增大,此刻流过管子的电流称为光电流,发射极电流Ie=(1+β)Ib,可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。
工作原理
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
光电传感器在一般情况下,有三部分构成,它们分为:发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。
此外,光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
[3]
分类和工作方式
⑴槽型光电传感器
把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧组成槽形光电。发光器能发出红外光或可见光,在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时,光被遮挡,光电开关便动作,输出一个开关控制信号,切断或接通负载电流,从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
⑵对射型光电传感器,若把发光器和收光器分离开,就可使检测距离加大,一个发光器和一个收光器组成对射分离式光电开关,简称对射式光电开关。对射式光电开关的检测距离可达几米乃至几十米。使用对射式光电开关时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧,检测物通过时阻挡光路,收光器就动作输出一个开关控制信号。
⑶反光板型光电开关
把发光器和收光器装入同一个装置内,在前方装一块反光板,利用反射原理完成光电控制作用,称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下,发光器发出的光源被反光板反射回来再被收光器收到;一旦被检测物挡住光路,收光器收不到光时,光电开关就动作,输出一个开关控制信号。
⑷扩散反射型光电开关
扩散反射型光电开关的检测头里也装有一个发光器和一个收光器,但扩散反射型光电开关前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。在检测时,当检测物通过时挡住了光,并把光部分反射回来,收光器就收到光信号,输出一个开关信号。
没有信号输出的原因
首先要考虑的是接线或配置的问题。对于对射型光电传感器必须由投光部和受光部组合使用,两端都需要供电;而回归反射型必须由传感器探头和回归反射板组合使用;同时,用户必须给传感器提供稳定电源,如果是直流供电,必须确认正负极,如若正负极连接错误则会导致输出信号没有。
上述的原因分析是对光电传感器本身的考虑,我们还需要考虑的是检测物体的位置问题,如果检测物体不在检测区域,这样的检测是徒劳的。检测物体必须在传感器可以检测的区域内,也就是光电可以感知的范围内。其次,要考虑传感器光轴有没有对准问题,对射型的投光部和受光部光轴必须对准,对应的回归反射型的探头部分和反光板光轴必须对准。同样还要考虑的是检测物体是否符合标准检测物体或者最小检测物体的标准,检测物体不能小于最小检测物体的标准,从而避免导致对射型、反射型不能很好检测透明物体,像反射型对检测物体的颜色有要求,颜色越深,检测距离就越近。
如果以上情况都可以很明确地做出排除后,我们需要做的事就是检测环境的干扰因素。如光照强度不能超出额定范围;如果现场环境有粉尘,就需要我们定期清理光电传感器探头表面;或者是多个传感器紧密安装,互相产生干扰;还有一种影响比较大的是电气干扰,如果周围有大功率设备,产生干扰时必须要有相应的抗干扰措施。如果做过上述的逐一排查,这些因素都可以明确地排除还是没有信号输出的话,建议退回厂家检测判断。
[3]
结构分析
光电传感器通常由三部分构成,它们分别为:发送器、接收器和检测电路。
发射器带一个校准镜头,将光聚焦射向接收器,接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源,这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。
接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。光敏二极管是现在最常见的传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样,只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口,以便于光线射入,为增加受光面积,PN结的面积做得较大,光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下,并与负载电阻相串联,当无光照时,它与普通二极管一样,反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时,载流子被激发,产生电子-空穴,称为光电载流子。
此外,光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。角反射板是结构牢固的发射装置,它由很小的三角锥体反射材料组成,能够使光束准确地从反射板中返回。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角,使光束几乎是从一根发射线,经过反射后,仍从这根反射线返回。
[3]
类型
⑴槽型光电传感器
把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光,在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时,光被遮挡,光电开关便动作。输出一个开关控制信号,切断或接通负载电流,从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
⑵对射型光电传感器
若把发光器和收光器分离开,就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关,简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧,检测物通过时阻挡光路,收光器就动作输出一个开关控制信号。
⑶反光板型光电开关
把发光器和收光器装入同一个装置内,在它的前方装一块反光板,利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下,发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到;一旦光路被检测物挡住,收光器收不到光时,光电开关就动作,输出一个开关控制信号。
⑷扩散反射型光电开关
它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器,但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光,并把光部分反射回来,收光器就收到信号,输出一个开关信号。
[3]
光电传感器分类
编辑
语音
标准类型
1)漫反射型:一般型或能量型 (-8),聚焦式 (-8-H),带背景抑制功能型 (-8-H)
光电传感器
,带背景分析功能型 (-8-HW)
2)反射板型:一般型 (-6),带偏振滤波功能型 (-54, -55),带透明体检测功能型 (-54-G),带前景抑制功能型 (-54-V)
3)对射型
4)槽型
5)光纤传感器:塑料光纤型,玻璃光纤型
6)色标传感器,颜色传感器,荧光传感器
7)光通讯
8)激光测距:三角反射原理型,相位差原理型,时间差原理型
9)光栅
10)防爆/隔爆型
[3]
光电传感器安全类型
1)安全对射光电
2)安全光栅
3)安全光幕
4)安全控制器
门控类型
1)雷达传感器:区域检测型
雷达传感器
2)主动式传感器:单光束型,多光束型,区域检测型
3)被动式传感器:区域检测型
4)电梯光幕
5)通用光电:槽形,对射型等
[3]
光电传感器特长
①检测距离长
如果在对射型中保留10m以上的检测距离等,便能实现其他检测手段(磁性、超声波等) 无法远距离检测。
②对检测物体的限制少
由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理,所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属,它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。
③响应时间短
光本身为高速,并且传感器的电路都由电子零件构成,所以不包含机械性工作时间,响应时间非常短。
④分辨率高
能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点,或通过构成特殊的受光光学系统,来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。
⑤可实现非接触的检测
可以无须机械性地接触检测物体实现检测,因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此,传感器能长期使用。
⑥可实现颜色判别
通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质,可对检测物体的颜色进行检测。
⑦便于调整
在投射可视光的类型中,投光光束是眼睛可见的,便于对检测物体的位置进行调整。
[3]
光电传感器应用
用光电元件作敏感元件的光电传感器,其种类繁多,用途广泛。按光电传感器的输出量性质可分为两类:(1 )把被测量转换成连续变化的光电流而制成的光电测量仪器,可用来测量光的强度以及物体的温度、透光能力、位移及表面状态等物理量。例如:测量光强的照度计,光电高温计,光电比色计和浊度计,预防火灾的光电报警器,构成检查被加工零件的直径、长度、椭圆度及表面粗糙度等自动检测装置和仪器,其敏感元件均用光电元件。半导体光电元件不仅在民用工业领域中得到广泛的应用,在军事上更有它重要的地位。例如用硫化铅光敏电阻可做成红外夜视仪、红外线照相仪及红外线导航系统等;(2 )把被测量转换成继续变化的光电流。利用光电元件在受光照或无光照射时" 有" 或"无"电信号输出的特性制成的各种光电自动装置。光电元件用作开关式光电转换元件。例如电子计算机的光电输入器,开关式温度调节装置及转速测量数字式光电测速仪等。
[2]
一、烟尘浊度监测仪
防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染,首先要知道烟尘排放量,因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加,光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加,到达光检测器的光减少,因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。
二、条形码扫描笔
当扫描笔头在条形码上移动时,若遇到黑色线条,发光二极管的光线将被黑线吸收,光敏三极管接收不到反射光,呈高阻抗,处于截止状态。当遇到白色间隔时,发光二极管所发出的光线,被反射到光敏三极管的基极,光敏三极管产生光电流而导通。整个条形码被扫描过之后,光敏三极管将条形码变形一个个电脉冲信号,该信号经放大、整形后便形成脉冲列,再经计算机处理,完成对条形码信息的识别。
  三、产品计数器
产品在传送带上运行时,不断地遮挡光源到光电传感器的光路,使光电脉冲电路产生一个个电脉冲信号。产品每遮光一次,光电传感器电路便产生一个脉冲信号,因此,输出的脉冲数即代表产品的数目,该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来。
四、光电式烟雾报警器
没有烟雾时,发光二极管发出的光线直线传播,光电三极管没有接收信号。没有输出,有烟雾时,发光二极管发出的光线被烟雾颗粒折射,使三极管接受到光线,有信号输出,发出报警。
五、测量转速
在电动机的旋转轴上涂上黑白两种颜色,转动时,反射光与不反射光交替出现,光电传感器相应地间断接收光的反射信号,并输出间断的电信号,再经放大器及整形电路放大整形输出方波信号,最后由电子数字显示器输出电机的转速。
六、光电池在光电检测和自动控制方面的应用
光电池作为光电探测使用时,其基本原理与光敏二极管相同,但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压;光电转换效率高,光谱范围宽,频率特性好,噪声低等,它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。
应用案例
光电传感器应用于激光武器
由于光电传感器对红外辐射,或可见光,或对二者都特别灵敏,因而就更加容易成为激光攻击的目标。此外,电子系统及传感器本身还极易受到激光产生的热噪声和电磁噪声的干扰而无法正常工作。战场上的激光武器攻击光电传感器的方式主要有以下几种:用适当能量的激光束将传感器“致盲”,使其无法探测或继续跟踪已经探测到的目标。或者,如果传感器正在导引武器飞向目标,则致盲将使其失去目标。综上所述,由于传感器在战场上发挥的作用越来越重要,同时又很容易遭受激光攻击,它们已成为低能激光武器的首选目标。
光电传感器应用于自动抄表系统
随着微电子技术、传感器技术、计算机技术及现代通讯技术的发展,可以利用光电传感器来研制自动抄表系统。电能表的铝盘受电涡流和磁场的作用下产生的转矩驱动而旋转。采用光电传感器则可将铝盘的转数转换成脉冲数。如:在旋转的光亮的铝盘上局部涂黑,再配以反射式光电发射接收对管,则当铝盘旋转时,在局部涂黑处便产生脉冲,并可将铝盘的转数采样转换为相应的脉冲数,并经光电耦合隔离电路,送至CPU的T0端口进行计数处理。采用光电耦合隔离器可有效地防止干扰信号进入微机。再结合其它传输方式便可以形成自动抄表系统。
光电传感器应用于监控烟尘污染
光电传感器是一种小型电子设备,它可以检测出其接收到的光强的变化,通过把光强度的变化转换成电信号的变化实现控制功能。由于光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用,而我们可以利用光电传感器的特性来检测烟尘的情况,因而光电传感器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。
卫生级防冲洗型光电传感器
防冲洗型传感器,能够提供极高的可靠性和舒适性,并将运行成本降至最低。配合IO-Link接口以及能够大幅延长使用寿命的proTect+密封理念,这两款新型传感器适用于苛刻的应用环境,堪称食品和饮料行业的理想解决方案。
[4]
光电传感器特性
1)暂态响应范围宽,谐波测量能力强
暂态特性的优劣是判断一种互感器能否在电力系统中获得应用的一个重要参数,特别是与继电保护动作时间的配合。传统电磁式互感器由于存在铁芯,对高频信号的响应特性较差,不能正确反映一次侧的暂态过程。而光电互感器传测量的频率范围主要由电子线路部分决定,没有铁芯饱和的问题,因此能够准确反映一次侧的暂态过程。一般可设计到0.1 Hz到1 MHz,特殊的可设计到200 MHz的带通。光电传感器的结构可以测量高压电力线路上的谐波。而电磁感应互感器是难以达到的。
2)数字接口,通信能力强
由于光电传感器下传的就是光数字信号,与通信网络容易接口,且传输过程中没有测量误差。同时随着微机化的保护控制设备的广泛采用,光电互感器可以直接向二次设备提供数字量,这样就能省去原来保护装置中的变换器和A/D采样部分,使二次设备得到大大的简化,推动保护新原理的研究。
3)体积小,重量轻、易升级,满足变电站小型化与紧凑型的要求,由于光电传感器是靠传感头和电子线路进行信号的获取和处理,体积小,重量一般在 1000 kg以下,便于集成在AIS或GIS中,这样将大大减少变电站的占地面积,满足变电站小型化和紧凑化的要求。同时光电互感器通过少量光缆与二次设备连接,可使电缆沟和电缆大为减。
[4]
光电传感器市场领域
光电传感器的主要应用领域:车载娱乐/导航/DVD系统背光控制,以便在所有的环境光条件下都可以显示出理想的背光亮度;后座娱乐用显示器背光控制;仪表组背光控制(速度计/转速计);自动后视镜亮度控制(通常要求两个传感器,一个是前向的,一个是后向的);自动前大灯和雨水感应控制(专用,根据需求进行变化);后视相机控制(专用,根据需求进行变化)。在提供更舒适的显示质量方面已经成为最有效的解决方案之一,它具有与人眼相似的特性,这对于汽车应用而言至关重要,因为这些应用要求在所有环境光条件下都能达到完全的背光效果。例如,在白天,用户需要最大的亮度来实现最佳的可见度,但是这种亮度在对于夜间条件而言则是过亮的,因此带有良好光谱响应 (良好的IR衰减)的光传感器、适当的动态范围和整体的良好输出信号调节可以很容易地自动完成这些应用。终端用户可以设置几个阈值水平(如低、中、亮光),或能够随意地动态地改变传感器的背光亮度。这也适用于汽车后视镜亮度控制,当镜子变暗和/或变亮时需要智能的亮度管理,可以通过环境光传感器来完成。
对于便携式应用,如果用户不改变系统设置(通常是亮度控制),那么一个显示器总是消耗同样多的能量。在室外等特别亮的区域,用户倾向于提高显示器的亮度,这就会增加系统的功耗。而当条件变化时,如进入建筑物,大多数用户都不会去改变设置,因此系统功耗仍然保持很高。但是,通过使用一个光传感器,系统能够自动检测条件变化并调节设置,以保证显示器处于最佳的亮度,进而降低总功耗。在一般的消费类应用中,这也能够延长电池寿命。对于移动电话、笔计本电脑、PAD和数码相机,通过采用环境光传感器反馈,可以自动进行亮度控制,从而延长了电池寿命。
并不是一个新的构想。在数十年前就已经利用光电二极管和光敏电阻来实现这一构想。所谓新构想,是指对环境光感应的同时还能消减无用的红外线和紫外线光,而且在支持汽车规格AECQ-1000严格要求的同时还可以实现小封装,尤其是能够保证在-40度至+105度(2级)温度范围内的操作,以满足其余的规格要求。如何保持工作质量标准并满足AECQ-1000的2级工作要求,这是当今在所有光设计解决方案中所面临的挑战。采用一个光传感器或LED发射器或接收器时,任何的光学解决方案都会面临着暴露在恒定高温下(>+85度)而出现的封装变色问题(会变暗或变成淡黄)。同样值得一提的是,到目前为止,所有环境光传感器的应用都限于车舱内,在发动机舱或户外环境中还没有出现光传感器应用。事实上,即使出现了这样的应用,光封装也不是针对这样的苛刻条件(+125或+150度的条件)而设计,因此,在当前的光学封装技术下,它们很可能还不能够承受这样的条件。
半导体相似传感器和封装开发的最新进展使得终端用户在光传感器上具有了更广泛的选择。小封装、低功耗、高集成和简单易用性是设计者更多地采用光传感器的原因,其应用范围涉及消费类电子、工业应用以及汽车领域。
[4]
光电传感器新技术和应用
1、用于目标跟踪和坐标定位256光电管阵列四象限CMOS光电传感器
将传统的象限传感器与当前迅速发展的CMOS图象传感器相结合,提出了使用有源传感阵列感光的256单元光电管阵列四象限CMOS光电传感器。
该传感器的感光单元采用了CMOS图象传感器中使用的有源像素传感器(Active Pixel Sensor,APS)设计,在感光单元内部由光电信号预处理电路直接将传感产生的光电信号转化为幅度较大的电信号输出,避免了对微弱信号的处理,降低了噪声的影响。传感器应用阵列采集光信号,可以直接确定目标光源的坐标位置并实现一步到位的快速调整。传感器使用标准CMOS工艺制造,将传感阵列与信号处理电路集成在同一芯片上,可以实现传感器的SOC集成和智能化(Smart Sensor)设计。广泛应用于激光的瞄准、制导、跟踪,搜索装置,精密测量,如激光微定位、位移监控、精密机床的光电控制等领域。是一种用于目标跟踪和坐标定位的新型集成阵列四象限CMOS光电传感器。
2、光敏象限阵列与磁敏线阵列兼容CMOS数模混合传感器集成电路
基于硅光电传感的象限传感器广泛应用于激光的跟踪制导、位移监控、精密机床等控制等领域。基于硅的半导体磁敏传感器广泛应用于测量磁场强度的各种磁场计、读出磁介质上信息的各类磁头以及非磁信号的探测器等。
3、应用光电二极管阵列的SPR生物传感器微弱信号检测
以提升表面等离子共振生物医学传感器的检测能力为目标,用高性能光电二极管阵列为光电转换器件,论证并实现一种可高效抑制噪声的检测方法,利用光电二极管阵列器件可输出参考噪声信号的特性,通过相干消噪结合小波软阈值消噪,使SPR传感器输出信噪比从40dB左右提高到52dB以上。用SPR传感器检测人体免疫球蛋白(IgG)分子特异性结合的实验表明,该方法显著提高了SPR传感器的分辨率,使之可精确检测样液中IgG含量10~(-3)mg/mL量级的微弱变化,精度和分辨率提升一个数量级以上。
4、光电检测传感器阵列在运动物体检测中的应用
一个基于覆盖理论和卡尔曼滤波算法的光电检测传感器阵列,该阵列具有采集和处理阵列覆盖区域中所感知对象信息的功能,即检测和描述感知对象的存在、运动及其运动轨迹等情况。
国内外光电传感器的研究现状
由于光电传感器的应用涉及的领域非常广泛,其研究和开发在世界上引起了高度重视,各国更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。从最初的应用于军事逐渐发展到民事,而且与我们的生活息息相关,应该说现代化的生活离不开光电传感器的参与,如传真机、复印机、扫描仪、打印机、车库开门器、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等等不胜枚举。
美国是研究光电传感器起步最早、水平最高的国家之一,在军事和民用领域的应用发展得十分迅速。在军事应用方面,研究和开发主要包括:水下探测、航空监测、核辐射检测等。美国也是最早将光电传感器用于民用领域的国家。如运用光电传感器监测电力系统的电流、温度等重要参数,检测肉类和食品的细菌和病毒等。美国拥有世界最健全的光电传感器产品线,超过种产品包括自含式或放大器分离型,限位开关外型或小型传感器,精密检测或长距离检测传感器,检测距离长达305m。并且拥有行业内最齐全的标准光纤和定制光纤产品。大部分产品防护等级达到NEMA6P和IP67。日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光电传感器的研究与开发。20世纪90年代,研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器,日本的电器以价格适中质量好而响誉全球。西欧各国的大型企业和也积极参与了光电传感器的研发和市场竞争。我国对光电传感器研究的起步时间与国际相差不远。已有上百个单位在这一领域开展工作,主要是在光电温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行了大量的研究,取得了上百项科研成果,有的达到世界先进水平。
但与发达国家相比,我国的研究水平还有不小的差距,主要表现在商品化和产业化方面,大多数品种仍处于实验研制阶段,还无法投入批量生产和工程化应用。
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光电传感器发展方向
编辑
语音
生产的发展方向
(1)使光电传感器从理论研究向生产一条龙的产业化模式快速发展,走自主创新和国际合作相结合的跨越式发展道路,使我国成为世界传感器的生产大国;
(2)光电传感器产品结构全面、协调、持续发展。产品品种要向高技术、高附加值倾斜,尤其要填补“空白”品种;
(3)生产格局向专业化发展。即生产传感器门类少而精,且专门生产某一应用领域需要的某一类传感器系列产品,以获得较高的市场占有率,各传感器企业的专业化合作生产;
(4)光电传感器大生产技术向自动化发展。光电传感器的门类、品种繁多,所用的敏感材料各异,决定了传感器制造技术的多样性和复杂性。纵观当前光电传感器工艺线的概况,多数工艺已实现单机自动化,但距离生产过程全自动化尚存在诸多困难,有待今后广泛采用CAD、CAM及先进的自动化装备和工业机器人予以突破;
(5)企业的重点技术改造应加强从依赖引进技术向引进技术的消化吸收与自主创新的方向转移;
(6)企业经营要加快从国内市场为主向国内与国外两个市场相结合的国际化方向跨越发展;
(7)企业结构将向“大、中、小并举”、“集团化、专业化生产共存”的格局发展。
[2]
研究的发展方向
光电传感及其相关技术的迅速发展,满足了各类控制装置及系统的更高要求,使得各领域的自动化程度越来越高,同时光电传感器的重要性不断提高。目前,光电传感器研究的主要方向是:(1)多用途。即一种光电传感器不仅能针对一种物理量,而且能够对多种物理量进行同时测量;(2)新型传感材料、传感技术等的开发;(3)在恶劣条件下(高温、高压等)低成本传感器(连接、安装等)的开发和应用;(4)光电传感器与其它微技术结合的微光学技术的发展。
[2]
前景预测
传感器市场报告显示,2008年全球传感器市场容量为506亿美元,预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示,东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区,而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言,传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场,占第二位的是过程控制市场,看好通讯市场前景。
一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大,分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems,微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中,无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。
全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
[4]
光电传感器的智能化发展
智能光电传感器是当今国际科技界研究的热点、尚无统一的、确切的定义。目前国内外学者普遍认为,智能光电传感器是由传统的光电传感器和微处理器( 或微计算机) 相结合而构成的,它充分利用计算机的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。
智能光电传感器的功能有: 自补偿能力,自校准功能,自诊断功能,数值处理功能,双向通信功能,信息存储和记忆功能,数字量输出功能。随着科学技术的发展,智能传感器的功能将逐步增强,它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等),使传感器具有更高级的智能具有分析、判断、自适应、自学习的功能、可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。
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参考资料
1.

祝诗平.传感器与检测技术:北京大学出版社,中国林业出版社,2006年:236
2.

颜晓河,董玲娇,苏绍兴 .光电传感器的发展及其应用 :电子工业专用设备 ,2006
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任海萍. 光电传感器的应用与发展[J]. 科技风,2011,(01):278.
4.

谢望. 光电传感器技术的新发展及应用[J]. 仪器仪表用户,2005,(05):1-2.

传感器百科:压力传感器

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压力传感器
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压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号,并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型,压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
中文名
压力传感器
外文名
Pressure Transducer
输出信号
4-20ma、0-10V等
供 电
24VDC
材 质
316L
目录
1
重载型
2
分类
3
接线方法
4
工作原理
5
无法避免误差
6
安装问题
7
常用术语
8
应用领域
9
性能参数
10
防腐技巧
11
趋势
12
原则
13
原理应用
?
种类
?
认识
14
作业方式
?
关键作用
?
内部结构
?
基本原理
?
应用
15
保护
16
分类
?
压电式
?
扩散硅式
?
蓝宝石式
17
压电传感器
18
故障与检测
?
常见故障
?
零点漂移
?
故障检测
19
注意事项
20
选用使用方法
压力传感器重载型
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重载压力传感器是传感器中一种,但是我们很少听说这种压力传感器,它通常被用于交通运输应用中,通过监测气动、轻载液压、制动压力、机油压力、传动装置、以及卡车/拖车的气闸等关键系统的压力、液力、流量及液位来维持重载设备的性能。重载压力传感器是一种具有外壳、金属压力接口以及高电平信号输出的压力测量装置。许多传感器配有圆形金属或塑料外壳,外观呈筒状,一端是压力接口,另一端是电缆或连接器。这类重载压力传感器常用于极端温度及电磁干扰环境。工业及交通运输领域的客户在控制系统中使用压力传感器,可实现对冷却液或润滑油等流体的压力测量和监控。同时,它还能够及时检测压力尖峰反馈,发现系统阻塞等问题,从而即时找到解决方案。重载压力传感器一直在发展,重载压力传感器为了能够用于更加复杂的控制系统,设计工程师必需提高传感器精度同时需要降低成本便于实际应用等要求。
压力传感器分类
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多传感器信息融合技术的基本原理就像人的大脑综合处理信息的过程一样,将各种传感器进行多层次、多空间的信息互补和优化组合处理,最终产生对观测环境的一致性解释。在这个过程中要充分地利用多源数据进行合理支配与使用,而信息融合的最终目标则是基于各传感器获得的分离观测信息,通过对信息多级别、多方面组合导出更多有用信息。这不仅是利用了多个传感器相互协同操作的优势,而且也综合处理了其它信息源的数据来提高整个传感器系统的智能化。压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主,以弹性元件的形变指示压力,但这种结构尺寸大、质量重,不能提供电学输出。随着半导体技术的发展,半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展,半导体传感器向着微型化发展,而且其功耗小、可靠性高。扩散硅压力变送器扩散硅压力变送器是把带隔离的硅压阻式压力敏感元件封装于不锈钢壳体内制作而成。它能将感受到的液体或气体压力转换成标准的电信号对外输出,DATA-52系列扩散硅压力变送器广泛应用于供/排水、热力、石油、化工、冶金等工业过程现场测量和控制。
压力传感器
扩散硅压力变送器
性能指标:测量介质:液体或气体(对不锈钢壳体无腐蚀)量程:0-10MPa精度等级:0.1%FS、0.5%FS(可选)稳定性能:±0.05%FS/年;±0.1%FS/年输出信号:RS485、4~20mA(可选)过载能力:150%FS零点温度系数:±0.01%FS/℃满度温度系数:±0.02%FS/℃防护等级:IP68环境温度:-10℃~80℃存储温度:-40℃~85℃供电电源:9V~36V DC;结构材料:外壳:不锈钢1Cr18Ni9Ti密封圈:氟橡胶膜片:不锈钢316L电缆:φ7.2mm聚氨酯专用电缆半导体压电阻型半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力,通过外力(压力)使薄片变形而产生压电阻抗效果,从而使阻抗的变化转换成电信号。静电容量型静电容量型压力传感器,是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容,将通过外力(压力)使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。 (E8Y的动作原理便是静电容量方式,其他机种采用半导体方式)。
压力传感器接线方法
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传感器的接线一向是客户采购过程咨询得最多的问题之一,很多客户都不知道传感器如何连线,其实各种传感器的接线方式基本都是一样的,压力传感器一般有两线制、三线制、四线制,有的还有五线制的。压力传感器两线制比较简单,一般客户都知道怎么接线,一根线连接电源正极,另一个线也就是信号线经过仪器连接到电源负极,这种是最简单的,压力传感器三线制是在两线制基础上加了一个线,这根线直接连接到电源的负极,较两线制麻烦一点。四线制压力传感器肯定是两个电源输入端,另外两个是信号输出端。四线制的多半是电压输出而不是4~20mA输出,4~20mA的叫压力变送器,多数做成两线制的。压力传感器的信号输出有些是没有经过放大的,满量程输出只有几十毫伏,而有些压力传感器在内部有放大电路,满量程输出为0~2V。至于怎么接到显示仪表,要看仪表的量程是多大,如果有和输出信号相适应的档位,就可以直接测量,否则要加信号调整电路。五线制压力传感器与四线制相差不大,市面上五线制的传感器也比较少。
[1]
螺纹类型压力传感器的螺纹有很多种,常见的有NPT、PT、G、M,都是管螺纹。NPT 是 National (American) Pipe Thread 的缩写,属於美国压力传感器标准的 60 度锥管螺纹,用于北美地区.国家标准可查阅 GB/T-1991PT 是 Pipe Thread 的缩写,是 55 度密封圆锥管螺纹,属惠氏压力传感器螺纹家族,多用於欧洲及英联邦国家.常用於水及煤气管行业,锥度规定为 1:16。国家标准可查阅 GB/T7306-2000G 是 55 度非螺纹密封管螺纹,属惠氏压力传感器螺纹家族.标记为 G 代表圆柱螺纹。国家标准可查阅 GB/T7307-2001M 是公制普通螺纹,如M20*1.5表示直径为20mm,螺距为1.5,如客户无特殊要求,压力传感器一般为M20*1.5螺纹。另外螺纹中的1/4、1/2、1/8 标记是指螺纹尺寸的直径,单位是英寸。行内人通常用分来称呼螺纹尺寸,一寸等于8分,1/4 寸就是2分,如此类推。G 好像就是管螺纹的统称(Guan),55、60度的划分属于功能性的,俗称管圆。螺纹由一圆柱面加工而成。ZG俗称管锥,即螺纹由一圆锥面加工而成,一般的水管压力接头都是这样的,老国标标注为Rc公制螺纹用螺距来表示,美英制螺纹用每英寸内的螺纹牙数来表示,这是压力传感器螺纹最大的区别,公制螺纹是60度等边牙型,英制螺纹是等腰55度牙型,美制螺纹60度。公制螺纹用公制单位,美英制螺纹用英制单位。管螺纹主要用来进行压力管道的连接,其内外螺纹的配合紧密,压力传感器管螺纹有直管与锥管两种。公称直径是指所连接的压力管道直径,显然螺纹大径比公称直径大。 1/4,1/2,1/8是英制螺纹的公称直径,单位是英寸。
压力传感器工作原理
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语音
1、压阻式压力传感器电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。2、陶瓷压力传感器陶瓷压力传感器基于压阻效应,压力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片产生微小的形变,厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面,连接成一个惠斯通电桥,由于压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号,标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等,可以和应变式传感器相兼容。3、扩散硅压力传感器:
扩散硅压力传感器
扩散硅压力传感器工作原理也是基于压阻效应,利用压阻效应原理,被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷),使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,利用电子线路检测这一变化,并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。4、蓝宝石压力传感器:利用应变电阻式工作原理,采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件,具有无与伦比的计量特性。因此,利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件,对温度变化不敏感,即使在高温条件下,也有着很好的工作特性;蓝宝石的抗辐射特性强;另外,硅-蓝宝石半导体敏感元件,无p-n漂移。5、压电式压力传感器:
压力传感器
压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压力传感器无法避免误差
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语音
在选择压力传感器的时候我们要考虑他的综合精度,而压力传感器的精度受哪些方面的影响呢?其实造成传感器误差的因素有很多,下面我们注意说四个无法避免的误差,这是传感器的初始误差。首先的偏移量误差:由于压力传感器在整个压力范围内垂直偏移保持恒定,因此变换器扩散和激光调节修正的变化将产生偏移量误差。其次是灵敏度误差:产生误差大小与压力成正比。如果设备的灵敏度高于典型值,灵敏度误差将是压力的递增函数。如果灵敏度低于典型值,那么灵敏度误差将是压力的递减函数。该误差的产生原因在于扩散过程的变化。第三是线性误差:这是一个对压力传感器初始误差影响较小的因素,该误差的产生原因在于硅片的物理非线性,但对于带放大器的传感器,还应包括放大器的非线性。线性误差曲线可以是凹形曲线,也可以是凸形曲线称重传感器。最后是滞后误差:在大多数情形中,压力传感器的滞后误差完全可以忽略不计,因为硅片具有很高的机械刚度。一般只需在压力变化很大的情形中考虑滞后误差。
压力传感器
压力传感器的这个四个误差是无法避免的,我们只能选择高精度的生产设备,利用最新技术来降低这些误差,还可以在出厂的时候进行一定的误差校准,尽最大的可能来降低误差以满足客户的需要。
压力传感器安装问题
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语音
正确安装通常高温熔体压力传感器的损坏都是由于其安装位置不恰当而引起的,如果将传感器强行安装在过小的孔或形状不规则的孔中,就有可能造成传感器的震动膜受到冲击而损坏,选择合适的工具加工安装孔,有利于控制安装孔的尺寸,另外,合适的安装扭矩有利于形成良好的密封,但是如果安装扭矩过高就容易引起高温熔体压力传感器的滑脱,为防止这种现象发生,通常在传感器安装之前在其螺纹部分上涂抹防脱化合物。1. 压力传感器正确安装方法:(1) 通过适当的仪表, 在普通大气压和标准温度条件下,核实压力传感器的频率反应值。(2) 核实压力传感器的编码与相应的频率反应信号的正确性。2. 确定具体安装位置为了确定压力传感器的编号和具体安装位置, 需按充气网的各个充气段来考虑。(1) 压力传感器必须沿着线缆进行安装, 最好安装在线缆接头处。(2) 每条线缆装设压力传感器不少于4个, 靠近电话局的两个压力传感器, 相距不应大干200m。(3) 每条线缆的始端和末端分别安装1个。(4) 每条线缆的分支点应装1个, 如果两个分支点相距较近(小于100 m),可只装1个。(5) 线缆敷设方式(架空、地下)改变处应装1个(6) 对无分支的线缆, 因垒线的线缆程式一致, 压力传感器的安装隔距不大干500m, 并使其总数不少于4个。(7) 为了便于确定压力传感器故障点, 除在起点安装压力传感器外,距起点150~200m处,还要另外安装1个当然在设计中, 一定要考虑经济与技术的因素, 在不需要安装压力传感器的地方,则应不必安装。检查尺寸如果安装孔的尺寸不合适,高温熔体压力传感器在安装过程中,其螺纹部分就很容易受到磨损,这不仅会影响设备的密封性能,而且使传感器不能充分发挥作用,甚至还可能产生安全隐患。只有合适的安装孔才能够避免螺纹的磨损(螺纹工业标准1/2-20UNF2B),通常可以采用安装孔测量仪对安装孔进行检测,以做出适当的调整。
压力传感器常用术语
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压力是工业生产中的重要参数之一,为了保证生产正常运行,必须对压力进行监测和控制。下面是压力传感器选型时常用的用语:标准压以大气压为标准表示的压力大小,大于大气压的叫正压;小于大气压的叫负压。绝对压以绝对真空为标准表示的压力大小。相对压对比较对象(标准压)而言的压力大小。大气压指大气压力。标准大气压(1atm)相当于高度为760mm水银柱的压力。真空指低于大气压的压力状态。1Torr=1/760气压(atm)。检测压力范围指传感器的适应压力范围。可承受压力当恢复到检测压力时,其性能不下降的可承受压力。往返精度当一定温度(23°C)下,当增加、减少压力时、用检测压力的全标度值去除输出进行反转的压力值而得到的动作点的压力变动值。精度在一定温度(23°C)下,当加零压力和额定压力时,用全标度值去除偏离输出电流规定值(4mA、20mA)的值而得到的值。单位用%FS表示。线性模拟输出对检测压力呈线性变化,但与理想直线相比有偏差。用对全标度值来说百分数来表示这种偏差的值叫线性。迟滞(线性)用零电压和额定电压在输出电流(或电压)值间画出理想直线,把电流(或电压)值与理想电流(或电压)值之差作为误差求出来,再求出压力上升时和下降时的误差值。用全标度的电流(或电压)值去除上述差的绝对值的最大值所得的值即为迟滞。单位用%FS表示。迟滞用压力的全标度值去除输出ON点压力与OFF点压力之差所得的值既是迟滞。非腐蚀性气体指空气中含有的物质(氮、二氧化碳等)与惰性气体(氩、氖等) 。
压力传感器应用领域
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压力传感器主要应用于:增压缸、增压器、气液增压缸、气液增压器、压力机,压缩机,空调制冷设备等领域。1、应用于液压系统压力传感器在液压系统中主要是来完成力的闭环控制。当控制阀芯突然移动时,在极短的时间内会形成几倍于系统工作压力的尖峰压力。在典型的行走机械和工业液压中,如果设计时没有考虑到这样的极端工况,任何压力传感器很快就会被破坏。需要使用抗冲击的压力传感器,压力传感器实现抗冲击主要有2种方法,一种是换应变式芯片,另一种方法是外接盘管,一般在液压系统中采用第一种方法,主要是因为安装方便。此外还有一个原因是压力传感器还要承受来自液压泵不间断的压力脉动。2.应用于安全控制系统压力传感器在安全控制系统中经常应用,主要针对的领域是空压机自身的安全管理系统。在安全控制领域有很多传感器应用,压力传感器作为一种非常常见的传感器,在安全控制系统中应用也不足为奇。在安全控制领域应用一般从性能方面来考虑,从价格上的考虑,还有从实际操作的安全性方便性来考虑,实际证明选择压力传感器的效果非常好。压力传感器利用机械设备的加工技术将一些元件以及信号调节器等装置安装在一块很小的芯片上面。所以体积小也是它的优点之一,除此之外,价格便宜也是它的另一大优点。在一定程度上它能够提高系统测试的准确度。在安全控制系统中,通过在出气口的管道设备中安装压力传感器来在一定程度上控制压缩机带来的压力,这算是一定的保护措施,也是非常有效的控制系统。当压缩机正常启动后,如果压力值未达到上限,那么控制器就会打开进气口通过调整来使得设备达到最大功率。3.应用于注塑模具压力传感器在注塑模具中有着重要的作用。压力传感器可被安装在注塑机的喷嘴、热流道系统、冷流道系统和模具的模腔内,它能够测量出塑料在注模、充模、保压和冷却过程中从注塑机的喷嘴到模腔之间某处的塑料压力。4.应用于监测矿山压力传感器技术作为矿山压力监控的关键性技术之一。一方面,我们应该正确应用已有的各种传感器来为采矿行业服务;另一方面,作为传感器厂家还要研制和开发新型压力传感器来适应更多的采矿行业应用。压力传感器有多种,而基于矿山压力监测的特殊环境,矿用压力传感器主要有:振弦式压力传感器、半导体压阻式压力传感器、金属应变片式压力传感器、差动变压器式压力传感器等。这些传感器在矿产行业都有广泛的应用,具体使用哪种传感器还有根据具体的采矿环境进行选择。5.应用于促进睡眠压力传感器本身无法促进睡眠,我们只是将压力传感器放在床垫地下,由于压力传感器具有高灵敏度,当人发生翻身、心跳以及呼吸等有关的动作时,传感器会分析这一系列信息,去推断睡眠人睡觉处于一个什么状态,然后通过对传感器的分析,收集传感器的信号得到心跳和呼吸节奏等睡眠的数据,最后将所有数据处理谱成一首段的曲目,当然能将你一个晚上的睡眠压缩成一首几分钟的音乐。6.应用于压缩机,空调冷设备压力传感器常用于空气压力机,以及空调制冷设备,这类传感器产品外形小巧、安装方便、导压口一般采用专用阀针式设计。
压力传感器性能参数
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压力传感器的种类繁多,其性能也有较大的差异,如何选择较为适用的传感器,做到经济、合理的使用。1. 额定压力范围额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。也就是在最高和最低温度之间,传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。2. 最大压力范围最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力,且不引起输出特性永久性改变。特别是半导体压力传感器,为提高线性和温度特性,一般都大幅度减小额定压力范围。因此,即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的2-3倍。3. 损坏压力损坏压力是指能够加在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。4. 线性度线性度是指在工作压力范围内,传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。5.压力迟滞为在室温下及工作压力范围内,从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时,传感器输出之差。6.温度范围压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿,精度进入额定范围内的温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。技术参数 (量程15MPa-200MPa)参数 单位 技术指标 参数 单位 技术指标灵敏度 mV/V 1.0±0.05 灵敏度温度系数 ≤%F·S/10℃ ±0.03非线性 ≤%F·S ±0.02~±0.03 工作温度范围 ℃ -20℃~+80℃滞后 ≤%F·S ±0.02~±0.03 输入电阻 Ω 400±10Ω重复性 ≤%F·S ±0.02~±0.03 输出电阻 Ω 350±5Ω蠕变 ≤%F·S/30min ±0.02 安全过载 ≤%F·S 150% F·S零点输出 ≤%F·S ±2 绝缘电阻 MΩ ≥5000MΩ(50VDC)零点温度系数 ≤%F·S/10℃ ±0.03 推荐激励电压 V 10V-15V
压力传感器防腐技巧
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压力传感器被应用于各行各业,尤其是工业上应用非常多的压力传感器,但是工业上一般要求压力传感器能够防腐蚀,压力传感器接头和腔体采用进口不锈钢整体加工,作为压力变送器弹体的不锈钢材料耐蚀性高、衰减性能好,可以监测任何与316L相兼容的介质。下面我们还来介绍一下压力传感器的防腐技巧。首先,了解被测介质是否与316L相兼容:316,317L合金在100小时5%盐雾测试中,都没有出现腐蚀。其次,在选购传感器产品时,向供应商咨询介质对压力传感器是否有影响;通过对弹体耐腐蚀材料的选择,以便达到用户使用的需求。最后,我们可以采用隔离办法:压力变送器前有钼2钛和钽片,膜片与弹道管之间用甲基硅油传送压力,最小量程可做到0~100kPa,如果膜片材料还不耐腐,则可加一层F46膜片,但仪表灵敏度有所降低。也可直接用F46作隔离膜片,传递液可选用氟油,则可起双重隔离作用。压力传感器在使用过程中一旦发现其不能与介质兼容就必须马上更换传感器,对应一些特殊的介质我们可以采用特殊的材质或者特殊的结构来进行测量,压力传感器未来肯定会得到更加广泛的应用,所以作为厂家我们要积极开发新型压力传感器来适应需要。
压力传感器趋势
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1.主要垂直行业,包括石油和天然气、汽车和医疗保健的技术进步导致了多种应用程序以及压力传感器功能的演变。2.汽车领域是压力传感器的最重要的用户之一,汽车生产的激增导致对压力传感器和相关组件的需求不断增加。3.机动车安全已成为整个汽车行业的重要方面,围绕此项特性的严格的政府法规有助于促进汽车行业压力传感器的需求增长。4.基于微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)的技术一直以来广受大众欢迎,采用量大增,导致压力传感器市场的增长。5.消费电子压力传感器使用量大大增加,成为整个市场发展最快的应用领域。6.终端使用行业如汽车和医疗保健市场趋于成熟成为阻碍北美和欧洲压力传感器市场的一大挑战。7.在亚洲国家,如中国、日本、印度和韩国快速的工业化和机动车生产都可以归结为亚太压力传感器市场的发展。8.亚太和中东地区的智能城市基础设施的发展持有巨大的未来增长潜力。9.消费者购买压力传感器对其安装和更换不断飙升的成本心存忧虑,可能会影响压力传感器市场。10.在过去的几年中,压力传感器市场取得了迅速进展,对竞争格局产生了积极影响,为市场引入了新的参与者并扩大了市场现有参与者的范围。
压力传感器原则
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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型要进行—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,尽量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。
压力传感器原理应用
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压力传感器种类
力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。
压力传感器认识
在了解压阻式压力传感器时,我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上,当基体受力发生应力变化时,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的阻值发生改变,从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,一般这种应变片都组成应变电桥,并通过后续的仪表放大器进行放大,再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。
压力传感器作业方式
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选择压力传感器的时候需要注意很多问题,比如,压力传感器的量程、精度、压力传感器的温度特性,化学特性都是要考虑的,而压力传感器的作业方式也是需要考虑的重要问题。例如传感器用于气体压力的测量与液体压力的测量时情况便不同。气体是可压缩流体,增多时会贮存一定的压缩能,减压时又以动能释放出来,给传感器弹性膜施加冲击波。要求压力传感器有较大的过载能力。液体是不可压缩流体,在压力传感器安装时,拧紧螺拴又无可压缩空间则可使液体压力升高超过弹性膜的耐压极限,导致弹性膜破裂。由于这种情况屡屡发生,也要求压力传感器有较大的过压能力。压力传感器的工作环境恶劣时,例如有大的振动、冲击,大的电磁干扰,对传感器提出更为严格的要求。不仅过压能力强,而且要求机械密封可靠,防松动,传感器安装正确。传感器自身的引线、引脚以及外导线都应加以电磁屏蔽,并将屏蔽良好接地。此外,应考虑压力传感器与所测流体介质的相容性问题。例如传感器的弹性膜结构应与腐蚀性介质相隔开,此时采有不锈钢波纹套传感器,传感器内用硅油作传压介质。传感器检测易燃、易爆介质压力时,使用小激励电流,防止弹性膜破裂时产生火花、火星,并增加压力传感器外套的耐压能力。只有了解了压力传感器的作业方式才能更好的选择压力传感器,尤其是如今压力传感器正在飞速发展,所以了解压力传感器的作业方式是非常必要的。
压力传感器关键作用
压力传感器不仅在生产测量中应用广泛,如今在我们生活中也常常看见,在我们大多的交通工具中都有压力传感器,可能一般人知道汽车上有压力传感器,其实普通的摩托车上也有压力传感器的应用。摩托车的动力来自汽油机汽缸内油的燃烧。只有充分燃烧才能提供很好的动力,良好的燃烧必须具备良好的混合气、充分的压缩和最佳点火三个条件。电喷系统能否正确的将空燃比控制在所需的范围内,决定了发动机的动力性、经济性和排放指标的优劣。而汽油机空燃比的控制是采用调整与进气量相匹配的供油量实现的,因此,进气空气流量的测量精度直接影响空燃比的控制精度。
压力传感器内部结构
它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途,电阻应变片的阻值可以由设计者设计,但电阻的取值范围应注意:阻值太小,所需的驱动电流太大,同时应变片的发热致使本身的温度过高,不同的环境中使用,使应变片的阻值变化太大,输出零点漂移明显,调零电路过于复杂。而电阻太大,阻抗太高,抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。
压力传感器基本原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示:R=ρ
式中:ρ——金属导体的电阻率(Ω·
/m)S——导体的截面积(
)L——导体的长度(m)我们以金属丝应变电阻为例,当金属丝受外力作用时,其长度和截面积都会发生变化,从上式中可很容易看出,其电阻值即会发生改变,假如金属丝受外力作用而伸长时,其长度增加,而截面积减少,电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时,长度减小而截面增加,电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化(通常是测量电阻两端的电压),即可获得应变金属丝的应变情。
压力传感器应用
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递,压力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片产生微小的形变,厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面,连接成一个惠斯通电桥(闭桥),由于压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号,标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等,可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定,传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性,传感器自带温度补偿0~70℃,并可以和绝大多数介质直接接触。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40~135℃,而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度大于2kV,输出信号强,长期稳定性好。高特性,低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向,在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势,在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
压力传感器保护
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压力传感器我们经常使用,我们在使用过程中一定要注意保护压力传感器,因为压力传感器虽然有不锈钢保护,但是压力传感器还是很容易损坏的,尤其是使用不当很容易造成压力传感器损坏导致损失。首先肯定是传感器超量程使用,不要施加超过额定耐压力的压力。若施加了耐压力以上的压力,可能引起破损。其次是使用环境,避免在有可燃性和爆炸性气体的环境下使用。还有就是电源电压和负载短路,使用时请不要超过使用电压范围。若施加了使用电压范围以上的电压,则可能引起破裂或烧毁。避免使负载短路。否则可能引起破裂或烧毁。还有一点比较少见就是误布线,避免对电源的极性等进行错误布线。否则可能引起破裂或烧毁。压力传感器在使用的时候一定要学会如何保护它,否则它很容易被损坏从而造成生产上的损失,当然只要我们按厂家说明书正确操作,避免上述的几个问题,压力传感器还是可以长时间工作的。有些压力传感器能用到几年甚至十几年。主要是要学会如何保护它。
压力传感器分类
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压力传感器压电式
压电式压力传感器原理基于压电效应。压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应。压电式压力传感器的种类和型号繁多,按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上,由膜片将被测压力传递给压电元件,再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图,在测量中不允许用水冷却,并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。石英是一种非常好的压电材料,压电效应就是在它上面发现。比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法,例如XYδ(+20°~+30°)割型的石英晶体可耐350℃的高温。而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃,是制造高温传感器的理想压电材料。
压力传感器扩散硅式
被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷),使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,和用电子线路检测这一变化,并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
压力传感器蓝宝石式
利用应变电阻式工作原理,采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件,具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成,不会发生滞后、疲劳和蠕变现象;蓝宝石比硅要坚固,硬度更高,不怕形变;蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性(1000 OC以内),因此,利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件,对温度变化不敏感,即使在高温条件下,也有着很好的工作特性;蓝宝石的抗辐射特性强;另外,硅-蓝宝石半导体敏感元件,无p-n漂移,因此,从根本上简化了制造工艺,提高了重复性,确保了高成品率。用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器,可在最恶劣的工作条件下正常工作,并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。表压压力传感器和变送器由双膜片构成:钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片,被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上(接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起)。在压力的作用下,钛合金接收膜片产生形变,该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后,其电桥输出会发生变化,变化的幅度与被测压力成正比。传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电,并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出(0-5,4-20mA或0-5V)。在绝压压力传感器和变送器中,蓝宝石薄片,与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起,起到了弹性元件的作用,将被测压力转换为应变片形变,从而达到压力测量的目的。
压力传感器压电传感器
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压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体,压电效应就是在这种晶体中发现的,在一定的温度范围之内,压电性质一直存在,但温度超过这个范围之后,压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低),所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数,但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体,能够承受高温和相当高的湿度,所以已经得到了广泛的应用。压电效应也应用在多晶体上,比如压电陶瓷,包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用,特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业,例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力,也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中,比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的,因为测量动态压力是如此普遍,所以压电传感器的应用就非常广泛。压力传感器的技术参数量程0~0.5Mpa/0~200Mpa精度±0.25 %F·S长期漂移0.1% F·S零点失调±1% F·S/满程失调±1% F·S/零点温漂±0.05% F·S /℃满程温漂±0.05% F·S /℃工作温度-40℃ ~ +120 ℃存储温度-40℃ ~ +120 ℃补偿温度-20℃ ~ +85 ℃工作电压9~36VDC电流输出4~20mA毫伏输出0~5VDC绝缘电阻100MΩ(50VDC)介质兼容316SS或304不锈钢法兰规格DN50 PN4.0 GB9116.7-8.8 &DN80 PN4.0 GB9116.7-8.8
压力传感器故障与检测
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压力传感器常见故障
压力传感器容易出现的故障主要有以下几种:第一种是压力上去,变送器输也上不去。此种情况,先应检查压力接口是否漏气或者被堵住,如果确认不是,检查接线方式和检查电源,如电源正常则进行简单加压看输出是否变化,或者察看传感器零位是否有输出,若无变化则传感器已损坏,可能是仪表损坏或者整个系统的其他环节的问题;第二种是加压变送器输出不变化,再加压变送器输出突然变化,泄压变送器零位回不去,很有可能是压力传感器密封圈的问题。常见的是由于密封圈规格原因,传感器拧紧之后密封圈被压缩到传感器引压口里面堵塞传感器,加压时压力介质进不去,但在压力大时突然冲开密封圈,压力传感器受到压力而变化。排除这种故障的最佳方法是将传感器卸下,直接察看零位是否正常,若零位正常可更换密封圈再试;第三种是变送器输出信号不稳。这种故障有可能是压力源的问题。压力源本身是一个不稳定的压力,很有可能是仪表或压力传感器抗干扰能力不强、传感器本身振动很厉害和传感器故障;第四种是变送器与指针式压力表对照偏差大。出现偏差是正常的现象,确认正常的偏差范围即可;最后一种易出现的故障是微差压变送器安装位置对零位输出的影响。微差压变送器由于其测量范围很小,变送器中传感元件会影响到微差压变送器的输出。安装时应使变送器的压力敏感件轴向垂直于重力方向,安装固定后调整变送器零位到标准值。
压力传感器零点漂移
造成压力传感器的零点漂移的主要有以下几个原因:1.应变片胶层有气泡或者有杂质2.应变片本身性能不稳定3.电路中有虚焊点4.弹性体的应力释放不完全;此外还和磁场,频率,温度等很多有关系。电漂或一些漂移都会存在,但我们可以通过一些方式缩小其范围或修正。零点热漂移是影响压力传感器性能的重要指标,受到广泛重视。国际上认为零点热漂移仅取决于力敏电阻的不等性及其温度非线性,其实零点热漂移还与力敏电阻的反向漏电有关。在这点上,多晶硅可以吸除衬底中的重金属杂质,从而减小力敏电阻的反向漏电、改善零点热漂移,提高传感器的性能。缩小电漂移和修正电漂移还有哪些方式呢,零点电漂移除了影响压力传感器的测量精度和降低灵敏度之外,还有哪些重要影响呢。利用零点电漂移可以消除压力传感器的热零点漂移,所谓零点漂移,是指当放大器的输入端短路时,在输入端有不规律的、变化缓慢的电压产生的现象。产生零点漂移的主要原因是温度的变化对晶体管参数的影响以及电源电压的波动等,在多数放大器中,前级的零点漂移影响最大,级数越多和放大倍数越大,则零点漂移越严重。漂移的大小主要在于应变材料的选用,材料的结构或是组成决定其稳定性或是热敏性。材料选好后的加工制成也很重要,工艺不同,会生产出不同效果的应变值,关键也在于通过一些老化等调节后,电桥值的稳定或程规律的变化。漂移的调节手段很多,大都根据厂家的条件或生产需求所决定,大多数厂家对零点漂移都控制得很好。温度调节可通过内部温度电阻和制热零敏度电阻补偿、老化等。对于采用电路转换的变压器中,电路部份的漂移可用通过选用好的元器件和设计更合适的电路来补偿。应变材料要选灵敏系数高、温度变化小的材料。
压力传感器故障检测
检查施工现场出现的故障,绝大多数是由于压力传感器使用和安装方法不当引起的,归纳起来有几个方面。1、一次元件(孔板、远传测量接头等)堵塞或安装形式不对,取压点不合理。2、引压管泄漏或堵塞,充液管里有残存气体或充气管里有残存液体,变送器过程法兰中存有沉积物,形成测量死区。3、变送器接线不正确,电源电压过高或过低,指示表头与仪表接线端子连接处接触不良。4、没有严格按照技术要求安装,安装方式和现场环境不符合技术要求。
压力传感器注意事项
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首先,要避免变送器跟具有腐蚀性和温度过高的介质接触以避免损坏它;导压管安装的位置最好是在温度波动较小的场合;在测量一些介质具有很高的温度的时候,必须要接上冷凝器,这是因为要避免变送器在工作的时候温度超过一定的限度;要保持好导管里的畅通无阻;在寒冷的冬天使用时,如果变送器安装在室外的话,还得注意采取好防冻的措施,这是为了不让引压口里的液体因为结冰的缘故导致它的体积膨胀起来,这样容易损害传感器;使用者在接线的时候,要把电缆穿过防水的接头又或者是绕性管然后将密封螺帽给拧紧,这是可以防止液体这些东西经过电缆渗漏到变送器的壳体里面。来说一下在测量液体压力和气体压力时的注意事项,大家要区分清楚。在测量液体压力的时候,取压口必须要开在流程管道的侧面的地方,这是为了防止有渣滓沉淀的缘故,还有这个时候安装变送器的地方应该防止有其他液体的冲击,避免传感器因为受到的压力过大而损坏。而在测量气体压力的时候,这个取压口就必须开在流程管道的顶端位置,注意这是跟测量液体压力的时候的差异,然后变送器必须要安装在流程管道的上部,这是方便已经积累的液体可以容易地注入到流程管道中去。在日常生活中使用和购买压力传感器都需要都它有一定的了解,特别在使用的时候,如果没有了解好注意事项的话,很容易导致机器发生故障或者损坏传感器现象的发生,又或者是导致测量精确度下降甚至数据有误。
[2]
压力传感器选用使用方法
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压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。一般普通压力传感器的输出为模拟信号,模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。或在一段连续的时间间隔内,其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的,这样的传感器也称为压电传感器。通常在选用的时候,需要具备以下几点常识:1、品牌误区:很多时候大家都认为国产的产品是不好用,甚至是不能用。2、精度误区:大家在选择产品的时候,总以为精度是最重要的;其实从某个角度来说:稳定性比产品的精度更重要,精度选择应该是建立在高稳定性的基础上的。3、追求廉价:物美价廉这是每个人希望看到的;但事实上,高品质的产品就决定了它的价格会相对的高一些。4、选择合适的量程、合适的精度、合适安装方式、合适的输出方式。在使用的时候也要对以下常识进行了解:1、检查安装孔的尺寸、保持安装孔的清洁;2、正确安装、选择恰当的位置;3、仔细清洁、保持干燥;4、避免高低温干扰、高低频干扰、静电干扰;5、防止压力过载;压力传感器在我国的工业实践中广泛应用于各种工业自控环境,涉及众多行业,因此对其进行一个全面的了解是非常有必要的。
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◆输出稳定灵敏度高一般应变式传感器输出仅为10mV 左右,而扩散硅传感器满量程输出为100mV左右,干扰及噪声等因素影响相对较小,放大电路成本也相应降低,分辨率大大提高。零压力附近无死区。目前国内扩散硅压力芯体最小尺寸直径为10mm。◆精度较高,重复性好扩散硅压阻式压力传感...
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参考资料
1.

【苹果描绘的未来】压力传感器拓展手势操作的可能性
.人民网[引用日期2014-07-06]
2.

压力传感器简介及使用的注意事项
.传感器应用网 [引用日期2015-12-25]
传感器百科:光电传感器  第2张

传感器百科:扭矩传感器

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扭矩传感器
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扭矩传感器,又称力矩传感器、扭力传感器、转矩传感器、扭矩仪,分为动态和静态两大类,其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。 扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。扭矩传感器可以应用在制造粘度计,电动(气动,液力)扭力扳手,它具有精度高,频响快,可靠性好,寿命长等优点。
中文名
扭矩传感器
外文名
torque transducer
别 名
力矩传感器、扭力传感器
分 类
动态和静态
优 点
精度高,频响快,可靠性好
作 用
测量扭转力矩
目录
1
基本介绍
2
发展历程
3
类别
?
非接触式扭矩传感器
?
应变片扭矩传感器
?
高性能无线型
?
电子式
4
应用范围
5
测量原理
6
信号传输
?
信号输出
?
扭矩信号处理形式
?
信号采集
7
安装使用
?
使用环境
?
安装方式
?
注意事项
8
利与弊
?
发展趋势
?
不足之处
扭矩传感器基本介绍
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通常所说的转矩是外力矩,如机床主轴旋转是动力源提供的外力矩作用的结果,而扭矩是内力矩,主轴工作时,刀具切削力对主轴的反作用使之产生扭转弹性变形,可用其衡量扭矩的大小
[1]
。扭矩是使物体发生转动效应或扭转变形的力矩,等于力和力臂的乘积。扭矩是在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数,为了检测旋转扭矩,使用较多的是扭转角相位差式传感器。该传感器是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮,在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时,这两组传感器就可以测量出两组脉冲波,比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法的优点:实现了转矩信号的非接触传递,检测信号为数字信号;缺点:体积较大,不易安装,低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较,因此低速性能不理想。扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术,它具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长等优点。 将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上,并组成应变桥,若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。但是在旋转动力传递系统中,最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递,通常的做法是用导电滑环来完成。 由于导电滑环属于磨擦接触,因此不可避免地存在着磨损并发热,因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。并且由于接触不可靠引起信号波动,从而造成测量误差大甚至测量不成功。为了克服导电滑环的缺陷,另一个办法就是采用无线电遥测的方法 :将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行V/F转换成频率信号,通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外,再用无线电接收的方法,就可以得到旋转轴受扭的信号。 旋转轴上的能源供应是固定在旋转轴上的电池。该方法即为遥测扭矩仪。
扭矩传感器发展历程
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扭矩传感器的发展历程大致为:光学机械变形类型、电磁感应类型、相位差类型、应变类型。1856 年汤姆逊发现了在机械应变作用下,金属丝电阻会发生变化的现象,这奠定了电阻应变片的研制基础。1938 年鲁奇与西蒙斯制造了纸基式电阻应变片。此后,电阻应变片得到了快速地发展,在工程领域得到了广泛应用,电阻应变片也是用于扭矩测量的一种较佳选择。应变型扭矩传感器可利用被测物理量在弹性元件上产生弹性变形,因而弹性变形可通过应变片转换成电阻的变化,从而测出扭矩值。在转动状态下可靠地自供电技术和信号传输技术是此类扭矩传感器仍需研究的主要问题。1982 年日本福冈九州大学 Sasada 等研究人员研制出了新型磁头扭矩传感器,利用等离子法在转轴表面喷覆了一段磁致伸缩层,可以使整个测试装置做的紧凑。1984 年,Sasada 等人提出了改进方案,为了获得较宽的动态范围和较好的线性度,采用了具有特定形状的磁场各向异性的三角形或平行四边形磁片。1986 年 Sasada等人研究了应用非晶薄带的磁致伸缩逆效应来检测扭矩,具体的方式是在一段圆轴表面上粘贴非晶薄带,其粘贴方向与圆轴线成 45度角,最后基于此方法成功的研制了螺线管式扭矩传感器。1992 年王荣等人为改善“角度依存性”问题,采用在转轴的表面粘贴一层特制的软磁合金薄带的方法,研制了逆磁致伸缩扭矩传感器。2011 年由淮海工学院的文西芹、李纪明等人研究了一种磁弹性效应的新型扭矩传感器,其气隙扰动小、磁滞小、可满足电助力转向系统的使用要求。由日立公司研制的 MR 编码器式扭矩传感器是转角型扭矩传感器的典型代表,其工作原理是在被测件之间安装一转轴,在转轴的两端分别装有一个 MR 编码器,由每个编码器的两相正弦输出可以分别计算出转轴两端的角度,再由两个角度交差计算出扭矩。2005 年重庆工学院远程测试与控制技术研究所开发了螺杆差动变压器式的扭矩传感器,当弹性轴受到扭力时,轴会产生一定的扭矩角度,再通过内部的衔铁作用以感应电动势的形式输出。2010 年由淮海工学院和江苏海洋资源开发研究院共同研制了一种非接触测量方式的磁电型扭矩传感器。2014 年赵浩、丁立军等人基于电磁感应原理,设计了一种新型扭矩传感器。近年来一些新型扭矩传感器不断被开发和研制出来,包括光纤式扭矩传感器、无线声表面波式扭矩传感器、磁敏式扭矩传感器、激光多普勒式扭矩传感器、激光衍射式扭矩传感器等。如美国佛吉尼亚西蒙斯飞行器公司,为了对飞行器的涡轮发动机进行扭矩测试,研发了一种基于光纤技术的光纤式扭矩传感器。重庆大学光电技术及系统教部重点实验室的研究人员,提出了一种新型平板式压电四维力/力矩传感器,大连理工大学联合长春光学精密机械与物理研究所,研制了一种具有分载测量功能的预紧式 Stewart 结构六维力/力矩传感器
[2]

扭矩传感器类别
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扭矩传感器非接触式扭矩传感器
非接触式扭矩传感器输入轴和输出轴由扭杆连接起来,输入轴上有花键,输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时,输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量,使得花键上的磁感强度改变,磁感强度的变化,通过线圈转化为电压信号。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式,因而寿命长、可靠性高,不易受到磨损、有更小的延时、 受轴的偏转和轴向偏移的影响更小,已经广泛用于轿车领域。在非接触式扭矩传感器中,常用的主要有应变式、磁电式、光纤式和光电式传感器。应变式非接触传感器利用了无线传输技术。随着科技的进步和无线传输技术的发展,接触式应变片传感器输出信号所用的导电滑环和刷臂已经能够用无线传输模块替代,从而克服了导电滑环和刷臂间的磨损,提高了测量精度。磁电式扭矩传感器是利用磁电转换的原理,分析两路输出的电动势信号的相位差,从而达到测量扭矩的目的。主要分为闭磁路式传感器和开磁路式传感器。光纤式扭矩传感器主要是利用光反射原理和相位差原理,将轴上相应的两处位置反射的光信号读取后并计算出相位差,由此能算出相应的扭矩值。但是光纤式传感器易受环境影响,安装调试也相对较困难。光电式扭矩传感器以光电感应元件为核心部件。当传动轴上加载扭矩时,由光源发出的光的强度会发生相应变化,从而使光电元件的输出电流发生变化。通过测量该变化值即可计算出扭矩值。
[3]
扭矩传感器应变片扭矩传感器
应变片传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥,当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化,应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换;传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。
扭矩传感器高性能无线型
高性能无线扭矩传感器将传感器与无线通信技术结合在一起,实现了数据的无线传输。扭矩电信号由单片机控制的信号处理电路进行放大、A/D转换之后,编码器将采集到的数字量编码传送给发射模块进行发送。接收模块接收到数据后,解码器将译出的数据传送给单片机,由LED显示得到的扭矩数据值。传感器数据采集发射电路由扭矩传感器、信号处理部分、单片机和无线发射电路组成。扭矩传感器将电阻应变片产生的应变电信号传送到信号处理电路。信号处理部分对传感器模拟信号提取放大,并进行模/数转换。微处理器负责控制系统各部分器件的工作,并对数字信号进行处理。无线发射电路在微处理器的控制下,由编码器将采集到的信息数据进行相应的编码和处理,并用发射模块发射出。实现无线传输。
扭矩传感器电子式
电子式扭矩仪是一种针对风机、水泵试验及现场能效评测的便携式高性能轴功率测量仪器。电子式扭矩仪创造性的摒弃了传统机电式扭矩传感器繁琐、复杂、在很多现场环境下不易实现的安装过程,实现了风机、水泵电机效率的实时测量,监测风机、水泵电机在使用过程中各环节的运行状态,对研究风机、水泵电机的使用状态提供了实时、真实、可靠的数据;避免了因机电式扭矩传感器安装不当对试验结果造成的影响。电子式扭矩仪能完全取代传统扭矩传感器的轴功率测量功能,并且能获取风机、水泵电机的实时效率,为风机、水泵机组节能提供了严谨、科学评测手段。
电子式扭矩仪(3张)
扭矩传感器应用范围
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扭矩传感器是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器。应用范围十分广泛,主要用于:1、电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测;2、风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率的检测;3、铁路机车、汽车、拖拉机、飞机、船舶、矿山机械中的扭矩及功率的检测;4、可用于污水处理系统中的扭矩及功率的检测;5、可用于制造粘度计;6、可用于过程工业和流程工业中;7、可以应用于实验室,测试部门以及生产监控和质量控制;
扭矩传感器测量原理
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扭矩的测量:采用应变片电测技术,在弹性轴上组成应变桥。如图1所示:
图1
1.信号输出可任意选择波形─方波或脉冲波。2.检测精度高、稳定性好、抗干扰性强。3.不需反复调零即可;连续测量正反扭矩。4.即可测量静止扭矩,也可测量动态扭矩。5.体积小、重传感器可脱离二次仪表独立使用,只要按插座针号提供 +15V,-15V(200mA)的电源,即可输出阻抗与扭矩成正比的等方波或脉冲波频率信号。量轻、易于安装。6.测量范围: 0—Nm标准可选, 非标准2万Nm、3万Nm、5万Nm、8万Nm、10万Nm,特殊量程可定制。
扭矩传感器信号传输
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扭矩传感器信号输出
· 方波信号、脉冲信号。· 扭矩传感器的标准信号输出是频率信号,即5-15KHz;为了适应客户需求,无需外置模块,与原始输出电路整合设计直接输出4-20mA、0-20mA、1-5V、0-5V模拟信号,方便客户采。
扭矩传感器扭矩信号处理形式
· 扭矩传感器输出的频率信号送到频率计或数字表,直接读取与扭矩成正比的频率信号或电压、电流信号。· 扭矩传感器的扭矩与频率信号送给单片机二次仪表,直接显示实时扭矩值、转速及输出功率值及 RS232通讯信号。· 直接将扭矩与转速的频率信号送给计算机或 PLD进行处理。
扭矩传感器信号采集
频率输出信号的信号采集频率信号输出时,与后续的信号采集设备的建议接口电路如图2所示
图2 频率信号采集
电流或电压输出信号的信号采集如图3所示。
图3 电流电压信号采集
扭矩传感器安装使用
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扭矩传感器使用环境
扭矩传感器应安装在环境温度为0℃ ~ 60℃,相对湿度小于90%,无易燃、易爆品的环境里。不宜安装在强电磁干扰的环境中。
扭矩传感器安装方式
1、 水平安装,如图11所示:
图11
2、垂直安装,图12所示:
图12 垂直安装示意图
3、连接方式: 扭矩传感器与动力设备、负载设备之间的连接(1)弹性柱销联轴器连接如图13所示,此种连接方式结构简单,加工容易,维护方便。能够微量补偿安装误差造成的轴的相对偏移,同时能起到轻微减振的作用。适用于中等载荷、起动频繁的高低速运转场合,工作温度为-20-70℃。
图13 弹性柱销联轴器连接
(2)刚性联轴器连接如图14所示,这种连接形式结构简单,成本低,无补偿性能,不能缓冲减振,对两轴的安装精度较高。用于振动很小的工况条件。
图14 刚性联轴器连接
4、安装要求:(1) 扭矩传感器可水平安装,也可垂直安装。(2) 动力设备、传感器、负载设备应安装在稳固的基础上,以避免过大的震动,否则可能发生数据不稳,降低测量精度,甚至损坏传感器。(3) 采用弹性柱销联轴器或刚性联轴器连接。(4) 动力设备、传感器、负载设备轴线的同心度应小于Φ0.05mm。
扭矩传感器注意事项
1.安装时,不能带电操作,切莫直接敲打、碰撞传感器。2.联轴器的紧固螺栓应拧紧,联轴器的外面应加防护罩,避免人身伤害。3.信号线输 出不得对地 ,对电源短路,输出电流不大于10mA· 屏蔽电缆线的屏蔽层必须与 +15V电源的公共端(电源地)连接。4.日常的计量检定校准工作中,对扭矩传感器进行校准时,通常采用扭矩标准机来进行。由于扭矩传感器的精度比较高,通常为 1 级及以上的扭矩传感器,但在实际测量工作中,除了扭矩标准机自身的不确定度之外,影响扭矩传感器测量结果的另外一个重要因素则是传感器与扭矩标准机之间的连接质量,特别是对高精度扭矩传感器的校准中在不考虑扭矩标准机自身的不确定度时,连接质量的优劣将直接影响测量结果的准确度。在现有扭矩传感器测量方法中,通常都是将传感器串接入扭矩标准机中进行校准,故而在校准过程中不可避免要出现连接质量可靠与否的问题。在以往为了保证连接安装的稳定性和牢固性,通常会采用刚性连接方式来安装,此种方式在装卸方面为检测人员带来诸多不便,加上加工零部件的加工精细度和配合间隙的存在,在实际测量过程中使得测量轴系之间的同轴度发生较大的变化,将严重影响测量结果的准确性。虽然此种缺陷可以通过激光对中装置减少误差,但是受各种因素的影响以及人为安装水平的差异,扭矩传感器在实际受载过程中,同轴度仍然是计量过程中较大的不确定度影响因素
[4]

扭矩传感器利与弊
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扭矩传感器发展趋势
随着自控系统的不断完善和发展,对扭矩传感器的精度、可靠性和响应速度提出了更高的要求。扭矩传感器正呈现以下的发展趋势:1、测试系统向微型化数字化、智能化、虚拟化和网络化方向发展;2、从单功能向多功能发展,包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆;3、向着小型化、集成化方向发展。传感器的检测部分可以通过结构的合理设计和优化来实现小型化,IC部分可以整合尽可能多的半导体部件、电阻到一个单独的IC部件上,减少外部部件的数量;4、由静态测试向动态在线检测方向发展;
扭矩传感器不足之处
遥测扭矩仪成功之处在于克服了电滑环的两项缺陷,但也存在着三个不足之处,1、易受使用现场电磁波的干扰;2、由于是电池供电,所以只能短期使用;3、由于在旋转轴上附加了结构,易引起高转速时的动平衡问题,在小量程及小直径轴时更突出;数字式扭矩传感器吸取了上述各种方法的优点并克服了其缺陷,在应变传感器的基础上设计了两组旋转变压器,实现了能源及信号的非接触传递。并做到了扭矩信号的传递与是否旋转无关,与转速大小无关,与旋转方向无关。
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LONGLV隆旅电子
上海隆旅电子科技有限公司
隆旅电子|LONGLV-WTQ98A静态扭矩传感器
/// 专 业 的 工 业 传 感 与 测 量 头 条 号 //// 概 述 /LONGLV-WTQ98A静态扭矩传感器,电阻应变为敏感元件和集成电路构成的一体产品,精度高,性能稳定可靠,中低量程扭矩测量,静态扭矩测量,两端均为法兰盘连接。安装使用方便。扭矩传感器采用德国技...
2019-09-031
LONGLV隆旅电子
上海隆旅电子科技有限公司
「隆旅干货」动态扭矩传感器在测量上都采用了哪些你不知道
/// 专 业 的 工 业 传 感 与 测 量 百 家 号 //// 前言 /动态扭矩传感器是一种非接触式高速旋转的传感器,由于其测量质量高和线性误差低,传感器在扭矩测产品中一直处于优势。动态扭矩传感器采用非接触式设计,由于没有易损件非常适合长时间旋转扭矩测量和高速旋转...
2019-10-080
言言smile
我叫言言,喜欢谈天说地
不同扭矩传感器各自有哪些优点,对比两款
扭矩传感器的种类有很多,本文主要对比了静态扭矩传感器和非接触式扭矩传感器的原理及功能优势。扭矩传感器是许多领域不可或缺的一部分,可应用于电动机、内燃机、扭矩试验台、测功机、电动机、引擎、齿轮、发电机、风机、泵等,其它应用测量设备转矩传感器安装在汽车控制、调节、拧紧螺帽的扭矩...
2021-06-170
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走马观花台分享关于仪器机械方面的资料
选择对的型号正常安装,扭力传感器才能测量成功
因为目前现阶段目前市面上的扭力传感器在结构和基本原理上各不相同。测量结果的成功与否,很大原因取决于扭力传感器的选用是否合理。所以,根据上面来选择就非常重要了,南京冉控科技技术人员给大家分享以下3个要点。1、相频特性特性相频特性特性管理决策了被测量的频率范围,尽量在允许频率范...
2021-04-260
走马观花台
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扭矩传感器正确安装,碰到故障不用慌
扭矩传感器应安装在环境温度为0℃ ~ 60℃,相对湿度小于90%,无易燃、易爆品的环境里。不宜安装在强电磁干扰的环境中。1、连接方式:扭矩传感器与动力设备、负载设备之间的连接(1)弹性柱销联轴器连接,此种连接方式结构简单,加工容易,维护方便。能够微量补偿安装误差造成的轴的相...
2021-03-170
参考资料
1.

隋修武主编. 机械电子工程原理与系统设计[M]. 2014
2.

唐敏. 无线联动式扭矩传感器设计与研究[D].成都理工大学,2015.
.中国知网[引用日期2019-08-24]
3.

罗胜彬. 磁电式扭矩传感器的研究[D].西华大学,2015.
.中国知网[引用日期2019-08-24]
4.

李海滨,孙钦密,任翔,王振宇.扭矩传感器检测连接质量的问题探讨[J].计量与测试技术,2019,46(03):60-61+67.
.中国知网[引用日期2019-08-24]

传感器百科:智能传感器

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智能传感器
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智能传感器(intelligent sensor)是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机,具有采集、处理、交换信息的能力,是传感器集成化与微处理机相结合的产物。与一般传感器相比,智能传感器具有以下三个优点:通过软件技术可实现高精度的信息采集,而且成本低;具有一定的编程自动化能力;功能多样化。一个良好的‘智能传感器’是由微处理器驱动的传感器与仪表套装,并且具有通信与板载诊断等功能。智能传感器能将检测到的各种物理量储存起来,并按照指令处理这些数据,从而创造出新数据。智能传感器之间能进行信息交流,并能自我决定应该传送的数据,舍弃异常数据,完成分析和统计计算等。
[1]
中文名
智能传感器
外文名
intelligent sensor
定 义
具有信息处理功能的传感器
特 点
高精度的信息采集,成本低
目录
1
简介
2
通信
3
诊断程序
4
定义
5
功能
6
特点
7
发展进步
?
应用与方向
?
应用产业
8
注意事项
9
推动产业升级
智能传感器简介
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自动化领域所取得的一项最大进展就是智能传感器的发展与广泛使用。但究竟什么是“智能”传感器?下面,来自6个传感器厂家的专家对这一术语进行了定义。据Honeywell工业测量与控制部产品经理Tom Griffiths的定义:“一个良好的‘智能传感器’是由微处理器驱动的传感器与仪表套装,并且具有通信与板载诊断等功能,为监控系统和/或操作员提供相关信息,以提高工作效率及减少维护成本。”智能传感器集成了传感器、智能仪表全部功能及部分控制功能,具有很高的线性度和低的温度漂移,降低了系统的复杂性、简化了系统结构。
智能传感器通信
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无故障通信“智能传感器的优势,”GE Fanuc自动化公司控制器产品经理Bill Black说,“是能从过程中收集大量的信息以减少宕机时间及提高质量。”MTS传感器公司Temposonics(磁致伸缩位移传感器)产品经理David Edeal对此补充说:“分布式智能的基本前提是,在适当位置和时间拥有有关系统、子系统或组件的状态的全部知识,以进行‘最优的’过程控制决策。”Cognex公司Checker机器视觉部产品营销经理John Keating继续补充说,“对于一种真正的‘智能’(机器视觉)传感器,它应该不需要使用者懂得机器视觉。”
智能传感器
智能传感器必须具备通信功能。“最起码,除了满足最基本应用的反馈信号,‘智能’传感器必须能传输其它信息。”Edeal表示。这可以是叠加在标准4-20 mA过程输出、总线系统或无线安排上的HART(可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议)信号。该领域正在增长的因素是IEEE 1451——一系列旨在为不同厂家生产的传感器提供即插即用能力的智能传感器接口标准。
智能传感器诊断程序
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智能传感器可对其运行的各个方面进行自监控,包括“摄像头的污浊,超容忍限或不能开关等,”GE Fanuc自动化公司的Black说。Pepperl+Fuchs公司智能系统经理Helge Hornis补充说,“(除此之外),还有线圈监控功能,目标超出范围或太近。”它也可以对工况的变化进行补偿。“‘智能’传感器,”Omron电子有限公司战略创意总监Dan Armentrout表示,“必须首先能监视自身及周围的环境,然后再决定是否对变化进行自动补偿或对相关人员发出警告。”很多智能传感器都能重装到控制现场,通过提供“可设置参数,使用户能替换一些‘标准’传感器,”Hornis说道,“例如,典型的传感器一般都设置为常开(NO)或常关(NC),而智能传感器则能设置为以上任何一种状态。”智能传感器拥有很多优势。随着嵌入式计算功能的成本继续减少,“智能”器件将被更多地应用。独立的内部诊断功能可避免代价高昂的宕机,从而迅速收回投资
智能传感器定义
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智能传感器系统是一门现代综合技术,是当今世界正在迅速发展的高科技新技术,但还没有形成规范化的定义。早期,人们简单、 机械地强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合, 认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”。关于智能传感器的中、英文称谓,尚未有统一的说法。John Brignell和Nell White认为“Intelligent Sensor”是英国人对智能传感器的称谓, 而“Smart Sensor” 是美国人对智能传感器的俗称。 而Johan H.Huijsing在“Integrated Smart Sensor”一文中按集成化程度的不同,分别称为“Smart Sensor”、 “Integrated Smart Sensor”。 对“Smart Sensor”的中文译名有译为“灵巧传感器”的, 也有译为“智能传感器”的。《智能传感器系统》书上的定义: “传感器与微处理器赋予智能的结合,兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器(系统)”;模糊传感器也是一种智能传感器(系统),将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器(系统)的一种方式。(《智能传感器系统》,刘君华,西安电子科技大学出版社)《现代新型传感器原理与应用》书上的定义:所渭智能式传感器就是一种带行微处理机的,兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。( 《现代新型传感器原理与应用》 ,刘迎春,叶湘滨等,国防工业出版社,2000.5)
智能传感器功能
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概括而言, 智能传感器的主要功能是:(1) 具有自校零、 自标定、 自校正功能;(2) 具有自动补偿功能;(3) 能够自动采集数据, 并对数据进行预处理;(4) 能够自动进行检验、 自选量程、 自寻故障;(5) 具有数据存储、记忆与信息处理功能;(6) 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能;(7) 具有判断、决策处理功能。可实现的功能智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作,结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。是一个相对独立的智能单元,它的出现对原来硬件性能苛刻要求有所减轻,而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。1、信息存储和传输——随着全智能集散控制系统(SmartDistributedSystem)的飞速发展,对智能单元要求具备通信功能,用通信网络以数字形式进行双向通信,这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。2、自补偿和计算功能——多年来从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线性作大量的补偿工作,但都没有从根本上解决问题。而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。这样,放宽传感器加工精密度要求,只要能保证传感器的重复性好,利用微处理器对测试的信号通过软件计算,采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿,从而能获得较精确的测量结果压力传感器。3、自检、自校、自诊断功能——普通传感器需要定期检验和标定,以保证它在正常使用时足够的准确度,这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行。对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。采用智能传感器情况则大有改观,首先自诊断功能在电源接通时进行自检,诊断测试以确定组件有无故障。其次根据使用时间可以在线进行校正,微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。4、复合敏感功能——我们观察周围的自然现象,常见的信号有声、光、电、热、力、化学等。敏感元件测量一般通过两种方式:直接和间接的测量。而智能传感器具有复合功能,能够同时测量多种物理量和化学量,给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器,可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。复合力学传感器,可同时测量物体某一点的三维振动加速度(加速度传感器)、速度(速度传感器)、位移(位移传感器),等等。
[2]
5、智能传感器的集成化----由于大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路都集成到同一芯片上,而这种具有某些智能功能的传感器叫作集成智能传感器集成智能传感器的功能有三个方面的优点:较高信噪比:传感器的弱信号先经集成电路信号放大后再远距离传送,就可大大改进信噪比。改善性能:由于传感器与电路集成于同一芯片上,对于传感器的零漂、温漂和零位可以通过自校单元定期自动校准,又可以采用适当的反馈方式改善传感器的频响。信号规一化:传感器的模拟信号通过程控放大器进行规一化,又通过模数转换成数字信号,微处理器按数字传输的几种形式进行数字规一化,如串行、并行、频率、相位和脉冲等。
智能传感器特点
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智能式传感器是一个以微处理器为内核扩展了外围部件的计算机检测系统。相比一般传感器,智能式传感器有如下显著特点:1.提高了传感器的精度智能式传感器具有信息处理功能,通过软件不仅可修正各种确定性系统误差(如传感器输入输出的非线性误差、服度误差、零点误差、正反行程误并等)而且还可适当地补偿随机误差、降低噪声,大大提高了传感器精度。2.提高了传感器的可靠性集成传感器系统小型化,消除了传统结构的某些不可靠因素,改善整个系统的抗干扰件能;同时它还有诊断、校准和数据存储功能(对于智能结构系统还有自适应功能),具有良好的稳定性。3.提高了传感器的性能价格比在相同精度的需求下,多功能智能式传感器与单一功能的普通传感器相比,性能价格比明显提高,尤其是在采用较便宜的单片机后更为明显。4.促成了传感器多功能化智能式传感器可以实现多传感器多参数综合测量,通过编程扩大测量与使用范围;有一定的自适应能力,根据检测对象或条件的改变,相应地改变量程反输出数据的形式;具有数字通信接口功能,直接送入远地计算机进行处理;具有多种数据输出形式(如Rs232串行输批,PIO并行输出,IEE-488总线输出以及经D/A转换后的模拟量输出等),适配各种应用系统。
[3]
智能传感器发展进步
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电子自动化产业的迅速发展与进步促使传感器技术、特别是集成智能传感器技术日趋活跃发展,随着半导体技术的迅猛发展,国外一些著名的公司和高等院校正在大力开展有关集成智能传感器的研制,国内一些著名的高校和研究所以及公司也积极跟进,集成智能传感器技术取得了令人瞩目的发展。国产智能传感器逐渐在智能传感器领域迈开步伐,运用军工产品的生产线和工艺,精度高,稳定性好,成本低,采用高性能微控制器(MCU),同时具备数字和模拟两种输出方式,同时针对用户的特定需求(如组网式测量,自定义通讯协议),均可在原产品基础上进行二次开发,周期极短,为用户节省时间,提高效率。已广泛应用于航空、航天、石油、化工、矿山、机械、大坝、地质、水文等行业中测量各种气体和流体的压力、压差、流量和流体的高度和重量。
智能传感器应用与方向
智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。例如,它在机器人领域中有着广阔应用前景,智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能,可感知各种现象,完成各种动作。在工业生产中,利用传统的传感器无法对某些产品质量指标(例如,黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等)进行快速直接测量并在线控制。而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量(如温度、压力、流量等),利用神经网络或专家系统技术建立的数学模型进行计算,可推断出产品的质量。
智能传感器
在医学领域中,糖尿病患者需要随时掌握血糖水平,以便调整饮食和注射胰岛素,防止其它并发症。通常测血糖时必须刺破手指采血,再将血样放到葡萄糖试纸上,最后把试纸放到电子血糖计上进行测量。这是一种既麻烦又痛苦的方法。而“葡萄糖手表”,其外观像普通手表一样,戴上它就能实现无疼、无血、连续的血糖测试。“葡萄糖手表”上有一块涂着试剂的垫子,当垫子与皮肤接触时,葡萄糖分子就被吸附到垫子上,并与试剂发生电化学反应,产生电流。传感器测量该电流,经处理器计算出与该电流对应的血糖浓度,并以数字量显示。
智能传感器应用产业
1、应用于电池拓展阅读基于智能传感器的弹药库温/湿度监控系统设计
智能传感器注意事项
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好的传感器的设计是经验加技术的结晶。一般理解传感器是将一种物理量经过电路转换成一种能以另外一种直观的可表达的物理量的描述。比如转换成仅依赖于此测物理量的较高的电压电流等信号,再显示出来。因此需要注意几点:1、一般所测得的物理量是非常小的,通常还带有作为传感器物理转换元件固有的转换噪声。比如传感器在1被放大倍率下的信号强度为0.1~1uV,此时的背景噪声信号也有这么大的水平,甚至于将其湮灭。如何将有用信号尽量取出并且压低噪声是传感器设计的首要解决的问题。2、传感器电路一定要简单精炼。设想具有3级放大电路的,带有2级有源滤波器的放大回路,放大了信号的同时也将噪声放大了,如果噪声不是明显偏离有用信号频谱,则无论怎样滤波两者同时放大,结果信噪比没有提高。因此传感器电路一定要精炼简约。能省1只电阻或电容就一定要将它去掉。这一点是许多设计传感器的工程师们容易忽略的问题。已知的情况是,传感器电路随着噪声的问题困扰,电路越修改越复杂,成为怪圈。
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3、功耗问题。传感器通常在后续电路的前端,有可能需要较长的引线连接。当传感器功耗较大时引线的连接将会所有的无谓噪声以及电源噪声引入使得后续电路愈发难以设计。在够用的情况小如何降低功耗也是一个不小的考验。4、元器件的选用和电源回路。元器件的选用一定要够用为好,只要器件指标在需要的范围之内就可以了,余下的就是电路设计问题。电源是传感器电路设计过程一定要遇到的难题,不要追求无法达到的电源指标,而选择一款带有较好的共模抑制比的运放,采用差分放大电路设计可能最普通的开关电源以及器件就能满足你的要求。电源的退偶一定要可靠设计,并且遵循器件手册的要求,宁多勿少。
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智能传感器推动产业升级
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智能传感器作为广泛地系统前端感知器件,既可以助推传统产业的升级,例如,传统工业的升级、传统家电的智能化升级;又可以对创新应用进行推动,比如机器人、VR/AR(虚拟现实/增强现实)、无人机、智慧家庭、智慧医疗和养老等领域。在工业领域,传统企业面临人力成本提高、市场需求下降等问题,传统企业开始从劳动密集型转向自动化、智能化。在整个转型中,智能传感器发挥着至关重要的作用,推动传统工业的转型升级。2015年我国传感器市场规模达1100亿元,预计到2020年将达到2115亿元,年复合增长率达到14%。但是由于国内传感器企业技术水平、生产工艺、规模和盈利能力等方面的差距导致国内传感器市场高度依赖进口。特别是高端传感器方面,由于种类多、跨学科研发技术水平高、开发成本大,企业不愿承担开发风险,造成我国高端传感器基本依靠进口。2015 年,我国中高端传感器进口比例达到80%。智能传感技术是智能制造和物联网的先行技术,作为前端感知工具,具有非常重要的意义。
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参考资料
1.

张福学.传感器电子学及其应用:国防工业出版社,1990年
2.

智能传感器系统
.超星发现.2010[引用日期2017-11-27]
3.

走向智能传感器时代
.超星发现.2015[引用日期2017-11-27]
4.

智能传感器
.电子发烧友网[引用日期2017-11-27]
5.

智能传感器技术综述
.超星发现.2014[引用日期2017-11-27]

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