傳感器的組成與分類！常用傳感器的特性

傳感器是人類感知、獲取和檢測自然界各種信息的工具，通過它能得到人類感官無法獲得的大量信息。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類日常生活中，傳感器都起著不可替代的作用?？梢哉f，科學(xué)技術(shù)越發(fā)達(dá)，自動化程度越高，對傳感器的依賴就越大。

一、傳感器的組成與分類

1. 傳感器的組成

傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及基本轉(zhuǎn)換電路組成，如圖1所示。敏感元件是能夠靈敏地感受被測景并按確定關(guān)系做出響應(yīng)的元件；轉(zhuǎn)換元件是將敏感元件所感受的被測量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)（如電阻、電感和電容）或電量（如電壓、電流）的元件；基本轉(zhuǎn)換電路是將轉(zhuǎn)換元件的輸出轉(zhuǎn)換成便于傳輸和處理電量的電路。

圖1 傳感器的組成

某些傳感器可以僅由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，而某些傳感器的敏感元件和轉(zhuǎn)換元件可合二為一，最簡單的傳感器是由一個敏感元件（兼轉(zhuǎn)換元件）組成，它在感受被測量時(shí)可以直接輸出電量，如熱電偶、壓電晶體、光電池等。

2. 傳感器的分類

傳感器的種類繁多，其分類方法也有多種，這里僅介紹兩種最為常用的分類方法。

（1）按被測物理量分類。傳感器有位移傳感器、接近傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、力傳感器、力矩傳感器、壓力傳感器及加速度傳感器等。這種分類方法直接表明了傳感器的用途，與用戶和傳感器生產(chǎn)廠家所關(guān)心的各種待測信息的種類相對應(yīng)，便于用戶了解和選用傳感器。

（2）按工作原理分類。傳感器有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、霍爾傳感器、光電式傳感器等。這種分類方法以傳感器的工作原理為依據(jù)，有利于人們對各種傳感器及其檢測原理的理解和研究。

3. 傳感器的基本特性

傳感器的特性是指傳感器的輸出量與輸人量之間的對應(yīng)關(guān)系。由于輸人量有靜態(tài)（即輸人信號為不隨時(shí)間變化或變化非常緩慢的基本穩(wěn)定狀態(tài)）和動態(tài)（即輸人信號為隨時(shí)間作周期變化或無規(guī)律瞬變的變化狀態(tài)）兩種基本形式，因此傳感器的特性通常有兩種對應(yīng)的表示形式，即靜態(tài)特性和動態(tài)特性。當(dāng)輸人量處于靜態(tài)時(shí)，傳感器的輸出最與輸人量之間的關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性。通常，用來表征傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有：測量范圍、量程、靈敏度、分辨力、線性度、遲滯性、重復(fù)性、漂移和穩(wěn)定性等。

二、常用傳感器的特性

1. 接近傳感器

接近傳感器能夠在非接觸的情況下檢測被測物體是否接近，并將檢測結(jié)果以開關(guān)信號方式輸出，因此通常又稱為無觸點(diǎn)行程開關(guān)或接近開關(guān)。接近開關(guān)有電感式、電容式、光電式、霍爾式等多種。

（1）電感式接近傳感器。電感式接近傳感器也稱為電感式接近開關(guān)或電渦流式接近開關(guān)。電感式接近開關(guān)主要由LC高頻振蕩電路、信號處理電路和開關(guān)放大電路組成，如圖2所示。

圖2 電感式傳感器示意圖

圖3 電感式接近傳感器實(shí)物圖

（2）電容式接近傳感器。電容式接近傳感器也稱為電容式接近開關(guān)，其電路框圖如圖4所示。

圖4 電容式傳感器示意圖

電容式接近開關(guān)是以電容器的極板作為其檢測面，而檢測面外部所面對的物質(zhì)，則是電容器兩個極板之間的絕緣介質(zhì)，若該絕緣介質(zhì)發(fā)生變化，則電容器的電容量也將隨之變化。

無論金屬或非金屬的被測物體，在接近或離開電容式接近開關(guān)時(shí)，都會引起接近開關(guān)電容器的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使得電容式接近開關(guān)能夠輸出相應(yīng)的開關(guān)信號。因此，電容式接近開關(guān)所檢測的物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。使用的電容式接近開關(guān)如圖5所示。

圖5 電容式接近傳感器實(shí)物圖

（3）光電式接近傳感器。光電式傳感器是利用光電器件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。 其核心的敏感元件是光電器件，光電器件的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。圖6為光電式接近開關(guān)。

圖6 光電式接近傳感器實(shí)物圖

2.溫度傳感器

為了滿足不同場合、不同物質(zhì)的溫度測量要求，測量溫度的方法有接觸式和非接觸式兩種。前者是將感溫元件與被測對象進(jìn)行直接物理接觸，通過熱傳導(dǎo)來測溫；后者則是將感溫元件與玻測對象不進(jìn)行物理接觸，而通過熱輻射進(jìn)行熱傳遞來測溫。兩種測溫方法，分別有與其對應(yīng)的溫度傳感器。接觸式溫度傳感器通常是利用材料或元件的溫度特性來測溫的。常用的溫度傳感器主要有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及集成溫度傳感器等。圖7是設(shè)備中使用的溫度傳感器Pt100及溫度變送器。

圖7 溫度傳感器實(shí)物圖

3. 磁性開關(guān)

在自動化生產(chǎn)線中，磁性開關(guān)用于各類氣缸的位置檢測，用兩個磁性開關(guān)來測機(jī)械手上氣缸伸出和縮回到位的位置。

磁力式接近開關(guān)(簡稱磁性開關(guān))是一種非接觸式位置檢測開關(guān)，這種非接觸式位置檢測不會磨損和損傷檢測對象，響應(yīng)速度高。磁性開關(guān)用于檢測磁性物質(zhì)的存在，安裝方式上有導(dǎo)線引出型、接插件式、接插件中繼型，根據(jù)安裝場所環(huán)境的要求磁性開關(guān)可選擇屏蔽式和非屏蔽式。其外形如圖8 所示。

圖8 磁性開關(guān)實(shí)物圖

4.光纖式光電接近開關(guān)

光纖式光電接近開關(guān)（簡稱光纖式光電開關(guān)）也是光纖傳感器的一種，光纖傳感器傳感部分沒有電路連接，不產(chǎn)生熱量，只利用很少的光能，這些特點(diǎn)使光纖傳感器成為危險(xiǎn)環(huán)境下的理想選擇。光纖傳感器還可以用于關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的長期高可靠穩(wěn)定的監(jiān)視。相對于傳統(tǒng)傳感器，光纖傳感器具有下述優(yōu)點(diǎn)：抗電磁干擾、可工作于惡劣環(huán)境、傳輸距離遠(yuǎn)、使用壽命長，此外，由于光纖頭具有較小的體積，所以可以安裝在很小的空間里面。光纖放大器根據(jù)需要來設(shè)置。比如有些生產(chǎn)過程中煙火，電火花等可能引起爆炸和火災(zāi)，光能不會成為火源，所以不會引起爆炸和火災(zāi)，可將光纖檢測頭設(shè)置在危險(xiǎn)場所，將放大器單元設(shè)置在非危險(xiǎn)場所進(jìn)行使用。

光纖傳感器由光纖檢測頭、光纖放大器兩部分組成，光纖放大器和光纖檢測頭是分離的兩個部分。光纖傳感器結(jié)構(gòu)上分為傳感型和傳光型兩大類。傳感型是以光纖本身作為敏感元件，使光纖換有感受和傳遞被測信息的作用。傳光型是把由被測對象所調(diào)制的光信號輸人光纖，通過輸出端進(jìn)行光信號處理而進(jìn)行測量的，傳光型光纖傳感器的工作原理與光電傳感器類似。在生產(chǎn)中貨物分揀單元中采用的就是傳光型的光纖式光電開關(guān)，光纖僅作為被調(diào)制光的傳播線路使用。常見的光纖傳感器如圖9及圖10所示。

圖9 光纖傳感器實(shí)物圖

圖10 光纖傳感器放大器實(shí)物圖

5.光電編碼器

光電編碼器是通過光電轉(zhuǎn)換，將機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，它主要用于速度或位置(角度)的檢測。典型的光電編碼器由碼盤(Disk)、 檢測光柵(Mask)、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號轉(zhuǎn)換電路）、機(jī)械部件等組成。一般來說，根據(jù)光電編碼器產(chǎn)生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對式及復(fù)合式三大類，生產(chǎn)線上常采用的是增量式傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 光電編碼器示意圖

在一般生產(chǎn)設(shè)備上傳送帶定位控制就是由光電編碼器來完成的。同時(shí)，光電編碼器還要完成電動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量。其外形如圖12所示。

圖12 光電編碼器實(shí)物圖

圖13 光電編碼器在設(shè)備上的使用