淺談傳感器設(shè)計的要點

　　工控摘要：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)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。好的傳感器的設(shè)計是經(jīng)驗加技術(shù)的結(jié)晶。
　　
　　一、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)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。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從靜止的初級線圈傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級線圈，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，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放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。
　　
　　當彈性軸受扭時，應(yīng)變橋檢測得到的mV級的應(yīng)變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過V/F轉(zhuǎn)換器LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器T2從旋轉(zhuǎn)的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經(jīng)過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平，既可提供給二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉(zhuǎn)變壓器動——靜環(huán)之間只有零點幾毫米的間隙，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，因此具有很強的抗*力。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運作的。化學傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應(yīng)用將會有巨大增長。
　　
　　二、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，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應(yīng)的輸出量作縱坐標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、動態(tài)特性：是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應(yīng)容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。zui常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(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，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，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際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或?qū)⑴c特性曲線上各點偏差的平方和為zui小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為zui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（輸入量減小）行程間輸出-輸入特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的zui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是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。
　　
　　三、傳感器的設(shè)計要點
　　
　　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強度為0.1~1uV，此時的背景噪聲信號也有這么大的水平，甚至于將其湮滅。如何將有用信號盡量取出并且壓低噪聲是傳感器設(shè)計的首要解決的問題。
　　
　　2、傳感器電路一定要簡單精煉。設(shè)想具有3級放大電路的，帶有2級有源濾波器的放大回路，放大了信號的同時也將噪聲放大了，如果噪聲不是明顯偏離有用信號頻譜，則無論怎樣濾波兩者同時放大，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。這一點是許多設(shè)計傳感器的工程師們?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。當傳感器功耗較大時引線的連接將會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。在夠用的情況小如何降低功耗也是一個不小的考驗。
　　
　　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，只要器件指標在需要的范圍之內(nèi)就可以了，余下的就是電路設(shè)計問題。電源是傳感器電路設(shè)計過程一定要遇到的難題，不要追求無法達到的電源指標，而選擇一款帶有較好的共模抑制比的運放，采用差分放大電路設(shè)計可能zui普通的開關(guān)電源以及器件就能滿足你的要求。