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傳感器的設計要點(diǎn)有哪些？

好的傳感器的設計是經(jīng)驗加技術(shù)的結晶。一般理解傳感器是將一種物理量經(jīng)過(guò)電路轉換成一種能以另外一種直觀(guān)的可表達的物理量的描述。而下文我們將對傳感器的概念、原理特性進(jìn)行逐一介紹，進(jìn)而解析傳感器的設計的要點(diǎn)。
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，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節。
國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量件并按照一定的規律（數學(xué)函數法則）轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。
2 傳感器的工作原理
傳感器工作原理的分類(lèi)物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應等現象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。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(guò)tda2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過(guò)能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級線(xiàn)圈傳遞至旋轉的次級線(xiàn)圈，得到的交流電源通過(guò)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轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時(shí)，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過(guò)儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過(guò)V/F轉換器LM131變換成頻率信號，通過(guò)信號環(huán)形變壓器T2從旋轉的初級線(xiàn)圈傳遞至靜止次級線(xiàn)圈，再經(jīng)過(guò)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T(mén)TL電平，既可提供給專(zhuān)用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，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。有些傳感器既不能劃分到物理類(lèi)，也不能劃分為化學(xué)類(lèi)。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多，例如可靠性問(wèn)題，規模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問(wèn)題等，解決了這類(lèi)難題，化學(xué)傳感器的應用將會(huì )有巨大增長(cháng)。
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，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(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)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)間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫(huà)出的特性曲線(xiàn)來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數有：線(xiàn)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準輸入信號的響應來(lái)表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實(shí)驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。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(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來(lái)表示。
3、線(xiàn)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(xiàn)而非直線(xiàn)。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線(xiàn)近似地代表實(shí)際的特性曲線(xiàn)、線(xiàn)性度（非線(xiàn)性誤差）就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標。擬合直線(xiàn)的選取有多種方法。如將零輸入和滿(mǎn)量程輸出點(diǎn)相連的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)；或將與特性曲線(xiàn)上各點(diǎn)偏差的平方和為zui小的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)，此擬合直線(xiàn)稱(chēng)為小二乘法擬合直線(xiàn)。
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(xiàn)不一致的程度，通常用這兩條曲線(xiàn)之間的zui大差值△MAX與滿(mǎn)量程輸出F？S的百分比表示。遲滯可由傳感器內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(xiàn)的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線(xiàn)性關(guān)系，則靈敏度S是一個(gè)常數。否則，它將隨輸入量的變化而變化。
4 傳感器的設計要點(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換元件固有的轉換噪聲。比如傳感器在1被放大倍率下的信號強度為0.1~1uV，此時(shí)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計的首要解決的問(wèn)題。
2、傳感器電路一定要簡(jiǎn)單精煉。設想具有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(shí)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(wú)論怎樣濾波兩者同時(shí)放大，結果信噪比沒(méi)有提高。因此傳感器電路一定要精煉簡(jiǎn)約。能省1只電阻或電容就一定要將它去掉。這一點(diǎn)是許多設計傳感器的工程師們容易忽略的問(wèn)題。已知的情況是，傳感器電路隨著(zhù)噪聲的問(wèn)題困擾，電路越修改越復雜，成為怪圈。
3、功耗問(wèn)題。傳感器通常在后續電路的前端，有可能需要較長(cháng)的引線(xiàn)連接。當傳感器功耗較大時(shí)引線(xiàn)的連接將會(huì )所有的無(wú)謂噪聲以及電源噪聲引入使得后續電路愈發(fā)難以設計。在夠用的情況小如何降低功耗也是一個(gè)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就可以了，余下的就是電路設計問(wèn)題。電源是傳感器電路設計過(guò)程一定要遇到的難題，不要追求無(wú)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計可能zui普通的開(kāi)關(guān)電源以及器件就能滿(mǎn)足你的要求。

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