【導讀】傳感器的定義是：“能感受規定的被測量并按照一定的規律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”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，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。
一、常用的傳感器基礎知識
傳感器的定義是：“能感受規定的被測量并按照一定的規律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”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，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。
二、傳感器的分類(lèi)
目前對傳感器比較常用的分類(lèi)有如下三種：
1、按傳感器的物理量分類(lèi)，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器。
2、按傳感器工作原理分類(lèi)，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。
3、按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類(lèi)，可分為：輸出為開(kāi)關(guān)量(“1”和"0”或“開(kāi)”和“關(guān)”)的開(kāi)關(guān)型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數字型傳感器。
關(guān)于傳感器的分類(lèi)
1、按被測物理量分：如：力，壓力，位移，溫度，角度傳感器等。
2、按照傳感器的工作原理分：如：應變式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器等。
3、按照傳感器轉換能量的方式分：
(1) 能量轉換型：如：壓電式、熱電偶、光電式傳感器等。
(2) 能量控制型：如：電阻式、電感式、霍爾式等傳感器以及熱敏電阻、光敏電阻、濕敏電阻等。
4、按照傳感器工作機理分：
(1) 結構型：如：電感式、電容式傳感器等。
(2) 物性型：如：壓電式、光電式、各種半導體式傳感器等。
5、按照傳感器輸出信號的形式分：
(1) 模擬式：傳感器輸出為模擬電壓量。
(2) 數字式：傳感器輸出為數字量，如：編碼器式傳感器。
三、傳感器的靜態(tài)特性
傳感器的靜態(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)間變數的代數方程，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。
四、傳感器的動(dòng)態(tài)特性
所謂動(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。最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。
五、傳感器的線(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)偏差的平方和為最小的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)，此擬合直線(xiàn)稱(chēng)為最小二乘法擬合直線(xiàn)。
六、傳感器的靈敏度
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。
靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應表示為200mV/mm。
當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數。
提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩定性也往往愈差。
七、傳感器的遲滯特性
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-一輸入特性曲線(xiàn)不一致的程度，通常用這兩條曲線(xiàn)之間的最大差值△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。
電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。
電阻應變式傳感器
傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產(chǎn)生機械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類(lèi)，金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應小等優(yōu)點(diǎn)。
壓阻式傳感器
壓阻式傳感器是根據半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內接成電橋形式。當基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時(shí)，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會(huì )產(chǎn)生相應的不平衡輸出。
用作壓阻式傳感器的基片（或稱(chēng)膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來(lái)越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應用最為普遍。
熱電阻傳感器
熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來(lái)測量溫度及與溫度有關(guān)的參數。在溫度檢測精度要求比較高的場(chǎng)合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數大、線(xiàn)性好、性能穩定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。用于測量-200℃～+500℃范圍內的溫度。
霍爾傳感器
霍爾傳感器是基于霍爾效應的磁傳感器。將一個(gè)有電流的物體放在磁場(chǎng)中。如果電流方向和磁場(chǎng)方向相互垂直，則在同時(shí)垂直于磁場(chǎng)和電流方向的方向上會(huì )產(chǎn)生橫向電位差。這種現象稱(chēng)為霍爾效應，由此產(chǎn)生的電位差稱(chēng)為霍爾電壓。
霍爾器件由產(chǎn)生顯著(zhù)霍爾效應的半導體材料制成。作為霍爾傳感器中的磁電轉換元件，可用于電磁測量，如測量磁場(chǎng)、電流、電功率等磁物理量和電?；魻杺鞲衅鬟€可以利用磁場(chǎng)作為介質(zhì)，實(shí)現許多物理量的非接觸式測量。
通過(guò)對力、位移、振動(dòng)、加速度、速度、流量等非電量進(jìn)行換算，廣泛應用于工業(yè)、交通、通訊、自動(dòng)控制和家庭使用電器等領(lǐng)域。
按照霍爾器件的功能可將它們分為：霍爾線(xiàn)性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數字量。
按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉變成電量來(lái)進(jìn)行檢測和控制。
霍爾器件分為：霍爾元件和霍爾集成電路兩大類(lèi)，前者是一個(gè)簡(jiǎn)單的霍爾片，使用時(shí)常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大。后者將霍爾片和它的信號處理電路集成在同一個(gè)芯片上。
霍爾元件可用多種半導體材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多層半導體異質(zhì)結構量子阱材料等等。
霍爾開(kāi)關(guān)電路
霍爾開(kāi)關(guān)電路又稱(chēng)霍爾數字電路，由穩壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。在外磁場(chǎng)的作用下，當磁感應強度超過(guò)導通閾值BOP時(shí)，霍爾電路輸出管導通，輸出低電平。之后，B再增加，仍保持導通態(tài)。若外加磁場(chǎng)的B值降低到BRP時(shí)，輸出管截止，輸出高電平。我們稱(chēng)BOP為工作點(diǎn)，BRP為釋放點(diǎn)，BOP－BRP=BH稱(chēng)為回差?；夭畹拇嬖谑归_(kāi)關(guān)電路的抗干擾能力增強?；魻栭_(kāi)關(guān)電路的功能框見(jiàn)圖4。圖4(a)表示集電極開(kāi)路(OC)輸出，(b)表示雙輸出。它們的輸出特性見(jiàn)圖5，圖5(a)表示普通霍爾開(kāi)關(guān)，(b)表示鎖定型霍爾開(kāi)關(guān)的輸出特性。
一般規定，當外加磁場(chǎng)的南極(S極)接近霍爾電路外殼上打有標志的一面時(shí)，作用到霍爾電路上的磁場(chǎng)方向為正，北極接近標志面時(shí)為負。
鎖定型霍爾開(kāi)關(guān)電路的特點(diǎn)是：當外加場(chǎng)B正向增加，達到BOP時(shí)，電路導通，之后無(wú)論B增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導通態(tài)，只有達到負向的BRP時(shí)，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱(chēng)為鎖定型。
霍爾器件應用時(shí)的一般問(wèn)題
（1）測量磁場(chǎng)
使用霍爾器件檢測磁場(chǎng)的方法極為簡(jiǎn)單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片的表面的磁感應強度敏感，因而必須令磁力線(xiàn)和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場(chǎng)的磁感應強度。若不垂直，則應求出其垂直分量來(lái)計算被測磁場(chǎng)的磁感應強度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測，由計算機進(jìn)行數據處理，可以得到場(chǎng)的分布狀態(tài)，并可對狹縫，小孔中的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測。
（2）工作磁體的設置
用磁場(chǎng)作為被傳感物體的運動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永久磁鋼來(lái)產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。例如，用一個(gè)5×4×2.5（mm3）的釹鐵硼Ⅱ號磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約2300高斯的磁感應強度。在空氣隙中，磁感應強度會(huì )隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開(kāi)關(guān)器件的可靠工作，在應用中要考慮有效工作氣隙的長(cháng)度。在計算總有效工作氣隙時(shí)，應從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊中會(huì )給出。
因為霍爾器件需要工作電源，在作運動(dòng)或位置傳感時(shí)，一般令磁體隨被檢測物體運動(dòng)，將霍爾器件固定在工作系統的適當位置，用它去檢測工作磁場(chǎng)，再從檢測結果中提取被檢信息。
（3）與外電路的接口
霍爾開(kāi)關(guān)電路的輸出級一般是一個(gè)集電極開(kāi)路的NPN晶體管，其使用規則和任何一種相似的NPN開(kāi)關(guān)管相同。輸出管截止時(shí)，輸漏電流很小，一般只有幾nA，可以忽略，輸出電壓和其電源電壓相近，但電源電壓最高不得超過(guò)輸出管的擊穿電壓（即規范表中規定的極限電壓）。輸出管導通時(shí)，它的輸出端和線(xiàn)路的公共端短路。因此，必須外接一個(gè)電阻器（即負載電阻器）來(lái)限制流過(guò)管子的電流，使它不超過(guò)最大允許值（一般為20mA），以免損壞輸出管。輸出電流較大時(shí)，管子的飽和壓降也會(huì )隨之增大，使用者應當特別注意，僅這個(gè)電壓和你要控制的電路的截止電壓（或邏輯“零”）是兼容的。
（4）用在直流無(wú)刷電機中
直流無(wú)刷電機使用永磁轉子，在定子的適當位置放置所需數量的霍爾器件，它們的輸出和相應的定子繞組的供電電路相連。當轉子經(jīng)過(guò)霍爾器件附近時(shí)，永磁轉子的磁場(chǎng)令已通電的霍爾器件輸出一個(gè)電壓使定子繞組供電電路導通，給相應的定子繞組供電，產(chǎn)生和轉子磁場(chǎng)極性相同的磁場(chǎng)，推斥轉子繼續轉動(dòng)。到下一位置，前一位置的霍爾器件停止工作，下位的霍爾器件導通，使下一繞組通電，產(chǎn)生推斥場(chǎng)使轉子繼續轉動(dòng)。如此循環(huán)，維持電機的工作。
在這里，霍爾器件起位置傳感器的作用，檢測轉子磁極的位置，它的輸出使定子繞組供電電路通斷，又起開(kāi)關(guān)作用，當轉子磁極離去時(shí)，令上一個(gè)霍爾器件停止工作，下一個(gè)器件開(kāi)始工作，使轉子磁極總是面對推斥磁場(chǎng)，霍爾器件又起定子電流的換向作用。
無(wú)刷電機中的霍爾器件，既可使用霍爾元件，也可使用霍爾開(kāi)關(guān)電路。使用霍爾元件時(shí)，一般要外接放大電路，使用霍爾開(kāi)關(guān)電路，可直接驅動(dòng)電機繞組，使線(xiàn)路大為簡(jiǎn)化。
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