SICK傳感器系列2：傳感器應(yīng)用及實(shí)例解析

SICK傳感器作為現(xiàn)代信息技術(shù)的核心組件，其應(yīng)用廣泛，涵蓋家用電器、醫(yī)療衛(wèi)生、汽車制造、機(jī)器人技術(shù)、環(huán)境保護(hù)、遙感探測(cè)、航空航天以及軍事等多個(gè)領(lǐng)域。傳感器的核心功能在于信息采集，它們直接與被測(cè)對(duì)象接觸，將各種物理量、化學(xué)量或生物量轉(zhuǎn)換為可處理的電信號(hào)，為各行業(yè)提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支持。

一、SICK傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

SICK傳感器這一傳送感應(yīng)的器件，其核心功能在于能夠感知并響應(yīng)各種被測(cè)變量的變化。這些被測(cè)變量不僅種類繁多，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等，還包含壓力、位移、速度等動(dòng)態(tài)量，以及氣體濃度、轉(zhuǎn)速和流量等，它們通常以非電量信號(hào)的形式存在。然而，這些非電量信號(hào)無(wú)法直接為電子電路或儀器所測(cè)量，因此需要經(jīng)過傳感器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換，變?yōu)橐子趥鬏敽吞幚淼碾娏啃盘?hào)。這些輸出信號(hào)不僅形式多樣，包括電信號(hào)（如電壓、電流）、頻率信號(hào)以及光信號(hào)等，還與被測(cè)變量之間遵循著明確的函數(shù)關(guān)系。

根據(jù)SICK傳感器被定義為一種能夠感受特定被測(cè)量，并依據(jù)一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為可用輸出信號(hào)的器件或裝置。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常包含敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及測(cè)量電路，有時(shí)還會(huì)配備輔助電源電路以確保穩(wěn)定工作。這種精密的組合使得傳感器在各種應(yīng)用中都能發(fā)揮關(guān)鍵作用，為現(xiàn)代工業(yè)、科技領(lǐng)域提供的數(shù)據(jù)支持。

敏感元件：這一元件能夠靈敏且直接地感知被測(cè)變量的變化，并輸出與被測(cè)變量相關(guān)聯(lián)的物理量。例如，熱電偶就是一種能夠?qū)囟绒D(zhuǎn)化為熱電動(dòng)勢(shì)的敏感元件。需要注意的是，某些非電量無(wú)法直接轉(zhuǎn)換為電量，因此需要先轉(zhuǎn)換為另一種易于處理的非電量，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電量。

轉(zhuǎn)換元件：其作用是將敏感元件輸出的非電量直接轉(zhuǎn)換為電量。例如，電容式位移傳感器能夠?qū)⒈粶y(cè)位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化。

測(cè)量電路：該電路負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如濾波、放大、運(yùn)算調(diào)制、線性化和補(bǔ)償?shù)龋瑥亩沟煤罄m(xù)電路能夠更容易地實(shí)現(xiàn)記錄、顯示、控制和處理等功能。常用的測(cè)量電路包括電橋電路、阻抗變換電路、脈沖調(diào)寬電路和振蕩電路等。

（二）傳感器的分類

SICK傳感器可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。目前，廣泛采用的分類方法包括按用途分類和按工作原理分類。按用途分類即根據(jù)被測(cè)量的類型來(lái)命名傳感器，例如溫度傳感器、濕度傳感器等，這種分類方法有助于明確傳感器的功能和用途，便于用戶根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。而按工作原理分類則是根據(jù)傳感器所依據(jù)的物理、化學(xué)或生物原理來(lái)進(jìn)行分類，例如電參數(shù)式傳感器、半導(dǎo)體式傳感器等，這種分類方法有助于學(xué)習(xí)和研究傳感器的工作原理，但可能不太便于用戶根據(jù)用途進(jìn)行選擇。

（三）傳感器的基本特性

SICK傳感器的基本特性是指其輸出與輸入之間的關(guān)系。這種關(guān)系可以分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性主要描述的是當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)輸入恒定信號(hào)時(shí)的特性，包括靈敏度、分辨力、線性度、穩(wěn)定性和電磁兼容性等。而動(dòng)態(tài)特性則主要描述的是傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)特性。了解這些基本特性有助于更好地選擇和使用傳感器。

影響傳感器特性的因素主要分為兩大類：外界影響和誤差因素。外界環(huán)境因素包括溫度、供電穩(wěn)定性、電磁場(chǎng)干擾以及沖擊振動(dòng)等，這些因素都可能對(duì)傳感器造成影響，進(jìn)而改變其輸出特性。另一方面，傳感器本身的結(jié)構(gòu)、電子電路器件以及電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等也會(huì)引入誤差，這些誤差因素包括遲滯、線性度不佳、靈敏度不足、重復(fù)性不佳、分辨率不夠高、溫度漂移、零點(diǎn)漂移以及各種干擾等。這些誤差和外界影響疊加在一起，可能導(dǎo)致傳感器的整體性能下降，使得輸入與輸出之間的關(guān)系變得非線性，甚至無(wú)法確保輸入與輸出之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

靜態(tài)靈敏度描述了傳感器在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，其輸出變化量Δy與輸入變化量Δx之間的比值，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示即為K=Δy/Δx。對(duì)于線性傳感器，其靈敏度K是一個(gè)恒定的常數(shù)。然而，對(duì)于非線性傳感器，其靈敏度會(huì)隨著工作點(diǎn)的不同而發(fā)生變化，也就是說，不同的輸入量會(huì)導(dǎo)致靈敏度的差異。

2. 分辨力

分辨力是衡量傳感器能檢測(cè)到輸入量最小變化量的能力，這一指標(biāo)可以通過傳感器的輸出值來(lái)反映。對(duì)于模擬式傳感器，分辨力通常以最小刻度的一半所代表的輸入量為標(biāo)準(zhǔn)；而數(shù)字式傳感器則以末位顯示一個(gè)數(shù)字所代表的輸入量為準(zhǔn)。此外，分辨力還可以以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，這種表示方法被稱為分辨率。

3. 線性度

線性度，亦稱非線性誤差，描述的是傳感器輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線偏離理想直線的程度。為了近似地線性化傳感器的輸入輸出特性，我們可以用擬合直線來(lái)替代實(shí)際曲線中的某一段，如圖2所示。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：在全量程測(cè)量范圍內(nèi)，實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值DLmax與滿量程輸出值YFS之比，記作gL，即

在擬合直線的方法中，最小二乘法是一種常用的方法，它尋求的是標(biāo)稱輸出范圍中和標(biāo)定曲線的各點(diǎn)偏差平方之和最小的直線。

4. 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是傳感器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，它反映了傳感器在特定工作條件下，輸入量保持不變時(shí)，輸出量隨時(shí)間變化的程度。穩(wěn)定性體現(xiàn)了傳感器在長(zhǎng)時(shí)間使用過程中保持其性能參數(shù)的能力。理想狀態(tài)下，傳感器的特性參數(shù)不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生改變，然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于敏感元件或其他部件的特性可能會(huì)隨時(shí)間推移而發(fā)生變化，因此大多數(shù)傳感器的特性都會(huì)有所改變。

5. 電磁兼容性

電磁兼容性，又稱為抗干擾性，是衡量傳感器對(duì)外界環(huán)境干擾的抵抗能力的重要指標(biāo)。這涵蓋了諸如抗高低溫、抗潮濕、抗電磁場(chǎng)干擾、抗沖擊以及抗振動(dòng)等多個(gè)方面。

二、SICK傳感器應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)半導(dǎo)體PN結(jié)理論，理想二極管在恒定電流環(huán)境下，其PN結(jié)正向電壓會(huì)隨著溫度的上升而近似線性下降。這種電壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。

利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電壓-溫度特性，我們可以制作出溫敏二極管，并將其應(yīng)用于測(cè)溫電路中。

SICK傳感器的原理圖，該原理圖適用于液氮?dú)饬魇胶銣仄鳎錅乜胤秶鸀?7～300K。在該設(shè)計(jì)中，溫度檢測(cè)元件V選用的是鍺溫敏二極管。通過調(diào)節(jié)電位器RP1，可以維持流過V的電流穩(wěn)定在約50μA。集成運(yùn)算放大器μA741被用作比較器，其輸入電壓為Ur和Ux。其中，Ur作為參考電壓，可以通過RP2進(jìn)行調(diào)整以設(shè)定所需溫度。

該電路的工作原理如下：由于Ux會(huì)隨著溫敏二極管的溫度變化而變化，因此比較器的輸出也會(huì)相應(yīng)地改變。當(dāng)溫度上升時(shí)，V的正向電壓會(huì)隨溫度升高而降低，導(dǎo)致Ux升高。一旦Ux超過Ur，比較器輸出將變低，使三極管截止，從而加熱器停止工作。相反，當(dāng)溫度下降時(shí)，V的正向電壓會(huì)隨溫度降低而升高，Ux隨之降低。當(dāng)Ux低于Ur時(shí)，比較器輸出將變高，觸發(fā)由兩個(gè)三極管構(gòu)成的達(dá)林頓管電流放大器導(dǎo)通，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)加熱器開始工作。整個(gè)溫度調(diào)節(jié)過程大約需要30分鐘，控溫精度可達(dá)到±0.1℃。