压力传感器的分类及应用原理.docx

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1、压力传感器的分类及应用原理教程来源：网络作者：未知点击：28更新时间：2009-2-16 10:11:30 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用 1、应变片压力传感器原理与应用 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的

2、线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电

3、路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 金属电阻应变片的内部结构 如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金

4、属导体的电阻值可用下式表示： 式中：金属导体的电阻率（cm2/m） S导体的截面积（cm2） L导体的长度（m） 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情 2、陶瓷压力传感器原理及应用 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面

5、，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿070，并可以和绝大多数介质直接接触。 陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40135，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，

6、在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。 3、扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理 被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 4、蓝宝石压力传感器原理与应用 利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。 蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以

7、内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。 用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。 表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，

8、钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。 传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。 5、压电压力传感器原理与应用压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后

9、，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。 现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决

10、定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器

11、制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。传感器前景看好 新兴应用众多领域教程来源：工控作者：未知点击：141更新时间：2009-1-7 8:04:42 在科学发展观的指导下以及我国走新型工业化迫切要求下，工业信息化、自动化前进的步伐进一步加快。新兴控制技术和传感器技术更是为我国工业的改革、转型增添了一对腾飞的翅膀。在微处理器和传感器变得越来越便宜的今天，全自动或半自动（通过人工指令进行高层次操作，自动处理低层次操作）系统可以包含更多智能性功能，能从其环境中获得并处理更多不同的参数。尤其是MEMS（微型机电系统）技术，它使数字传感器的体积非常微小并且能耗与成本也很低。

12、以纳米碳管或其它纳米材料制成的纳米传感器同样具有巨大的潜力。市场分析机构NanoMarketsLC估计在2008年，纳米传感器在全球的市场将达到二百八十万美金，到2012年会增至一千七百二十万美金。“灵敏传感器”（smartsensor）或“数字传感器”（digitalsensor）指的是高级传感器，它包括调节和处理信号的电路及一个网络通讯的界面。它们通常以模块（modules）形式制成，包含一个传感器、DSP（数字信号处理器）、一个DSC（数字信号控制器）或一个ASIC（特定用途集成电路）；另外也有以系统封装（SysteminPackage）或系统芯片（SystemonChip）的方式制成。

13、在微处理器和传感器变得越来越便宜的今天，全自动或半自动（通过人工指令进行高层次操作，自动处理低层次操作）系统可以包含更多智能性功能，能从其环境中获得并处理更多不同的参数。尤其是MEMS（微型机电系统）技术，它使数字传感器的体积非常微小并且能耗与成本也很低。以纳米碳管或其它纳米材料制成的纳米传感器同样具有巨大的潜力。市场分析机构NanoMarketsLC估计在2008年，纳米传感器在全球的市场将达到二百八十万美金，到2012年会增至一千七百二十万美金。 即使在萌芽阶段，人们仍然认为在不久的将来数字传感器对电子市场具有重要的推动作用。制作数字传感器的接口以及支持用于数字传感器网络的形式多样的通讯协

14、议都是对技术工艺的巨大挑战。传感器的非均质特性和其操作条件的多样化也对技术工艺提出了巨大的挑战。目前在全世界有超过3000家传感器制造商正在运作，Intechno咨询公司估计它们在2008年的总销售额将会超过500亿美金。 数字传感器不仅能够感知所测量的物理参数，诸如位置、温度、照度、压力、电压或电流等；它们还能处理接收到的信号并将其发送到网络中去。因此一个传感器节点除了传感器本身，还包括信号获取、处理、通讯及能耗管理等等的一整套电路系统。 现在系统设计所包含的传感器和处理器越来越多。随着传感器和处理器价格的不断降低，取代机械控制结构的阈值也在不断变化。在系统中选择正确的传感器组合和处理算法可

15、以显著地降低原材料及能耗的费用并提高系统的总体性能。目前，不断提高操作的简化程度和延长能源的使用寿命变得越来越重要，尤其是如今越来越多的传感器网络动辄就配置1000或更多的传感器节点。 传感器越来越多地被应用到许多领域，包括军事、汽车、工业、医药、家居的安全与警戒、环境监测等等，甚至被应用到消费领域。在大型家用电器尤其是洗衣机和冰箱中，集成传感器的使用显著增长。 传感器技术在现代汽车的重大改进中起到了主要作用。抗磁性（拒磁）传感器（Magnetoresistive?sensors）在汽车中用于决定机械系统的角度、速度或位置，汽车的防滑系统以及发动机和变速箱的控制需要这些数据。在汽车中还有其它各

16、种各样的传感器，像雷达、红外线、视频、惯性和超声传感器等等，它们的设计是以防锁煞车系统（antilockbraking）、可遥控自动驾驶仪、电压稳压控制器（electronic-stabilitycontrol）、换道并线及盲点探测系统、牵引控制、防撞系统以及气囊调节等等为目标的。汽车发动机管理系统是一个富含传感器的系统。除了监控司机与踏板之间的接触状况，此系统还测量许多变量，诸如系统中的空气、燃料和尾气的温度、压力以及化学成分等，并综合所有这些信息，以便优化发动机的输出功率、燃料效率、排放性能、传动经验甚至是适应不同的燃料类型。 数字传感器的新兴标准 如今传感器网络使用多种技术来为不同的工业

17、服务。用于传感器网络的各种专属协议的数量激增。这就需要在传感器网络中引入综合翻译途径，它是一个复杂而又昂贵的体系。因此人们需要更大程度的标准化。 工程任务组（TheInternetEngineeringTaskForceIETF）正在为以蓝牙、Wi-Fi和802.15.4网等为基础的无线传感器网络开列一个标准，以便能将传感器节点连接到更宽广的互联网络上。IETF的目标是在传感器之间建立一种通讯方式，这种通讯方式不需要专属的翻译途径。这项协议将在2009年六月制定出台。IEEEP1451.4标准极大地简化了传感器的布线以及更换故障传感器的问题。它同时也免除了传感器在设置和校准方面的人工干预，这种

18、干预即费时又易出错。这样传感器就成了即插即用的装置。在国家仪器网站（NationalInstrumentswebsite）中有一个有效TEDS的数据库，它包括了可以在IEEEP1451网络中使用的各种老式的或没有EEPROM的传感器的专门资料。IEEE1451.5标准仍在审核阶段，它规定的是将TEDS连接到无线网络中的必要条件，如与802.11、蓝牙或ZigBee等的连接。最近又提出了IEEE1451.6标准议案，它定义TEDS和CAN总线的接口。 无线数字传感器新应用 几十亿的有线传感器被广泛地用于电子系统中，从简单的热电偶到更复杂的专用系统。它们被用于测量和监控物理参数。许多工程师正在考虑

19、改用无线传感器，因为它们具有一些显著的优点，价格低廉、适应性好，即使在不良环境中也易于安装和使用。根据市场分析机构CahnersInstat的估计，到2010年，将有超过1600亿个无线传感器网络节点被卖出。 传感器的无线网络将在一定区域内分布的各种传感器连接在一起并结合智能电路进行信号处理和数据传输。其可能的应用领域包括军事、环境及道路交通的监控、安全与警戒、家庭与工业自动化、医疗卫生系统和汽车。在工业环境中，建立一个传感器网络的费用有80%花在布线上，而且建立这样一个网络有时是不现实甚至是不可能的。在汽车方面，传感器的一个重要应用是用于遥控开锁系统（RKERemoteKeylessEntr

20、ySystems），以无线代替了CAN总线，这样做大大节省了成本及空间，去除了昂贵而粗大的电缆。根据CahnersInstat最近的预测，到2010年将有超过1600亿个传感器网络节点被卖出；而且建立包含一万至十万个传感器节点的网络也是非常可能的事。这样，可测量性成为了一个非常关键的因素。此外，传感器必须可以现场编程和自行设置；网络必须能够在有一个或多个故障传感器存在的情况下正常运行。另一个关键参数是能耗，因为无线传感器也可能被设置在偏远地区。在无线传感器网络方面，一个非常有前途的无线技术是ZigBee，它是按照IEEE802.15.4标准研发的，能确保低能耗和低成本。ZigBee联盟的发起公

21、司有深圳的华威科技、Ember、Freescale、Philips、STMicroelectronics、TexasInstruments、Samsung和Siemens。WestTechnology，一个定向于无线电技术市场调查的公司预测，利用ZigBee技术制作的符合IEEE802.15.4标准的传感器芯片组的销售量将从今年的三千一百万组上升至2012年的三亿一千二百万组，其增长为稍高于100%的复合比。其它应用于无线传感器网络的无线技术还有由CypressSemiconductor推出的无线USB；以及z-Wave，一种由Zensys公司研发的技术，有超过160家公司组成了一个z-Wav

22、e联盟来共同推广这一技术。 应用于住宅方面的传感器在全球具有60亿个节点的潜在市场，用于以无线传感器为基础的监控系统，它是无线传感器用途的一个重要体现。到2012年，用于智能住宅（smarthouse）的无线传感器网络将会有价值二十八亿美金的全球市场；相比较而言，其在2007年的市场只有四亿七千万美金。传感器最被看好的用途有照明控制、节能系统、保安模块、娱乐系统和远程就医（telemedicine）。无线传感器比有线传感器更易安装并且免除了昂贵而粗大的电缆。这种优势在工业领域尤为重要，电缆在其传感器网络安装费用中占80%。无线传感器在恶劣环境中使用具有优势，在这些环境中传感器要经得起震动、高温

23、和电子噪声甚至是爆炸性气体。在如此恶劣的环境中安装有线传感器是不现实、昂贵甚或是不可能的。过去阻碍无线传感器在工业领域中使用的原因是保安问题以及工厂中不同无线电网络之间可能存在的干扰问题。无线传感器在其它领域中的应用经验可以作为参照来解决其在工业环境中应用所遇到的这些问题。例如，解码技术被用来保护无线传感器网络拒绝非法访问。 无线传感器应用的另一个强势领域是由汽车气体力学中的轮胎压力传感器产生的。根据2001年颁发的一项法律，美国强制性要求每一种新款汽车都必须配备这种轮胎压力传感器。TheYoleDveloppement，一家法国市场分析公司预计，到2012年这种传感器的市场将达到1830亿美

24、金，相对于2007年的一亿六千八百万美金，由于价格不断下跌的缘故其复合增长率仅为2%。从销售量的角度分析，德国的WichtTechnologie公司预计，在市场上此类无线传感器节点的数量将会由2011年的十万组增加到2015年的超过六千万组。如果类似美国的轮胎压力传感器法也在欧洲和亚洲通过的话，到2012年其市场可能会超过三亿美金。微型机电传感器正在占领阵地 我们每天都在不知不觉中与微型机电传感器（MEMSmicromechanicalsensor）打交道：压力、临近与运动传感器（proximityandmovementsensor）、陀螺仪、加速计、麦克风和压电装置等等。现如今，MEMS技术

25、在以下四个领域取得了商业性的成功：用于气囊控制的加速计；用于监测汽车耗油量的压力传感器；喷墨打印机头和用于投影显示的反射镜。根据iSuppli的预测，微型机电传感器的全球市场将会由2006年的61亿美金增长到2012年的88亿美金。到2012年为止，MEMS仪器的单位出货量的年复合增长率预计为6.4%，其同期年销售额的复合增长率预计为5.5%。虽然产品总需求量的增长相对缓慢，但某些单项产品的市场却成长得非常迅速；例如，iSuppli预言手机的平均复合增长率将为22.9，到2012年，仅此一项产品的市场将达到九亿二千五百万美金。事实上MEMS传感器正在越来越多地被用于消费电子产品。MEMS肯定会

26、被大量地应用于消费电子产品中，最大的MEMS制造商们都把赌注押在了这块市场上。STMicroelectronics公司MEMS事业部门的总监BenedettoVigna认为，MEMS技术的用户化将为此项技术开辟新的领域，它也将会受到无线传感器网络主体配置的影响。MEMS传感器也可以被整合到游戏控制器中，使它们能够在便携式终端上跟踪操纵者手部的运动，并以此来调节显示屏上的画面变化或进行目录浏览。 在汽车领域，MEMS用于麦克风、加速计和MEMS陀螺仪，如导航仪、信息娱乐设备和驾驶员记录仪等。这后几种应用被嵌入CMOS（互补金属氧化物半导体）照相机，它们可以登记在事故发生前几秒钟内所发生的事件。S

27、TMicroelectronics为日本和韩国的一些客户研发了类似的解决方案。 市场研究公司YoleDveloppement认为，在汽车市场中，陀螺仪、加速计和压力传感器是最重要的MEMS应用项目。例如许多国家立法要求在汽车的气囊和座椅中安装压力传感器。到2011年为止，MEMS在运输领域的市场预计将以12.5%的速率增长，销售额将达到十三亿五千万美金。 在汽车用MEMS的经销商中Bosch是第一名，其2007年的销售额为四亿三千万美金，其次是STMicroelectronics（三亿二千万美金），FreescaleSemiconductor（二亿三千五百万美金），AnalogDevices（

28、二亿一千万美金），Denso（一亿七千六百万美金），Infineon（由其分公司Sensonor带来的一亿三千万美金的年收入），Delphi（一亿一千六百万美金）和ContinentalAG（五千六百万美金）。 其它被认为很具有前途的应用是防盗系统和LBS（LocationBasedServices定位服务）系统。其中包括定向广告信息（以地区为基础的广告业）以及无线多人游戏，这种游戏可以把游戏参加者的地理位置考虑在内。MEMS也是将GPS功能整合入手机的一个关键装置。GPS定位需要在高电流（约为50mM）下进行；这种特性使其非常难于整合入像手机一类的便携式终端，因为在此类终端中一般都采用能耗优

29、化来延长电池的使用寿命。与之相反的是MEMS陀螺仪和磁力传感器所需的电流比GPS低两个数量级。一旦用户的位置被确定下来，MEMS传感器就可以代替GPS，因此可以在移动网络中定期地短暂使用GPS来修正用户的位置，以便纠正MEMS传感器可能引起的误差。 在家居自动化中，MEMS传感器可用于降低洗衣机等的水电消耗量。像自动吸尘器和自动割草机等小型家用电器会以适当的数量打入市场，因为它们的能耗效率不是很高。MEMS传感器另一些引人注目的应用是在医疗领域，例如用于监控患者的各种重要生理指标，或用于对老年人进行远程就医等。 生行测定传感器在保安方面的应用 一些公司正在着手把生物测定传感器纳入其现有的保安基

30、础设施中。用于访问授权控制（accesscontrol）的硬件与软件销售额高达四十亿美金。国际生物测定集团（InternationalBiometricGroup）预计到2009年，仅生物测定访问授权控制系统一项将会占据整个生物测定系统市场的30%；到2010年，销售额将达到五十七亿美金。含有多种生物测定传感技术的综合生物测定系统将占总市场的5%。 生物测定传感器和读出器通常被整合到大宗电子产品中，诸如个人电脑、笔记本电脑、DVD、手机、USB存储器以及硬盘等，用来防止在此类物品被盗或丢失后其中的文件被非法用户读取。其它重要的应用有公共行政管理、移动交易（如电子商务或邮递商务）以及机场和在医院

31、中控制患者的病历等。虽然目前生物测定传感器的单位价格已经低于五美元，但是为了进一步降低它们的价格，奥地利的Nanoident公司研制出了由聚合物半导体制成的光学传感器，它的价格比其同类的硅半导体传感器要低廉得多。使用这种传感器能制出柔软易曲的指纹扫描器并能将其嵌入到智能卡中。每个传感器带有256个5050的像素，所产生图像的分辨率为250dpi。 图像传感器：用CCD还是CMOS？ 对保安问题日益增加的关注导致了人们在监视系统上的投资越来越多。事实上视频监视领域正在不断地扩大。根据市场分析机构RNCOS的预测，人们对视频监视系统的需求量将从目前的10%增加到2009年的36%；在今后的五年里，

32、其总销售额将从目前的七十亿美金增至一百三十亿美金。监视产业正在经历一场重大变革。据估计超过90%的监视录像机是模拟型的。模拟监视系统通过同轴电缆将CCTV（Closed-circuittelevision-闭路电视）摄像机连接到中央磁带录像机或硬盘上。如今模拟录像正逐步地被数字化、压缩并按照Internet协议做成数据包送到Internet的服务器上。最新一代智能摄像机可以对捕捉到的图像进行高等分析。监视录像可以在数字摄像机上直接被编译成H.264码并以较低的位速率在Ethernet上传送。 据ICInsights估计，2008年图像传感器的市场总销售额将会达到七十六亿美金，比2007年多10

33、%。CMOS图像传感器的销售额于2007年降低了12%之后，在2008年预计会上升19%，达到四十四亿美金；同时CCD（电荷耦合装置）的销售额在2008年会达到三十二亿美金，下降1%，相比之下，其2007年的销售额与以往持平。OmniVision在2007年成为CMOS图像传感器的最大供应商，其次是MicronTechnology、STMicroelectronics、Toshiba和Sony。 多亏有了Sharp公司的微型精加工技术（micro-finishingtechnology），这项技术起源于高分辨率小型数码相机，使入射光的采集率和光电转化率得到了非常大的提高，敏感度比以前的类型高1

34、.6倍。因为它们的这些优良性能，新的CCD传感器很适合用于保安摄像机系统，即使在夜间光线很差的情况下它们也能摄出清晰的图像。RJ2311CA0PB传感器产生的NTSC信号的分辨率为270,000像素；而RJ2321CA0PB产生的PAL信号的分辨率为320,000像素电容式传感器测控技术发展的必然趋势教程来源：一大把网站作者：未知点击：81更新时间：2009-1-4 10:24:47 传感器作为太阳能热水器电子控制系统中的感觉器官，承载系统的信息源，采集来自储水箱里的水温、水量等信息，在太阳能热水器的多功化和智能化方面具有举足轻重的地位。 传感器作为太阳能热水器电子控制系统中的感觉器官，承载系

35、统的信息源，采集来自储水箱里的水温、水量等信息，在太阳能热水器的多功化和智能化方面具有举足轻重的地位。 然而，传感技术在太阳能热水器的应用中由于受到恶劣使用环境的影响，一直很难保证长期可靠地运行，一批批专业人士虽然制作了多种形式的传感器，但是都没能从根本上解决品质问题，直到现在就连一年以上的使用寿命都还很难保障；传感技术和智能控制技术的落后，已成为影响行业发展的最大瓶颈。对此我们认为，只有找准问题的症结所在，科学分析，逐一梳理，做到有的放矢，选择合适的传感技术，才能达到事半功倍的效果，制造出符合设计要求的理想产品。 一、目前使用的电极式传感器有三大致命缺陷 由于太阳能热水器是民用产品，考虑到电

36、子控制系统的制造成本，制作简单、价格低廉的电极式传感器一直被生产厂家所普遍采用，但由于它的工作原理和采集方法都是传感技术中最原始、最落后的部分，存在着以下三大致命的、无法克服的缺陷： 电极式传感器是直接利用水的电阻检测水位，这种传感器一般以不锈金属，或导电硅橡胶作为导电体，其封装工艺的优劣直接关系到产品的质量。因为，太阳热水器储水箱内的环境特征是高温（空晒达180以上）、高压（沸腾时超过一个在这样的环境中标准大气压）、高潮态（湿度达到饱和），若封装工艺不过关，其绝缘防护体有可能在短时间内就造成胀裂渗水，导致内部电路短路、检测功能失效。因此，只有在封装技术与工艺上有根本性的突破，才有提高产品质量

37、的基础。 假定封装工艺解决了，还有水垢的问题。由于水中的无机盐或矿物质在60度以上的高温状态下会形成水垢，特别在电极的作用下会加快水垢的形成，在电极表面形成绝缘带造成采集信号失真。为了解决这类问题一些厂家推出了胶棒式传感器，利用胶类表面的活性即伸缩性延缓了水垢的形成，这无疑是一个进步，但在水沸腾时接口处在高压气流作用下振动频率极高，极易造成硅胶体和导电橡胶体粘合连结部位的损伤或开裂，另外，储水箱内的高低温转换也会使硅胶体产生热胀冷缩现象，也很容易造成传感器的变型，弯曲或开裂。 为了解决上述二个技术难题，采用这类传感器的控制仪生产厂家已探索了十多年，至今也还未能找到真正行之有效的解决方法，像什么

38、“实芯”、“胶棒”、“锤子式”等等，都曾经声称已解决了传感器的使用寿命问题，但投放市场不到一年，都纷纷证明这些只不过是厂家的概念炒作、或者是一种美好的意愿罢了！退一步说，假定上述问题已经能够解决，还有水电阻的一致性问题，水的成份为H2O，是氢氧化合物，水本身是绝缘的。传感器信号的采集主要是利用溶解于水中的无机盐或矿物质，不同区域不同流域水的电阻值变化较大，为了解决这个问题需在控制器上增加一个微调开关，往往为了得到一个真实的信号，需反复调试，无疑给安装工作增添了麻烦。若水质中的导电质的含量极少，还有可能调试无效。综上所述，这种电极式传感器具有许多先天性的致命缺陷，是无法运用现有的技术予以解决的！

39、 二、采用电容传感是解决传感器技术难题的必由之路 电容传感技术投入应用已长达一个世纪，它具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，特别适用于酸类，碱类，氯化物，有机溶剂，液态CO2，氨水，PVC粉料，灰料，油水界面等液体位测量。目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。 电容式水位传感器是依据电容原理而制作，以耐高温耐腐蚀的聚四氟乙烯绝缘导线作为感应体，水作为电容的介质淹没感应导线越高，产生的电容量就越大，且能随着水位升降呈线性变化，控制系统通过检测电容量的大小变化来计取太阳能热水器储水箱里的水位，具有结构合理、动态范围大、分辨率高（水位显示可分成100档甚至是1

40、000档），无密封防水要求、不受水质水垢影响、无使用寿命周期等优点。 但是，电容式传感器在太阳能热水器的实际应用中，由于太阳能热水器储水箱的内胆直径通常只有3036公分，可获取的电容变化量往往仅有几十个或100来个皮法的大小，属于微弱电容的检测，若想有较高的显控精度，其测量值的准确性与稳定性显得优为重要。然而，电容式传感器恰恰在这方面存在严重缺陷：它的工作原理是需要根据被测量程对零水位点和满水位点的电容量进行预先设定，但在使用过程中随着温度、湿度、以及元器件的性能等因素的变化会产生寄生电容，而且是随机性的,其寄生电容甚至可以超过被测电容的变化量；当发生此种现象后，尽管被测电容的变化量与水位变化

41、的对应关系不会改变，可是由于预定的测量常数与实际电容量已不一致，控制系统所计取的水位与实际水位会有很大的误差，从而频频发生误控或失控事故，导致电容式传感器在太阳能热水器上没有实际使用价值，这也是电容式传感器迟迟未能大批量上市的主要原因。 随着微处理器技术的不断进步，电容式传感器技术正在向智能化方向发展，所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能，故可以方便地对传感器所采集的数据进行存储记忆、比较分析、并能够对实际水位的电容量变化进行实时监控、自动校正；从而有效地解决了以往受寄生电容影响、导致电容式传感器准确性、稳

42、定性、及可靠性差的技术难题，使电容式传感器所具有的分辨率高、调控能力强、不受水质水垢影响、无使用寿命周期等优点能在太阳能热水器的应用上得到充分体现，并可因此而赋予控制系统强大的功能，确保太阳能热水器在水量控制、水温显示、上水、辅助电加热等方面无限接近理想的智能模式，真正开启太阳能热水器家电化时代。 勿容置疑的是，就像通讯行业中的数字式手机淘汰先前的模拟手机一样，电容式传感器的出现是传感器技术的一次重大突破和革命，也是今后太阳能热水器测控技术发展的必然趋势传感器的技术参数（1）额定载荷：传感器的额定载荷是指在设计此传感器时，在规定技术指标范围内能够测量的最大轴向负荷。但实际使用时，一般只用额定量

43、程的2/31/3。（2）允许使用负荷（或称安全过载）：传感器允许施加的最大轴向负荷。允许在一定范围内超负荷工作。一般为120%150%。（3）极限负荷（或称极限过载）：传感器能承受的不使其丧失工作能力的最大轴向负荷。意即当工作超过此值时，传感器将会受到损坏。（4）灵敏度： 输出增量与所加的负荷增量之比。通常每输入1V电压时额定输出的mV。本公司产品与其它公司产品配套时，其灵敏系数必须一致。（5）非线性： 这是表征此传感器输出的电压信号与负荷之间对应关系的精确程度的参数。 （6）重复性： 重复性表征传感器在同一负荷在同样条件下反复施加时，其输出值是否能重复一致，这项特性更重要，更能反映传感器的品

44、质。国标对重复性的误差的表述：重复性误差可与非线性同时测定。传感器的重复性误差（R）按下式计算：R=R/n100%。R - 同一试验点上3次测量的实际输出信号值之间的最大差值（mv）。 （7）滞后： 滞后的通俗意思是：逐级施加负荷再依次卸下负荷时，对应每一级负荷，理想情况下应有一样的读数，但事实上下一致，这不一致的程度用滞后误差这一指标来表示。国标中是这样来计算滞后误差的：传感器的滞后误差（H）按下式计算：H=H/n100%。H -同一试验点上3次行程实际输出信号值的算术平均与3次上行程实际输出信号值的算术平均之间的最大差值（mv）。 （8）蠕变和蠕变恢复：要求从两个方面检验传感器的蠕变误差：

45、其一是蠕变：在5-10秒时间无冲击地加上额定负荷，在加荷后510秒读数，然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。传感器蠕变（CP）按下式计算：CP=2 - 3/n100%。其二是蠕变恢复：尽快去掉额定负荷（在510秒时间内），卸荷后在510秒内立即读数，然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。传感器的蠕变恢复（CR）按下式计算：CR=5 - 6 /n100%。（9）允许使用温度：规定了此传感器能适用的场合。例常温传感器一般标注为：-20 - +70。高温传感器标注为：-40 - 250。（10）温度补偿范围：说明此传感器在生产时已在这样的温度范围内进行了补偿。例常温传感器一般标

46、注为-10 - +55。 （11）零点温度影响（俗称零点温漂）：表征此传感器在环境温度变化时它的零点的稳定性。一般以每10范围内产生的漂移为计量单位。（12）输出灵敏系数的温度影响（俗称系数温漂）：此参数表征此传感器在环境温度变化时输出灵敏度的稳定性。一般以每10范围内产生的漂移为计量单位。 （13）输出阻抗：本公司传感器与其它厂家传感器并联使用时，必须弄清该公司产品的输出阻抗，此值必须与其一致，否则它会直接影响电子秤的输出特征和四角误差的调试。（14）输入阻抗：由于传感器的输入端弹模补偿电阻和灵敏系数调整电阻，所以传感器的输入电阻都大于输出电阻，但可通过并联电阻方法使其变化。要求各传感器的输

47、入阻抗一致，若与其它厂家的传感器匹配。则应使输入阻抗与其一致，否则在调试四角误差时会增加工时，因为传感器的输入阻抗对稳压电源而言是一个负载，只有负载一样，同一稳压电源才会提供一样的电源电压。 （15）绝缘阻抗：绝缘阻抗相当于传感器桥路与地之间串了一个阻值与其相当的的电阻，绝缘电阻的大小会影响传感器的各项性能。而当绝缘阻抗低于某一个值时，电桥将无法正常工作。 （16）推荐激励电压：一般为510伏。因一般称重仪表内配的稳压电源为5或10伏。（17）允许最大激励电压：为了提高输出信号，在某些情况下（例如大皮重）要求利用加大激励电压来获得较大的信号。（18）电缆长度：它与现场布局有关，定货前必须看清楚

48、公司产品的常规电缆长度。另外，注意环境是否有腐蚀性、是否有冲击情况、是否高温或低温。（19）密封防护等级IP67：防浸水影响 ，以规定的压力和时间浸入水中性能不受影响 。灌胶保护的传感器可达到IP67。除可防油、防水外，还可防一般的腐蚀性气体，腐蚀性介质继电器参数术语1、额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。继电器参数术语2、直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。继电器参数术语3、吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍