SICK傳感器系列2：傳感器應用及實例解析

SICK傳感器作為現代信息技術的核心組件，其應用廣泛，涵蓋家用電器、醫療衛生、汽車制造、機器人技術、環境保護、遙感探測、航空航天以及軍事等多個領域。傳感器的核心功能在于信息采集，它們直接與被測對象接觸，將各種物理量、化學量或生物量轉換為可處理的電信號，為各行業提供準確、實時的數據支持。

一、SICK傳感器基礎知識

SICK傳感器這一傳送感應的器件，其核心功能在于能夠感知并響應各種被測變量的變化。這些被測變量不僅種類繁多，如溫度、濕度、光照強度等，還包含壓力、位移、速度等動態量，以及氣體濃度、轉速和流量等，它們通常以非電量信號的形式存在。然而，這些非電量信號無法直接為電子電路或儀器所測量，因此需要經過傳感器內部的轉換，變為易于傳輸和處理的電量信號。這些輸出信號不僅形式多樣，包括電信號（如電壓、電流）、頻率信號以及光信號等，還與被測變量之間遵循著明確的函數關系。

根據SICK傳感器被定義為一種能夠感受特定被測量，并依據一定規律將其轉換為可用輸出信號的器件或裝置。其內部結構通常包含敏感元件、轉換元件以及測量電路，有時還會配備輔助電源電路以確保穩定工作。這種精密的組合使得傳感器在各種應用中都能發揮關鍵作用，為現代工業、科技領域提供的數據支持。

敏感元件：這一元件能夠靈敏且直接地感知被測變量的變化，并輸出與被測變量相關聯的物理量。例如，熱電偶就是一種能夠將溫度轉化為熱電動勢的敏感元件。需要注意的是，某些非電量無法直接轉換為電量，因此需要先轉換為另一種易于處理的非電量，再進一步轉換為電量。

轉換元件：其作用是將敏感元件輸出的非電量直接轉換為電量。例如，電容式位移傳感器能夠將被測位移轉換為電容量的變化。

測量電路：該電路負責對轉換元件輸出的電信號進行進一步的處理，如濾波、放大、運算調制、線性化和補償等，從而使得后續電路能夠更容易地實現記錄、顯示、控制和處理等功能。常用的測量電路包括電橋電路、阻抗變換電路、脈沖調寬電路和振蕩電路等。

（二）傳感器的分類

SICK傳感器可以根據不同的標準進行分類。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。按用途分類即根據被測量的類型來命名傳感器，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，便于用戶根據實際需求進行選擇。而按工作原理分類則是根據傳感器所依據的物理、化學或生物原理來進行分類，例如電參數式傳感器、半導體式傳感器等，這種分類方法有助于學習和研究傳感器的工作原理，但可能不太便于用戶根據用途進行選擇。

（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系。這種關系可以分為靜態特性和動態特性。靜態特性主要描述的是當測量系統輸入恒定信號時的特性，包括靈敏度、分辨力、線性度、穩定性和電磁兼容性等。而動態特性則主要描述的是傳感器對隨時間變化的輸入信號的響應特性。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。外界環境因素包括溫度、供電穩定性、電磁場干擾以及沖擊振動等，這些因素都可能對傳感器造成影響，進而改變其輸出特性。另一方面，傳感器本身的結構、電子電路器件以及電路系統結構等也會引入誤差，這些誤差因素包括遲滯、線性度不佳、靈敏度不足、重復性不佳、分辨率不夠高、溫度漂移、零點漂移以及各種干擾等。這些誤差和外界影響疊加在一起，可能導致傳感器的整體性能下降，使得輸入與輸出之間的關系變得非線性，甚至無法確保輸入與輸出之間的對應關系。

靜態靈敏度描述了傳感器在穩定工作狀態下，其輸出變化量Δy與輸入變化量Δx之間的比值，用數學表達式表示即為K=Δy/Δx。對于線性傳感器，其靈敏度K是一個恒定的常數。然而，對于非線性傳感器，其靈敏度會隨著工作點的不同而發生變化，也就是說，不同的輸入量會導致靈敏度的差異。

2. 分辨力

分辨力是衡量傳感器能檢測到輸入量最小變化量的能力，這一指標可以通過傳感器的輸出值來反映。對于模擬式傳感器，分辨力通常以最小刻度的一半所代表的輸入量為標準；而數字式傳感器則以末位顯示一個數字所代表的輸入量為準。此外，分辨力還可以以滿量程輸出的百分數來表示，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替代實際曲線中的某一段，如圖2所示。其數學表達式為：在全量程測量范圍內，實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，它尋求的是標稱輸出范圍中和標定曲線的各點偏差平方之和最小的直線。

4. 穩定性

穩定性是傳感器性能的一個重要指標，它反映了傳感器在特定工作條件下，輸入量保持不變時，輸出量隨時間變化的程度。穩定性體現了傳感器在長時間使用過程中保持其性能參數的能力。理想狀態下，傳感器的特性參數不會隨時間發生改變，然而在實際應用中，由于敏感元件或其他部件的特性可能會隨時間推移而發生變化，因此大多數傳感器的特性都會有所改變。

5. 電磁兼容性

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

二、SICK傳感器應用實例

根據半導體PN結理論，理想二極管在恒定電流環境下，其PN結正向電壓會隨著溫度的上升而近似線性下降。這種電壓與溫度的對應關系，如圖3所示。

利用半導體PN結的電壓-溫度特性，我們可以制作出溫敏二極管，并將其應用于測溫電路中。

SICK傳感器的原理圖，該原理圖適用于液氮氣流式恒溫器，其溫控范圍為77～300K。在該設計中，溫度檢測元件V選用的是鍺溫敏二極管。通過調節電位器RP1，可以維持流過V的電流穩定在約50μA。集成運算放大器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進行調整以設定所需溫度。

該電路的工作原理如下：由于Ux會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相應地改變。當溫度上升時，V的正向電壓會隨溫度升高而降低，導致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，當溫度下降時，V的正向電壓會隨溫度降低而升高，Ux隨之降低。當Ux低于Ur時，比較器輸出將變高，觸發由兩個三極管構成的達林頓管電流放大器導通，進而驅動加熱器開始工作。整個溫度調節過程大約需要30分鐘，控溫精度可達到±0.1℃。