SICK传感器系列2：传感器应用及实例解析

SICK传感器系列2：传感器应用及实例解析

SICK传感器作为现代信息技术的核心组件，其应用广泛，涵盖家用电器、医疗卫生、汽车制造、机器人技术、环境保护、遥感探测、航空航天以及军事等多个领域。传感器的核心功能在于信息采集，它们直接与被测对象接触，将各种物理量、化学量或生物量转换为可处理的电信号，为各行业提供准确、实时的数据支持。

一、SICK传感器基础知识

SICK传感器这一传送感应的器件，其核心功能在于能够感知并响应各种被测变量的变化。这些被测变量不仅种类繁多，如温度、湿度、光照强度等，还包含压力、位移、速度等动态量，以及气体浓度、转速和流量等，它们通常以非电量信号的形式存在。然而，这些非电量信号无法直接为电子电路或仪器所测量，因此需要经过传感器内部的转换，变为易于传输和处理的电量信号。这些输出信号不仅形式多样，包括电信号（如电压、电流）、频率信号以及光信号等，还与被测变量之间遵循着明确的函数关系。

根据SICK传感器被定义为一种能够感受特定被测量，并依据一定规律将其转换为可用输出信号的器件或装置。其内部结构通常包含敏感元件、转换元件以及测量电路，有时还会配备辅助电源电路以确保稳定工作。这种精密的组合使得传感器在各种应用中都能发挥关键作用，为现代工业、科技领域提供的数据支持。

敏感元件：这一元件能够灵敏且直接地感知被测变量的变化，并输出与被测变量相关联的物理量。例如，热电偶就是一种能够将温度转化为热电动势的敏感元件。需要注意的是，某些非电量无法直接转换为电量，因此需要先转换为另一种易于处理的非电量，再进一步转换为电量。

转换元件：其作用是将敏感元件输出的非电量直接转换为电量。例如，电容式位移传感器能够将被测位移转换为电容量的变化。

测量电路：该电路负责对转换元件输出的电信号进行进一步的处理，如滤波、放大、运算调制、线性化和补偿等，从而使得后续电路能够更容易地实现记录、显示、控制和处理等功能。常用的测量电路包括电桥电路、阻抗变换电路、脉冲调宽电路和振荡电路等。

（二）传感器的分类

SICK传感器可以根据不同的标准进行分类。目前，广泛采用的分类方法包括按用途分类和按工作原理分类。按用途分类即根据被测量的类型来命名传感器，例如温度传感器、湿度传感器等，这种分类方法有助于明确传感器的功能和用途，便于用户根据实际需求进行选择。而按工作原理分类则是根据传感器所依据的物理、化学或生物原理来进行分类，例如电参数式传感器、半导体式传感器等，这种分类方法有助于学习和研究传感器的工作原理，但可能不太便于用户根据用途进行选择。

（三）传感器的基本特性

SICK传感器的基本特性是指其输出与输入之间的关系。这种关系可以分为静态特性和动态特性。静态特性主要描述的是当测量系统输入恒定信号时的特性，包括灵敏度、分辨力、线性度、稳定性和电磁兼容性等。而动态特性则主要描述的是传感器对随时间变化的输入信号的响应特性。了解这些基本特性有助于更好地选择和使用传感器。

影响传感器特性的因素主要分为两大类：外界影响和误差因素。外界环境因素包括温度、供电稳定性、电磁场干扰以及冲击振动等，这些因素都可能对传感器造成影响，进而改变其输出特性。另一方面，传感器本身的结构、电子电路器件以及电路系统结构等也会引入误差，这些误差因素包括迟滞、线性度不佳、灵敏度不足、重复性不佳、分辨率不够高、温度漂移、零点漂移以及各种干扰等。这些误差和外界影响叠加在一起，可能导致传感器的整体性能下降，使得输入与输出之间的关系变得非线性，甚至无法确保输入与输出之间的对应关系。

静态灵敏度描述了传感器在稳定工作状态下，其输出变化量Δy与输入变化量Δx之间的比值，用数学表达式表示即为K=Δy/Δx。对于线性传感器，其灵敏度K是一个恒定的常数。然而，对于非线性传感器，其灵敏度会随着工作点的不同而发生变化，也就是说，不同的输入量会导致灵敏度的差异。

2. 分辨力

分辨力是衡量传感器能检测到输入量最小变化量的能力，这一指标可以通过传感器的输出值来反映。对于模拟式传感器，分辨力通常以最小刻度的一半所代表的输入量为标准；而数字式传感器则以末位显示一个数字所代表的输入量为准。此外，分辨力还可以以满量程输出的百分数来表示，这种表示方法被称为分辨率。

3. 线性度

线性度，亦称非线性误差，描述的是传感器输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度。为了近似地线性化传感器的输入输出特性，我们可以用拟合直线来替代实际曲线中的某一段，如图2所示。其数学表达式为：在全量程测量范围内，实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值DLmax与满量程输出值YFS之比，记作gL，即

在拟合直线的方法中，最小二乘法是一种常用的方法，它寻求的是标称输出范围中和标定曲线的各点偏差平方之和最小的直线。

4. 稳定性

稳定性是传感器性能的一个重要指标，它反映了传感器在特定工作条件下，输入量保持不变时，输出量随时间变化的程度。稳定性体现了传感器在长时间使用过程中保持其性能参数的能力。理想状态下，传感器的特性参数不会随时间发生改变，然而在实际应用中，由于敏感元件或其他部件的特性可能会随时间推移而发生变化，因此大多数传感器的特性都会有所改变。

5. 电磁兼容性

电磁兼容性，又称为抗干扰性，是衡量传感器对外界环境干扰的抵抗能力的重要指标。这涵盖了诸如抗高低温、抗潮湿、抗电磁场干扰、抗冲击以及抗振动等多个方面。

二、SICK传感器应用实例

根据半导体PN结理论，理想二极管在恒定电流环境下，其PN结正向电压会随着温度的上升而近似线性下降。这种电压与温度的对应关系，如图3所示。

利用半导体PN结的电压-温度特性，我们可以制作出温敏二极管，并将其应用于测温电路中。

SICK传感器的原理图，该原理图适用于液氮气流式恒温器，其温控范围为77～300K。在该设计中，温度检测元件V选用的是锗温敏二极管。通过调节电位器RP1，可以维持流过V的电流稳定在约50μA。集成运算放大器μA741被用作比较器，其输入电压为Ur和Ux。其中，Ur作为参考电压，可以通过RP2进行调整以设定所需温度。

该电路的工作原理如下：由于Ux会随着温敏二极管的温度变化而变化，因此比较器的输出也会相应地改变。当温度上升时，V的正向电压会随温度升高而降低，导致Ux升高。一旦Ux超过Ur，比较器输出将变低，使三极管截止，从而加热器停止工作。相反，当温度下降时，V的正向电压会随温度降低而升高，Ux随之降低。当Ux低于Ur时，比较器输出将变高，触发由两个三极管构成的达林顿管电流放大器导通，进而驱动加热器开始工作。整个温度调节过程大约需要30分钟，控温精度可达到±0.1℃。