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作者:林浩瑋,黃宗正 (2000-07-21);核可:徐業良 (2000-08-03)
附註:本文介紹均為本實驗室現有之感測器。

感測器簡介

1. 力量感測器FSG15N1A

工作激勵電壓(Excitation Input

10.0 ~ 12.0 Vdc max

測量壓力範圍(Operating Force

0 ~ 1500 grams

敏感度(Sensitivity

0.24 mV/gram0.20 min ~ 0.28 max

線性度(Linearity

22.5 ~ 22.5 grams

輸入阻抗(Input resistance

5.0K4.0K min ~ 6.0K max

輸出阻抗(Output resistance

5.0K4.0K min ~ 6.0K max

最大承受壓力(Overforce

4500 grams

壓力感測器上有四個Pin腳,分別是:

Pin 1Vs(+)                    Pin 3Ground(-)

Pin 2Output(+)                      Pin 4Output(-)

我們將Pin1Pin3接上外加電源,此時要注意最大供應電壓不可超過12Vdc,最大供應電流不可超過1.6mA,而Pin2Pin4是電壓訊號輸出線。下圖中加圈的1234感測器的Pin1Pin2Pin3Pin4

1 電路圖

2. 24PCA-F-A-6-D氣壓感測器

壓力被定義為單位面積所受的力,在SI單位中使用牛頓 / 平方公尺(N/m2)來表示,一般稱為Pa,在英制中使用lb/in2來表示,一般稱為Psipound per square inch),另外還有mm-Hgatmmbar等單位表示方法,要特別注意它們之間的轉換,以下是這些單位之間的互換:

24PCA-F-A-6-D型氣壓感測器是屬於半導體壓力感測器,是將半導體單晶片直接加工使成為薄膜狀的應變電橋,可以直接量測氣體或液體之壓力,一般來說半導體壓力感測器大都以矽結晶板製作成可接受壓力的受壓薄膜,此受壓膜片可看作是週邊固定而在中央承受平均分配壓力的膜片,在這樣的固定狀況下,壓力從膜片中央輸入,因此在膜片中央部分形成最大的變化率,而在此膜片的中心和週邊上各裝上兩個半導體應變計而構成惠斯登電橋,形成了一個橋式電路的壓力感測器,可在一定壓力的壓力範圍內得到線性的電壓輸出。

24PCAFA6D

壓力測量方式

壓差型

感測壓力範圍

~ 1 Psi

激勵電壓

10 Vdc12Vdc max

輸出方式

MV

靈敏度

0.45 mV/Psi

外殼結構材質

熱塑性塑膠

內部溫度補償

內部放大電路

此型氣壓感測器的外型如上圖所示。藉由將氣體導入感測器兩端管中,由中央的感測元件測量兩側直管內壓力的大小不同,再將此壓力差以電壓訊號的形式傳遞出去,它所輸出的電壓訊號表示的就是其開口兩端的壓力差。這顆感測器也是屬於被動型感測器,需要外加電源給其一激勵電壓使其作動,當壓力(Pressure)改變時,它所輸出的電壓Vo會隨之增加。

PIN 1Vs(+)   PIN 2Output(+)

PIN 3Ground(-) PIN 4Output(-)

其中Pin 1Pin 3是外接電源的輸入正負端,Pin2Pin 4是氣壓變化經轉換之後得到的電壓訊號,此氣壓感測器也和其他許多感測器一般,它的輸出訊號電壓值很小,所以需要外接訊號放大器對輸出電壓值作放大,以利訊號的處理;而且因為對溫度的變化十分敏感,內部又沒有建構溫度補償迴路,所以我們在使用時也要注意溫度對其帶來的影響,盡量讓其在固定溫度的環境下使用。

3. 溫度感測器

用於溫度感測的感測器有許多種類,應用的原理也不盡相同,比較常見的溫度感測器包括有熱敏電阻、電阻式溫度感測器、熱電偶以及感溫IC等等

3.1 熱敏電阻

熱敏電阻(thermally sensitive resistance)是對溫度很敏感的電阻體,亦可稱為熱阻體(thermistor),此類元件在溫度改變時電阻值會產生很大的變化,由電阻值與溫度的關係,熱敏電阻又可以被分為:

1.      負溫度係數(Negative Temperature Coefficient,簡稱NTC)熱敏電阻,其電阻值會隨著溫度的上升而下降。

2.      正溫度係數(Positive Temperature Coefficient,簡稱PTC)熱敏電阻,所謂PTC特性是指電阻值會隨著溫度增加而上升的現象。

在選用熱敏電阻時主要須注意其兩個重要的特性,一是其電阻與溫度(R~T)之間的關係,也就是在多少溫度時電阻值得大小是多少,此關係由材料特性來決定,可求得熱阻體常數及溫度係數;一是電壓對電流之關係,此關係是由熱敏電阻的外型、大小及包裝方式來控制,可由此關係得到時間常數。

3.2電阻式溫度感測器(Resistance Temperature DetectorRTD

電阻式溫度感測器簡稱RTD,為一具有正溫度特性的電阻體,可用來製造RTD的金屬有多種,其中以白金、銅及鎳材質的最多。RTD元件得結構主要有浸入探針(immersion probe)型及表面溫度感測(surface probe)型兩種主要型態,而以下的電阻式溫度感測器就是屬於探針型的電阻式溫感器。

這類溫度感測器,是利用感測元件的電阻值會隨著溫度變化而改變的特性來進行感測,和大部分的溫度感測器一樣,是將溫度的變化直接轉變為電阻的變化,然後再以電壓的方式輸出。感測元件的電阻值與溫度變化之間的關係為:

其中:t℃時之電阻值(Ω)。

:某一特定溫度時之電阻值(Ω),一般為0

:電阻溫度係數,會隨材質而異。

:感測器所在之溫度環境

由上式可知RTD的電阻會隨著溫度的上升而增加,而對白金而言,3.96×10-35.83×10-6,因為對計算結果的影響很小,所以我們可以再將計算式子簡化為:

其中。經過計算及EU/MU(工程單位/測量單位)之間的轉換,我們可以得到下面的式子:

此即為RTD的校正公式,其中Slopeoffset,若我們可以得到RTD所測得的電阻值,再代入校正公式之中,就可以得到我們想量測的溫度值。

一般來說,電阻式的溫度感測器擁有以下的工作特性:

1.      線性度高、線性範圍也廣。輸出的訊號位準高,且其特性曲線接近直線。

2.      量測的準確度高。

3.      感測元件與訊號處理元件之間的距離不受限制,但需要有三線或四線的工作電路。

4.      沒有參考冷點的問題。

5.      量測範圍約在-200~+500之間,且高溫的穩定性高。

6.      感測元件體積大,不適合快速測量及較小物體的溫度量測。

7.      靈敏度低。感測元件體積大,溫度傳導較慢,故反應也較慢。

8.      價格較高。

9.      容易受接觸電阻及震動的影響。

10.  沒有插入效應誤差。

11.  屬被動型感測器,需外加電源。

HEL-776-A-T-1

感測元件種類

薄膜式白金RTD

R0

100Ω @ 0

α

0.00385 Ω/

感測溫度範圍

55 ~ 150

操作電流

2 mA is maximum,建議使用1 mA

RTD在工業上的連接方法有兩線、三線及四線等三種,目的都同樣是要消除誤差並修正其線性度,以其增加其精確度。但是因為導線電阻也會影響輸出電壓變化,而導線電阻會隨著導線的粗細、長短以及它所存在的環境溫度改變,當溫度會同時對導線及RTD的電阻值造成影響時,就必須考慮到導線電阻變化所形成的誤差。在這三種接線方法中都可能會有導線誤差的產生,為了補償導線所產生的誤差,可在電路的另一分支裡加入一個數值與導線電阻相等的補償電阻。這三種接法各自的特點如下:

1.      二線連接的價格最便宜,但一般只使用在導線電阻較RTD的電阻變化為小,或者導線電阻可以由儀測過程來補償的情況。

2.      二線連接的價格最便宜,但一般只使用在導線電阻較RTD的電阻變化為小,或者導線電阻可以由儀測過程來補償的情況。

3.      三線連接的價格適中,其精確度也適合一般工業應用。

4.      四線連接的價格最高,但是其精確度也是最高,它也適合長距離測量用。

4. 近接開關

實驗室所使用的924AB4XM-L2P型近接開關便是屬於非接觸型感測器的一種,它的使用原理主要是利用內部的LC及電晶體電路產生震盪,而使得感測器前端產生高頻電磁場,當有導磁或抗磁的金屬接近線圈平面時,會使得感應線圈內的渦流產生變化而改變震盪電路的輸出頻率,我們便藉由此輸出頻率的改變來對應出物件的有無或距離的遠近。因為是透過電磁效應來進行感測,故此型的感測器所能感測的物件必須為具有傳導性的金屬物體,而且因為震盪線圈所放出的磁力線範圍很廣,所以如果在檢測物體附近有其他磁性物體或是其他的近接開關時容易產生誤差動作,在配置時應避免此類情況的發生。

2 電磁式近接開關的感測電路示意圖

924AB4XM-L2P

有效感測距離範圍

4.5 ~ 9.5mm

輸入電壓

13.5 ~ 30 Vdc

輸出電壓(min

0.2 Vdc

輸出電壓(max

10 Vdc

輸出電壓線性範圍

1 ~ 9 Vdc

最大電流消耗

12 mA at 30 Vdc

操作溫度範圍

0 ~ 60

感測表面材質

Ceramic

結構包覆材質

Anodized aluminum

它的接線方法很簡單,在感測器的後端是一條PVC材質的導線,於其中包覆有三條不同顏色的金屬導線,分別是電源輸入線+(Brown)、接地線也是電源輸入線-(Blue)以及訊號輸出線(Black),我們只需要將外部電源搭接其電源輸入線,再將訊號輸出線接上一些訊號表示或處理的裝置如電表、示波器或類比數位資料轉換器ADC,即可得到感測距離與輸出電壓的線性關係。

3 近接開關之線路配接圖

此款感測器在實際使用時較其他感測器更為方便,因為它在設計上,已於內部完成了整流、線性化與訊號放大的工作,所以我們不需要再另外設計搭配整流或放大電路,只需要對感測器輸入一個約15Vdc的電壓(其工作電壓範圍在13.5 ~ 30Vdc之間),它便會隨物體跟感測器之間距離的遠近產生0.2 ~ 10Vdc的電壓輸出,其中在1 ~ 9Vdc的輸出範圍內,感測器的輸出電壓跟物件之間的距離更是成線性比例變化的,如此一來,我們可以很容易地從感測器所輸出的電壓訊號數值來計算出物件距離感測器偵測表面的距離是多少。

4 感測距離與輸出電壓關係圖

數個近接開關搭配使用時,為了避免各個近接開關間磁力線範圍的衝突會造成感測上的干擾或是錯誤動作,我們必須在工作時注意它們之間的相互距離。圖中d1代表的是近接開關前端感測部分的直徑,兩個並列安裝的近接開關之間,必須要相隔大於三倍d1的距離;而另一個數值代號Sn是表示近接開關可以感測到的距離範圍中間值,此值是介於感測距離最大值S max與感測距離最小值之間S min之間的中間值,以此近接開關為例,它的感測距離最大是9.5mm、最小是4.5mm,那麼其Sn值便為7mm,故兩近接開關若是要成對、前端對前端地放置時,它們的前端部分之間,必須要相隔大於四倍Sn的距離,也就是要相隔28mm

5 近接開關

5. AWM3300V型(氣)流量感測器

Honeywell所生產的AWM系列流量感測器就是為了感測氣體流量而製造的感測器,只能運用於氣態流體的流量感測,它是利用熱傳導的原理來進行流量的感測。

AWM3300V

PIN1=電壓訊號輸出(Vout

PIN2=電源輸入正端(Vcc

PIN3=電源輸入負端(Ground

流體速率

0 ~ 1000 sccm

流體通過管外徑

5.1 mm

流體通過管內徑

3.6 mm

激勵電壓

10.0 Vdc

8Vdc min ~ 15Vdc max

電力消耗

50 mW ~ 60 mWmax

反應時間

1ms ~ 3 ms max

輸出電壓

5 Vdc4.98 mbar

零位電壓

1 Vdc

靈敏度

4 mV/sccm

操作溫度

40 ~ 90

最大壓力負載

345 mbar

sccm:每分鐘通過立方公分數(cm3/min

SLPM:每分鐘通過公升數(l/min

此感測器的內部感測元件,主要也是由微製程所處理製造出的電橋電路所構成,最主要的感測元件是熱敏電阻及氮化矽經雷射切割的薄膜,依照熱傳導理論作動,隨流量增加使感測元件內部電阻值增加,輸出電壓值便會隨之增大,另外再加上一些電阻的配合而構成惠斯頓電橋電路,感測器的內部包含了兩個電橋電路,一個是熱控電路,其功能是將流進感測器的氣體溫度加溫或保持在一固定的範圍;另一個則是主要的感測電路及線性化放大電路,它們全都被製作在印刷電路板上以方便安裝於小小的外殼之中。當氣流由輸入導管被引進,流經感測元件之後再由輸出導管流出,在這段過程中,感測元件的輸出電壓值會隨氣流量的不同而出現成比例的變化,我們便藉由此流量與輸出電壓之間的線性關係間接測量出氣體的流量。這個氣流量感測器之中將熱控電路、溫度感測電路以及差動放大電路一起製作於印刷電路板上,如此我們便不需要再另外聯接運算放大器而可以直接測量輸出的電壓訊號,只須注意待測流體之穩定以及電源供應之問題即可。

由於AWM系列感測器採用內建式運算電路,因此在測量不同氣體時須注意有一修正係數必須加以考慮,AWM系列氣流量感測器可量測的氣體分為三大類,第一類為氧氣、空氣、氮氣,第二類為一氧化碳、二氧化碳,而第三類為氬氣。若須量測其他不同種類氣體時可以理用第一類氣體之流量感測器量測後再以表一之氣體修正係數加以修正。而此AWM5104VN型感測器是屬於感測氮氣的第一種類型氣流量感測器。

6 感測器內部的熱控電路圖

7 主要感測電橋電路圖

圖八 感測器內部的差動放大電路

參考資料

1. honeywell公司型錄