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1、第31节 瓦斯传感器第1页，共33页，编辑于2022年，星期一3 矿用传感器简介矿用传感器简介煤矿中应用的传感器现状煤矿中应用的传感器现状煤矿中应用的传感器发展煤矿中应用的传感器发展检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法第2页，共33页，编辑于2022年，星期一采掘机械化方面采掘机械化方面 随随着着综综采采机机械械化化的的发发展展，目目前前综综采采程程度度已已达达43%43%以以上上，电电牵牵引引采采煤煤面面已已投投入入使使用用。综综采采设设备备电电气气控控制制与与检检测测较较普普遍遍采采用用电电压压、电电流流检检测测。少少数数采采煤煤机机具备速度、功率、油温的传感器及其检侧器。具备速度、功率、
2、油温的传感器及其检侧器。矿用传感器现状矿用传感器现状第3页，共33页，编辑于2022年，星期一矿山固定设备方面矿山固定设备方面 提升安全运行，以微机为核心的提升机后备保护装置的开提升安全运行，以微机为核心的提升机后备保护装置的开发得到迅速发展，提升机控制使用了行程位置传感器、提升发得到迅速发展，提升机控制使用了行程位置传感器、提升机深度指示器、提升机过卷保护器、电压、电流变送器、功机深度指示器、提升机过卷保护器、电压、电流变送器、功率变送器、防爆磁性开关等。率变送器、防爆磁性开关等。风机、水泵微机监测系统和压风机自动化监测系统已投风机、水泵微机监测系统和压风机自动化监测系统已投入使用。入使用。
3、目前使用的传感器有目前使用的传感器有:电压、电流功率变送器、负压、电压、电流功率变送器、负压、风速、转速、水泵效率检测、水仓水位、压力、二级排风速、转速、水泵效率检测、水仓水位、压力、二级排气温度定点式、风包定点、轴承定点式温度、自动风门气温度定点式、风包定点、轴承定点式温度、自动风门传感器等。传感器等。矿用传感器现状矿用传感器现状第4页，共33页，编辑于2022年，星期一煤矿电力调度监控系统方面煤矿电力调度监控系统方面 目前使用的传感器有目前使用的传感器有:电压、电流变送器、有功功率变送器、电压、电流变送器、有功功率变送器、功率因数传感器。功率因数传感器。矿用传感器现状矿用传感器现状第5页，
4、共33页，编辑于2022年，星期一矿井环境、生产监测、监控系统方面矿井环境、生产监测、监控系统方面 传传感感器器是是实实现现煤煤矿矿安安全全生生产产设设备备自自动动化化必必不不可可少少的的部部份份。监监测测监监控控系系统统的的传传感感器器齐齐全全程程度度及及系系列列产产品品已已具具备备相相当当水水平平，井井下下机机电电设设备备开开/停停检检测测，由由称称重重传传感感器器、测测速速传传感感器器等等组组成成的的矿矿用用微微机机皮皮带带秤秤，监监测测料料仓仓料料位位的的超超声声波波料料位位计计，本本安安电电容容液液位位计计，使使用用于于机机电电设设备备外外壳壳温温度度检检测测的的温温度度传传感感器器
5、、环环境境温温度度、高高低低浓浓度度瓦瓦斯斯、水水压压、超超声声风风速速、供供电电状状态态、馈馈电电开开关关、超超声声计计数数、一一氧氧化化碳碳、二二氧氧化化碳碳、氧氧气气、负负压压、烟烟雾雾、风门开关等几十种传感器。风门开关等几十种传感器。矿用传感器现状矿用传感器现状第6页，共33页，编辑于2022年，星期一矿并运输自动化方面矿并运输自动化方面 我我国国井井下下主主煤煤运运输输还还是是以以轨轨道道运运输输为为主主，矿矿用用电电机机车车行行车车安安全全检检测测装装置置中中使使用用了了速速度度、里里程程累累计计、电电池池容容量量、电电池池电电压压、超速报警、架线电压监测等传感器。超速报警、架线电
6、压监测等传感器。8080年年代代以以后后，随随着着工工作作面面产产量量日日益益增增加加，在在一一些些大大中中型型矿矿井井中中主主煤煤运运输输逐逐步步被被胶胶带带输输送送机机所所代代替替，备备有有打打滑滑、跑跑偏偏、断断带带、纵纵撕撕、物物料料探探测测、堆堆煤煤、烟烟雾雾、温温度度(轴轴承承、环环境境)、速速度度、防防尘尘洒洒水水、灭灭火火洒洒水水等等门门类类齐齐全全的的保保护护装装置置，真真空空开开关关过过流流过过压压保保护护、沿沿线线紧紧急急闭闭锁锁保保护护、电电机机电电流流检检测测等等功功能能，选选配配有有超超声声料料位位计计、电电子子胶胶带带秤秤或或核核子子胶胶带带秤秤等等设设备备，并并
7、有有多多种种故故障障保保护护功功能能。每每种种传传感感器器都都有有相相应的开关量或模拟量输出，使系统功能更加完善。应的开关量或模拟量输出，使系统功能更加完善。矿用传感器现状矿用传感器现状第7页，共33页，编辑于2022年，星期一矿用传感器发展矿用传感器发展举例举例采煤机机组位置检测传感器，采用微机芯片后，不仅可检测机采煤机机组位置检测传感器，采用微机芯片后，不仅可检测机组位置，还可显示走行方向、走行速度、每班的割煤量等；组位置，还可显示走行方向、走行速度、每班的割煤量等；胶带电子秤除单一显示累计运输量外，还可显示瞬时运量、最大胶带电子秤除单一显示累计运输量外，还可显示瞬时运量、最大运量、平均运
8、量，自动校正自重减少计量误差；运量、平均运量，自动校正自重减少计量误差；第8页，共33页，编辑于2022年，星期一煤仓超声波料位计增加，排除干扰信号、进行各种参数煤仓超声波料位计增加，排除干扰信号、进行各种参数的修正，并可自动报警，一台主机可带多个探头等功能；的修正，并可自动报警，一台主机可带多个探头等功能；提升机的行程位置传感器不但显示箕斗的位置，还可计算出箕斗提升机的行程位置传感器不但显示箕斗的位置，还可计算出箕斗的运行速度，根据给定的速度运行图，自动调节运行速度以达到的运行速度，根据给定的速度运行图，自动调节运行速度以达到缩短运行周期，提高运量并能自动运行准确停车的效果。缩短运行周期，提
9、高运量并能自动运行准确停车的效果。电参数智能化传感器不仅可测出电流、电压、有功功率、无功电参数智能化传感器不仅可测出电流、电压、有功功率、无功功率，还可提供短路、过载，断相以及相位保护等；即使是功率，还可提供短路、过载，断相以及相位保护等；即使是一台简单的速度传感器，智能化后便可测运转周期、累计转一台简单的速度传感器，智能化后便可测运转周期、累计转数并且大大扩展了测量范围。数并且大大扩展了测量范围。矿用传感器发展矿用传感器发展第9页，共33页，编辑于2022年，星期一矿用传感器应提供新品、产品系列化、高功能、智能化等来满足矿用传感器应提供新品、产品系列化、高功能、智能化等来满足发展的需要，与煤
10、矿重要的机电设备有机结合形成新一代的机电发展的需要，与煤矿重要的机电设备有机结合形成新一代的机电一体化的产品。一体化的产品。例如：例如：采煤机，配双向倾抖度、煤岩分界、油量、油压、油温、采煤机，配双向倾抖度、煤岩分界、油量、油压、油温、轴承温度、电流、电压、振动等，并与微机组成健康检测及轴承温度、电流、电压、振动等，并与微机组成健康检测及故障诊断使采煤机更新换代。同样对液压支架、运输机、转故障诊断使采煤机更新换代。同样对液压支架、运输机、转载机等进行开发，使工作面顺槽控制得以实现。载机等进行开发，使工作面顺槽控制得以实现。矿用传感器发展矿用传感器发展第10页，共33页，编辑于2022年，星期一
11、机器人开发机器人开发 煤炭工业是多种技术综合应用的行业，工种多且作业复煤炭工业是多种技术综合应用的行业，工种多且作业复杂，可供选择机器人作为开发的目标产品，其选择范围宽，杂，可供选择机器人作为开发的目标产品，其选择范围宽，自由度大，如掘进、采煤、凿岩、支护喷浆、水采、消防、自由度大，如掘进、采煤、凿岩、支护喷浆、水采、消防、救灾等机器人。救灾等机器人。机器人开发特点不表现在机械本身，而主要是完善的传感器及机器人开发特点不表现在机械本身，而主要是完善的传感器及完整的软硬件，实现井下无人采煤要研制在规律和不稳定煤层中制完整的软硬件，实现井下无人采煤要研制在规律和不稳定煤层中制导机器的传感器。导机器
12、的传感器。机器人内部传感器是用于检测对象和作业环境，需要使用机器人内部传感器是用于检测对象和作业环境，需要使用各门类各品种传感器、如加速度、速度、线位移、角位移等各门类各品种传感器、如加速度、速度、线位移、角位移等内部传感器，视觉、听觉等非接触外部传感器，接触、压觉、内部传感器，视觉、听觉等非接触外部传感器，接触、压觉、滑觉、硬觉等接触外部传感器。滑觉、硬觉等接触外部传感器。矿用传感器发展矿用传感器发展第11页，共33页，编辑于2022年，星期一 总的途径和趋势总的途径和趋势:高精度、微型化、集成化、数字高精度、微型化、集成化、数字化、智能化化、智能化。高精度高精度 为为了了提提高高煤煤矿矿环
13、环境境的的测测控控精精度度，必必须须使使传传感感器器的的精精度度尽尽可可能能地地高高，例例如如COCO传传感感器器，希希望望测测试试精精度度能能优优于于ll，风风速速传传感器的精度要求优于感器的精度要求优于22。微型化微型化 微微型型化化传传感感器器主主要要由由硅硅材材料料构构成成,具具有有体体积积小小、重重量量轻轻、反反应应快快、灵灵敏敏度度高高以以及及成成本本低低等等优优点点。其其核核心心技技术术是是研研究究微微电电子子和和微微机机械械加加工工与与封封装装技技术术的的巧巧妙妙结结合合,期期望望能能够够由由此此而而制制造造出出体体积积小小巧巧但但功功能能强强大大的的新新型型系系统统。它它对对
14、于于经经常常变变换换作作业业场场所所的的煤煤炭炭企企业业，易易于于搬搬迁迁、移移动动，更更具具特殊意义。特殊意义。矿用传感器发展矿用传感器发展第12页，共33页，编辑于2022年，星期一集成化集成化 两两个个含含义义：第第一一是是将将传传感感器器与与放放大大器器、检检测测电电路路等等集集成成在在同同一一芯芯片片上上 既既减减小小体体积积，又又增增加加抗抗干干扰扰能能力力。第第二二是是将将同同一一类类传传感感器器集集成成在在同同一一芯芯片片上上构构成成多多功功能能传传感感器器，它它可可以以同同时时测测量量煤煤壁壁、顶底板等表面状况。顶底板等表面状况。数字化数字化 数字化对数字式传感器的研究是很重
15、要的，它可以使传感器数字化对数字式传感器的研究是很重要的，它可以使传感器直接与计算机联机。直接与计算机联机。矿用传感器发展矿用传感器发展第13页，共33页，编辑于2022年，星期一智能化智能化定义：指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理定义：指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。感器系统。这一类传感器就相当于是这一类传感器就相当于是微型机与传感器的综合体微型机与传感器的综合体一样，其一样，其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型
16、机的硬件设备。如智能化压力传感器，主传感器为压力传感器，用设备。如智能化压力传感器，主传感器为压力传感器，用来探测压力参数，辅助传感器通常为温度传感器和环境压来探测压力参数，辅助传感器通常为温度传感器和环境压力传感器。力传感器。采用这种技术时可以方便地调节和校正由于温度的变化而导采用这种技术时可以方便地调节和校正由于温度的变化而导致的测量误差，硬件系统除了能够对传感器的弱输出信号进致的测量误差，硬件系统除了能够对传感器的弱输出信号进行放大、处理和存储外，还执行与计算机之间的通信联络。行放大、处理和存储外，还执行与计算机之间的通信联络。矿用传感器发展矿用传感器发展第14页，共33页，编辑于202
17、2年，星期一热导法热导法光干涉法光干涉法（重点掌握）（重点掌握）红外光谱系数法红外光谱系数法超声波测量法超声波测量法气敏半导体法气敏半导体法热载体催化元件热载体催化元件（重点掌握）（重点掌握）检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法第15页，共33页，编辑于2022年，星期一原理原理 热导率是组成混合气体的成分及各成分所占百分比的函热导率是组成混合气体的成分及各成分所占百分比的函数。因此，测出气体的热导率就可以确定混合气体的成分。数。因此，测出气体的热导率就可以确定混合气体的成分。按此原理就可测量井下气体中按此原理就可测量井下气体中CHCH4 4的含量。的含量。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法
18、热导法热导法第16页，共33页，编辑于2022年，星期一缺点缺点 （1 1）待测气体的热导率与空气的热导率相差越远，得到的）待测气体的热导率与空气的热导率相差越远，得到的信号就越强。信号就越强。瓦斯的热导率近似为空气热导率的瓦斯的热导率近似为空气热导率的1.31.3倍，两者悬殊不大，因倍，两者悬殊不大，因此用热导法测量低浓度瓦斯，传感器输出的信号很小，测量误差此用热导法测量低浓度瓦斯，传感器输出的信号很小，测量误差相应增加。相应增加。（2 2）热导仪器的零点漂移严重，也不适宜测量低浓度瓦斯。）热导仪器的零点漂移严重，也不适宜测量低浓度瓦斯。一般情况下，热导仪器常与载体催化型仪器配套使用，用一般
19、情况下，热导仪器常与载体催化型仪器配套使用，用来测量来测量%100%CH100%CH4 4的高浓度瓦斯。的高浓度瓦斯。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法热导法热导法第17页，共33页，编辑于2022年，星期一原理原理 利用瓦斯与空气对光利用瓦斯与空气对光线的折射率不同而制成。线的折射率不同而制成。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法光干涉法光干涉法第18页，共33页，编辑于2022年，星期一由由光光源源1 1发发出出的的光光，经经聚聚光光镜镜2 2和和狭狭缝缝3 3到到达达平平面面镜镜4 4，并并经经其其反反射射与与折折射射形形成成两两束束光光，分分别别通通过过空空气气室室5 5和和甲甲烷烷
20、室室6 6，再再经经折折射射棱棱镜镜7 7折折射射后后，两两束束光光经经平平面面镜镜4 4反反射射，一一同同进进入入反反射射棱棱镜镜8 8，再再反反射射给给望望远远镜镜系系统统9 9。在在物物镜镜的的焦焦平平面面上上产产生生干干涉涉条纹。条纹。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法光干涉法光干涉法第19页，共33页，编辑于2022年，星期一工作原理：工作原理：当甲烷室与空气室同时充入空气时，两束光所经过当甲烷室与空气室同时充入空气时，两束光所经过的光程相同，则干涉条纹不产生移动。如改变在甲烷室中的的光程相同，则干涉条纹不产生移动。如改变在甲烷室中的气体成分、温度或压力，则因折射率改变，光程也随之
21、改变，气体成分、温度或压力，则因折射率改变，光程也随之改变，干涉条纹便会发生移动。干涉条纹便会发生移动。当两室温度和压力相等时，干涉当两室温度和压力相等时，干涉条纹的移动量与甲烷浓度成正比。测量这个移动量，便条纹的移动量与甲烷浓度成正比。测量这个移动量，便可测定空气中的甲烷含量。可测定空气中的甲烷含量。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法光干涉法光干涉法第20页，共33页，编辑于2022年，星期一优点优点 安全可靠、操作简单、测量范围广（安全可靠、操作简单、测量范围广（0 010%10%或或0 0100%100%），成为我国矿井安全检查员必备的仪器之一。），成为我国矿井安全检查员必备的仪器之一
22、。缺点缺点很难把光干涉信号进一步转换成电信号，无法与监控系很难把光干涉信号进一步转换成电信号，无法与监控系统连续实现遥测，只能用于个人携带；统连续实现遥测，只能用于个人携带；当待测气体中其他成分气体的百分比变化时，光干涉条当待测气体中其他成分气体的百分比变化时，光干涉条纹位置也会变化，形成较大的测量误差。纹位置也会变化，形成较大的测量误差。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法光干涉法光干涉法第21页，共33页，编辑于2022年，星期一原理原理 每每种种气气体体对对红红外外区区域域的的光光波波都都有有一一个个或或多多个个吸吸收收谱谱线线，甲甲 烷烷 的的 吸吸 收收 谱谱 线线 是是3.393.
23、39m m，用用氦氦氖氖激激光光器器可可以以获获得得稳稳定定的的3.393.39红红外外激激光光。当当激激光光穿穿过过瓦瓦斯斯气气体体时时，将将被被瓦瓦斯斯吸吸收收，使使光光强强度度减减弱弱，根根据据光光强强度度的的变变化化情情况况就就可可反映出瓦斯含量。反映出瓦斯含量。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法红外光谱系数法红外光谱系数法GJG40HGJG40H（A A）型红外甲烷传感器）型红外甲烷传感器第22页，共33页，编辑于2022年，星期一原理原理 每每种种气气体体对对红红外外区区域域的的光光波波都都有有一一个个或或多多个个吸吸收收谱谱线线，甲甲烷烷的的吸吸收收谱谱线线是是3.393.39
24、m m，用用氦氦氖氖激激光光器器可可以以获获得得稳稳定定的的3.393.39红红外外激激光光。当当激激光光穿穿过过瓦瓦斯斯气气体体时时，将将被被瓦瓦斯斯吸吸收收，使使光光强强度度减减弱弱，根据光强度的变化情况就可反映出瓦斯含量。根据光强度的变化情况就可反映出瓦斯含量。优点优点 激光瓦斯测量仪器有很高的灵敏度和选择性，受气体中其他气体激光瓦斯测量仪器有很高的灵敏度和选择性，受气体中其他气体成分变化的影响小，测量的准确度高。成分变化的影响小，测量的准确度高。缺点缺点 只适用于实验室使用。因为激光管电压很高，设备复杂，在井下只适用于实验室使用。因为激光管电压很高，设备复杂，在井下使用有一定的困难。使
25、用有一定的困难。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法红外光谱系数法红外光谱系数法第23页，共33页，编辑于2022年，星期一原理原理 根据超声波在不同气体中传播的速度不同的原理制成。根据超声波在不同气体中传播的速度不同的原理制成。在常温常压下，声波在气体中传播的速度为在常温常压下，声波在气体中传播的速度为 标准气体的分子量是标准气体的分子量是2929，CHCH4 4的分子量是的分子量是1616，根据超声波穿过，根据超声波穿过气样后速度的变化就可测出气样中瓦斯的含量。气样后速度的变化就可测出气样中瓦斯的含量。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法超声波测量法超声波测量法K K是常数；是常数；M M
26、是气体的分子量是气体的分子量第24页，共33页，编辑于2022年，星期一缺点缺点 对低浓度瓦斯不灵敏。对低浓度瓦斯不灵敏。因此，这类仪器主要在瓦斯抽放管道或高浓度瓦斯检测因此，这类仪器主要在瓦斯抽放管道或高浓度瓦斯检测中使用。中使用。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法超声波测量法超声波测量法第25页，共33页，编辑于2022年，星期一原理原理 某些金属氧化物（如某些金属氧化物（如SiOSiO2 2及及ZnOZnO等）在等）在600600左右的温度下，左右的温度下，吸附不同的气体后电阻发生变化，利用这一原理可实现瓦吸附不同的气体后电阻发生变化，利用这一原理可实现瓦斯浓度的测量。斯浓度的测量。优
27、点优点 制造简单，使用方便制造简单，使用方便缺点缺点 元件的稳定性和选择性差，对气体的分辨力弱。元件的稳定性和选择性差，对气体的分辨力弱。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法气敏半导体气敏半导体第26页，共33页，编辑于2022年，星期一原理原理 元件内部以铂丝为核心，外部以氧化铝为载体，载体上涂元件内部以铂丝为核心，外部以氧化铝为载体，载体上涂有催化剂，当铂丝通过一定的电流且元件处于含有瓦斯的气有催化剂，当铂丝通过一定的电流且元件处于含有瓦斯的气体中时，表面会产生无焰燃烧，使铂丝因温度升高而增加，体中时，表面会产生无焰燃烧，使铂丝因温度升高而增加，实现对瓦斯的检测。实现对瓦斯的检测。目前，低
28、浓度甲烷传感器均采用这种方法。目前，低浓度甲烷传感器均采用这种方法。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法热载体催化元件热载体催化元件第27页，共33页，编辑于2022年，星期一几个概念几个概念白元件：因氧化铝呈白色，习惯上称为白元件；白元件：因氧化铝呈白色，习惯上称为白元件；黑元件：载体上涂以由活性组分钯、铂配制而成的催化剂，由于黑元件：载体上涂以由活性组分钯、铂配制而成的催化剂，由于催化剂呈棕黑色，习惯上称之为黑元件。催化剂呈棕黑色，习惯上称之为黑元件。没有涂催化剂的元件称之为补偿元件或载体元件。没有涂催化剂的元件称之为补偿元件或载体元件。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法热载体催化元件热
29、载体催化元件第28页，共33页，编辑于2022年，星期一铂丝催化元件的特点铂丝催化元件的特点 既是催化剂，又是加热器，同时又是感温元件。既是催化剂，又是加热器，同时又是感温元件。优点：优点：结构简单；稳定性好；受硫化物中毒影响小。结构简单；稳定性好；受硫化物中毒影响小。缺点：缺点：催化活性低，工作温度催化活性低，工作温度9009001000,1000,升华严重，升华严重，电阻增加，零点漂移，寿命短。电阻增加，零点漂移，寿命短。检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法热载体催化元件热载体催化元件第29页，共33页，编辑于2022年，星期一载体催化元件结构载体催化元件结构铂丝：加热，感温铂丝：加热，感
30、温载体：固定铂丝，附载催化载体：固定铂丝，附载催化剂，传热剂，传热催化剂：催化剂：Pt,Pd,ThPt,Pd,Th催化催化作用，降低甲烷燃烧温作用，降低甲烷燃烧温度（度（300300400 400）；对）；对灵敏度、稳定性、功耗、灵敏度、稳定性、功耗、寿命有很大改善。寿命有很大改善。黑元件：工作元件黑元件：工作元件白元件：补偿元件白元件：补偿元件检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法热载体催化元件热载体催化元件第30页，共33页，编辑于2022年，星期一检测瓦斯含量的方法检测瓦斯含量的方法性能比较性能比较第31页，共33页，编辑于2022年，星期一安装回采工作面甲烷传感器的设置回采工作面甲烷传感
31、器的设置其报警浓度为其报警浓度为1.0%CH1.0%CH4 4，断电浓度为断电浓度为1.5%CH1.5%CH4 4，复电浓度为复电浓度为1.0%CH1.0%CH4 4，回采工作面回风巷甲烷传感器的设置回采工作面回风巷甲烷传感器的设置报警浓度为报警浓度为1.0%CH1.0%CH4 4，断电，断电浓度为浓度为1.0%CH1.0%CH4 4，复电浓度，复电浓度为为1.0%CH1.0%CH4 4 第32页，共33页，编辑于2022年，星期一作业：作业：2-1什么是传感器？其作用是什么？什么是传感器？其作用是什么？2-2传感器主要由哪些部分组成？各部分的作传感器主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？用是什么？2-3传感器的静态特性指标主要有哪些？传感器的静态特性指标主要有哪些？第33页，共33页，编辑于2022年，星期一