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傳感器的定義和分類
上海皓鷹測控技術有限公司
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傳感器的定義和分類 </P><P>   一、傳感器的定義</P><P>   信息處理技術取得的進展以及微處理器和計算機技術的高速發(fā)展,都需要在傳感器的開發(fā)方面有相應的進展。微處理器現在已經在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強,作為信息采集系統(tǒng)的前端單元,傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統(tǒng)和機器人技術中的關鍵部件,作為系統(tǒng)中的一個結構組成,其重要性變得越來越明顯。</P><P>   最廣義地來說,傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會(IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為:“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件,它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是:“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”,而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分,它是被測量信號輸入的第一道關口。 </P><P> <BR>   傳感器系統(tǒng)的原則框圖示于圖1-1,進入傳感器的信號幅度是很小的,而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過程,首先要將信號整形成具有最佳特性的波形,有時還需要將信號線性化,該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下,這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號隨后轉換成數字信號,并輸入到微處理器。</P><P>   德國和俄羅斯學者認為傳感器應是由二部分組成的,即直接感知被測量信號的敏感元件部分和初始處理信號的電路部分。按這種理解,傳感器還包含了信號成形器的電路部分。 </P><P>   傳感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器,傳感器把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。有兩類傳感器:有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉變成另一種,不需要外接的能源或激勵源(參閱圖1-2(a))。 </P><P> 有源(a)和無源(b)傳感器的信號流程</P><P>   無源傳感器不能直接轉換能量形式,但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵能<BR> 傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉換成數量的工作。其“對象”可以是固體、液體或氣體,而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的,也可以是動態(tài)(即過程)的。對象特性被轉換量化后可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質的,也可以是化學性質的。按照其工作原理,傳感器將對象特性或狀態(tài)參數轉換成可測定的電學量,然后將此電信號分離出來,送入傳感器系統(tǒng)加以評測或標示。 </P><P>   各種物理效應和工作機理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被測量對象,也可以不接觸。用于傳感器的工作機制和效應類型不斷增加,其包含的處理過程日益完善。</P><P>   常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬: <BR>   光敏傳感器——視覺 聲敏傳感器——聽覺<BR>   氣敏傳感器——嗅覺 化學傳感器——味覺 <BR>   壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺</P><P>   與當代的傳感器相比,人類的感覺能力好得多,但也有一些傳感器比人的感覺功能優(yōu)越,例如人類沒有能力感知紫外或紅外線輻射,感覺不到電磁場、無色無味的氣體等。</P><P>   對傳感器設定了許多技術要求,有一些是對所有類型傳感器都適用的,也有只對特定類型傳感器適用的特殊要求。針對傳感器的工作原理和結構在不同場合均需要的基本要求是: </P><P>   高靈敏度  抗干擾的穩(wěn)定性(對噪聲不敏感)   線性  容易調節(jié)(校準簡易) </P><P>   高精度  高可靠性   無遲滯性  工作壽命長(耐用性) </P><P>   可重復性  抗老化   高響應速率  抗環(huán)境影響(熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力 </P><P>   選擇性  安全性(傳感器應是無污染的)   互換性  低成本 </P><P>   寬測量范圍  小尺寸、重量輕和高強度   寬工作溫度范圍 <BR>    <BR>    <BR>   二、傳感器的分類</P><P>   可以用不同的觀點對傳感器進行分類:它們的轉換原理(傳感器工作的基本物理或化學效應);它們的用途;它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。</P><P>   根據傳感器工作原理,可分為物理傳感器和化學傳感器二大類<BR> 傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應,諸如壓電效應,磁致伸縮現象,離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。</P><P>   化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器,被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。</P><P>   有些傳感器既不能劃分到物理類,也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的;瘜W傳感器技術問題較多,例如可靠性問題,規(guī)模生產的可能性,價格問題等,解決了這類難題,化學傳感器的應用將會有巨大增長。 </P><P>   常見傳感器的應用領域和工作原理列于表1.1。 </P><P> <BR>   按照其用途,傳感器可分類為: <BR>    <BR>   壓力敏和力敏傳感器 位置傳感器 <BR>    <BR>   液面?zhèn)鞲衅?能耗傳感器 <BR>    <BR>   速度傳感器 熱敏傳感器 <BR>    <BR>   加速度傳感器 射線輻射傳感器 <BR>    <BR>   振動傳感器 濕敏傳感器 <BR>    <BR>   磁敏傳感器 氣敏傳感器 <BR>    <BR>   真空度傳感器 生物傳感器等。 <BR>    <BR>   以其輸出信號為標準可將傳感器分為: <BR>    <BR>   模擬傳感器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。 <BR>    <BR>   數字傳感器——將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。 <BR>    <BR>   膺數字傳感器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。 <BR>    <BR>   開關傳感器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時,傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。<BR>  <BR>   在外界因素的作用下,所有材料都會作出相應的、具有特征性的反應。它們中的那些對外界作用最敏感的材料,即那些具有功能特性的材料,被用來制作傳感器的敏感元件。從所應用的材料觀點出發(fā)可將傳感器分成下列幾類: <BR>    <BR>   (1)按照其所用材料的類別分 <BR>    <BR>   金屬 聚合物 陶瓷 混合物 <BR>    <BR>   (2)按材料的物理性質分  導體 絕緣體 半導體 磁性材料 <BR>    <BR>   (3)按材料的晶體結構分 <BR>    <BR>   單晶 多晶 非晶材料 <BR>    <BR>   與采用新材料緊密相關的傳感器開發(fā)工作,可以歸納為下述三個方向: <BR>    <BR>   (1)在已知的材料中探索新的現象、效應和反應,然后使它們能在傳感器技術中得到實際使用。 <BR>    <BR>   (2)探索新的材料,應用那些已知的現象、效應和反應來改進傳感器技術。 <BR>    <BR>   (3)在研究新型材料的基礎上探索新現象、新效應和反應,并在傳感器技術中加以具體實施。</P><P>   現代傳感器制造業(yè)的進展取決于用于傳感器技術的新材料和敏感元件的開發(fā)強度。傳感器開發(fā)的基本趨勢是和半導體以及介質材料的應用密切關聯(lián)的。表1.2中給出了一些可用于傳感器技術的、能夠轉換能量形式的材料。 <BR>    <BR>   按照其制造工藝,可以將傳感器區(qū)分為: <BR>    <BR>   集成傳感器薄膜傳感器厚膜傳感器陶瓷傳感器 </P><P>   集成傳感器是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。 <BR>   薄膜傳感器則是通過沉積在介質襯底(基板)上的,相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時,同樣可將部分電路制造在此基板上。 <BR>   厚膜傳感器是利用相應材料的漿料,涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常是Al2O3制成的,然后進行熱處理,使厚膜成形。 <BR>   陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。 <BR>   完成適當的預備性操作之后,已成形的元件在高溫中進行燒結。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性,在某些方面,可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。<BR> 每種工藝技術都有自已的優(yōu)點和不足。由于研究、開發(fā)和生產所需的資本投入較低,以及傳感器參數的高穩(wěn)定性等原因,采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。 <BR>     </P><P> <BR>
 

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