傳感器

傳感器的原理

　　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(xiàn)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(zhuǎn)換成電信號?；瘜W傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現(xiàn)象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波，經(jīng)過TDA2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運算放大器AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩(wěn)壓電源產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉(zhuǎn)換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過V/F轉(zhuǎn)換器LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器T2從旋轉(zhuǎn)的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經(jīng)過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平,既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉(zhuǎn)變壓器動--靜環(huán)之間只有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內(nèi)，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。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(shù)傳感器是以物理原理為基礎運作的。化學傳感器技術問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)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。

ontent">傳感器的應用

　　常見的：

　　1.自動門，利用人體的紅外微波來開關門

　　2.煙霧報警器，利用煙敏電阻來測量煙霧濃度，從而達到報警目的

　　3.手機，數(shù)碼相機的照相機，利用光學傳感器來捕獲圖象

　　4.電子稱，利用力學傳感器（導體應變片技術）來測量物體對應變片的壓力，從而達到測量重量目的

　　5.水位報警，溫度報警，濕度報警，光學報警等都是……

　　智能傳感器已廣泛應用于航天、航空、國防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領域中。例如,它在機器人領域中有著廣闊應用前景,智能傳感器使機器人具有類人的五官和大腦功能,可感知各種現(xiàn)象,完成各種動作。在工業(yè)生產(chǎn)中,利用傳統(tǒng)的傳感器無法對某些產(chǎn)品質(zhì)量指標(例如,黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等)進行快速直接測量并在線控制。而利用智能傳感器可直接測量與產(chǎn)品質(zhì)量指標有函數(shù)關系的生產(chǎn)過程中的某些量(如溫度、壓力、流量等)。Cygnus公司生產(chǎn)了一種"葡萄糖手表",其外觀像普通手表一樣,戴上它就能實現(xiàn)無疼、無血、連續(xù)的血糖測試。"葡萄糖手表"上有一塊涂著試劑的墊子,當墊子與皮膚接觸時,葡萄糖分子就被吸附到墊子上,并與試劑發(fā)生電化學反應,產(chǎn)生電流。傳感器測量該電流,經(jīng)處理器計算出與該電流對應的血糖濃度,并以數(shù)字量顯示。

傳感器的功能

　　常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：

　　光敏傳感器——視覺? 聲敏傳感器——聽覺

　　氣敏傳感器——嗅覺 ?化學傳感器——味覺

　　壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺　

　　敏感元件的分類：

　?、傥锢眍?，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。

　?、诨瘜W類，基于化學反應的原理。

　　③生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。

　　通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將敏感元件分46類）。

傳感器的分類

　　可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉(zhuǎn)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。

　　根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類 ：

　　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(xiàn)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(zhuǎn)換成電信號。

　　化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現(xiàn)象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。

　　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(shù)傳感器是以物理原理為基礎運作的。化學傳感器技術問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)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。

　　常見傳感器的應用領域和工作原理列于下表。

1、傳感器按照其用途分類：

　　壓力敏和力敏傳感器 位置傳感器

　　液面?zhèn)鞲衅?能耗傳感器

　　速度傳感器 加速度傳感器

　　射線輻射傳感器 熱敏傳感器

　　24GHz雷達傳感器

2、傳感器按照其原理分類：

　　振動傳感器 濕敏傳感器

　　磁敏傳感器 氣敏傳感器

　　真空度傳感器 生物傳感器等。

3、傳感器按照其輸出信號為標準分類：

　　模擬傳感器——將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。

　　數(shù)字傳感器——將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。

　　膺數(shù)字傳感器——將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。

　　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。

4、傳感器按照其材料為標準分類：

　　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：

　　(1)按照其所用材料的類別分

　　金屬 聚合物 陶瓷 混合物

　　(2)按材料的物理性質(zhì)分： 導體 絕緣體 半導體 磁性材料

　　(3)按材料的晶體結(jié)構(gòu)分：

　　單晶 多晶 非晶材料

　　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：

　　(1)在已知的材料中探索新的現(xiàn)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。

　　(2)探索新的材料，應用那些已知的現(xiàn)象、效應和反應來改進傳感器技術。

　　(3)在研究新型材料的基礎上探索新現(xiàn)象、新效應和反應，并在傳感器技術中加以具體實施。

　　現(xiàn)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(zhì)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(zhuǎn)換能量形式的材料。

5、傳感器按照其制造工藝分類：

　　集成傳感器 薄膜傳感器 厚膜傳感器 陶瓷傳感器

　　集成傳感器是用標準的生產(chǎn)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。

　　薄膜傳感器則是通過沉積在介質(zhì)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。

　　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。

　　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(chǎn)。

　　完成適當?shù)念A備性操作之后，已成形的元件在高溫中進行燒結(jié)。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。

　　每種工藝技術都有自己的優(yōu)點和不足。由于研究、開發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低，以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。

傳感器的特性

傳感器靜態(tài)特性

　　傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移等。

　?。?）線性度：指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離擬合直線的程度。定義為在全量程范圍內(nèi)實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。

　?。?）靈敏度：靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標。其定義為輸出量的增量與引起該增量的相應輸入量增量之比。用S表示靈敏度。

　?。?）遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象成為遲滯。對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。

　?。?）重復性：重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。

　?。?）漂移：傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。

傳感器動態(tài)特性

　　所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。

傳感器的線性度

　　通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。

　　擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或?qū)⑴c特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。

傳感器的靈敏度

　　靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。

　　它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系，則靈敏度S是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。

　　靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應表示為200mV/mm。

　　當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。

　　提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。

傳感器的分辨率

　　分辨率是指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨率時，其輸出才會發(fā)生變化。

　　通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點的分辨率并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨率的指標。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。分辨率與傳感器的穩(wěn)定性有負相相關性。