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      傳感器的定義和分類(lèi)

      瀏覽次數:3395發(fā)布日期:2011-06-07

      一、傳感器的定義

        信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計算機技術(shù)的高速發(fā)展,都需要在傳感器的開(kāi)發(fā)方面有相應的進(jìn)展。微處理器現在已經(jīng)在測量和控制系統中得到了廣泛的應用。隨著(zhù)這些系統能力的增強,作為信息采集系統的前端單元,傳感器的作用越來(lái)越重要。傳感器已成為自動(dòng)化系統和機器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件,作為系統中的一個(gè)結構組成,其重要性變得越來(lái)越明顯。

        zui廣義地來(lái)說(shuō),傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉變成便于利用的電信號的器件。電工委員會(huì )(IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為:“傳感器是測量系統中的一種前置部件,它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說(shuō)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的一個(gè)組成部分,它是被測量信號輸入的*道關(guān)口。 


        傳感器系統的原則框圖示于圖1-1,進(jìn)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(guò)程,先要將信號整形成具有*特性的波形,有時(shí)還需要將信號線(xiàn)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。

        德國和俄羅斯學(xué)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。 

        傳感器系統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(lèi)傳感器:有源的和無(wú)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))。 

              有源(a)和無(wú)源(b)傳感器的信號流程

        無(wú)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
      傳感器承擔將某個(gè)對象或過(guò)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(dòng)態(tài)(即過(guò)程)的。對象特性被轉換量化后可以通過(guò)多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質(zhì)的,也可以是化學(xué)性質(zhì)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(xué)量,然后將此電信號分離出來(lái),送入傳感器系統加以評測或標示。 

        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(lèi)型不斷增加,其包含的處理過(guò)程日益完善。

        常將傳感器的功能與人類(lèi)5大感覺(jué)器官相比擬: 
        光敏傳感器——視覺(jué) 聲敏傳感器——聽(tīng)覺(jué)
        氣敏傳感器——嗅覺(jué) 化學(xué)傳感器——味覺(jué) 
        壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺(jué)

        與當代的傳感器相比,人類(lèi)的感覺(jué)能力好得多,但也有一些傳感器比人的感覺(jué)功能*,例如人類(lèi)沒(méi)有能力感知紫外或紅外線(xiàn)輻射,感覺(jué)不到電磁場(chǎng)、無(wú)色無(wú)味的氣體等。

        對傳感器設定了許多技術(shù)要求,有一些是對所有類(lèi)型傳感器都適用的,也有只對特定類(lèi)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(chǎng)合均需要的基本要求是: 

        高靈敏度  抗干擾的穩定性(對噪聲不敏感)   線(xiàn)性  容易調節(校準簡(jiǎn)易) 

        高精度  高可靠性   無(wú)遲滯性  工作壽命長(cháng)(耐用性) 

        可重復性  抗老化   高響應速率  抗環(huán)境影響(熱、振動(dòng)、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力 

        選擇性  安全性(傳感器應是無(wú)污染的)   互換性  低成本 

        寬測量范圍  小尺寸、重量輕和高強度   寬工作溫度范圍 
         
         
        二、傳感器的分類(lèi)

        可以用不同的觀(guān)點(diǎn)對傳感器進(jìn)行分類(lèi):它們的轉換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應);它們的用途;它們的輸出信號類(lèi)型以及制作它們的材料和工藝等。

        根據傳感器工作原理,可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類(lèi):

              傳感器工作原理的分類(lèi)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。

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

        有些傳感器既不能劃分到物理類(lèi),也不能劃分為化學(xué)類(lèi)。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的?;瘜W(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多,例如可靠性問(wèn)題,規模生產(chǎn)的可能性,價(jià)格問(wèn)題等,解決了這類(lèi)難題,化學(xué)傳感器的應用將會(huì )有巨大增長(cháng)。 

        常見(jiàn)傳感器的應用領(lǐng)域和工作原理列于表1.1。 

        按照其用途,傳感器可分類(lèi)為: 
         
        壓力敏和力敏傳感器 位置傳感器 
         
        液面傳感器 能耗傳感器 
         
        速度傳感器 熱敏傳感器 
         
        加速度傳感器 射線(xiàn)輻射傳感器 
         
        振動(dòng)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。 
         
        以其輸出信號為標準可將傳感器分為: 
         
        模擬傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉換成模擬電信號。 
         
        數字傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。 
         
        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)。 
         
        開(kāi)關(guān)傳感器——當一個(gè)被測量的信號達到某個(gè)特定的閾值時(shí),傳感器相應地輸出一個(gè)設定的低電平或高電平信號。
       
        在外界因素的作用下,所有材料都會(huì )作出相應的、具有特征性的反應。它們中的那些對外界作用zui敏感的材料,即那些具有功能特性的材料,被用來(lái)制作傳感器的敏感元件。從所應用的材料觀(guān)點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列幾類(lèi): 
         
       ?。?)按照其所用材料的類(lèi)別分 
         
        金屬 聚合物 陶瓷 混合物 
         
       ?。?)按材料的物理性質(zhì)分  導體 絕緣體 半導體 磁性材料 
         
       ?。?)按材料的晶體結構分 
         
        單晶 多晶 非晶材料 
         
        與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開(kāi)發(fā)工作,可以歸納為下述三個(gè)方向: 
         
       ?。?)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(shù)中得到實(shí)際使用。 
         
       ?。?)探索新的材料,應用那些已知的現象、效應和反應來(lái)改進(jìn)傳感器技術(shù)。 
         
       ?。?)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(shù)中加以具體實(shí)施。

        現代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開(kāi)發(fā)強度。傳感器開(kāi)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(guān)聯(lián)的。表1.2中給出了一些可用于傳感器技術(shù)的、能夠轉換能量形式的材料。 
         
        按照其制造工藝,可以將傳感器區分為: 
         
        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(shù)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(guò)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(shí),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(jìn)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)。

        完成適當的預備性操作之后,已成形的元件在高溫中進(jìn)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。

        每種工藝技術(shù)都有自已的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低,以及傳感器參數的高穩定性等原因,采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理

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