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傳感器的定義及分類
更新時間:2010-10-13   點擊次數(shù):2078次

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(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,都需要在傳感器的開
發(fā)方面有相應(yīng)的進(jìn)展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些
系統(tǒng)能力的增強(qiáng),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(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件,作為系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)組成,其重要性變得越來越
明顯。

    zui廣義地來說,傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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*道關(guān)口。

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程,首先要將信號整形成具有*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(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并輸入到微處理器。

    德國和俄羅斯學(xué)者認(rèn)為傳感器應(yīng)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(tǒng)的性能主要取決于傳感器,傳感器把某種形式的能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變成另一種,不
需要外接的能源或激勵源

 無源傳感器不能直接轉(zhuǎn)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(dān)將某個對象或過程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)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(zhuǎn)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(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(shù)轉(zhuǎn)換成可測定的電學(xué)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(biāo)示。

    各種物理效應(yīng)和工作機(jī)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(jī)制和效應(yīng)類型不斷增加,其包含的處理過程日益完
善。

    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(xué)傳感器——味覺壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺

    與當(dāng)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*,
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。

    對傳感器設(shè)定了許多技術(shù)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(jié)構(gòu)在不同場合均需要的基本要求是:

    高靈敏度  抗干擾的穩(wěn)定性(對噪聲不敏感)  線性  容易調(diào)節(jié)(校準(zhǔn)簡易)

    高精度  高可靠性  無遲滯性  工作壽命長(耐用性)

    可重復(fù)性  抗老化  高響應(yīng)速率  抗環(huán)境影響(熱、振動、酸、堿、空氣、水、
塵埃)的能力

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

    寬測量范圍  小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度  寬工作溫度范圍

    二、傳感器的分類

    可以用不同的觀點對傳感器進(jìn)行分類:它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)
效應(yīng));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(xué)傳感器二大類

 按傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng),諸如壓電效應(yīng),磁致伸
縮現(xiàn)象,離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)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(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)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(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為
基礎(chǔ)運作的?;瘜W(xué)傳感器技術(shù)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(xué)傳感器的應(yīng)用將會有巨大增長。

    常見傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和工作原理按照其用途,傳感器可分
類為:

    壓力敏和力敏傳感器位置傳感器

    液面?zhèn)鞲衅鳏S能耗傳感器

    速度傳感器熱敏傳感器

    加速度傳感器射線輻射傳感器

    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。

    以其輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為:

    模擬傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。

    數(shù)字傳感器——將被測量的非電學(xué)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(guān)傳感器——當(dāng)一個被測量的信號達(dá)到某個特定的閾值時,傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)
定的低電平或高電平信號。

在外界因素的作用下,所有材料都會作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。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,被用來制作傳感器的敏感元件。從
所應(yīng)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(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)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(guān)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(yīng)和反應(yīng),然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到
實際使用。

    (2 )探索新的材料,應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來改進(jìn)傳感器技術(shù)。

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

    現(xiàn)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發(fā)強(qiáng)度。傳感
器開發(fā)的基本趨勢是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)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(zhuǎn)換能量形式的材料。

    按照其制造工藝,可以將傳感器區(qū)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(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)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沉積
在介質(zhì)襯底(基板)上的,相應(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)
的預(yù)備性* 作之后,已成形的元件在高溫中進(jìn)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(rèn)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。

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