第1章 傳感器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)

傳感器原理及應(yīng)用(第4版)

1.1傳感器的作用隨著現(xiàn)代測量、控制和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)越來越受到人們的重視。特別是近年來，由于科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)平衡的需要，傳感器在各個(gè)領(lǐng)域中的作用也日益顯著。在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、能源、交通、災(zāi)害預(yù)測、安全防衛(wèi)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生等方面所開發(fā)的各種傳感器，不僅能代替人的感官功能，并且在檢測人的感官所不能感受的參數(shù)方面創(chuàng)造了十分有利的條件。

第1章緒論

2工業(yè)生產(chǎn)中，它起到了工業(yè)耳目的作用。例如，冶金工業(yè)中連續(xù)鑄造生產(chǎn)過程中的鋼包液位檢測，高爐鐵水硫磷含量分析等方面就需要多種多樣的傳感器為操作人員提供可靠的數(shù)據(jù)。此外，用于工廠自動(dòng)化柔性制造系統(tǒng)(FMS)中的機(jī)械手或機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)高精度在線實(shí)時(shí)測量，從而保證了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在微型計(jì)算機(jī)廣為普及的今天，如果沒有各種類型的傳感器提供可靠、準(zhǔn)確的信息，計(jì)算機(jī)控制就難以實(shí)現(xiàn)。因此，近幾年來傳感器技術(shù)的應(yīng)用研究在許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國家中已經(jīng)得到普遍重視。第1章緒論3第1章緒論1.2傳感器及傳感技術(shù)傳感器(transducer或sensor)是將各種非電量(包括物理量、化學(xué)量、生物量等)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量(一般為電量)的裝置。過去人們習(xí)慣地把傳感器僅作為測量工程的一部分加以研究，但是自19世紀(jì)60年代以來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展和固體物理效應(yīng)的不斷發(fā)現(xiàn)，目前傳感器技術(shù)已形成了一個(gè)新型科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，建立了一個(gè)完整的獨(dú)立科學(xué)體系——傳感器工程學(xué)。4傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測的一門應(yīng)用技術(shù)，它是檢測(傳感)原理、材料科學(xué)、工藝加工等三個(gè)要素的最佳結(jié)合。檢測(傳感)原理指傳感器工作時(shí)所依據(jù)的物理效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)等機(jī)理，各種功能材料則是傳感技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，從某種意義上講，傳感器也就是能感知外界各種被測信號(hào)的功能材料。傳感技術(shù)的研究和開發(fā)，不僅要求原理正確，選材合適，而且要求有先進(jìn)、高精度的加工裝配技術(shù)。除此之外，傳感技術(shù)還包括如何更好地把傳感元件用于各個(gè)領(lǐng)域的所謂傳感器軟件技術(shù)，如傳感器的選擇、標(biāo)定以及接口技術(shù)等?？傊?，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感技術(shù)的研究開發(fā)范圍正在不斷擴(kuò)大。第1章緒論51.3傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成。如圖1-1所示。

第1章緒論圖1-1傳感器的組成方塊圖6第1章緒論敏感元件(預(yù)變換器)：在完成非電量到電量的變換時(shí)，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接變換為電量，往往是將被測非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量，然后再變換為電量。能夠完成預(yù)變換的器件稱為敏感元件，又稱預(yù)變換器。如在傳感器中各種類型的彈性元件常被稱為敏感元件，并統(tǒng)稱為彈性敏感元件。7轉(zhuǎn)換元件：將感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為轉(zhuǎn)換元件，例如壓電晶體、熱電偶等。需要指出的是，并非所有的傳感器都包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，如熱敏電阻、光電器件等。而另外一些傳感器，其敏感元件和轉(zhuǎn)換元件可合二為一，如壓阻式壓力傳感器等。測量電路：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量變成便于顯示、記錄、控制和處理的有用電信號(hào)的電路稱為測量電路。測量電路的類型視轉(zhuǎn)換元件的分類而定，經(jīng)常采用的有電橋電路及其他特殊電路，如高阻抗輸入電路、脈沖調(diào)寬電路、振蕩回路等。第1章緒論81.4傳感器的分類傳感器的種類很多，目前尚沒有統(tǒng)一的分類方法，一般常采用的分類方法有如下幾種。（1）按輸入量分類如輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、加速度、濕度等非電量時(shí)，則相應(yīng)的傳感器稱