傳感器與檢測(cè)技術(shù)論文

2301436245傳感器與檢測(cè)技術(shù)論文傳感器的定義、組成、分類(lèi)及基本特征。傳感器源自“感覺(jué)”一詞。人類(lèi)的“五官”可以說(shuō)就是最原始的傳感器。它是一種能夠感受被測(cè)量信息同時(shí)又能夠?qū)⒏惺艿降谋粶y(cè)量信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換或電、信號(hào)或其他所需形式的信號(hào)輸出，以達(dá)到便于傳輸、處理、顯示和控制等目的的檢測(cè)裝置。從各行各業(yè)到日常生活，傳感器幾乎是無(wú)處不在，無(wú)處不用，其主要作用就是信息的采集和獲取。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說(shuō)，沒(méi)有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。傳感器也稱(chēng)為變換器、換能器、變松器、發(fā)送器與探測(cè)器等，由于傳感器元件的輸出信號(hào)往往都非常微弱，傳感器在除敏感元件兩大組成部分之外，所以還必須加入轉(zhuǎn)換電路以便對(duì)弱小的信號(hào)進(jìn)行放大。另外，還應(yīng)有輔助電源，以供傳感器和轉(zhuǎn)換電路工作。隨著集成電路技術(shù)在傳感器應(yīng)用中的深入，傳感器的各個(gè)組成部分可以集成在同一半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成集成傳感器。傳感器種類(lèi)眾多，原理各異分類(lèi)方式也不盡相同。按輸入被測(cè)量進(jìn)行分類(lèi)，一般可分為速度傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器等。這種分類(lèi)方法直接反應(yīng)了檢測(cè)的目的；按輸出量形式可分為數(shù)字傳感器與模擬傳感器兩類(lèi)；按工作機(jī)理可分為結(jié)構(gòu)型和物性型；按轉(zhuǎn)換原理可分為電阻式、電容式、電感式、壓電式、光電式、熱點(diǎn)式傳感器等；按信息的傳遞方式可分為能量轉(zhuǎn)換傳感器與能量控制型傳感器兩類(lèi)。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，輔助制造技術(shù)，集成電路技術(shù)和微機(jī)械電子系統(tǒng)技術(shù)等新技術(shù)以及新工藝、新材料的應(yīng)用，出現(xiàn)了精度更高，性能更優(yōu)、用途更廣的現(xiàn)代傳感器?，F(xiàn)代化傳感器正在向智能化、集成化、多功能化方向發(fā)展。傳感器有其基本特性，可分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性是指靜態(tài)信號(hào)作用下的輸出輸入關(guān)系特性，而所謂動(dòng)態(tài)特性是指動(dòng)態(tài)信號(hào)下的輸入輸出關(guān)系特性。衡量傳感器其靜態(tài)特性?xún)?yōu)劣的重要性能指標(biāo)線(xiàn)是性靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨率與穩(wěn)定性。傳感器它是一種能夠感受被測(cè)量信息的，在檢測(cè)系統(tǒng)中傳感器有著廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)代自動(dòng)檢測(cè)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)成的。檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分是以信息流的過(guò)程進(jìn)行劃分的。傳感器處于整個(gè)系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其作用是將直接感受到的被測(cè)量轉(zhuǎn)換為容易進(jìn)行測(cè)試的電信號(hào)或其他所需形式的信號(hào)。檢測(cè)技術(shù)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)中必不可少的手段。任何一項(xiàng)現(xiàn)代自然科學(xué)成就或技術(shù)發(fā)明，總是通過(guò)檢測(cè)技術(shù)獲取大量準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。檢測(cè)技術(shù)能夠涉及的測(cè)量范圍與能夠達(dá)到的測(cè)量精度，很大程度上決定著現(xiàn)代科技進(jìn)步的深度與廣度。如在國(guó)防科技中，沒(méi)有檢測(cè)技術(shù)，導(dǎo)彈發(fā)射與衛(wèi)星上天是不可能的。利用檢測(cè)技術(shù)處理獲取的數(shù)據(jù)信息，能對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能做出客觀(guān)的評(píng)價(jià)，為工藝人員進(jìn)行制造工藝提供依據(jù)。在現(xiàn)在大工業(yè)生產(chǎn)中，如果沒(méi)有檢測(cè)技術(shù)，新設(shè)備的研制以及復(fù)雜工藝流程的具體實(shí)現(xiàn)是不可能的。傳感器的應(yīng)用作為自動(dòng)檢測(cè)的首要環(huán)節(jié)，進(jìn)行正確的選用是首先要考慮的。在選用傳感器時(shí)，不能片面追求其線(xiàn)性度好、靈敏度高、遲滯小、重復(fù)性?xún)?yōu)、分辨力強(qiáng)，而是應(yīng)該根據(jù)檢測(cè)的具體要求和條件，保證主要性能指標(biāo)滿(mǎn)足要求即可，即選用時(shí)應(yīng)遵循下列幾項(xiàng)原則：考慮檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的要求；考慮檢測(cè)系統(tǒng)外部的條件；考慮傳感器自身的技術(shù)指標(biāo)。傳感器作為感知、獲取和檢測(cè)信息的窗口，提供著人類(lèi)賴(lài)以進(jìn)行判斷、決策與處理所必需的原始數(shù)據(jù)。若沒(méi)有它，測(cè)量難以轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其他儀表和裝備也就失去了存在的意義。雖然目前自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制技術(shù)正經(jīng)歷著重大變革，但缺少傳感器一切都是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。2.傳感器技術(shù)狀的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)電子信息業(yè)在上世紀(jì)八十年代第一次騰飛后，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化進(jìn)程的加快，之后又進(jìn)入持續(xù)快速發(fā)展的新時(shí)期。這個(gè)時(shí)期電子信息產(chǎn)業(yè)的主要特征表現(xiàn)為：一是正在從單一的制造業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)生產(chǎn)與知識(shí)生產(chǎn)，裝備制造與系統(tǒng)集成，硬件制造與軟件制造，工業(yè)生產(chǎn)與信息服務(wù)相結(jié)合的現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)；二是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，企業(yè)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行機(jī)制，管理模式等方面發(fā)生了深刻變化；三是我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)和先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，是新世紀(jì)的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化建設(shè)提供主要技術(shù)和物質(zhì)支撐。傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)是：基礎(chǔ)、應(yīng)用兩頭依附；技術(shù)、投資兩個(gè)密集；產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)兩大分散?；A(chǔ)、應(yīng)用兩頭依附，是指?jìng)鞲衅骷夹g(shù)的發(fā)展依附于敏感機(jī)理、敏感材料、工藝設(shè)備和計(jì)測(cè)技術(shù)這四塊基石。敏感機(jī)理千差萬(wàn)別，敏感材料多種多樣，工藝設(shè)備各不相同，計(jì)測(cè)技術(shù)大相徑庭，沒(méi)有上述四塊基石的支撐，傳感器技術(shù)難以為繼。應(yīng)用依附是指?jìng)鞲衅骷夹g(shù)基本上屬于應(yīng)用技術(shù)，其市場(chǎng)開(kāi)發(fā)多依賴(lài)于檢測(cè)裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，才能真正體現(xiàn)出它的高附加效益并形成現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)。也即發(fā)展傳感器技術(shù)要以市場(chǎng)為導(dǎo)向，實(shí)行需求牽引。技術(shù)、投資兩個(gè)密集技術(shù)密集是指?jìng)鞲衅髟谘兄坪椭圃爝^(guò)程中技術(shù)的多樣性、邊緣性、綜合性和技藝性。它是多種高技術(shù)的集合產(chǎn)物。由于技術(shù)密集也自然要求人才密集。投資密集是指研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)某一種傳感器產(chǎn)品要求一定的投資強(qiáng)度，尤其是在工程化研究以及建立規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)線(xiàn)時(shí)，更要求較大的投資。增加投資和正確的投資方向是提高傳感器產(chǎn)業(yè)水平的主要條件之一，也是企事業(yè)決策者謀求最佳經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)兩大分散，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的兩大分散是指?jìng)鞲衅鳟a(chǎn)品門(mén)類(lèi)品種繁多，生產(chǎn)、研究單位分布在除地方外有12個(gè)部委（電子、機(jī)械、科學(xué)院、航空航天、教委、冶金、船舶、鐵道、輕工、化工、煤炭等），其應(yīng)用滲透到各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門(mén)，它的發(fā)展既是各產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力。只有按照市場(chǎng)需求，不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)傳感器產(chǎn)業(yè)的全面、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展。在國(guó)家的支持下，“八五”以來(lái)，我國(guó)的傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。在學(xué)術(shù)交流方面，1989年10月由敏感元器件與傳感器分會(huì)發(fā)起主辦的“STC“89首屆全國(guó)敏感元件與傳感器學(xué)術(shù)會(huì)議”已延續(xù)至今，固定每?jī)赡暾匍_(kāi)一次，每逢活動(dòng)不但國(guó)內(nèi)學(xué)者、企業(yè)家云集且有不少其它國(guó)家的人士參加。目前，其論值組織機(jī)構(gòu)為：“全國(guó)敏感元件與傳感器學(xué)術(shù)團(tuán)體聯(lián)合組織委員會(huì)”。3.光電式傳感器的工作原理、測(cè)量電路、應(yīng)用。理論基礎(chǔ)——光電效應(yīng)光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類(lèi)。外光電效應(yīng)是指在光照射下，電子逸出物體表面的外發(fā)射的現(xiàn)象，也稱(chēng)光電發(fā)射效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)是指入射的光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象，稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)，大多數(shù)光電控制應(yīng)用的傳感器，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等都屬于內(nèi)光電效應(yīng)類(lèi)傳感器。外光電效應(yīng)光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大，電子會(huì)克服束縛逸出表面，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運(yùn)動(dòng)著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數(shù))，由此可見(jiàn)不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會(huì)增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律：式中，m為電子質(zhì)量,v為電子逸出的初速度,w為逸出功。由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是hv>w。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對(duì)每一種陰極材料，入射光都有一個(gè)確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱(chēng)為“紅限”。相應(yīng)的波長(zhǎng)為式中，c為光速，w為逸出功。內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照射到半導(dǎo)體表面時(shí),由于半導(dǎo)體中的電子吸收了光子的能量,使電子從半導(dǎo)體表面逸出至周?chē)臻g的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以制成陰極射線(xiàn)管、光電倍增管和攝像管的光陰極等。半導(dǎo)體材料的價(jià)帶與導(dǎo)帶間有一個(gè)帶隙,其能量間隔為Eg。一般情況下,價(jià)帶中的電子不會(huì)自發(fā)地躍遷到導(dǎo)帶,所以半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如導(dǎo)體。但如果通過(guò)某種方式給價(jià)帶中的電子提供能量,就可以將其激發(fā)到導(dǎo)帶中,形成載流子,增加導(dǎo)電性。光照就是一種激勵(lì)方式。當(dāng)入射光的能量hν≥Eg（Eg為帶隙間隔)時(shí),價(jià)帶中的電子就會(huì)吸收光子的能量,躍遷到導(dǎo)帶,而在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴,形成一對(duì)可以導(dǎo)電的電子——空穴對(duì)。這里的電子并未逸出形成光電子,但顯然存在著由于光照而產(chǎn)生的電效應(yīng)。因此,這種光電效應(yīng)就是一種內(nèi)光電效應(yīng)。從理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,要使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶,也存在一個(gè)入射光的極限能量,即Eλ=hν0=Eg,其中ν0是低頻限(即極限頻率ν0=Egh)。這個(gè)關(guān)系也可以用長(zhǎng)波限表示,即λ0=hcEg。入射光的頻率大于ν0或波長(zhǎng)小于λ0時(shí),才會(huì)發(fā)生電子的帶間躍遷。當(dāng)入射光能量較小,不能使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí),有可能使電子吸收光能后,在一個(gè)能帶內(nèi)的亞能級(jí)結(jié)構(gòu)間(即圖1中每個(gè)能帶的細(xì)線(xiàn)間)躍遷。光電器件及其特性光敏電阻1)光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。2)光敏電阻的伏安特性測(cè)量圖1光敏電阻伏安特性測(cè)試電路（1）按原理圖1連接好實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路，將光源用的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈和光敏電阻板置測(cè)試架中，電阻盒以及轉(zhuǎn)接盒插在九孔板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供。（2）通過(guò)改變光源電壓或調(diào)節(jié)光源到光敏電阻之間的距離以提供一定的光強(qiáng)，每次在一定的光照條件下，測(cè)出加在光敏電阻上電壓U為+2V、+4V、+6V、+8V、+10V時(shí)5個(gè)光電流數(shù)據(jù)，即,同時(shí)算出此時(shí)光敏電阻的阻值。以后逐步調(diào)大相對(duì)光強(qiáng)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行5～6次不同光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量。在一定光強(qiáng)下，光敏電阻的光電流與光電壓成線(xiàn)性關(guān)系，隨電壓的增大二增大，并且，光強(qiáng)越大，其增長(zhǎng)越快。光敏二極管1）光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類(lèi)似的,其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時(shí)需加上反向電壓。無(wú)光照時(shí),有很小的飽和反向漏電流,即暗電流，此時(shí)光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí),飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線(xiàn)照射PN結(jié)時(shí)，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強(qiáng)弱來(lái)改變電路中的電流。2）光敏二極管的伏安特性測(cè)量圖2光敏二極管特性測(cè)試電路（1）按原理圖2接好實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路，將光電二極管板置測(cè)試架中、電阻盒置于九孔插板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供，光源電壓0～12V（可調(diào)）。（2）先將可調(diào)光源調(diào)至相對(duì)光強(qiáng)為“弱光”位置，每次在一定的照度下，測(cè)出加在光敏二極管上的反偏電壓與產(chǎn)生的光電流的關(guān)系數(shù)據(jù)，其中光電流：(l.00KΩ為取樣電阻R），以后逐步調(diào)大相對(duì)光強(qiáng)（5～6次），重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。光電二極管的在一定光強(qiáng)下，其光電流保持一定值，并不隨光電壓得增大而增大。光敏三極管光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時(shí)也受光輻射的控制。通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補(bǔ)償和附加控制等作用。當(dāng)具有光敏特性的PN結(jié)受到光輻射時(shí)，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了相當(dāng)于β倍的信號(hào)電流。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。圖3光敏三極管特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)（1）按原理圖3接好實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路，將光敏三極管板置測(cè)試架中、電阻盒置于九孔插板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供，光源電壓0～12V（可調(diào)）。（2）先將可調(diào)光源調(diào)至相對(duì)光強(qiáng)為“弱光”位置，每次在一定光照條件下，測(cè)出加在光敏三極管的偏置電壓UCE與產(chǎn)生的光電流IC的關(guān)系數(shù)據(jù)。其中光電流(l.00KΩ為取樣電阻R）。在較弱光強(qiáng)下，光明三極管的光電流并不隨光電壓變化，隨著光強(qiáng)的增大，其光電流在一定范圍內(nèi)隨著電壓的增大二增大，而后保持一定值不變。硅光電池硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，核心部分是一個(gè)大面積的PN結(jié)，把一只透明玻璃外殼的點(diǎn)接觸型二極管與一塊微安表接成閉合回路，當(dāng)二極管的管芯(PN結(jié))受到光照時(shí)，你就會(huì)看到微安表的表針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，顯示出回路里有電流，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。硅光電池的PN結(jié)面積要比二極管的PN結(jié)大得多，所以受到光照時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流也大得多。硅光電池的伏安特性測(cè)量圖4硅光電池特性測(cè)試電路（1）實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路見(jiàn)圖4，電阻箱調(diào)到0Ω。（2）先將可調(diào)光源調(diào)至相對(duì)光強(qiáng)為“弱光”位置，每次在一定的照度下，測(cè)出硅光電池的開(kāi)路電壓Uoc和短路電流IS，其中短路電流為（取樣電阻R為10.00Ω），以后逐步調(diào)大相對(duì)光強(qiáng)（5～6次），重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。在光強(qiáng)一定時(shí)，硅光電池的光電流隨著光電壓的增大先保持不變，后逐漸減小，且減小速度越來(lái)越快。光電傳感器的應(yīng)用光敏電阻可用于進(jìn)行光的測(cè)量和光的控制，測(cè)量方面主要是用于測(cè)量光強(qiáng)，控制方面最常見(jiàn)的就是路燈控制和樓道感應(yīng)燈的控制，在電路接通的狀態(tài)下，路燈會(huì)隨著周?chē)鈴?qiáng)的變化而變化，樓道中的燈白天不亮晚上亮也利用了光敏電阻的對(duì)光的感應(yīng)特點(diǎn)。光敏電阻還被應(yīng)用于海上導(dǎo)航，通常海上的浮標(biāo)用的就是光敏電阻作為航道燈的開(kāi)關(guān)，到晚上光敏電阻阻值變小，接通控制電路，將燈打開(kāi)；白天光敏電阻增大將控制電路斷開(kāi)，關(guān)掉電燈。光敏管大體有開(kāi)關(guān)作用