機(jī)電一體化技術(shù)及應(yīng)用 課件 4 傳感檢測(cè)技術(shù)

第五節(jié)測(cè)距傳感器第四節(jié)力、扭矩傳感器第三節(jié)速度、加速度傳感器第二節(jié)位移、位置傳感器第一節(jié)傳感檢測(cè)系統(tǒng)的作用及組成第四章傳感檢測(cè)技術(shù)第六節(jié)視覺傳感器第七節(jié)智能傳感器第八節(jié)微傳感器4.1.1傳感檢測(cè)在機(jī)電一體化中的作用獲取系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所需的內(nèi)部和外部的各種參數(shù)及狀態(tài)，將這些非電量轉(zhuǎn)化成與被測(cè)物理量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電信號(hào)，并通過(guò)適當(dāng)處理（如變換、放大、濾波）后，將其傳輸?shù)胶罄m(xù)裝置中進(jìn)行顯示記錄或數(shù)據(jù)處理成產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。4.1.2傳感檢測(cè)系統(tǒng)的組成1.傳感器將機(jī)電一體化系統(tǒng)中被測(cè)對(duì)象的非電物理變化量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)電量，從而為有效地控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)作提供信息。2.中間變換裝置將傳感器輸出的電量信號(hào)（如電阻、電容、電感等）轉(zhuǎn)換成更易于測(cè)量和處理的電壓或電流信號(hào)，并進(jìn)行適當(dāng)處理（阻抗變換、放大、濾波等），包括電橋、放大器、濾波器、調(diào)制解調(diào)器等。3.輸出接口將信號(hào)傳送至顯示記錄裝置、信息處理裝置和控制器等。4.2位移、位置傳感器位移測(cè)量—測(cè)量某一段距離的變化量；位置測(cè)量—確定被測(cè)物體是否到達(dá)或接近某一位置直線位移傳感器—電感式傳感器、電容式傳感器、差動(dòng)變壓器式傳感器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等角位移傳感器—光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器按檢測(cè)時(shí)被測(cè)對(duì)象與測(cè)量元件是否接觸分為接觸式（限位開關(guān)）和非接觸式（接近開關(guān)和光電開關(guān)）4.2.1光電開關(guān)主要部件為發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和受光元件（如光電元件）根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同，分為對(duì)射式、鏡反射式、漫反射式、槽式和光纖式等類型特點(diǎn)：體積小、可靠性高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)精度高1.對(duì)射式光電開關(guān)又稱透射式或透光式，發(fā)光元件和受光元件相互分離且光軸相對(duì)放置。發(fā)光元件發(fā)出的光線直接進(jìn)入受光元件，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)光元件和受光元件之間且阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。適用于不透明物體檢測(cè)。發(fā)光元件受光元件物體2.鏡反射式光電開關(guān)集發(fā)光元件和受光元件于一體，發(fā)光元件發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)反射鏡反射回受光元件，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)且完全阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)開關(guān)信號(hào)。專用反射鏡光電元件物體3.漫反射式光電開關(guān)集發(fā)光元件和受光元件于一體，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，物體將發(fā)光元件所發(fā)射的足夠量的光線反射到受光元件，于是光電開關(guān)產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。適用于表面光亮或反光率極高物體的檢測(cè)。光電元件物體4.槽式光電開關(guān)發(fā)光元件和受光元件分別位于U型槽的兩邊，形成一光軸。當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)量信號(hào)。適合檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)的物體，并且能分辨透明與半透明物體。物體發(fā)光元件受光元件4.2.2光電編碼器光學(xué)式角度—數(shù)字檢測(cè)元件。利用光電轉(zhuǎn)換原理將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量特點(diǎn)：體積小、精度高、工作可靠、接口數(shù)字化組成：碼盤、光電檢測(cè)裝置及測(cè)量電路分類：根據(jù)信號(hào)輸出形式不同分為增量式光電編碼器和絕對(duì)式光電編碼器。增量式編碼器對(duì)應(yīng)每個(gè)單位角位移輸出一個(gè)電脈沖，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)即可實(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量；絕對(duì)式編碼器則直接輸出碼盤上的編碼，從而檢測(cè)出絕對(duì)位置。

1.增量式光電編碼器

玻璃碼盤上沿圓周方向均布著n條狹縫，來(lái)自光源（發(fā)光二極管）的光線可以通過(guò)狹縫照射到光電元件（光敏二極管）上。當(dāng)碼盤繞其軸線回轉(zhuǎn)時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一條狹縫，光電元件所接收到的光信號(hào)就明暗變化一次，輸出的電信號(hào)也就強(qiáng)弱變化一次，經(jīng)測(cè)量電路放大、整形后，輸出一個(gè)矩形脈沖。

2.絕對(duì)式光電編碼器把被測(cè)轉(zhuǎn)角通過(guò)讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼，故可直接輸出數(shù)字量。有光電式、接觸式和電磁式三種，光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種。玻璃碼盤上刻的按二進(jìn)制規(guī)則排列的一系列透光區(qū)（白色區(qū)域，用1表示）和不透光區(qū)（黑色區(qū)域，用0表示），并均布在一些圓周（碼道）上。由內(nèi)向外有多個(gè)碼道，每一個(gè)碼道表示二進(jìn)制的一位：內(nèi)側(cè)碼道為高位，外側(cè)碼道為低位。于是，由內(nèi)至外構(gòu)成一個(gè)二進(jìn)制偏碼。4.2.3光柵1.光柵的種類與構(gòu)造（1）根據(jù)制造方法和光學(xué)原理不同—透射光柵、反射光柵透射光柵——以透光的玻璃為載體，利用光的透射現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)反射光柵——以不透光的金屬（一般為不銹鋼）為載體，利用光的反射現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)（2）據(jù)光柵的外形—長(zhǎng)光柵（直線光柵，光柵尺）、圓光柵

4.2.3光柵1—主光柵；2—指示光柵；3—光電元件；4—光源主光柵和被測(cè)物體相連，隨被測(cè)物體的直線位移而產(chǎn)生位移主光柵和指示光柵的柵距相同，一般為4線/mm、10線/mm、25線/mm、50線/mm、100線/mm、200線/mm、250線/mm

2.光柵的工作原理主光柵和指示光柵平行安裝，并使二者傾斜一個(gè)較小的角度θ時(shí)，光柵上就會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋（莫爾條紋）。當(dāng)主光柵隨執(zhí)行機(jī)構(gòu)左右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋相應(yīng)地上下移動(dòng)。利用光電元件檢測(cè)莫爾條紋的明暗變化，輸出二進(jìn)制代碼。莫爾條紋的移動(dòng)方向和主光柵移動(dòng)方向有確切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，故便于辨別方向。

4.3速度、加速度傳感器實(shí)際上是一臺(tái)微型直流發(fā)電機(jī)。分類：根據(jù)定子磁極激磁方式的不同分為永磁式（用永久磁性材料做定子，并產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)）和電磁式（利用繞在定子槽中的勵(lì)磁繞組來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)）。原理：當(dāng)轉(zhuǎn)子在恒定磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中產(chǎn)生交變的電動(dòng)勢(shì)，再經(jīng)過(guò)換向器和電刷轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比的直流電動(dòng)勢(shì)。

4.3.1直流測(cè)速發(fā)電機(jī)4.3.2光電式速度傳感器光電脈沖測(cè)速：物體以速度v通過(guò)光電池的遮擋板時(shí)，光電池輸出階躍電壓信號(hào)，形成兩個(gè)脈沖輸出，測(cè)出兩脈沖之間的時(shí)間間隔△t，則可測(cè)得速度為光電式轉(zhuǎn)速傳感器：由裝在被測(cè)軸（或與被測(cè)軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤組成。光源發(fā)出的光通過(guò)縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上。當(dāng)縫隙圓盤隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于圓盤上的縫隙間距與指示盤上的縫隙間距相同，因此圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件便輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖。根據(jù)測(cè)量時(shí)間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，就可測(cè)得被測(cè)軸轉(zhuǎn)速為1—光源；2—透鏡；3—帶縫隙圓盤；4—指示縫隙盤；5—光電器件4.4力、扭矩傳感器電阻應(yīng)變式力傳感器基于電阻應(yīng)變效應(yīng)工作。當(dāng)粘貼有應(yīng)變片的彈性元件在受到力的作用時(shí)產(chǎn)生變形，應(yīng)變片將該應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路（電橋）最終輸出相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)。彈性元件有柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式等。

4.4.1力傳感器4.4.2扭矩傳感器1—驅(qū)動(dòng)源；2—集流環(huán)；3—電橋；4—負(fù)載1.應(yīng)變式扭矩傳感器在扭矩作用下，轉(zhuǎn)軸表面產(chǎn)生主應(yīng)變（與所受到的扭矩成正比）。應(yīng)變式扭矩傳感器利用電阻應(yīng)變片來(lái)檢測(cè)主應(yīng)變，并通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換輸出。

2.壓磁式扭矩傳感器

利用由具有壓磁效應(yīng)的鐵磁材料制成的轉(zhuǎn)軸在受到扭矩作用后應(yīng)力變化導(dǎo)致磁阻變化的現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量。繞有線圈的U型鐵芯A-A沿軸線方向、B-B沿垂直于軸線方向布置，其開口端與被測(cè)轉(zhuǎn)軸表面之間有1~2mm的空隙。A-A線圈中通以交流電流，形成穿過(guò)轉(zhuǎn)軸的交變磁場(chǎng)。在無(wú)扭矩時(shí)，交變磁場(chǎng)的磁力線與B-B線圈不交鏈，無(wú)感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生，電橋仍處于平衡狀態(tài)，Uy=0。當(dāng)有扭矩作用在轉(zhuǎn)軸上時(shí)，部分磁力線與B-B線圈交鏈，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，電橋失去平衡，輸出電壓信號(hào)Uy（在一定范圍內(nèi)與扭矩呈線性）。3.磁電感應(yīng)式扭矩傳感器傳動(dòng)軸的兩端分別安裝有磁分度圓盤A和A’，其旁邊各安裝一個(gè)磁頭B和B’，用于檢測(cè)兩圓盤之間的轉(zhuǎn)角差。當(dāng)無(wú)扭矩時(shí)，兩分度盤的轉(zhuǎn)角差為零；當(dāng)有扭矩作用在傳動(dòng)軸上時(shí)，兩個(gè)磁頭分別檢測(cè)出驅(qū)動(dòng)側(cè)圓盤和負(fù)載側(cè)圓盤的轉(zhuǎn)角差。利用轉(zhuǎn)角差與扭矩M成正比例的關(guān)系，即可測(cè)量出扭矩的大小。4.光電式扭矩傳感器利用轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)變形來(lái)測(cè)量扭矩。轉(zhuǎn)軸上固定兩個(gè)光柵圓盤。在轉(zhuǎn)軸未承受扭矩時(shí)，兩光柵盤的明暗區(qū)正好互相遮擋，無(wú)光線通過(guò)光柵照射到光電元件上，也無(wú)輸出。當(dāng)有扭矩作用后，轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，兩光柵相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，部分光線透過(guò)光柵照射到光電元件上，并輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)隨扭矩增大而增大，故可測(cè)得扭矩。1—光源；2—光電元件；3—光柵盤；4—轉(zhuǎn)軸4.5測(cè)距傳感器1.超聲波及其檢測(cè)原理超聲波——頻率高于20kHz的高頻振動(dòng)波，人耳無(wú)法聽見傳播需要?dú)怏w、液體或固體等媒介方向性好，具有良好的穿透性在介質(zhì)中傳播時(shí)遵循幾何光學(xué)的基本規(guī)律，具有反射和折射等特性超聲波檢測(cè)原理——在掌握了某些非聲量的物理量（如密度、流量等）與描述超聲波介質(zhì)聲學(xué)特性的超聲量（聲速、衰減、聲阻抗）之間存在的直接或間接關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)超聲量的測(cè)定來(lái)測(cè)得被測(cè)物理量

4.5.1超聲波距離測(cè)量核心器件——超聲波發(fā)射器+超聲波接收器（超聲波探頭），均壓電材料的逆壓電效應(yīng)或鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)，分別將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能以及將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

檢測(cè)方式——脈沖法和多普勒頻移法。脈沖法更常用；當(dāng)發(fā)射器和反射器之間有相對(duì)移動(dòng)時(shí)采用多普勒頻移法。

超聲波傳感器2.超聲波測(cè)距控制電路產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)并送給發(fā)射電路，經(jīng)放大后激勵(lì)超聲探頭而發(fā)射超聲波脈沖。該脈沖遇到被測(cè)物體，超聲波發(fā)生反射，反射回波則被另一個(gè)或同一個(gè)超聲探頭接收。假設(shè)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度為v，在介質(zhì)界面的入射角為θ，同時(shí)測(cè)定超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔為t，則被測(cè)距離d為

3.超聲波測(cè)距應(yīng)用——倒車?yán)走_(dá)

4.5.2激光測(cè)量距離1.激光特征高方向性激光可以集中在狹窄的范圍內(nèi)向特定的方向發(fā)射，即使在幾公里的距離其擴(kuò)展范圍不到幾厘米。高單色性激光的頻率寬度比普通光的頻率寬度小10倍以上，因此激光是最好的單色光源。高亮度源于激光的定向發(fā)光。人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高（與太陽(yáng)光的亮度不相上下），而紅寶石激光器的激光亮度超過(guò)氙燈幾百億倍。

2.激光測(cè)距原理激光的測(cè)距原理與超聲波測(cè)距相同，向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射激光后，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光，同時(shí)測(cè)量激光在被測(cè)距離上往返一次所需要的時(shí)間t，即可求出距離d為3.激光測(cè)距方法脈沖式：利用脈沖光波，當(dāng)發(fā)射的光脈沖被目標(biāo)物體反射回來(lái)后，通過(guò)一個(gè)時(shí)間測(cè)量裝置直接測(cè)出激光往返的時(shí)間，進(jìn)而利用上式求出距離。相位式：用連續(xù)光波通過(guò)調(diào)制器使激光強(qiáng)度按調(diào)制信號(hào)隨時(shí)間而變化，測(cè)出該光波在時(shí)間t內(nèi)的相位變化，從而間接地計(jì)算出時(shí)間。4.6視覺傳感器定義：利用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測(cè)物體的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即把入射到傳感器光敏單元上按空間分布的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)。特點(diǎn)：體積小，析像度高，功耗小，廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺、圖像處理、非接觸測(cè)量零件尺寸、形狀和損傷、瑕疵識(shí)別等領(lǐng)域類型：CCD視覺傳感器和CMOS視覺傳感器

1.CCD視覺傳感器CCD—利用內(nèi)光電效應(yīng)，由光敏單元集成的一種光電傳感器，集電荷產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和輸出為一體。CCD光敏單元的核心—MOS電容

4.6.1CCD和CMOS視覺傳感器工作過(guò)程：首先由光學(xué)系統(tǒng)將被測(cè)物體成像在CCD的受光面上，受光面下的許多光敏單元形成了許多像素點(diǎn)，這些像素點(diǎn)將投射到它的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)并進(jìn)行存儲(chǔ)；然后在時(shí)鐘脈沖信號(hào)的控制下，讀取反映光強(qiáng)的被存儲(chǔ)電荷信號(hào)并順序輸出，從而完成了從光圖像到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。特點(diǎn)：體積小，輕便，響應(yīng)快，靈敏度高，穩(wěn)定性好，以光為媒介對(duì)任何地點(diǎn)的圖像進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)，數(shù)字化輸出

CCD視覺傳感器2.CMOS視覺傳感器CMOS—將光敏二極管、MOS場(chǎng)效應(yīng)管、MOS放大器和MOS開關(guān)電路集成在同一芯片上而成CMOS特點(diǎn)：集成度高，功耗低，體積小，生產(chǎn)成本低，抗干擾能力強(qiáng)，只需單一電源，容易與其他芯片整合，廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域（高速攝影、醫(yī)療、消費(fèi)品）

CMOS視覺傳感器：由一個(gè)像素光電二極管和數(shù)種MOS晶體管構(gòu)成

4.6.2視覺傳感器的應(yīng)用1.工件尺寸測(cè)量通過(guò)透鏡將被測(cè)工件放大成像于CCD傳感器的光敏陣列上，由視頻處理器將CCD輸出信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)字處理，并將測(cè)得結(jié)果進(jìn)行顯示或判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件形狀和尺寸的非接觸測(cè)量。4.6.2視覺傳感器的應(yīng)用2.熱軋板材寬度測(cè)量1—激光器；2—CCD線陣傳感器；3—光源；4—板材；5—軋輥兩個(gè)CCD線陣傳感器布置于熱軋板材的上方，板端的一小部分處于傳感器的視場(chǎng)內(nèi)，依據(jù)幾何光學(xué)的方法可以分別測(cè)出寬度l1、l2，在兩個(gè)傳感器視場(chǎng)寬度lm已知的情況下，可以根據(jù)傳感器的輸出計(jì)算出板材的寬度l。圖中最右側(cè)的CCD傳感器是用來(lái)攝取激光器在板材上的反射光像，其輸出信號(hào)用于補(bǔ)償因板厚變化而造成的測(cè)量誤差。4.7智能傳感器1.智能傳感器的概念目前尚無(wú)統(tǒng)一的定義。早期只是簡(jiǎn)單地強(qiáng)調(diào)在工藝上將傳統(tǒng)的傳感器與微處理器緊密結(jié)合，認(rèn)為將傳感器的敏感元件及其信號(hào)調(diào)理電路與微處理器集成在一塊芯片上即構(gòu)成智能傳感器。隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸認(rèn)識(shí)到傳感器與微處理器的結(jié)合如果沒有賦予智能，只能是微機(jī)化的傳感器，而非真正意義上的智能傳感器。

4.7.1智能傳感器的定義與特點(diǎn)智能傳感器是一種帶有微處理器的傳感器，是傳感器和微處理器賦予智能的結(jié)合，兼具信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷等功能，是傳感器、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。4.7.2智能傳感器的基本組成與基本功能1.智能傳感器的基本組成主要由傳感器、微處理器（或微型計(jì)算機(jī)）及相關(guān)電路組成。其中，微處理器是智能傳感器的核心，它充分發(fā)揮各種軟件的功能，賦予傳感器以智能，使傳感器的性能大大提高。傳感器將被測(cè)對(duì)象的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波、阻抗變換以及輸入接口的A/D轉(zhuǎn)換后，送到微處理器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理。微處理器一方面通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器和信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過(guò)程的調(diào)節(jié)和控制；另一方面將處理結(jié)果傳送到輸出接口，經(jīng)接口電路處理后按需要的格式輸出。2.智能傳感器的基本功能（1）在自我完善能力方面，具有自校正、自校零、自校準(zhǔn)功能，以改善傳感器的靜態(tài)性能，提高傳感器的靜態(tài)測(cè)量精度；具有智能化頻率自補(bǔ)償功能，以提高傳感器響應(yīng)速度，改善其動(dòng)態(tài)特性；具有多信息融合功能，從而抑制交叉敏感，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。（2）在自我管理和自適應(yīng)能力方面，具有自檢驗(yàn)、自診斷、自尋故障、自恢復(fù)功能；具有判斷、決策、自動(dòng)切換量程功能。

（3）在自我辨識(shí)和運(yùn)算處理能力方面，具有從噪聲中辨識(shí)微弱信號(hào)及消噪功能；具有多維空間的圖像辨識(shí)與模式識(shí)別功能；具有數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能。（4）在交互信息能力方面，具有雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出以及人—機(jī)對(duì)話等功能。

4.7.3智能傳感器的分類與基本形式1.智能傳感器的分類（1）模塊式智能傳感器將微處理器、信號(hào)處理電路、輸入/輸出電路、顯示電路和傳感器做成互相獨(dú)立的模塊，并裝配在同一殼體內(nèi)。集成度不高、體積較大，但是較為實(shí)用。（2）混合式智能傳感器將各組成部分以不同的組合方式集成在幾個(gè)芯片上，然后裝配在同一殼體內(nèi)。是目前智能傳感器的主要類型。（3）集成式智能傳感器利用集成電路工藝和微機(jī)械技術(shù)將傳感器敏感元件與功能強(qiáng)大的電子線路集成在同一芯片上（或二次集成在同一外殼內(nèi)），集成度高、體積小、成本低、功耗低、速度快、可靠性好、測(cè)量精度高、功能強(qiáng)。是當(dāng)前研究熱點(diǎn)和主要發(fā)展方向。

2.智能傳感器的基本形式（1）初級(jí)形式在組成環(huán)節(jié)中沒有微處理器，僅僅包含敏感元件、補(bǔ)償電路（如溫度補(bǔ)償、線性補(bǔ)償?shù)龋?、校正電路和信?hào)調(diào)理電路。最早期形式，智能含量還較低，而且智能化功能的實(shí)現(xiàn)依靠硬件電路來(lái)完成。（2）中級(jí)形式在組成環(huán)節(jié)中必須包含微處理器。功能大大增強(qiáng)，性能顯著提高。智能化主要由強(qiáng)大的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。（3）高級(jí)形式集成度進(jìn)一步提高，敏感單元實(shí)現(xiàn)多維陣列化，同時(shí)配備有更強(qiáng)大的信息處理軟件，具有更高級(jí)的智能化功能。是真正意義上的智能傳感器。4.8微傳感器采用微電子機(jī)械加工技術(shù)制作的、芯片特征尺寸為微米級(jí)的各類傳感器的總稱。利用微細(xì)加工技術(shù)，將電子、機(jī)械、光學(xué)等部件集成在微小空間內(nèi)，形成具有一定智能的優(yōu)化復(fù)雜系統(tǒng)。特點(diǎn)：（1）微型化和輕量化利用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，敏感元件尺寸大多為微米級(jí)甚至亞微米級(jí)，使傳感器整體尺寸大大減?。蛇_(dá)亞微米級(jí)），尺寸精度可達(dá)納米級(jí)，體積只有常規(guī)傳感器的幾十分之一乃至百分之一，重量一般在幾十克乃至幾克。

4.8.1微傳感器及其特點(diǎn)（2）集成化和多功能化

利用半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)集成化包括：將傳感器與后級(jí)電路（如運(yùn)算放大電路、溫度補(bǔ)償電路等）及微執(zhí)行器等集成在一起，實(shí)現(xiàn)一體化；將同類傳感器集成于同一芯片上，構(gòu)成陣列式傳感器；將不同的微傳感器集成在一起而構(gòu)成新的傳感器。結(jié)構(gòu)的集成化勢(shì)必帶來(lái)功能的多樣化。如將應(yīng)變片和溫度敏感元件以及處理電路集成在同一個(gè)硅片上，可同時(shí)測(cè)量壓力和溫度并實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

（3）高精度和高壽命微傳感器封裝后可擺脫熱膨脹、撓曲和噪聲等因素的不利影響，可在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。大量智能材料和智能結(jié)構(gòu)的使用大大提高系統(tǒng)的測(cè)量精度、抗干擾能力、可靠性及使用壽命。（4）低成本和低功耗批量化生產(chǎn)使得單件傳感器的制造成本顯著降低。在完成相同的工作時(shí)，微機(jī)械所消耗的能量?jī)H為傳統(tǒng)機(jī)械的十幾分之一或幾十分之一，功耗可達(dá)毫瓦級(jí)乃至更低的水平。

4.8.2微傳感器和傳統(tǒng)傳感器的區(qū)別

1.設(shè)計(jì)和加工方法不同傳統(tǒng)傳感器—先提出設(shè)計(jì)方案和裝配圖，再逐步分解，設(shè)計(jì)并加工每個(gè)零件，最后將制作好的各個(gè)零件組裝調(diào)試，完成整機(jī)裝配。微傳感器—由于尺寸微小，零部件加工和裝配都很困難，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工和裝配方法會(huì)使得批量生產(chǎn)變得十分困難，導(dǎo)致成本大幅度提高，難以實(shí)現(xiàn)商品化。某些情況對(duì)傳統(tǒng)傳感器來(lái)說(shuō)很簡(jiǎn)單，而對(duì)于微傳感器就很困難，如引線設(shè)計(jì)和制作（傳感器需要布設(shè)電流線和信號(hào)線，而常規(guī)的最細(xì)引線也可能與微傳感器的尺寸相似）。2.控制方法和工作方式不同傳統(tǒng)傳感器—手動(dòng)操作和人工分析（器件的電源啟動(dòng)、數(shù)據(jù)的顯示控制和分析提取等）。微傳感器—通過(guò)遙感或自動(dòng)模式工作，而且一般不與外部環(huán)境直接耦合，以電、磁、光、聲等信號(hào)作為輸出。3.應(yīng)用環(huán)境不同傳統(tǒng)傳感器—尺寸較大，對(duì)環(huán)境溫度、濕度、灰塵等的變化較不敏感。微傳感器—工作空間極小，且易受到環(huán)境影響（10μm的灰塵就可能阻擋微光學(xué)傳感器的光源，從而影響傳感器的正常使用）。4.力學(xué)性能和物理特性不同微傳感器的微小尺度會(huì)使其表現(xiàn)出與宏觀傳感器迥異的現(xiàn)象。尺寸微小化對(duì)材料的力學(xué)性能（強(qiáng)度、剛度、彈性等）會(huì)產(chǎn)生很大影響（美國(guó)伯克利大學(xué)20um的多晶硅螺旋彈簧，彈性超過(guò)普通硅片，甚至優(yōu)于金屬?gòu)椈桑?。尺寸微小化所引起的力尺度效?yīng)也會(huì)使系統(tǒng)的物理特性發(fā)生變化。當(dāng)