《傳感器原理及應用》課件1第1章

1.1傳感器的概念1.2傳感器的組成1.3傳感器的分類1.4傳感器的發(fā)展趨勢第1章傳感器概論

1.1傳感器的概念

人通過感官來接收外界的信號，并將所接收的信號送入大腦，進行分析處理后獲取有用的信息。傳感器是人類感官的擴

展和延伸，借助傳感器，人類可以去探測那些無法直接用感官獲取的信息。例如，用超聲波探測器可以探測海水的深度，用紅外遙感器可以從高空探測地球上的植被和污染情況等。在自動控制領域中，自動化程度越高，控制系統(tǒng)對傳感器的依賴性就越大，因此，傳感器對控制系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮起著決定性的作用。傳感器是一種獲取信息的裝置。它的定義是：借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。它獲取的信息可以為各種物理量、化學量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信息也可以有各種形式。但目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信息大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器的定義為：把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。所以

一般也稱傳感器為變換器、換能器和探測器，其輸出的電信號要繼續(xù)輸送給后續(xù)的配套的測量電路及終端裝置，以便進行電信號的調(diào)理、分析、記錄或顯示等。在一個自動化系統(tǒng)中，首

先要能檢測到信息，才能去進行自動控制，因此傳感器是首先必備的裝置。

1.2傳感器的組成

圖1-1為傳感器原理框圖。傳感器一般由敏感元件與其他輔助器件組成。敏感元件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，并將信號進行必要的轉(zhuǎn)換輸出。一般把傳感元件、信號處理電路歸為輔助器件，它們是一些能把敏感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理等有用的電信號的裝置。例如應變式壓力傳感器的彈性膜片是敏感元件，它的作用是將壓力轉(zhuǎn)換為彈性膜片的形變，并將彈性膜片的形變轉(zhuǎn)換為電阻的變化而輸出，電位器為傳感元件。并非所有的傳感器都有敏感元件和傳感元件之分，有些傳感器是將兩者合二為一的。如濕度傳感器，是將感受的被測量值直接轉(zhuǎn)換為電信號。圖1-1傳感器原理框圖如圖1-2所示為一臺測量壓力的電位器式壓力傳感器，隨著被測壓力增加，彈簧管撐直通過齒條帶動齒輪，齒輪又帶動電刷在電位器上轉(zhuǎn)動，使輸出電阻變化，輸出電壓也跟著變化，由此可通過測量電壓大小來測量被測壓力。該電路彈簧管為敏感元件，電位器為傳感元件。圖1-2壓力傳感器隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能把一些處理電路和傳感器集成在一起，構(gòu)成集成傳感器。進一步的發(fā)展是將傳感器和微處理器相結(jié)合，裝在一個檢測器中，形成一種新型的“智能傳感器”。它將具有一定的信號調(diào)理、信號分析、誤差校正、環(huán)境適應等功能，甚至具有一定的辨認、識別、判斷的功能。這種集成化、智能化的發(fā)展，無疑對現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展將發(fā)揮重要的作用。

1.3傳感器的分類

傳感器的種類繁多。在工程測試中，一種物理量可以用不同類型的傳感器來檢測，而同一種類型的傳感器也可測量不同的物理量。

傳感器的分類方法也很多，概括起來，可按以下幾個方面進行分類。

(1)按被測物理量來分，可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。

(2)按傳感器工作的物理原理來分，可分為機械式傳感器、電氣式傳感器、輻射式傳感器、流體式傳感器等。

(3)按信號轉(zhuǎn)換原理來分，可分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器。

物性型傳感器利用敏感器件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號的檢測。例如，用水銀溫度計測溫，是利用了水銀的熱脹冷縮的現(xiàn)象；用光電傳感器測速，是利用了光電器件本身的光電效應；用壓電測力計測力，是利用了石英晶體的壓電效應等。結(jié)構(gòu)型傳感器則是通過傳感器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化來實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的。例如，電容式傳感器通過極板間距離的變化而引起電容量的變化；電感式傳感器通過活動銜鐵的位移而引起自感或互感的變化等。

(4)按傳感器與被測量之間的關(guān)系來分，可分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器和能量控制型傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器(或稱有源傳感器)是直接由被測對象輸入能量使其工作的。例如，熱電偶將被測溫度直接轉(zhuǎn)換為電量輸出。由于這類傳感器在轉(zhuǎn)換過程中需要吸收被測物體的能量，容易造成測量誤差。而能量控制型傳感器是由外部供給傳感器能量，由被測量來控制輸出能量的。

(5)按傳感器輸出量的形式來分，可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器兩種。前者的輸出量為連續(xù)變化的模擬量，而后者的輸出量為斷續(xù)變化的數(shù)字量。當然，模擬量也可以通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量。由于計算機在工程測試中的廣泛應用，數(shù)字式傳感器將很有發(fā)展前途。

1.4傳感器的發(fā)展趨勢

最近十幾年來，由于對傳感器在信息社會中的作用有了新的認識和評價，各國都將傳感器技術(shù)列為重點發(fā)展技術(shù)。

當今，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展趨勢有兩個：一是開展基礎研究，重點研究傳感器的新材料和新工藝；二是實現(xiàn)傳感器的智能化。

(1)利用物理現(xiàn)象、化學反應和生物效應設計制作各種用途的傳感器，是傳感器技術(shù)的重要基礎工作。例如，利用某些材料的化學反應制成的識別氣體的“電子鼻”；利用超導技術(shù)研制成功的高溫超導磁傳感器等。

傳感器向高精度、集成化、小型化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。工業(yè)自動化程度越高，對機械制造精度和裝配精度要求就越高，相應地，測量精度要求也就越高。因此，當今在傳感器制造上很重視發(fā)展微機械加工技術(shù)。微機械加工技術(shù)除全面繼承氧化、光刻、擴散、沉積等微電子技術(shù)外，還發(fā)展了平面電子工藝技術(shù)、各向異性腐蝕、固相鍵合工藝和機械分斷技術(shù)。例如，日本利用各向異性腐蝕技術(shù)進行高精度三維加工，在硅片上構(gòu)成孔溝、棱錐、半球等各種形狀制造出硅諧振式壓力傳感器。

(2)發(fā)展智能型傳感器。智能型傳感器是一種帶有微處理器并兼有檢測和信息處理功能的傳感器。智能型傳感器被稱為第四代傳感器，具備感覺、辨別、判斷、自診斷等功能，是傳感器的發(fā)展方向。

實踐證明，傳感器技術(shù)與計算機技術(shù)在現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展中有著密切的關(guān)系。而當前的計算機在很多方面已具有了人腦的思維功能，甚至在有些方面其功能已超過了人腦。與此相比，傳感器技術(shù)就顯得比較落后。也就是說，現(xiàn)代科學技術(shù)在某些方面因電子計算機技術(shù)與傳感器技術(shù)未能取得協(xié)調(diào)發(fā)展而面臨著許多問題。正因為如此，世界上許多國家都在努力研究各種新型傳感器，改進傳統(tǒng)的傳感器。開發(fā)和利用各種新型傳感器已成為當前發(fā)展科學技術(shù)的重要課題。基于上述開發(fā)新型傳感器的緊迫性，目前在國際上，凡出現(xiàn)一種新材料、新元件或新工藝，就會很快地被用來研制新的傳感器。例如，伴隨著半導體材料與工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了一批能測量很多參數(shù)的半導體傳感器；大規(guī)模集成電路的設計成功，使得有測量、運算、補償功能的智能傳感器得到發(fā)展；伴隨著生物技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了利用生物功能的生物傳感器。這也說明了各個學科技術(shù)的發(fā)展，促進了傳感器技術(shù)的不斷前進。而各種新型傳感器的問世，又不斷為各個學科技術(shù)服務，促使現(xiàn)代科學技術(shù)更大的進步。它們是相互依存、相互促進的，這也說明了目前要開發(fā)新型傳感器不但重要，而且也是必要的