0传感器与检测技术概念.doc

0 传感器与检测技术概念0.1 传感器的组成与分类0.1.1 传感器的定义所谓传感器，至今国内外尚无统一概念。人类五官是天然的传感器，在工程中可将传感器看成是人体五官的模拟物。于是传感器可定义为“能感受规定的被测量，并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。从这个定义出发，传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用是用于测量，以测量为目的。例如，发电机将机械能转换为电能，不是用于测量，故把发电机用于发电时，它不是传感器。但通过发电机所发电的大小来测量调速系统的机械转速，则可将发电机看成是一种用于测量的传感器，称为测速发电机（或发电机测速传感器）。其次“规定的被测量”一般指非电量，主要包括物理量、化学量和生物量等。“量”即参数，表征物质特性（或其运动形式）的参数很多，总体上可分为电量和非电量两大类。电量一般是指物理学中的电学量，如电压、电流、电阻、电容、电感等；非电量是指除电量以外的参数，如压力、流量、尺寸、位移、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度、酸碱度等等。采用一般的电工仪表和电子仪表可测量电量，而在实际测量中，大多为非电量，传感器与检测技术就是一种对非电量进行测量的技术。再次“可用信号”是指便于传输和处理的信号。就目前的科技水平而言，便于传输和处理的“可用信号”其实就是电信号。因此，在有的书上，就直接将传感器狭义地定义为“能把外界非电量按一定规律转换电量输出的器件或装置”。可以想象，随着光技术的发展，人类跨入光子时代，光信号将成为便于传输和处理的信号，那时，传感器的概念就将随之发展为：“把外界非电量按一定规律转换成光信号输出的器件或装置”。所以，传感器的概念将随着科技的不断进步而发展，这也是它没有一个确定、统一定义的原因。由于传感器起到一个“转换”作用，故传感器有时又叫转换器、换能器或探测器。这些不同的提法，仅仅反映了在不同技术领域，根据器件用途的不同，对同一类型的器件使用了不同的技术术语而已。例如，在电子技术领域中，常把能感受信号的电子元件叫敏感元件，如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等；在超声波技术中，则强调的是能量转换，如压电元件可以起到机电（或电机）能量的转换作用，所以把这种可以进行能量转换的器件称之为换能器；对于硅太阳能电池来说，它将光能转换成电能输出，虽也是一种换能器，但在这类器件上更强调的是转换效率，故习惯上将其叫转换器。这些提法在含义上有些狭窄，而传感器一词是使用最为广泛又具有概括性的用语。传感器的输出信号通常是电信号，这便于信号的传输、转换、处理和显示等。电信号的形式很多，有电压、电流、电容和电阻等，由传感器原理确定。0.1.2 传感器的组成一般地，传感器由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用输出信号的转换元件和其它辅助部件组成。如图0.1.1所示。图0.1.1 传感器组成方框图其中，敏感元件是直接感受（或响应）被测量的部分，并按一定规律转换成与被测非电量有确定关系的有用非电量。转换元件（又叫变换器）是将敏感元件感受到的有用非电量转换成电量。但是，仅由这两部分构成的传感器，其输出信号一般比较微弱，因此，还需要增加其它辅助部件。这包括信号调节与转换电路，它的作用是将转换元件微弱的输出信号放大或转变为容易传输、处理、记录和显示的可用电信号。此外，辅助电源也应是传感器的组成部分。并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件，有时这二者合为一体。对于特性型传感器（后面讲），如图0.1.2所示，它没有敏感元件，转换元件直接感受被测非电量而输出电量。例如半导体压敏传感器，被测非电量（压力）作用在传感元件上，传感元件直接将它转换为电阻（率）的变化。 图0.1.2特性型传感器的组成框图 图0.1.3结构型传感器的组成框图结构型传感器（后面讲）一般包含敏感元件和转换元件。被测非电量通过敏感元件转换为有用非电量，再由转换元件转换为有用电量输出，如图0.1.3 所示。例1 用大吨位电容式称重传感器来说明结构型传感器的组成。图0.1.4 大吨位电容式称重传感器大吨位电容式称重传感器基于电容式传感器原理，结构如图0.1.4所示。它由定极板、动极板、弹性体、极板绝缘材料等部分组成。设极距为，则初始电容为，为极板有效面积。动极板的上下位移使极距变为，电容量变为。被测非电量为外界压力，弹性体为敏感元件，将外界压力转换为电容极距的变化，变化的极距是有用的非电量。再经过电容传感器这个转换元件，将变化的极距转换为有用电量（电容量C）输出。实际上，根据被测对象、转换原理、使用环境及性能要求等具体情况的不同，传感器的结构有很大差异。从能量角度分析，典型的传感器构成方法有三种：自源型、带激励源型和外源型。前二者属于能量转换型传感器，也称为有源型；后者是能量控制型传感器，也称为无源型。1 自源型这是最简单、最基本的传感器构成形式，只含有转换元件，如图 0.1.5 所示。特点是不需要外能源，其转换元件能从被测对象直接吸取能量，并转换成电量输出，但输出电量较弱。例如热电偶、压电器件等都属于这类传感器。 图0.1.5自源型传感器的构成 图0.1.6 热电偶传感器的结构示意图例2 图0.1.6是热电偶传感器的原理示意图。热电偶是利用热电效应构成的传感器，即将两种不同性质的导体A、B组成回路，若结点（1）、（2）处于不同温度，两者间将产生热电势，回路中形成电流，电流的大小与两结点的温差有关。这里的被测量是结点温度，热电偶传感器将被测温度场的能量（热量）直接转换成为电量输出，不需要其它外能源。因此，它是自源型传感器，属于能量转换型。2 带激励源型带激励源型传感器由转换元件和辅助能源两部分组成，如图 0.1.7 所示。这里的辅助能源起激励作用，可以是电源或磁源。它的特点是不需要变换电路（信号调节与转换电路）就可有较大的电量输出。例如磁电式传感器、霍尔电磁式传感器都属于带激励源型。 图0.1.7 带激励源型传感器的构成 图0.1.8 霍尔效应示意图例3 图0.1.8所示的霍尔电磁式传感器是依据霍尔效应制成的。霍尔效应是指将一载流导体放在磁场中，如果磁场方向（z方向）与电流方向（x方向）正交，则在与磁场和电流两者垂直的方向上（y方向），将会出现横向电势，即霍尔电势，其大小为其中为霍尔灵敏度，为霍尔系数，为霍尔元件的厚度。由此可见，对于霍尔电磁式传感器，假设被测量为外加磁场，则转换元件（霍尔片）需在辅助能源（激励电流）的作用下，将磁场的变化转换为电量（霍尔电势）的输出。它是带激励源型传感器，属于是能量转换型。图0.1.9 磁电式传感器原理图例4 图0.1.9所示的磁电式传感器是根据电磁感应定律制成的。“电磁感应定律”是指变化的磁场产生电场。当匝线圈在均恒磁场中运动时，设通过线圈的磁通为，则线圈内产生的感应电势与磁通变化率的关系为磁电式传感器由永久磁铁、线圈和动铁心等部分组成。永久磁铁和线圈固定不动，当动铁心上下移动时，使永久磁铁和动铁心之间的气隙变化，同时，磁路磁阻也发生变化，引起线圈内磁通变化，即变化，这样，在线圈中将产生感应电势。这里的被测量是动铁心上下移动的距离，辅助能源是永久磁铁与动铁心构成的磁源，磁电式传感器在辅助能源（磁源）的激励下，将被测量（气隙的变化）转换为线圈感应电势输出。因此，这种磁电式传感器属于带激励源型传感器，是能量转换型。3 外源型外源型传感器由转换元件、变换电路和外加电源组成，见图0.1.10所示。这里的“变换电路”是指信号调节与转换电路，把转换元件输出的电信号，调节成便于传输、处理、记录和显示的可用信号，例如电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器及脉冲调宽电路等。可见，外源型传感器必须通过带外电源的变换电路，才能获得有用的电量输出，这与前面介绍的能量转换型（自源型和带激励源型）传感器有显著不同，外源型传感器是一种能量控制型传感器。 图0.1.10 外源型传感器的构成 图0.1.11 相同传感器补偿型的构成实际使用中的传感器，其特性要受到环境变化的影响。为消除环境干扰的影响，目前广泛采用线路补偿法，它有三种构成形式：相同传感器补偿型、差动结构补偿型和不同传感器补偿型。相同传感器补偿型如图0.1.11所示，采用两个完全相同的转换元件，并置于同一环境中，其中一个转换元件接受输入信号和环境影响，另一个只接受环境影响，然后通过线路，使后者消除前者受环境干扰的影响。这种方法在应变式传感器中常被采用。 图0.1.12 差动结构补偿型的构成 图0.1.13 不同传感器补偿型的构成差动结构补偿型如图0.1.12所示，采用两个完全相同的转换元件，它们同时接受被测输入量，并置于同一环境中。但两个转换元件对被测输入量作反向转换，对环境干扰量作同向转换，这样，通过测量电路，使有用输出量增加，干扰量相互抵消。不同传感器补偿型如图0.1.13所示，转换元件1和2是两个性质不同的转换元件，且不一定置于同一环境中。转换元件2接受输入信号，并已知其受环境影响的特性，转换元件1接受环境影响，并通过电路向转换元件2提供等效的抵消环境影响的补偿信号。0.1.3 传感器的分类传感器的种类很多，同一原理的传感器，可以同时测量多种非电量，而一种被测量，又可以用几种不同的传感器来测量，因此，传感器的分类方法很多。了解传感器的分类，旨在加深理解，便于应用。按输入被测物理量的名称分：位移、速度、温度和压力等传感器。它是以输入物理量命名的，比较明确地指出了传感器的用途，便于使用者选用。同时，这种方法将种类繁多的物理量分为两大类，即基本量和派生量。例如，将“力”视为基本物理量，可派生出压力、重量、应力、力矩等派生物理量，当我们需要测量这些派生物理量时，只要采用基本物理量传感器就可以了。所以，了解基本物理量和派生物理量的关系，对于选用传感器是很有帮助的，下表给出的是常用的基本物理量和派生物理量。基本物理量派生物理量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度角位移旋转角、偏转角、角振动速度线速度速度、振动、流量、动量角速度转速、角振动加速度线加速度振动、冲击、质量角加速度角振动、扭矩、转动惯量力压力重量、应力、力矩时间频率周期、计数、统计分布温度热容量、气体速度、涡流光光通量与密度、光谱分布按工作原理分：应变式、电容式、电感式、压电式和热电式等传感器。它们是以传感器对信号转换的作用原理命名。这种分类反映传感器的工作原理，利于对传感器的深入研究分析。本书就是按这种分类进行编写。按构成原理分：结构型和特性型。结构型依赖其结构参数的变化实现信息转换；特性型依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换。按能量关系分：能量转换型和能量控制型。能量转换型是直接将被测量的能量转换为输出量的能量。自源型和带激励源型传感器属于能量转换型，又称为有源传感器。能量控制型的能量由外部供给，用被测量来控制输出量的能量。外源型传感器是能量控制型，又称为无源传感器。按输出信号分：模拟式和数字式。模拟式的输出为模拟量，数字式的输出为数字量。传感器在设计和使用中必须遵循物理定律，它们都是物理学的基本定律，可分为四大类：守恒定律、统计法则、场的定律和物质定律。（1）守恒定律表示物理量随着空间和时间的移动，其总量保持不变。包括能量守恒、动量守恒和电荷守恒等。（2）统计法则是分子、原子、电子等运动的微观世界与能被直接观察宏观世界相结合的定律，如热力学第二定律。这些统计法则常和传感器的工作状态有关。（3）场的定律描述电场、磁场、物质场、重力场等在空间和时间上的变化规律。这些变化规律可由物理方程给出，这些方程可作为传感器工作的数学模型。例如，利用静电场定律研制的电容式传感器，利用电磁感应定律研制的电感式传感器等。利用场的定律构成的传感器称为结构型传感器。（4）物质定律表示各种物质本身内在客观性质的定律。如胡克定律（）、欧姆定律（）等。这些客观性质常用表示物质固有性质的物理常数加以描述，常数的大小决定着传感器的主要性能。如胡克定律中的弹性系数和欧姆定律中的电阻。利用半导体物质法则压阻、热阻、光阻、湿阻等效应，可分别做成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件。基于物质定律构成的传感器称为特性型传感器。例5 举例说明结构型传感器和特性型传感器的区别。结构型传感器是遵循场的定律构成的传感器，而特性型传感器是基于物质定律构成的传感器，如电容式传感器就是利用静电场定律研制的结构型传感器，而压敏传感器则是利用半导体材料的压阻效应制成的特性型传感器。以电容式传感器为例，电容式传感器由固定极板和活动极板组成，如图0.1.14所示，设极距为，极板的有效长度为，极板宽度为，则极板面积为，电容为当活动极板发生位移时，电容器的极板有效面积将减小为，电容变为化简得输出灵敏度为由此看到电容式传感器的输出灵敏度由极板尺寸、极距和绝缘介质共同决定，而与构成传感器的具体物质极板材料无关。 0.1.14 电容式传感器 0.1.15 压电式传感器压敏传感器是利用半导体材料的压阻效应制成。“压阻效应”是指对半导体材料施加压应力时，材料除产生变形外，其电阻率也要发生变化，如图0.1.15所示。这里电阻率的变化除与外加压应力的大小有关外，还与半导体材料的性质有关。例如在构成压敏传感器的半导体硅片中，掺入不同种类的杂质（硼 B或磷 P），或者掺入杂质的浓度不同，都会使压敏传感器的特性受到决定性的影响。因此，对压敏传感器这类特性型传感器，其特性与构成传感器的物质性质有密切关系。通过比较看出，结构型传感器的特性主要由其结构参数决定，与构成传感器的物质性质无关，而特性型传感器的特性则主要由构成传感器的物质性质决定。一般来说，结构型传感器的性能由于与特质的性质无关，因此性能稳定，不易受环境温度的影响。目前，结构型传感器在工业测量等方面应用广泛，但制造性能良好的结构型传感器，要求很高的熟练技术，成本较高。与此对照，特性型传感器却随着半导体技术和特性物理学的飞速发展正迅速地发展起来。这种物性型传感器与集成电路（IC）的生产一样，随着产量的增大，成本显著降低，物性型传感器是今后传感器的发展方向之一，所占的比例将不断增大 0.2 传感器的作用和地位处于信息时代的人们，其社会活动主要依赖对信息资源的开发、获取、传输和处理。从物理结构上看，传感器是连接检测对象与测试系统的接口，是感知、获取与检测信息的窗口。若将计算机比喻成人的大脑，那么传感器就是人的感觉器官。没有正常、完美的感觉器官，就不能准确地采集、转换想获取的外界信息，即便有再好的大脑也无用武之地。一切科学研究与自动化生产过程，信息获取和转换，都需要用到传感器。而且，科技越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。目前，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高新技术。0.3 传感器技术的发展方向传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各科学领域。但它们也有共性，就是利用物质的物理、化学和生物性质将非电量转换成电量。因此，采用新技术，新工艺，新材料，以及探索新理论来达到高质量的信息转换，都是传感器的发展途径。当前，传感器技术的主要发展方向：1）开展基础研究来发现新现象，开发新材料和新的制造工艺；2）实现传感器的集成化与智能化。具体为：1 发现新现象利用物理现象、化学反应和生物效应是传感器工作的基本原理。所以，发现新的现象和新效应，是传感器研究的重要工作、基础工作，其意义影响深远。2 开发新材料材料是传感器的重要基础。若能开发出新的材料，在制造传感器时，可任意控制其成分，就能设计和制造出满足多种需求的传感器。3 采用微细加工技术使传感器的设计和制造更加精细。4 研究多功能集成传感器5 智能化传感器智能化传感器是一种带微处理器的传感器，它兼有检测、判断和信息处理的功能。6 新一代航天传感器研究要满足小型化、低功耗、高精度、高可靠性等性能指标。7 仿生传感器研究仿生传感器是模拟人感觉器官的传感器。开展仿生传感器的研究是为了满足发展机器人研究的需要。0.4 检测技术的定义在人类的各项生产活动和科学实验中，为了了解和掌握整个过程的进展及其最后结果，经常需要对各种基本参数或物理量进行检查和测量，从而获得必要的信息，作为分析判断和决策的依据，可以认为检测技术就是为了对被测对象所包含的信息进行定性了解和定量掌握所采取的一系列技术措施。检测就是对基本的参数和物理量进行检查和测量，从而获得定性了解和定量掌握的过程。检测技术是指在完成检测过程中所采取的技术措施。检测技术的主要内容是信息的获取、转换、显示和处理。0.5 检测技术的作用随着人类社会进人信息时代，以信息的获取、转换、显示和处理为主要内容的检测技术已经发展成为一门完整的技术科学，在促进生产发展和科技进步的广阔领域内发挥着重要作用。其主要应用如下：1 产品检验和质量控制借助于检测工具对产品进行质量评价是检测技术重要的应用领域。但传统的检测方法只能区分合格品和废品，起到产品验收和废品剔除的作用。这种被动检测方法，对废品的出现并没有预先防止的能力。在传统检测技术上发展起来的主动检测技术（或叫在线检测技术）使检测和生产加工同时进行，及时地用检测结果对生产过程主动地进行控制，使之适应生产条件的变化或自动地调整到最佳状态。这样检测的作用已经不只是单纯检查产品的最终结果，而且要过问和干预造成这些结果的原因，从而进入质量控制领域。2 大型设备安全、经济运行监测电力、石油、化工、机械等行业的一些大型设备通常在高温、高压、高速和大功率状态下运行，保证这些关键设备安全运行在国民经济中具有重大意义。为此，通常设置故障监测系统以对温度、压力、流量、转速、振动和噪声等多种参数进行长期动态监测，以便及时发现异常情况，加强故障预防，达到早期诊断的目的。这样做可以避免严重的突发事故，保证设备和人员安全，提高