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传感器的应用和发展 传感器的应用和发展叶囡计跫科学研究院施置彦 一一、般传感器的应用和发展。 传感器的应用众所周知现代科学技术的三大支柱是物质技术能源技术和信息技术。 信息技术则出传感器通讯系统和计算机三个部分组成它们相当于人类的感觉器官，神经系统和思维器官。 传感器是获取和转换信息的一种工具是计算机与自然界及社会的接口，其棱心是具有某些物?、化学生物效应的敏感材?制成的敏感元件。 囡此，传感器技术就是关于传感器及其敏感元件与材?的综合性技术。 显然，如果没有传感器采集和提供足够的信息，计算机就得?到需要的信号也就无用武芝地。 当前国内有些计算机之所以使用有限没有能够在过程控制和自动化方面打开局面，原因之一就是没有足够的传感器进?检测。 在鼠际上，?代初也曾出现过“信息处?能?过剩信息获取能?足”的现象，这正是随后掀起“传感器热”的原由。 传感器的应用，已遍及斟民经济国防建设、生物医学以及日常生活等备个领域，愈来愈受到人们髓视。 作为计?测试技术前沿环节的传感器，保证了信息流的准确可靠和一致性。 美固称传感器为八十?代技术”，?微型传感器的市场销售额达亿荚元到?将增加到亿美元，由此可见传感器应用的一斑。 传感器的发展传感器的发展大体上显历了三代第一代是结构型传感器，它利用结构参数的变化来感受和转换信号。 侧如常见的电阻赢变式传感器干用弹性敏感元件变形起应变计电阻的变化；电感式传感器刚利罔位移引起的自感或互感的变化过一代传感器驭?筒单、性能可秣六十?代前后，由于采用反碳技术“现了?平衡式传感器（例如伺服速度传感器等）；其随着新材?、新工艺的出现使结渤型传感器的稳定性和准确度得到了改善第二代是七十?代发展的物眭型传感器，即固态；娌传感器它半导体电介质磁性体等固态敏感元件构成，币用材?某种特性随被测?的变化来感受和转换信号丽其结构参数在信号转换过程中基本?变例如热屯偶、光敏电阻和压乜品体传感器分别霉用材?灼热电效应、光电效应和医电效应。 二氧化矽型半导体遇到某些气体时电阻会发主用这个特性即可制成气敏传感器。 在磁场作用下，草模光纤内传输的偏振光会产生偏转（法拉弟磁光效应），罔这个特性可制成电流传感器。 除了刺用上述物?效应外，还可刺用诸如饱和效应电溶效应等化学效应，以及诸如免疫反盥、酶反融等生物效麾，从而大大增加了可泓参数的种娄。 由于直接利用材?的效应减步了转换环节，使敏感元件与转换元件合为一体从而实现了固体化使之具有结构牢固体积小、质?轻、响应速度快等优点。 。 七十?代后期集成技术的发展性使乜踏于感器内或直接做在半导体传感器的硅片上并进?非线性等补偿，从而提高丁可靠性和准确度。 尤其是这一代传感器容?与计算机联机，因此发展很快目前约占传感器国际市场的，预计到本世纪末将上升到。 由此可见结构型传感器面临着新的挑战。 但在一些高温、高湿、高压、高磁、高振动、商冲击和高腐蚀等场台它仍然具有相当的优势今后应研究翻开发新型韵结构型传感器，加强它们与微电子技术和计算机技术的联系，并向高准确度方向发展。 物性型传感器将向低成本、系列化多功能方面发展，并广泛应用于工业过程，甚至医疗卫生、家用电器等装置中。 第三代是八十?代剐刚发展起来的智能传感器或灵巧传感器。 它是在上两代的著础上，随着大规模集成电?和微处?技术迅猛发展应运而生的或者说它是集成化和功能化相结合的产物。 由于在容体内既有传感元件，又有信号适调电?微处?机、存储器和接口，从而可以替代部分脑?劳动而使传感器具有一定的人工智能。 由于这种传感器本身具有数据处?能?如果已知变化规?且重复性良好，就可借助于软件对非线性滞后、温度等特性进?修正，从而可以取代通过复杂而费时的模拟补偿来改善性能的?办法。 由于传感器本身具有可编程的自动化能?，故可进?白调零、白校正自检查、自诊断智能传感器的出现，使得庞大的实时处?系统由集中方式变为分散方式。 在重要的场台可以采用一个传感器多次测?或多个传感器同时测?，通过统计处?来提高测得值的可靠性。 有时也可借助于综合传感器或多参数传感器感知多个参数，例如美国仪表学会（）在?月休斯敦召开的第届?会暨展览会上已经推出可以测摄压?、温度、质?流?和体积的综合传感器，以及测?三维方位三维角度和三维加速度的动态传感器。 在宽跫程、多参数方面智自传感器具有相当的优势，并将向实用化阶段发展 二、测?与称重传感器的应用和发展在传感器的重要分支?学传感器中测?与称重传感器的应用尤为广泛发展非常迅速。 这个结论也为?月日在美同体嘶敦召开的国际计?技术联合会（）第届大会所证实。 下面就笔者参加这届技术报告会讨论会及张贴展讲会所获得的信息，将有关论文的内容作一简介，以此让读者了解测?与称重传感器的应用和发展的最新情况压阻传感器族（匈牙利微电子公司的等报告）。 垒世界正在加快硅基压阻传感器的制造和应用的步伐。 在微电子器件中传感器的重要性逐?增加愈来意多地用微电子传感器来解决攫！?问题。 本文介绍了测?压?和加速度的压阻传感器芯片的几何形状，传感器的最佳结构、温度补偿、灵敏度及非线性。 典型的性能参、数为额定输出，输出阻抗，非线性铀，滞后铀，温度影响?。 附图幅，参考文献篇收集于论文集第册第页“利用损耗波光耦台的谐振式?和压?传感器”（英国城市大学电气工程和应用物?学院测?和仪表中心的等报告）。 、这是一种带谐振石荚元件的光学式传感器。 它讨论了剃用光电效应和光热散应的两科?装氍并给出了数学模型。 在石英元件的悬臂上加?后其谐振频率发生变化实验中当施加的砝码从至变化时，杯定曲线的梯度为！。 符幅参考文献篇收集于论文集第册第一页。 “分?矩较躔机的误笼分析”（乖立机械制造公司的等报告）。 本文介绍的?机用于日证型和型等六分?和?矩传感器的校准，分析了误差困素后认为三个方向的?，和的最大值为（），其主?的准确度为，而两个干扰?和的准确度为，它们的灵敏度均为。 三个方向的?矩，和的最大缸为?（】?），其主矩的准确度为】而两个干扰矩的准确度为】，它们的灵敏度均为通过该机校准后得到型六分?传感器的误差枷下表所示；附裹一广！一广！肌一胁非线性滞后嘶该报告附图幅，表张，参考文献篇，收集于论文集第册第页。 半导体应变计式?传感器特性的稳定性和?散性”（捷克斯洛伐克航空测试研究院的报告）高精密度半导体应变计式?学?传感器的研制，是一个相当复杂的课题。 其中半导体应变计特性的差异是个主要问题，特别是应变计参数的分散性对传感器特性的影响较大。 本文对这种影响进?了分析和评价还用一些曲毁罔示了?来应变计特性的稳定性以及?来?传感器特性的稳定性。 附图幅，收集于论文集第册笫页。 “使传感器式电子秤快速度稳定的两个独特的建议”（联邦德国?伦瑞克技术大学测?技术和互换性学院?报告）。 在工业称重系统中，例如在重?检验秤和动态秆重等情形下，使读数快速稳定下来的问题可以归结为如何使传感器式电子秤的可动部件快速稳定来作荇?用通常的数据处?方法（如低通滤波器等）而从！论上提出，两种独特的建议附图巾斑，参考文献篇，收集于论文集第册第页“电式船用稗”（日缔大阪工业大学机械工程系的前母亲良等报告）。 本文研究了在浮动的船舶上也能准确称亚的一种船用秤，为此开发了测?船用秤振荡周期的新装置。 实验表明垂秤的准确度优于，而型秤则稍麓些。 实验是在模拟海面浮动状态的地面试验装置上进?的。 附图幅，参考文献篇，收集于论文第页。 “称重系统中由风诱发的?的补偿”（联邦德国尔斯鲁薪大学测?和控制学院报告）。 如果一个干扰蹙以的方式作用于被测上，那末其合戚的误差通常是无法补偿的。 然而如果干扰?和被测?之间的互作用已知是线性的，并且干扰的拨性函数是可蒯的，那末这种影响就可以用回归的方法加以补偿（假定干扰?随着时间而变化）。 这个方法也可以扩展到互作用是非线性的情况。 本文以飞机秤重系统为例，演示了上述补偿方法的应用。 附图幅；参考文献篇，收集于论文集第页。 秤?静态和动态轨道车辆的新方法”（联邦德国卡尔?申克公司的?等报告）。 对公?车辆和轨道车辆的秤重系统，多?来从?同方面提出了需求，今天看来，有关的设计已变得陈旧。 典型的轨道车辆秤重系统总是建造得很坚固，应用菹围受到限制仅适用于与局限于静态秤重或者动态秤重，?能够搬迁，并且对火车来说只允许一节一节车厢分开称重。 本文介绍的新型轨道车辆秤重系统则能部分地或完全地克服上述缺点。 其基本要求是一个能简?而迅速地装到轨道现场的独立的秤重系统，可以按照需要重新搬迁而?必花过多的费用。 在原?上采用了传感器式的电子机械系统，与负荷测?装置有关的功髓是集中放置的。 尽管现有的标准数据处?装置可以用于静态秤重，但适用于动态秤重的新方法尚须开发。 操作的经验和准确度表明，这个新系统适用于多种场合优于传统的设备。 附图幅，参考文献篇，收集于论文集第册第页。 。 机器人用的基于光一半导体效应的新型测?传感器”（日本东京科学大学的?等报告）。 机器人上的?和?矩，可以利用光一半导体！的透光率特性来测?。 透光率随着半导体所受压?的大小而变化。 当发射器（发光二极管）的光通过受庄的半导体而到达接受器（光敏二极管）时，接受器的输出即表达了?的大小。 当?偏心作用时，发光二极管的光发生倾斜，测得了光敏二极管每表面上的偏离?，即可计算出?矩。 实验表咀，受到刚体压?时对应于压?的输出电流为；受到流体压?时对应于压?的输出电流为。 附图幅，参考文献篇，收集予论文集第册第页。 一种多崖平?板结牦的微型六轴测?传感器（日本东京大学产品机械工程系的?等张贴）。 为了满足机器人中六轴测办传感器日益增长的需要作者利用多层平?板结构（）进?了许多试验。 结果制成了性能良好的六轴测?传感器，其结构是一种开方形孔的三个一组的?，它的体积小（；，质?轻（刚性好（），并且容?制造成本也低。 将这些传感器作为?的检测器和控制杆用到机器人系统中，证明其性能是优良的。 附图幅，照片张参考文献篇，收集于论文集第册第页。 利用有限元法研究型应变式测?传感器的弹性元件”（罗马尼亚布加?斯特综合技术研究院材?强度处的?张贴）。 本文介绍了型弹性元件用于应变计式测?传感器的优点，及用程序进?有限元分析的计算模型和数字结果还比较了带孔型弹性元件当其尺寸变化时应变的分布，作者在此基础上提出了自己认为合适的形状。 附幅参考文献篇，收集于论文集第册第页。 ”研究钻孔用的多分?扭?和?传感器曲发”（荷兰全国应用科学组织机械工程所的?等张贴）。 该所已研制成电阻应变式的凯氏贯入仪，筒称，用于测?转台下钻具中的静态扭矩动态扭矩和轴向?等。 扭矩的灵敏度是，轴向?的灵敏度是。 这白传感器式贯入仪的输出，往内捌外压?天于、温度曲于时是可以补偿的包括压?和温度的影响，在扭矩和拉?范围的嘶内，传感器的准确度优于额定值的。 附图帽表格张参考文献篇，收集于论文集第册第页。 “平面环状耐?的殴计方法”（意大利计?研究所的等张贴）。 作为测?传感器校验环弹性元件可以取圆环佚或椭圆环状。 被测?与此元件的弹性应查有关，或与此元件仲睦（或变平）所致的挠度有关这个挠度可以用机械的或电的位移传感器来溅?。 本文对这类；测?环的主要设汁参数，独立变?、褶关设计变?及变换变?等进?了讨论，对其性能进?了评价，并给出了计算值邗寅测值。 附图幅，袭格张，参考文献篇，收集于论文集第册第页。 “仪表中弹性元件的计算机辅助设。 （英城?等报告）。 学测?和仪表中心阿?对于传感器中的各仲弹让（如柱体薄膜、膜盒），可以借助于计算讥来建立数学模型进?分析和设计。 在圈示器上干用交互的有限元程序包（），可以图示出秤重传感器的模型和设计图显示出位移场应?场及应变场。 侧如可以观察到悬臂弯曲式传感器模拟受?时，各部位（特是姑片部位）的应变衄必要时可以谢整设计数，降到最小从而有助予判断殴计的正确性计算机辅助设计（）火大降低了研成本，歧善丁传感器的性能。 今后的发展趋向魁；建立?为复杂的仪表传感器的模型开发图示器上高交互的程序包；把建模与的结果及饭表传感器的专家系统紧密结合起来。 使贴片部位的应变梯度车文附图幅，参考文敲篇，收集亍论文集第一册第页。 “称重系统的智能控制方案”（日本各古屋应用科学研究院机械工程部的等报告）。 在粉状和颗粒状材剁的?称重系统中加?器的控制方案至关重要。 困为这类材?表现出复杂和多变的性质其动态特性的系统性佳这就需要采用控制论之外的经验上的（以实验为根据的）方法。 本文以配?经验所获的测试?法为基础，提出了一种智能控制方案。 采用此方案后，可以自动地寻找最佳的加?速率指令，以?在保证称重准确度的前提下尽?减少称重寸问。 此方案由主机用型和型）和控制器组成的多微机系统来实现，智能控制系统的方坎如左本文附图幅，参考文献篇，收集于论文集第册第页。 “为改进国家级?标准机对寄生分?的测?（意大利讣?研究院的等报告）。 以意大利计?研究院（）的六分?洲?传感器件为搬运式传递标准器，对！、英网、荷兰祛同及中同的?台静重式?杯准机进?了?值比对。 比对结果已用于，及?机的滴韭，以?磕少?机固定横?的倾斜，消除沿负荷传递线的接触点，从而减少寄生分?。 还借助于这个六分?测?传感器，观测了加荷期时和加荷后吊挂振荡而弓【起的动态性能试验表明所有静重式?标准机的侧向分?。 钢向?是由于?作用线对传感器的中线有弧度的倾斜而引起的，弯矩是由于?作用线对传感器的中心线有的偏心而弓起的，侧向分?主要取决予?机栩始的倾斜以及可动横?可能产生的旋转。 试验还表明，、及?机的扭矩，而?机开始时扭矩较大，调整后降到。 测扭矩分?是诊断沿负荷传递线是否存在接触点的有效办法本文昝图幅，表格张，参考文献篇，收集于论文集第册第页。 及其以下质蝤比较仪（法国圈家测试研究所的?报告）。 出于经济等考虑上吨级的等臂天平增椰得?多，有的国家用?等臂天平，有的则用传感器式的质?比较仪。 本文介绍法国正在研制的大天平既?是等臂或?等臂的机械式天平，也?是利用高精密度电阻应变式传感器的比较仪，而是一台利用帕斯卡原?的液压式比较仪，预期的?确定度为一此比较仪的称重活塞的名义面积，称重油缸的长度，缸塞单边间晾，配衡缸塞系统有三个，系商用的压?静重试验台，活塞的名义面积分别为，。 ，和。 当配衡砝码为最大值时，在秤重活塞上可平衡，和的砝码。 此时的压?为，和。 为防止称重油缸变形，其外还套有压?油缸。 为克服缸塞同的摩擦，活塞均是旋转的。 有两组?锈钢制的标准砝码，第一组为四块砝码，第二组为五块和三块砝码。 日前已对和进?了测试，结果令人满意。 附图幅，收集于论文集第册第页。 检定秤桥及其相关系统的一种先进方法”（联邦德国卡尔?申克公司的和联邦物?技术研究院?学处的报告）。 衡器和工业称重系统的校准与检定，通常采用直接加砝码的方摇当称?上吨时甚术方?本文在过去用液压加?和机械加?方法的基础上，提出了一种利用称重传感器的可携式小型机电加?的方法。 从计?性能来看，这个加?装置可以与笨重的直接加码相比类。 它要求所用的称重传感器具有如下指标一重复性和分辨?优于一，非线性和滞后误差?大于，蠕变?大子一，零点温度影响?大于一，温度对灵敏度的影响小于。 附图幅，参考文献篇，表格张，收集于论文集第册第萌页。 “高准确度激光测?传感器（联邦德国卡塞尔大学测?和自动化控制技术研究所的，等张贴）。 用个内装光弹器件的激光谐振管作为?频转换器，借助于由氦氖激光振荡器和光弹元件的光学玻璃组成了测?装置它可测?从到的?值，分辨率为?，凝率范围由直流到?干，动态范围太于六十余倍（）改进光弹器件的形状和激光频率的稳定性后，可望测?级的微小?值附图幅，参考文献篇，收集于论文集第册第页。 利用波长调制的光纤式差压传感器（英国布鲁纳尔大学制造计?学中心的】等报告）。 这是一种利用波长调制的光纤式羞压受送器可以测?，的压?差其灵敏度为分辨率为啊，标准偏差为铀附囝幅参考文献篇收集于论文集第册第，页“传感器设计中的计算机辅助设计”（巴西大学的张贴）测?压?扭矩、加速度及绝对变形等物?时常常要使用一些将弹性体的变形转换为电信号的传感器。 利用与兼容的一台微机、绘图仪和语言?作者开发了一种计算机辅助设计系统。 用这耷系统，可以改变已知模型，适应现有模型及进?全瓿的设计，运?时碰考虑传感器测?范围与灵敏度的关系，刚度与弹性体线性滞后的关系，以及刚度与弹性体位移的关系等。 附图幅，参考文献篇，收集于论文集第册第，页。 “用于质?和测?实验室结构中的消振法”（芬兰劳泰称重与自动化公司的张贴）。 该公司建立静重式?标准机，浈压式?标准机以及二台等臂天平。 环境振动作为一和干扰，对测?和称重有显著影响。 作者垌加速度和积罐道实时分析仪对这种影响进?测并对安装的基础提出了要求。 张贴刚附图幅，收集于论文集第册第页。 以上介绍了在测?与秤重领域外国作者发表的篇论文，我国也有篇录取它们是“中闰作为发展中国家在测?校准和标准方面的进展（中国计?科学研究院施吕彦撰井报告）。 附图幅参考文献篇，收集于论文集第册第页“中国应变计技术的发展历史与采来”（吉?工大张、?京红星应变计厂尹福兜等撰写，未报告）参考文献篇，收集于论文集第册第页。 “高精密度称重传感器非线性的研究”（；?工大张等撰写，未张贴）。 阡图幅参考文献篇，收集于论文集第册第页。 由“质?与?的、浏?技术委员会”（）和“实验?学技术委员会（）联台主办的讨论会的主题是“粘贴式电阻应变计、脆性涂?以及涮?与称重传感器五十?回顾。 因为只有全面地了解过去才可能?好地掌握未来。 个国家的代表，在讨论会上报告了本国的历史。 本人在会上报告了“电阻应变式传感器用于测?与称重领域的早期简史（围家技术监督局蔡正平、中国计?科学研究院施昌彦等撰写，附幅参考文献箱，收集予讨论全专集第页）以及“中国粘贴式呶变计和脆性涂?的早期历史（京航空航天学院吴宗岱。 中国机械科学研究院傅梦遂撰写，附囝幅，参考文献篇，收集于论文集第，硪）这个讨论会及其专集的出版，得到个国家个单位的资助，由个国家的位专家参加，说明测?与称重传感器的应用；发展倍受各国的重视。 三、届技术报告的主题垒体报告台全体报告会共有场，它们的主题魁现代技术中计?改革的任务；国家和同际社会对技术挑战的响应；光学新测?法驶其在工业上的应钉；计算机整体制造（）中的计算机辅助测试（）与计算机辅助质最控制（）医学巾的智能仪表智能测?系统；解决人类间题的光学；在测?与发表方面工程师与科学家的形成糟能传感器；机器人传感器干其它高级传感器及其系统的设墨西哥的技术教育；中国计?的发展。 分组报告会高级传感器技术（两场）（以上收集于论文集第分册）光学计?学；分组报告会共有场，它们的主题是新型显微镜材?性能与结构的探测制基术单位；科学的进步（两场）；微机和计算机系统的应用；电磁计?学；制造计?学；?标准器及其校准（两场）；（以上收集于论文集第分册）计算机整体制造及改进控制用的系统良好的信号传输技术信号和数据的处?传输；佑号和数据的处?及统计分析；生物和医学中的智能化测?计算机辅助设计（）；（以上收集于论文集第分册）质?控制用的测试系统；基于模型的测?方法和诊断方法；人员培训和测?教育；自适应技术的应用；人工智能；发展中国家的测?和控制；计算机专家系统（以上收集于论文集第分册）新型传感器；流虽测?；测?论和建模（两场）；高等教育和培；测?准确度和误差分析校准和确认高级动态测试和成象；（以上收集于论文集第分册）。 ?和质?的测?（两场）；温度测?讨论会技术委员会组织的蚵粜讨论会共有场它们的讨论内容是。 由和组织的测?和仪表教学的新趋向由和组织的“生物和医学应用中光电测?技术的引入；由和组织的“粘贴式电阻应变计、脆性涂层以及测?与称重传感器五十?回顾”，由组织的电?特别是谐波，交互谐波及瞬变过程中的电?由组织的“自动硬度测?。 由和组织的产品整体测?技术和质?控制的新状况（应用和?论）；由组织的“计?学方面电测?的新前景；由组织的技术