传感与检测技术

第四节　传感与检测技术

传感与检测系统的基本任务是从测量对象中获取反映其变化规律的动态信息，并将这些信息传递给机电一体化系统的大脑——信息处理与控制系统。信息处理与控制系统将接收的信息进行处理后，指导机电一体化系统做出相应的反应。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，其检测精度的高低直接影响机电一体化系统的好坏。

1.传感器的地位和作用

人类的日常生活、生产活动和科学实验等都离不开测量。人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官，在机电一体化系统中，传感器的作用就相当于人的感官，机电一体化系统通过传感器来检测有关外界环境及自身状态的各种物理量(如力、位移、速度、位置等)及其变化，并将这些信号转换成电信号，反馈给控制装置或送去显示的装置。

在当今技术发展的信息时代，获取准确、可靠的信息显得尤为重要。传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。它是机电一体化系统中必不可少的重要环节，若没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的自动检测，那么信号转换、信息处理、正确显示、控制器的最佳控制等，都是无法进行和实现的。

2.传感器的定义

GB/T7665—2005对传感器(transducer/sensor)的定义是:“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。”它是一种以一定精确度把被测量(包含被测对象信息)转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置或器件。

3.传感器的分类

按工作原理分类有如下几类。

(1)物理传感器物理传感器是利用某些敏感元件的物理性质或某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器。如利用金属材料在被测量作用下引起的电阻值变化的应变效应制成的应变式传感器;利用半导体材料在被测量作用下引起的电阻值变化的压阻效应制成的压阻式传感器(图5-5);利用电容器在被测量作用下引起的电容值变化制成的电容式传感器;利用磁阻被测量变化制成的简单电感式、差动变压器式传感器;利用压电材料在被测力作用下产生的压电效应制成的压电式传感器等。

图5-5　压阻式压力传感器

(2)化学传感器化学传感器一般是利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质成分、含量转换为电信号的传感器。最常用的是离子敏传感器，即利用离子选择性电极，测量溶液的pH值或某些离子的活度，如K+、Na⁺、Ca²⁺等。其测量原理基本相同，主要是利用电极界面(固相)和被测溶液(液相)之间的电化学反应，即利用电极对溶液中离子的选择性响应而产生的电位差。

(3)生物传感器化学传感器是近年来发展很快的一类传感器。它是利用生物活性物质选择性识别和测定生物化学物质的传感器。生物活性物质对某种物质具有选择性亲和力，也称其为功能识别能力;利用这种单一的识别能力来判定某种物质是否存在，其含量是多少，进而利用电化学的方法进行电信号的转换。生物传感器最大的特点是能在分子水平上识别被测物质。按标准CMOS工艺实现的阵列式细胞电生理信号传感芯片，不仅在化学工业的检测上，而且在医学诊断、环保监测等方面都有着广泛的应用背景。

按被测量分类:按传感器的输入信号——按被测的物理量来分，能够很方便地表示传感器的功能，也便于用户使用。按这种分类方法，可把传感器分为位移、力、力矩、转速、加速度、温度、压力、流量、流速、振动等传感器。生产厂家和用户都习惯于这种分类方法。

其他分类:按传感器输出信号的性质可分为开关型、模拟型和数字型三种。

按可变电信参量进行分类:电子工程师们更喜欢用这种分类方法，如按阻抗形式分类就有电阻型、电感型或电容型传感器;如按产生变化量纲分类有电压型、电荷型或电流型传感器。这种分类方法能减少传感器的类别数并能直接研究设计相关的信号转换调节器。

按传感器的能量来源分类:可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。能量控制型传感器携带信息量的变化信号，其能量需要外加电源供给，如电阻、电感、电容等电参量传感器都属于此类传感器，基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、霍尔效应等传感器也属于此类传感器，如热敏电阻。能量转换型传感器主要由能量变换元件构成，它不需要外电源，基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器，如热电偶。

按传感器技术发展分类:传感器从诞生到现在，经历了聋哑传感器、智能传感器、网络传感器三类传感器。传统传感器把被测信息变换成模拟电压或电流信号，它的输出幅值小，灵敏度低，而且功能单一，因而被称为“聋哑传感器”。随着时代的进步，在高新技术的渗透下，使微处理器和传感器得以结合，产生了智能传感器，它具有一定的数据处理能力，并能进行自检、自校、自补偿等功能。随着网络通信技术的发展，当网络接口芯片与智能传感器集成起来并嵌入通信协议，就产生了网络传感器，它继承了智能传感器的所有功能，并可以以计算机网络进行通信，因而在现场总线控制系统(FCS)，成为FCS中现场级数字化传感器。

4.传感器的发展动向

(1)开发新型传感器。新型传感器大致应包括:①采用新原理;②填补传感器空白;③仿生传感器等。它们是相互联系的。

(2)开发新材料。传感器材料是传感器技术的重要基础。无论何种传感器，都要选择恰当的材料来制做。近年来对传感器材料的开发研究有较大进展，用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。

(3)微型传感器加工工艺。在发展新型传感器中，离不开新的加工工艺。新的加工工艺的范围很广，这里主要指的是与微型传感器联系紧密的微细加工技术。

(4)传感器多功能集成化。传感器的集成化包含两个方面的含义:一是同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，CCD图像传感器就属于这种情况;另一个含义是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。

(5)传感器的智能化和网络化。近年来，随着信息技术和网络通信技术的发展以及在军事领域、生态环境检测、交通管理等迫切需求刺激下，传感器的智能化和网络化已经成为一种必然趋势。