傳感器的定義和分類(lèi)

一、傳感器的定義

　　信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開(kāi)發(fā)方面有相應的進(jìn)展。微處理器現在已經(jīng)在測量和控制系統中得到了廣泛的應用。隨著(zhù)這些系統能力的增強，作為信息采集系統的前端單元，傳感器的作用越來(lái)越重要。傳感器已成為自動(dòng)化系統和機器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統中的一個(gè)結構組成，其重要性變得越來(lái)越明顯?！　∽顝V義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會(huì )(IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為：“傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統的一個(gè)組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關(guān)口。 點(diǎn)擊圖片，可能獲得更佳效果,：

圖1-1 傳感器系統的框圖

　　傳感器系統的原則框圖示于圖1-1，進(jìn)入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過(guò)程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時(shí)還需要將信號線(xiàn)性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號隨后轉換成數字信號，并輸入到微處理器?！　〉聡投砹_斯學(xué)者認為傳感器應是由二部分組成的，即直接感知被測量信號的敏感元件部分和初始處理信號的電路部分。按這種理解，傳感器還包含了信號成形器的電路部分?！　鞲衅飨到y的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。有兩類(lèi)傳感器：有源的和無(wú)源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉變成另一種，不需要外接的能源或激勵源(參閱圖1-2(a))。點(diǎn)擊圖片，可能獲得更佳效果,：

　　無(wú)源傳感器不能直接轉換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵能(參閱圖1-2(b))。

　　傳感器承擔將某個(gè)對象或過(guò)程的特定特性轉換成數量的工作。其“對象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)(即過(guò)程)的。對象特性被轉換量化后可以通過(guò)多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感器將對象特性或狀態(tài)參數轉換成可測定的電學(xué)量，然后將此電信號分離出來(lái)，送入傳感器系統加以評測或標示。

　　各種物理效應和工作機理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被測量對象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機制和效應類(lèi)型不斷增加，其包含的處理過(guò)程日益完善?！　〕鞲衅鞯墓δ芘c人類(lèi)5大感覺(jué)器官相比擬：

　　光敏傳感器——視覺(jué)
　　聲敏傳感器——聽(tīng)覺(jué)
　　氣敏傳感器——嗅覺(jué)
　　化學(xué)傳感器——味覺(jué)
　　壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺(jué)

　　與當代的傳感器相比，人類(lèi)的感覺(jué)能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺(jué)功能優(yōu)越，例如人類(lèi)沒(méi)有能力感知紫外或紅外線(xiàn)輻射，感覺(jué)不到電磁場(chǎng)、無(wú)色無(wú)味的氣體等。

　　對傳感器設定了許多技術(shù)要求，有一些是對所有類(lèi)型傳感器都適用的，也有只對特定類(lèi)型傳感器適用的特殊要求。針對傳感器的工作原理和結構在不同場(chǎng)合均需要的基本要求是：

• 高靈敏度
• 抗干擾的穩定性(對噪聲不敏感) 　　
• 線(xiàn)性　　
• 容易調節(校準簡(jiǎn)易) 　　
• 高精度　　
• 高可靠性 　
• 無(wú)遲滯性　　
• 工作壽命長(cháng)(耐用性) 　　
• 可重復性　　
• 抗老化 　　
• 高響應速率　　
• 抗環(huán)境影響(熱、振動(dòng)、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力 　　
• 選擇性　　
• 安全性(傳感器應是無(wú)污染的) 　　
• 互換性　　
• 低成本 　　
• 寬測量范圍　　
• 小尺寸、重量輕和高強度 　　
• 寬工作溫度范圍

二、傳感器的分類(lèi)

　　可以用不同的觀(guān)點(diǎn)對傳感器進(jìn)行分類(lèi)：它們的轉換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應)；它們的用途；它們的輸出信號類(lèi)型以及制作它們的材料和工藝等。

　　根據傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類(lèi)，其分類(lèi)示于圖1-3。

　　圖1-3按傳感器工作原理的分類(lèi)物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。

　　化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應等現象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。

　　有些傳感器既不能劃分到物理類(lèi)，也不能劃分為化學(xué)類(lèi)。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多，例如可靠性問(wèn)題，規模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問(wèn)題等，解決了這類(lèi)難題，化學(xué)傳感器的應用將會(huì )有巨大增長(cháng)。

　　常見(jiàn)傳感器的應用領(lǐng)域和工作原理列于表1.1。

按照其用途，傳感器可分類(lèi)為： 　　 　　

• 壓力敏和力敏傳感器
• 位置傳感器 　　 　　
• 液面傳感器
• 能耗傳感器 　　 　　
• 速度傳感器
• 熱敏傳感器 　　 　　
• 加速度傳感器
• 射線(xiàn)輻射傳感器 　　 　　
• 振動(dòng)傳感器
• 濕敏傳感器 　　 　　
• 磁敏傳感器
• 氣敏傳感器 　　 　　
• 真空度傳感器
• 生物傳感器等。

以其輸出信號為標準可將傳感器分為：

• 模擬傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉換成模擬電信號。
• 數字傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。
• 膺數字傳感器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。
• 開(kāi)關(guān)傳感器——當一個(gè)被測量的信號達到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應地輸出一個(gè)設定的低電平或高電平信號。

　　在外界因素的作用下，所有材料都會(huì )作出相應的、具有特征性的反應。它們中的那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來(lái)制作傳感器的敏感元件。從所應用的材料觀(guān)點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列幾類(lèi)：

1. 按照其所用材料的類(lèi)別分 金屬 聚合物 陶瓷 混合物
2. 按材料的物理性質(zhì)分 導體 絕緣體 半導體 磁性材料
3. 按材料的晶體結構分　單晶 多晶 非晶材料

與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開(kāi)發(fā)工作，可以歸納為下述三個(gè)方向：

1. 在已知的材料中探索新的現象、效應和反應，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實(shí)際使用。
2. 探索新的材料，應用那些已知的現象、效應和反應來(lái)改進(jìn)傳感器技術(shù)。
3. 在研究新型材料的基礎上探索新現象、新效應和反應，并在傳感器技術(shù)中加以具體實(shí)施。

　　現代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開(kāi)發(fā)強度。傳感器開(kāi)發(fā)的基本趨勢是和半導體以及介質(zhì)材料的應用密切關(guān)聯(lián)的。表1.2中給出了一些可用于傳感器技術(shù)的、能夠轉換能量形式的材料。

　　按照其制造工藝，可以將傳感器區分為：集成傳感器 薄膜傳感器 厚膜傳感器 陶瓷傳感器

　　表1.2半導體和介質(zhì)材料的能量轉換(調制)能量轉換(調制)

集成傳感器是用標準的生產(chǎn)硅基半導體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。

　　薄膜傳感器則是通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。
　　厚膜傳感器是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。
　　陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。

　　完成適當的預備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型

　　從列于表1.3中的比較中可知，每種工藝技術(shù)都有自已的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低，以及傳感器參數的高穩定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。

表1.3 傳感器制造工藝的比較特性 ：