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传感器

补充:0  浏览:3417  发布时间:2012-6-11
    传感器是一种物理装置或生物器官,能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾),并将探知的信息传递给其他装置或器官。
传感器的定义
   国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
   “传感器”在新韦式大词典中定义为:
  “从一个系统接受功率,通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。
  根据这个定义,传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式,所以不少学者也用“换能器-Transducer”来称谓“传感器-Sensor”。
传感器的作用
  人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。
  新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
  在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。
  在基础学科研究中,传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展,进入了许多新领域:例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙,微观上要观察小到fm的粒子世界,纵向上要观察长达数十万年的天体演化,短到 s的瞬间反应。此外,还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究,如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然,要获取大量人类感官无法直接获取的信息,没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍,首先就在于对象信息的获取存在困难,而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现,往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展,往往是一些边缘学科开发的先驱。
  传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。
  由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相称的新水平。
功能
  常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟:
  光敏传感器——视觉 声敏传感器——听觉
  气敏传感器——嗅觉 化学传感器——味觉
  压敏、温敏、流体传感器——触觉 
  敏感元件的分类:
  ①物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
  ②化学类,基于化学反应的原理。
  ③生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
  通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类(还有人曾将敏感元件分46类)。
特点
  新型传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化,它不仅促进了传统产业的改造和更新换代,而且还可能建立新型工业,从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统(MEMS)技术基础上的,目前已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。
分类
  可以用不同的观点对传感器进行分类:它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应);它们的用途;它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
  根据传感器工作原理,可分为物理传感器和化学传感器二大类:
  传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
  分类
  称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类,以电阻应变式使用最广。
1.传感器按照其用途分类
  压力敏和力敏传感器 ;位置传感器 ;
  液位传感器;能耗传感器 ;
  速度传感器;加速度传感器;
  射线辐射传感器; 热敏传感器。
  24GHz雷达传感器
2.传感器按照其原理分类
  振动传感器 湿敏传感器
  磁敏传感器 气敏传感器
  真空度传感器 生物传感器等。
3.传感器按照其输出信号为标准分类
  模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。
  数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。
  膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。
  开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时,传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
4.传感器按照其材料为标准分类
  在外界因素的作用下,所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料,即那些具有功能特性的材料,被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类:
  (1)按照其所用材料的类别分: 金属聚合物陶瓷混合物
  (2)按材料的物理性质分:  导体绝缘体和半导体磁性材料
  (3)按材料的晶体结构分: 单晶和多晶非晶材料
  与采用新材料紧密相关的传感器开发工作,可以归纳为下述三个方向:
  (1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应,然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。
  (2)探索新的材料,应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。
  (3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应,并在传感器技术中加以具体实施。
  现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。
5.传感器按照其制造工艺分类
  集成传感器薄膜传感器 厚膜传感器陶瓷传感器
  集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。
  薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的,相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时,同样可将部分电路制造在此基板上。
  厚膜传感器是利用相应材料的浆料,涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常是Al2O3制成的,然后进行热处理,使厚膜成形。
  陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。
  完成适当的预备性操作之后,已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性,在某些方面,可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。
  每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低,以及传感器参数的高稳定性等原因,采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。
6.传感器根据测量目的不同分类
  物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的。
  化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的。
  生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的,用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。
7.传感器按照其构成的不同分类
  基本型传感器:是一种最基本的单个变换装置。
  组合型传感器:是由不同单个变换装置组合而构成的传感器。
  应用型传感器:是基本型传感器或组合型传感器与其他机构组合而构成的传感器。
8.传感器按照其作用形式的不同分类
  按作用形式可分为主动型和被动型传感器。
  主动型传感器又有作用型和反作用型,此种传感器对被测对象能发出一定探测信号,能检测探测信号在被测对象中所产生的变化,或者由探测信号在被测对象中产生某种效应而形成信号。检测探测信号变化方式的称为作用型,检测产生响应而形成信号方式的称为反作用型。雷达与无线电频率范围探测器是作用型实例,而光声效应分析装置与激光分析器是反作用型实例。
  被动型传感器只是接收被测对象本身产生的信号,如红外辐射温度计、红外摄像装置等

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