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第1章传感器概述 基本概念 传感器( Transducer/Sensor )的定义传感器是一种以一定的精确度把被测量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, 能完成检测任务; 它的输入量是某一被测量, 可能是物理量, 也可能是化学量、生物量等; 它的输出量是某种物理量, 这种量要便于传输、转换、处理、显示等等, 这种量可以是气、光、电量, 但主要是电量; 输入输出的转换规律( 关系) 已知, 转换精度要满足测控系统的应用要求。传感器应用场合( 领域) 不同, 叫法也不同。如在过程控制中叫变送器。( 标准化的传感器)在射线检测中则称为发送器、接收器或探头。作为对比, 下面介绍一下敏感器: 它是一种把被测的某种非电量转换为传感器可用非电量的器件或装置。设: x ——被测非电量 z ——传感器可用非电量 y ――传感器输出电量敏感器传输函数: )(xz??传感器传输函数: )(zy??敏感器传感器复合函数: )( )]([)(xfxzy?????? 传感器的组成传感器由图 1-1 所示的几部分组成。其中, 敏感元件是直接感受被测量, 并输出与被测量成确定关系的物理量; 转换元件把敏感元件的输出作为它的输入, 转换成电路参量; 上述电路参数接入基本转换电路,便可转换成电量输出。被测量电量敏感元件转换元件转换电路图1-1传感器的组成由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感元件与转换元件二合一, 直接能将被测量转换为电量输出,如压电传感器、光电池。热敏电阻等。 传感器的分类传感器的品种很多, 原理各异, 检测对象门类繁多, 因此其分类方法甚繁, 至今尚无统一的规定。人们通常是站在不同的角度,突出某一侧面而分类的。下面有几种常见的分法。(1 )按工作机理分类这种分类方法将物理、化学和生物等学科的原理、规律、效应作为分类的依据, 于是可分为物理型、化学型、生物型。其中按构成原理可分为:结构型、物性型和复合型三大类。结构型传感器是利用物理学的定律等构成的, 其性能与构成材料关系不大。这是一类其结构的几何尺寸( 如厚度、角度、位置等) 在被测量作用下会发生变化, 并可获得比例于被测非电量的电信号的敏感元器件或装置。物性型传感器是利用物质的某种或某些客观属性构成的, 其性能与构成材料的不同而有明显的区别。这是一类由其构成材料的物理特性、化学特性或生物特性直接敏感于被测非电量, 并可将被测非电量转换成电信号的敏感元器件或装置。复合型传感器是指将中间转换环节与物性型敏感元件复合而成的传感器, 之所以要采用中间环节是因为在大量被测非电量中,只有少数(如应变、光、磁、热、水分和某些气体) 可直接利用某些敏感材料的物质特性转换成电信号。所以为了增加非电量的测量种类, 就必须将不能直接转换成电信号的非电量变换成上述少数物理量中的一种, 然后再利用相应的物性型敏感元件将其转换成电信号。这种分类方法的优点是对于传感器的工作原理分析的比较清楚, 类别少, 有利于从原理与设计上进行归纳性的分析和研究。(2 )按能量的转换分类按能量关系分类可将传感器分为能量控制型和能量转换型。能量控制型传感器又称为无源传感器,它本身不是一个换能装置,被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以它必须具有辅助能源, 这类传感器有电阻式、电容式和电感式等。无源传感器常用电桥和谐振电路等电路测量。能量转换型传感器又称换能器或有源传感器, 它一般是将非电能量转换成电能量。通常它们配有电压测量和放大电路, 如压电式、热电式、压阻式传感器等等。(3) 按输入量分类按输入量传感器可分为常用的有机、光、电和化学等传感器。例如: 位移、速度、加速度、力、温度和流量传感器等。(4 )按输出信号的性质分类可分为模拟式传感器和数字式传感器。 传感器技术的发展方向(1 )开发新的敏感、传感材料: 在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体硅材料的性能改变, 从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后,我们应更重视基础研究,寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。没有深入细致的研究, 就没有新传感元件的问世, 也就没有新型传感器,组成不了新型测试系统。(2 )开发研制新型传感器及组成新型测试系统① MEMS 技术要求研制微型传感器。D 传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。②研制仿生传感器③研制海洋探测用传感器④研制成分分析用传感器⑤研制微弱信号检测传感器(3 )研究新一代的智能化传感器及测试系统如电子血压计, 智能水、电、煤气、热量表。它们的特点是传感器与微型计算机有机结合,构成智能传感器。系统功能最大程度地用软件实现。(4 )传感器发展集成化: 固体功能材料的进一步开发和集成技术的不断发展,为传感器集成