传感器在生产制造中的应用及发展趋向研究.docx

传感器在生产制造中的应用及发展趋向研究.docx

《传感器在生产制造中的应用及发展趋向研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器在生产制造中的应用及发展趋向研究.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

传感器在生产制造中的应用及发展趋向研究

摘要：

近年来,传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。

新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化,它不仅促进了传统仪器仪表产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增长点。

关键词:

传感器现代工业　未来趋势

１.传感器及基本特征

国家标准GB7６6５－87对传感器下的定义是:

“能感受规定的被测量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。

传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。

通常把传感器的特性分为两种：

静态特性和动态特性。

　静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。

　动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。

　　一般来说,传感器的输入和输出关系可用微分方程来描述。

理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即可得到静态特性。

因此传感器的静特性是其动特性的一个特例。

　传感器除了描述输入与输出量之间的关系特性外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。

　1传感器的静特性

　　传感器的输入-输出关系:

输入（外部影响：

冲振、电磁场、线性、滞后、重复性、灵敏度、误差因素）—传感器—输出（外部影响：

温度、供电、各种干扰稳定性、温漂、稳定性（零漂）、分辨力、误差因素）。

　人们总希望传感器的输入与输出成唯一的对应关系,而且最好呈线性关系。

但一般情况下，输入输出不会完全符合所要求的线性关系，因传感器本身存在着迟滞、蠕变、摩擦等各种因素,以及受外界条件的各种影响。

　　传感器静态特性的主要指标有：

线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性等。

2传感器的动特性

1

　动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。

　　很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。

只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间关系要用动特性来说明。

设计传感器时要根据其动态性能要求与使用条件选择合理的方案和确定合适的参数;使用传感器时要根据其动态特性与使用条件确定合适的使用方法,同时对给定条件下的传感器动态误差作出估计。

总之，动特性是传感器性能的一个重要方面，对其进行研究与分析十分必要。

总的来说,传感器的动特性取决于传感器本身，另一方面也与被测量的形式有关。

（1）规律性的:

1）周期性的:

正弦周期输入、复杂周期输入；2）非周期性的：

阶跃输入、线性输入、其他瞬变输入

（2）随机性的：

1）平稳的：

多态历经过程、非多态历经过程;2）非平稳的随机过程。

在研究动态特性时,通常只能根据“规律性”的输入来考虑传感器的响应。

复杂周期输入信号可以分解为各种谐波,所以可用正弦周期输入信号来代替。

其它瞬变输入不及阶跃输入来得严峻，可用阶跃输入代表。

因此，“标准”输入只有三种；正弦周期输入、阶跃输入和线性输入。

而经常使用的是前两种。

2．传感器的种类

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。

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。

大多数传感器是以物理原理为基础运作的。

化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题,规模生产的可

２

能性，价格问题等,解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

按照其用途,传感器可分类为：

压力敏和力敏传感器位置传感器

液面传感器能耗传感器

速度传感器热敏传感器

加速度传感器射线辐射传感器

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。

以其输出信号为标准可将传感器分为:

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。

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半导体磁性材料

（3）按材料的晶体结构分

３

单晶多晶非晶材料

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

按照其制造工艺，可以将传感器区分为:

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。

转速传感器----就是旋转编码器，将转速转换成脉冲波（５VDC）送入PLＣ或其它处理器进行处理。

电流传感器-－－-就是电流变送器，将0－5A或更大的电流信号转换成420mA或020mＡ的标准控制信号给处理器。

４

电压传感器－-－-就是电压变送器，将0１00V或更大的电压信号转换成0１0V的标准控制信号给处理器。

振动传感器--－-检测机械设备的振动，进行线性输出或继电器输出。

霍尔传感器－-－-就是电感式的接近开关，采用霍尔原理。

检测距离不会超过１0mm。

输出信号一般都是直流三线制的PNP或NPN输出。

缸压传感器就是压力传感器，可以输出继电器信号也可以是线性信号。

空气流量传感器可以输出继电器信号或电压、电流的线性信号。

氧传感器

节气门位置传感器

温度传感器这个一般都是线性的电压输出。

４.新型传感器

        近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。

新型传感器的特点是微型化、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,而且可导致建立新型工业和军事变革，是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形成硅压力传感器。

微电子机械加工技术包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGＡ技术（X光深层光刻、微电铸和微复制技术）、激光微加工技术和微型封装技术等。

ＭＥMＳ的发展把传感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。

传感器和检测仪表在微电子技术基础上,内置微处理器,或把微传感器和微处理器及相关集成电路等封装在一起完成了数字化、智能化、网络化、系统化。

ＭＥＭS技术还完成了微电动机或执行器等产品。

网络化方面，目前主要是指采用多种现场总线和以太网（互联网），这要按各行业的特点，选择其中的一种或多种，近年内最流行的有FF、Profibuｓ、CAN、LonWorks、AS-i、Interbus、ＴCP/IＰ等。

ﻫ        除MEＭS外,新型传感器的发展还有赖于新型敏感材料、敏感元件和纳米技术,如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面陈列红外探测器、生物传感器、纳米传感器、新型量子传感器、微型陀螺、网络化传感器、智能传感器、模糊传感器、多功能传感器等。

ﻫ        多传感器数据融合技术正在形成热点,它形成于2０世纪80年代,它不同于一般信号处理,也不同于单个或多个传感器的监测和测量，而是对基于多个

5

传感器测量结果上的更高层次的综合决策过程。

鉴于传感器技术的微型化、智能化程度提高,在信息获得基础上,多种功能进一步集成以致于融合,这是必然的趋势,多传感器数据融合技术也促进了传感器技术的发展。

多传感器数据融合的定义概括为:

把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合,采用计算机技术对其进行分析,消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾,加以互补,降低其不确定性,获得对被测对象的一致性解释与描述,从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获得更充分的信息。

其信息融合在不同信息层次上出现,包括数据层（像素层）融合、特征层融合、决策层（证据）融合。

由于它比单一传感器信息有如下优点,即容错性、互补性、实时性、经济性，所以逐步得到推广应用;应用领域除军事外,已适用于自动化技术。

5.传感器的发展趋向

１、向高精度发展:

随着自动化生产程度的不断提高,对传感器的要求也在不断提高,必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。

目前能生产万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。

2、向高可靠性、宽温度范围发展：

传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。

提高温度范围历来是大课题,大部分传感器其工作范围都在－20℃～７0℃,在军用系统中要求工作温度在-４0℃～8５℃范围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高,因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。

　　3、向微型化发展：

６

各种控制仪器设备的功能越来越大,要求各个部件体积能占位置越小越好，

因而传感器本身体积也是越小越好,这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。

如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的,体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。

　　４、向微功耗及无源化发展：

传感器一般都是非电量向电量的转化,工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方,往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。

目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有１．５µA,而工作电压只需2～５V。

　5、向智能化数字化发展：

　　随着现代化的发展,传感器的功能已突破传统的功能,其输出不再是一个单一的模拟信号（如0～10mV）,而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能,这就是所说的数字传感器。

一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。

流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大,分别占到整个传感器市场的２1%、1９%和14%。

传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS（Miｃｒｏ－Eleｃtｒo-MｅｃhaniｃalSｙstems，微机电系统）传感器、生物传感器等新兴传感器。

其中，无线传感器在2007-２0１0年复合年增长率预计会超过２５％。

7ﻫ    目前,全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。

传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。

新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等传感器的出现与市场份额的扩大。

ﻫ

引入新技术发展新功能

随着人们对自然认识的深化,会不断发现一些新的物理效应、化学效应、生物效应等。

利用这些新的效应可开发出相应的新型传感器,从而为提高传感器性能和拓展传感器的应用范围提供新的可能。

图尔克市场技术部产品经理兼技术支持主管杨德友向记者表示，“目前传感器界的最大特点就是不断引入新技术发展新功能。

”如检测金属产品位置的电感式接近开关，它利用金属物体接近能产生电磁场的振荡感应头时在被测金属上形成的涡流效应来检测金属产品的位置。

由于不同金属涡流效应的效果不同,因此不同金属的检测距离是不一样的，尤其是面对各类合金时,普通的电感式接近开关就显得力不从心,这就要求生产厂商在提高产品功能上下功夫。

由于电感式接近开关其内部结构是在铁氧体磁芯上绕制线圈作为电感线圈，而铁氧体磁芯自身的限制使得电感式传感器不可能在已有的设计理念下发展,那么只能在技术上开发出可以替代铁氧体线圈的产品来提高产品的性能。

图尔克公司的电感式接近开关就摒弃了铁氧体磁芯,从而去掉了磁芯的限制。

这样在检测不同金属时可以通过电路调节提高产品的检测距离,并且全金属检测距离无衰减,抗干扰能力也有所提升。

    而美国邦纳工程国际有限公司上海代表处的产品经理何广军也表示,如何在产品中引用新技术已成为传感器制造商获得突破的关键。

如雷达传感器，虽然这项技术是在美国发展起来的,但是在中国却有着巨大的市场,邦纳及时的把这项技术引入到中国的市场中来，研发出了Ｒ-Gage　QT５0R雷达传感器。

R-ＧageQT５0R雷达传感器是针对光学和超声波传感器无法发挥作用的条件而研发的,并且能够用于检测多普勒雷达无法检测的固定物体。

可通过DIP开关轻而易举地设置检测范围,并能忽略设定距离之外的物体。

何广军经理补充说，“24ＧＨz雷达波的特性决定其可以应用在户外,用于检测大型铁磁性物体有无或者港口机械防用。

”

利用新材料发展新产品

８ﻫ    传感器材料是传感器技术的重要基础，随着材料科学的进步，人们可制造出各种新型传感器。

例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器,光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器,用陶瓷制成压力传感器。

ﻫ

    高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。

将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化,即可得出相对湿度。

利用这个原理制成的等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，具有测湿范围宽、温度范围宽、响应速度快、尺寸小、可用于小空间测湿、温度系数小等特点。

ﻫ

    陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。

采用先进的陶瓷技术,厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量的满量程误差不超过0.1%，温漂小,抗过载更可达量程的数百倍。

    光导纤维的应用是传感材料的重大突破，光纤传感器与传统传感器相比有许多特点:

灵敏度高、结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。

而光纤传感器与集成光路技术的结合,加速了光纤传感器技术的发展。

将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件,光纤传感器又具有了高带宽、低信号处理电压、可靠性高、成本低等特点。

ﻫﻫ    紧跟用户需求更易操作

ﻫ    传感器在技术水平和功能上的迅速发展,一方面来自于计算机、检测等技术的发展，另一方面则源于应用领域需求的驱动。

广州市施克传感器有限公司高级产品经理崔丽丽表示,用户的新要求在推动着传感器技术的发展。

“以机器视觉传感器为例，以前用户可能只需要2Ｄ的效果,现在越来越多的用户开始要求能够实现3D的检测效果,施克的3Ｄ视觉传感器就是跟随着用户的需要而研发出来的。

”崔丽丽经理介绍说，施克的ＲangeｒＣ产品系列采用相机连接技术与PC进行连接,这样就简化了集成过程并且提高了采集速率。

在3Ｄ模式下,RangeｒC每秒采集约３０000幅图片,每一张图片包含1536个高质量三维坐标，相当于每秒４500万个３D点。

整套3D算法在相机内完成，这样就节省了购买昂贵的后处理器的花销。

RanｇerＣ还可以在多路扫描模式下进行操作，用户可以从一个相机中同时得到包括3D形状以及包括灰度等级、光泽度、激光分散度在内的多种密度数据。

在线扫描模式下，所有的特征图像在物体通过相机时被捕捉下来,然

9

后通过相机连接接口送到PC上用于简单的系统集成。

ﻫ

    在用户需求催生出越来越多传感器新品的同时，厂商也开始越发重视让产品更适用于用户的操作和需要。

邦纳的产品经理何广军表示，传感器制造商注重用户需求的最大体现就是对友好操作的注重。

何广军经理说，“在业内,我们有一种说法就是让传感器远离计算机专家,意思就是让用户实现简单操作。

”　上海倍加福工业自动化贸易有限公司产品市场总监Johｎ　Saw也表示,如何通过对多种智能传感器的组合让用户更简单的使用传感器已经成为公司发展的一个方向。

如作为专用于传感器和执行器之间联网通讯的国际标准的AＳ－I（EＮ5029５），它摒弃了传统接线中，电源必须连接到每只传感器并且信号线必须连到Ｉ/O模块中的限制。

一个ＡＳ-I网络中最多可包含12４只简单的传感器或3１个可编程的AS-I传感器,用户可组合使用。

ﻫﻫ    ＭEMＳ技术带动传感器的发展ﻫﻫ    半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向导性腐蚀及蒸镀,溅射薄膜等,这些都已引进到传感器制造。

因而产生了各种新型传感器,如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制造压力传感器等。

精量电子市场总监陈振指出,MＥMＳ技术肯定是传感器技术未来的主要趋势之一。

基于MＥMS硅微加工技术,传感器具有体积小、低功耗等特点,易于集成在各种模拟和数字电路中,广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。

ﻫ

    传感器发展的另一大特点是向着集成化、智能化方向发展。

集成传感器的优势是传统传感器无法达到的,它不仅仅是一个简单的传感器，其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上,使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能,它可降低成本、增加产量。

而智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多特点，具有判断和信息处理功能，可实现多传感器多参数测量，有自诊断和自校准功能,测量数据可存取,且具有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。

把传感器、信号调节电路、单片机集成在一个芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器已经成为一个新的发展趋势。

ﻫ　　　　　　　　　１0ﻫ    数字的还是模拟的?

ﻫ

    模拟还是数字?

在工业化测量和控制领域,依旧存在着争执。

    在一些控制领域的应用中，往往有很多不同的输入以及多变量的处理,这些复杂的要求只有数字电路应付得过来。

然而,在另一些应用中，模拟依旧占主导地位。

模拟器件设计相对简单,对应于简单的电路,特别是面对成本控制等诸多因素，模拟都是首选。

ﻫ

    随着传感器技术的进一步发展，传感器设备集成了越来越多的数字化电路和接口。

有专家指出，“MEMＳ与集成电路的结合，可以使工业解决方案的设计摒弃那些需要复杂信号处理的传统技术。

”而传感器提供了数字输出信号,这需要内部具备集成的电路,如ADC以及串行器。

因为制造方式相同，所需材料相同,基于MEMS的传感器就更加适合数字化。

参考资料:

1.王厚枢　传感器原理　。

北京:

航空工业出版社2００5

2.宋文绪　自动检测技术北京：

高等教育出版社　２00３

3．王煜东传感器应用技术西安:

西安电子科技大学出版社200６

11