传感器在检测技术中的应用及发展的研究.docx
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传感器在检测技术中的应用及发展的研究
传感器在检测技术中的应用及发展的研究
一：
传感器在检测技术中的作用及地位
检测（Detection）是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。
能够自动的完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。
检测技术是现代化领域中很有发展前途的技术，他在国民经济中起着极其重要的作用。
近几十年来，自动控制理论和计算机技术迅速发展，并已应用到生产和生活的各个领域。
但是，由于作为“感觉器官”的传感器技术没有与计算机技术协调发展，出现了信息处理功能发达、检测功能不足的局面。
目前许多国家已投入大量人力、物力，发展各类新型传感器，检测技术在国民经济中的地位也日益提高。
传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境状态，为有效控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。
随着人类探知领域和空间的拓展，电子信息种类日益繁多，信息传递速度日益加快，信息处理能力日益增强，相应的信息采集——传感技术也将日益发展，传感器也将无所不在。
传感器技术是实现自动控制、自动调节的关键环节，也是机电一体化系统不可缺少的关键技术之一，其水平高低在很大程度上影响和决定着系统的功能；其水平越高，系统的自动化程度就越高。
在一套完整的机电一体化系统中，如果不能利用传感检测技术对被控对象的各项参数进行及时准确地检测出并转换成易于传送和处理的信号，我们所需要的用于系统控制的信息就无法获得，进而使整个系统就无法正常有效的工作。
传感器（Sensor）是一种常见的却又很重要的器件，它是感受规定的被测量的各种量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置。
对于传感器来说，按照输入的状态，输入可以分成静态量和动态量。
我们可以根据在各个值的稳定状态下，输出量和输入量的关系得到传感器的静态特性。
传感器的静态特性的主要指标有线性度、迟滞、重复性、灵敏度和准确度等。
传感器的动态特性则指的是对于输入量随着时间变化的响应特性。
动态特性通常采用传递函数等自动控制的模型来描述。
通常，传感器接收到的信号都有微弱的低频信号，外界的干扰有的时候的幅度能够超过被测量的信号，因此消除串入的噪声就成为了一项关键的传感器技术
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.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cm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、超弱磁砀等等。
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
二：
检测技术常用传感器的类型、特点、结构及用途
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。
常见传感器的应用领域和工作原理
1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、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器
2.按照其原理，传感器可分类为：
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：
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
（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
（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。
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。
传感器静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有：
线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
（1）线性度：
指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。
定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。
（2）灵敏度：
灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。
其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。
用S表示灵敏度。
（3）迟滞：
传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。
对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。
（4）重复性：
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。
（5）漂移：
传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，次现象称为漂移。
产生漂移的原因有两个方面：
一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。
传感器动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常
用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。
如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
它是输出一输入特性曲线的斜率。
如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。
否则，它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。
例如，某位移传感器，在位移变化1mm寸，输出电压变化为200mV则其灵敏度应表示为200mV/mm当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
提高灵敏度，可得到较高的测量精度。
但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。
传感器的分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。
也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。
当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。
只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。
通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。
上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。
分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。
传感器的应用非常广泛，比如：
电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。
主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。
称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力--电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。
能够实现力--电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。
电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。
电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。
因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用
电阻应变式传感器传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。
电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。
半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应、小等优点。
压阻式传感器压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。
其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。
当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。
用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤
其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍
热电阻传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。
热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造。
热电阻传感器热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。
在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。
目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。
用于测量-200C〜+500C范围内的温度。
热电阻传感器分类：
1.NTC热电阻传感器：
该类传感器为负温度系数传感器，即，传感器阻值随温度的升高而减小；2.PTC热电阻
传感器：
该类传感器为正温度系数传感器，即，传感器阻值随温度的升高而增大
温度传感器测温原理：
根据电阻阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律的变化的原理，我们可以得到所需要测量的温度值。
1、室温管温传感器：
室温传感器用于测量室内和室外的环境温度，管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。
室温传感器和管温传感器的形状不同，但温度特性基本一致。
2、排气温度传感器：
用
于测量压缩机顶部的排气温度。
3、模块温度传感器：
模块温度传感器用于测量变频模块（IGBT或IPM）的温度，目前用的感温头的型号是602F-3500F,基准电阻为25C对应电阻6KQ士1%几个典型温度的对应阻值分别是：
-10C—（25.897—28.623）KQ;0C—（16.3248—17.7164）KQ;50C—（2.3262—2.5153）KQ;90C—（0.6671—0.7565）KQ。
温度传感器的种类很多，现在经常使用的有热电阻：
PT100、
PT1000Cu50CulOO;热电偶：
BE、J、KS等。
温度传感器不但种类繁多，而且组合形式多样，应根据不同的场所选用合适的产品。
光敏传感器光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：
光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOSS像传感器等。
它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。
光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。
光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。
最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。
湿度传感器高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极，再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。
湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中，因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化，此即为湿度传感器的基本机理。
影响高分子电容型元件的温度特性，除作为介质的高分子聚合物的介质常数&及所吸附
水分子的介电常数&;受温度影响产生变化外，还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。
根据德拜理论的观点，液体的介电常数&;是一个与温度和频率有关的无量纲常数。
水分子的介质常数&在T=5C时为78.36,在T=20C时为79.63。
有机物&与温度的关系因材料而异，且不完全遵从正比关系。
在某些温区&随T呈上升趋势，某些温区&随T增加而下降。
多数文献在对高分子湿敏电容元件感湿机理的分析中认为：
高分子聚合物具有较小的介电常数，如聚酰亚胺在低湿时介电常数为3.0一3.8。
而水分子介电常数是高分子&的几十倍。
因此高分子介质在吸湿后，由于水分子偶极距的存在，大大提高了吸水异质层的介电常数，这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。
由于&的变化，使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比。
在设计和制作工艺中很难组到感湿特性全湿程线性。
高分子介质膜的厚度d和平板电容的效面积S也和温度有关。
温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响C值。
高分子聚合物的平均热线胀系数可达到的量级。
例如硝酸纤维素的平均热线胀系数为108x10-5/C。
随着温度上升，介质膜厚d增加，对C呈负贡献值；但感湿膜的膨胀又使介质对水的吸附量增加，即对C呈正值贡献。
可
见湿敏电容的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围温漂不同；在不同的温区呈不同的温度系数；不同的感湿材料温度特性不同。
总之，高分子湿度传感器的温度系数并非常数，而是个变量。
所以通常传感器生产厂家能在-10-60摄氏度范围内是传感器线性化减小温度对湿敏元件的影响。
式。
对射式
射式检测方式的发射器和接收器相互对射安装，发射器的光直接对准接收器。
当被测物挡住光束时，传感器输出产生变化以指示被测物被检测到。
对射式是最早使用的一种光电检测模式。
在调制光出现之前，发射器和接收器的对准是一个很大的难题。
今天，对于使用高能调制光的光电传感器，将发射器和接收器对准已非常容易。
光路对准-对射式
光路对准可使最大数量的发射光到达接收器，发射光要位于接收区域的中央位置。
当发射器为可见光时，为使光路对准方便，在接收器镜头的正前方放一浅色的标定物，通过观察照在标定物上的光斑来调整发射器位置。
将标定物移开，观察传感器上的过量增益指示灯，细调发射器和接收器的位置以达到最佳的对准位置。
检测距离-对射式
检测距离是传感器一个很重要的参数。
对于对射式传感器，此参数是指传感器的发射器与接收器之间的最大距离。
有效光束是指发射的所有光束中起作用的那部分，为可靠检测物体，此部分光必须要被全部遮挡。
对射式检测模式的有效光束，我们可以将其比喻为连接发射器
镜头（或超声波变送器）与接收器镜头（或变送器）的一个杆，如果发射器和接收器的镜头大小不一样，则此杆会变成锥形。
有效光束与发射器发射的光束或接收器的可接收区域是不一样的。
对于对射式光电传感器，在检测小的部件或进行精确定位时，其有效光束可能会太大以致不能进行可靠检测。
在这种情况下，可以给传感器加装光缝来减小有效光束的尺寸。
（注意：
在选择光缝材料时，要注意有些非金属材料可能会被高能的调制光穿透）。
安装光缝会减小通过镜头的光的能量（光缝越小，通过的光就越少）。
例如：
直径20mnt勺镜头安装上带一5mm孔的光缝后，则通过此孔的光的能量仅为原来的（1/4）2或1/16th，如果发射器和接收器都安装了光缝，则光的能量会损失双倍。
矩形光缝与同尺寸的圆孔形光缝相比，其镜头接收光的区域较
大。
因此，如果被测物通过光束的方向是一定的，则优先选用矩形光缝（如边沿检测）。
如果小的被测物通过光束的方向不是固定的，贝S优先选用圆形光缝。
如果被测物在通过时总是非常靠近发射器或接收器，则仅需安装一个光缝即可。
其有效光束尺寸在有光缝的一端为光缝上孔的尺寸，在未安装光缝的一端为镜头的尺寸，成为锥形。
在使用对射式传感器检测小物体时，在使用对射式传感器检测小物体时，一方面要保证有效光束的尺寸必须小于被测物的最小尺寸，同时要使镜头保留尽可能大的可视区域，以保证足够的检测距离。
一种简便的方法就是使用光纤，这种光纤检测头的出光孔有多种形状和
尺
寸，以适用于不同的被测物。
有些高能的经过调制的对射式传感器，在近距离使用时，有时会在被测物周围产生光能激增现象，致使传感器产生误动作。
这也是为什么要求被测物尺寸一定要大于有效光束尺寸的原因之一。
对于对射式的超声波传感器，通过使用声波引导器件可以确定其波形图。
此器件安装在接收器的变送器（有时也安装在发射器上），安装此器件后，接收器对从侧面过来的声波反应就会很弱，因而可以
比较可靠的检测小的物体。
反射板式
反射板式的检测模式中，一个传感器本身既有发射器又有接收器。
发射器发射光照到反射板上，反射光再返回接收器上。
当物体挡住光束时，被测物就被检测到了。
反射板式传感器的检测距离为从传感器到反射板的距离。
其有效光束通常为锥形，从镜头边沿到反射板边沿。
特殊情况下与此不同，如：
当传感器离反射板太近时，光束不能全部覆盖整个反射板；或者发射光为激光光束时。
在这些情况下，有效光束的尺寸扩展不到反射板的整个面积。
反射板通常是由多个几何棱镜组成的矩阵，每个棱镜有三个互相垂直的平面和一个斜面。
光束从斜面射入，经其他三个面反射后从这个斜面上平行的返回。
这样反射板就将入射光反回到了接收器。
多数棱镜式反射板由透明丙烯酸塑料压铸而成，具有多种尺寸和
外形。
棱镜或反射板经常作为汽车安全反射板用，当汽车前灯照在反
射板上时，反射板会反射回很强的光使司机能及时观察到。
高速公路上的警示标志可以用反射带来制作，反射带表面涂有一层薄的带几何棱镜的反光材料或玻璃细沙。
（光滑的玻璃表面也可把
光反射回去，但是涂玻璃细沙的表面其反光率低于带几何棱镜的表面）
非常光亮的表面也可以做反射板用，但入射光会以等同的角度朝相反方向反射回去。
为了使传感器能接收到反射光，发射光必须垂直于镜面。
但对于反射板来说，它能将入射光以偏离垂直线最大20°
的角度反射回来，这样就使对准非常容易。
好的反射板的反光率是一张白纸的3,000倍，所以反射板式传感器很容易接收到从反射板反射回来的光。
但是对于反光率很强的被测物，当挡住光束时，也能将很强的光反射回传感器而使其误认为被测物并未出现。
对这种问题，我们也有相应的解决办法。
如果一个表面很平很亮的物体总是沿固定的方向经过检测区域，那么我们可以将传感器和反射板倾斜安装，以使被测物表面反射回来的光回不到传感器，倾斜角度通常为10~15°。
但是如果光亮被测物表面是圆形或被测物是以不确定的角度进入检测区域，则问题就会比较复杂。
此时我们可以将传感器和反射板水平及垂直方向均旋转一定角度，这样通常情况下可以解决问题
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