23.4 傳感器的組成、分類和典型的傳感器 23.4.1 傳感器的組成 傳感器是能感受規定的被測量，并按一定的規律性換成可用輸出信号的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。而敏感元件是傳感器中能直接感覺或響應被測量的元件；轉換元件是傳感器中能把要敏感元件感覺的或響應的被測量的信号轉換成适于傳輸、處理或測量的電信号的部分。傳感器又稱換能器或變換器，有時也稱為敏感元件，如把溫度傳感器稱為熱敏元件。随着科學和技術的發展，傳感器向小型化、內建化和智能化方向發展。利用制作工藝的進步，特别是微/納米加工技術的利用，傳感器向小型化方向發展。同時它還向功能內建（多種傳感檢測功能的結合）、結構內建（把傳感器同其預處理電路內建起來，甚至将A/D轉換器件與發射裝置等也內建在一起）和技術內建（多種技術的內建）方向發展。傳感器與智能技術（人工智能）的結合，開發出矽膜片壓力敏感元件同精度和漂移修正結合的智能型傳感器。有的智能型傳感器不僅有感覺功能與信号處理功能，還有識别判斷能力，如美國開發的靈捷傳感器（又稱為靈捷器件）。 由于傳感器應用領域多、面又廣，其品種和規格繁多，傳感器的構成相當複雜。是以，從傳感器的構成角度進行簡要介紹。 （1）能量變換型 它是無源型傳感器，無須外加電源。傳感器的功能就是将被測對象的信号能量變換成電壓或電流信号能量。其組成比較簡單，一般是敏感元件與轉換元件合一的，隻需構成轉換電路就可将電信号輸出。為了提高傳感品質，減少附加效應引起的信号失真（即降低噪聲），除上述基本組成外，還要添加一些必要的組成組元，例如：在聲發射傳感器的敏感-變換元件（壓電晶體或壓電陶瓷件）上附加聲比對并起降低聲波反射作用的背襯件就是這類組元。 （2）有源型 它要求提供外加能量才能将信号轉換成電信号，如聲表面波傳感器、感應同步器等。其外加電源供給轉換電路。 （3）阻抗變換型 這類傳感器首先把感受到的被測量信号變換成電路中的阻抗參數（電阻、電容或電感量），再由有外加電流的變換電路輸出對應的電信号。 （4）中間變量型 這類傳感器的敏感元件感受到的信号要經過中間變量的變換後才能從變換電路中輸出相應的電氣量。如力傳感中，敏感元件受力後變換成變形或應力/應變，隻有通過應變片等轉換元件才能使之變換成變換電路中的阻抗參數變化，才有可能通過有源的變換電路輸出電信号。有時這種中間變換要進行多次，其中有的中間變換也可以是無源型的變換。 （5）參比補償器型 這類傳感器利用有補償功能敏感元件與傳感用的敏感元件對比，被償消除環境溫度或電源波動的影響，如用溫度補償片與壓電元件構成可以減少溫度變化影響的壓電式壓力傳感器。 （6）差動型 采用差動的構成方式，以提高傳感器的品質（靈敏度、線性度等），消除或降低環境變化的影響，如精密檢測用的線性可調差動傳感器（LVDT）。 此外，還有自成閉環系統的回報型構成方式。其中的敏感元件或變換元件兼有回報功能，使傳感器自成閉環系統，如差動電容力平衡式加速度傳感器。 23.4.2 傳感器的分類 1．按傳感器的工作原理分類 根據傳感器的工作原理的學科性，一般分成實體型、化學型和生物型三類。 實體型傳感器，是指利用變換元件的實體效應制成的傳感器。例如：利用壓電陶瓷或壓電晶體的壓電效應構成的壓電傳感器等。它們的命名常常根據效應來進行。 化學型傳感器，是指利用電化學效應，将有機或無機物質的組分、濃度等轉換成電信号的傳感器。例如：利用離子選擇性電極測定溶液的pH值或離子濃度。化學傳感器的核心是離子選擇性敏感膜。它們有玻璃膜、單晶膜與多晶膜等固體膜，和正、負電荷載體膜與中性載體膜等液體膜。近年來的發展是把膜技術同場效應半導體結合起來發展離子選擇性電極。它可以測量無機溶液和氣體、血清與葡萄糖中的組份。 生物傳感器是利用生物活性物質的選擇性識别和測定生物化學物質的傳感器。生物活性物質的識别功能是指其對某種物質的選擇性親和力。利用這種選擇性親和力判斷某種物質是否存在，其濃度是多少，再利用電化學方法将之轉換成電信号。生物傳感器由功能識别物質和電、光信号轉換裝置兩部分組成。前者的功能是識别被測物質，後者的功能是把功能膜上識别被檢物質生成的化學反應轉換成電信号或光信号。 2．按傳感器的輸入參數分類 按照這種分法，将傳感器分成力、壓力、位移、速度、加速度、流速、溫度、濕度、粘度與濃度等傳感器。這種分類法在工業界比較常用。 3．按應用對象或範圍分類 按這種分類法，把應用于醫療行業中的傳感器常按被檢測器官命名，如心音傳感器、心電傳感器、脈博傳感器等。工業中把用于測量振動的傳感器稱為振動（測量）傳感器，把測量液體表面位置的傳感器稱為液位傳感器等等。 4．按是否需要外部能源分類 分有源型和無源型。有源型要求外加電源才能工作；而無源型無須外加電源就能工作。前者如電阻式、電容式和電感式傳感器；後者如壓電式、光電式、熱電式等傳感器。 5．按輸出信号特征分類 可分為數字式和模拟式兩類。絕大多數現行傳感器是模拟式傳感器。 23.4.3 典型的傳感器 對于制造領域而言，所應用的傳感器主要有以下幾類。 1．力傳感器 （1）機械式 利用彈性環節為敏感元件把被傳感的力變換為彈性變形，用機械名額儀表測定變形位移，以位移值表征被測力。 （2）液壓式 利用液壓元件作為力的敏感元件，将力變為油壓的變化。80年代末期，開發出一種小型化液體靜壓力傳感器元件（MIH-Cell），可測定軸向力、側向力和力矩，其分辨力可高達4.5～11.25V/N。 （3）壓電式 利用壓電晶體（如石英晶體）或壓電陶瓷（如PZT）的壓電效應，将力直接轉換為電平信号，如石英晶體在載荷力的作用下，其X、Y軸上産生電荷q x與q y，而Z軸無電荷産生，X軸稱為電軸，Y軸稱為機械軸、Z軸為光軸，載荷力使該石英晶體産生的電荷可表達為 式中  傳感器的組成、分類和典型的傳感器 ——壓電常數， 傳感器的組成、分類和典型的傳感器 =23.1×10 -12C/N。 （4）電阻式 利用靈敏的電阻片或內建電阻片作為力傳感的變換元件，以電阻值的變化表征力的變化。它有靈敏度高、剛性好，可測靜、動态力或力分量等優點；其不足之處是，易受切削溫度的影響。這種力傳感器的敏感元件多采用彈性元件。 （5）從功率測定力 機床的切/磨削功率P、主切削力F Z和切削/磨削速度υ呈如下關系： F Z=P/υ （23） 利用功率測定值來确定F Z力。 2．聲發射傳感器 經過近20年的研究與開發，聲發射傳感器已經成為制造過程和裝備監視中經常考慮選用的傳感器。其工業應用中的主要形式有： （1）壓電式聲發射（AE）傳感器 利用壓電晶體，如PZT-5作為敏感與變換元件。實踐證明，寬帶高精度AE傳感器要求壓電晶體有獨特的點接觸式幾何形狀，且還應在其上附加聲阻抗比對材料件的背襯，以消除或減少透過壓電晶體元件的聲波因界面反射而再度傳回壓電晶體形成的次生壓電效應，使AE傳感器輸出信号的噪聲減少，其典型結構見中國專利（CN87214610.3）。AE傳感器是按自身的諧振特性實作傳感的，它可檢測60kHz～100MHz的聲發射信号。同壓電式加速度計不同，兩者的傳感工作原理不同。壓電式加速度計在結構上要求有慣性品質塊，且要求線上性頻段上工作，其可測的加速度信号頻帶為1Hz～20kHz，且壓電式加速度計為二階系統，不能獲得高的諧振頻率。故有人粗略地認為，壓電式加速度傳感器相當于一個低頻的AE傳感器。 （2）電容式AE傳感器 它是一種非接觸式傳感器，與下面将要介紹的雷射AE傳感器均屬校準用的傳感器。當忽略邊緣效應的影響時，平闆電容C可表示為 C=εA/δ （24） 式中：δ——兩平闆間的距離，即傳感器到被測表面的距離（m）； A——傳感器覆寫的有效面積（m 2）； ε——極闆間媒體的介電常數（F·m -1）。 當δ變化時，稱這種電容傳感器為極距變化型電容傳感器。利用極距變化型電容傳感器測定AE波引起的表面位移變化量，實作對AE波的傳感。 （3）雷射AE傳感器 利用雷射掃描被AE波作用的表面，用光敏器件将位移變化量變換為電量，實作對AE波的探測。 3．CCD圖像傳感器 它是稱為電荷耦合的半導體器件，分線陣和面陣兩類。它可以把光學信号轉換成電脈沖信号，且每個脈沖反映一個光敏元的受光情況。脈沖的幅值反映光敏元受光的強弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，形成圖像的傳感。光敏元接受正面或背面照射的光，按照光生電荷效應，受光時光敏元産生電荷，且光強越強，産生的電荷就越多。再利用轉移栅順序地轉換每個光敏元上的電荷給輸出二級管，生成順序的電脈沖輸出。線陣CCD有512～5000位，像元尺寸（μm 2）為7×7～14×14。面陣CCD有245×492～1024×1024位。陣列單元的響應一緻性為±4%～±14%。最大掃描速度為（2～10）MHz。 它們可用于尺寸自動檢測、光學圖像檢測、安全監視等領域。 4．光纖傳感器 光纖傳感器是在70年代中期發展起來的一種傳感器技術。它是由中心的圓柱形摻雜的石英玻璃纖維和圓柱體外層組成的光傳播媒體。其中心圓柱體纖維稱為纖芯，外層稱為包層。在包層外有護套，護套保持光纖的機械強度。纖芯與包層都由均勻媒體組成。它們決定了光纖的導光能力。光在光纖内要達到全反射的要求，故纖芯的折射率要高于包層的折射率，目光線在纖芯裡要保證界面上的入射角要大于臨界面，以保證全反射。包層采用固體材料，護套多用尼龍材料。 光纖傳感器是從光纖通信系統的光纖由于作用其上的應力、環境溫度等因素對通信的有害影響的發現而發展起來的高靈敏度傳感器。從1977年美國海軍研究所執行光纖傳感器系統計劃開始，經過70年代末至80年代的發展，已開發出近百種光纖傳感器，并被廣泛地用于軍事、科研、工業、商業和醫學領域。美國以每年增長30%的速度擴大光纖傳感器的銷售量，到1993年已達到26億美元。其他各國，如英國、日本都在研究、應用方面加大投入，或以巨資投建大型生産廠。從80年代以來，我國也積極開展研究、開發和應用。 光纖傳感器主要有： （1）光強調制型光纖傳感器 光強的調制有内調制和外調制兩種方法。内調制法的調制過程是通過光纖自身特性的變化來實作的。而外調法僅僅利用光纖作為光傳導系統，光纖自身的特性并不改變，其調制過程發生在光纖以外的環節中。光強調制型光纖傳感器是利用光纖感受被測對象變化引起光纖中光強的變化去實作對被測對象監視傳感的。如微彎型光纖傳感器，利用一根多模光纖置于微彎闆間，當反力作用使微彎闆發生微彎時，光纖因微彎的位移也産生微彎曲變形，進而使各傳播模間産生耦合，通過纖芯功率的變化量測定，就可以确定彎曲位移的量值或所受的壓力量值。利用光強的外調制原理，可以構成由發送光纖和接收光纖組成的天線型光纖傳感器。它可以傳感溫度、壓力與聲場等變化，用于大型電機、變壓器的溫度監測，瓦斯、液化氣罐與火警的報警系統中，可靠地實作傳感。 利用上述光強調制原理構造的實用型光纖傳感器，可以檢測傳感由溫度壓力等因素變化而引起的位移變化、速度和加速度等，廣泛地被用于石油、機械等領域。它們中有傾斜鏡式光纖加速度計、移動球鏡光纖位移傳感器、棱鏡反射型液體檢漏傳感器、光纖液位傳感器和膜片式光纖壓力傳感器等。 （2）相位調制型光纖傳感器 利用單模光纖作為光路的幹涉儀，可以排除相幹光在空氣中傳播帶來的空氣擾動及聲波的幹擾而引起的空氣中光程的變化造成的光學幹涉儀工作不穩定性。光纖光波幹涉可以把相位的變化轉變為光能的變化。因而，光纖傳感器可進行由光波相位變化和光纖幹涉兩部分組成的相位調制，以克服光探測器不能直接感受相位變化的不足。利用逆壓電效應，将電信号轉變為光纖幾何尺寸的變化來實作相位調制或解調。相位調制光纖傳感器是以被測量引起敏感光纖内傳播的光波産生相位變化，再利用幹涉測量技術把相位的變化變換成光強的變化，以傳感被測量。在光纖幹涉儀中，采用了相位調制光纖應變傳感器、光纖電流傳感器、光聲氣體光纖傳感器和位移光纖傳感器等。 此外，還有光波偏振調制型光纖傳感器等。如前所述，傳感器品種繁多，不可能一一介紹。有利之處是可以查閱的資料文獻較多。 |
