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物理傳感�
閱讀�3282�(shí)間:2017-04-08 10:07:35

  傳感�(Sensor)是一種常�(jiàn)又很重要的器件,它是感受�(guī)定的被測(cè)量的各種量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)的器件或裝置。對(duì)于傳感器�(lái)�(shuō),按照輸入的狀�(tài),輸入可以分成靜�(tài)量和�(dòng)�(tài)�。我們可以根�(jù)在各�(gè)值的�(wěn)定狀�(tài)�,輸出量和輸入量的關(guān)系得到傳感器的靜�(tài)特�。傳感器的靜�(tài)特性的主要指標(biāo)有線(xiàn)性度、遲滯、重�(fù)�、靈敏度和準(zhǔn)確度等。傳感器的動(dòng)�(tài)特性則指的是對(duì)于輸入量隨著�(shí)間變化的響應(yīng)特�。動(dòng)�(tài)特性通常采用傳遞函數(shù)等自�(dòng)控制的模型來(lái)描述�

工作原理

  物理傳感器是檢測(cè)物理量的傳感�。它是利用某些物理效�(yīng),把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量形式的信�(hào)的裝�。其輸出的信�(hào)和輸入的信號(hào)有確定的�(guān)�。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感�、電磁式傳感�、熱電式傳感�、光�(dǎo)纖維傳感器等。作為例�,讓我們看看比較常用的光電式傳感器。這種傳感器把光信�(hào)�(zhuǎn)換成為電信號(hào),它直接檢測(cè)�(lái)自物體的輻射信息,也可以�(zhuǎn)換其他物理量成為光信�(hào)。其主要的原理是光電效應(yīng):當(dāng)光照射到物質(zhì)上的�(shí)候,物質(zhì)上的電效�(yīng)�(fā)生改�,這里的電效應(yīng)包括電子�(fā)�、電�(dǎo)率和電位電流�。顯然,能夠容易�(chǎn)生這樣效應(yīng)的器件成為光電式傳感器的主要部件,比如說(shuō)光敏電阻。這樣,我們知道了光電傳感器的主要工作流程就是接受相應(yīng)的光的照�,通過(guò)�(lèi)似光敏電阻這樣的器件把光能�(zhuǎn)化成為電能,然后通過(guò)放大和去噪聲的處�,就得到了所需要的輸出的電信號(hào)。這里的輸出電信號(hào)和原始的光信�(hào)有一定的�(guān)�,通常是接近線(xiàn)性的�(guān)�,這樣�(jì)算原始的光信�(hào)就不是很�(fù)雜了。其他的物理傳感器的原理都可以類(lèi)比于光電式傳感器�

�(yīng)�

  下面�(jiǎn)單介紹一下常�(jiàn)的幾種sensor 的原理和作用以及一些簡(jiǎn)單的例子�
  1� touch sensor 意是是接觸性sensor,當(dāng)兩�(gè)物體接觸�(shí)�(chǎn)生的一種信�(hào),將這�(gè)信號(hào)收集傳經(jīng)�(jì)算機(jī),可�(zhí)行下一步的�(dòng)�。這種sensor 主要用來(lái)感應(yīng)兩�(gè)物體的關(guān)��
  2、感光sensor ,通過(guò)兩�(gè)�(jiǎn)單的電路�(lái)完成,一�(gè)電路有發(fā)光二極管或LED等發(fā)光元件,另一�(gè)電路則接有一�(gè)感光元件�(lái)感就�(fā)光體,當(dāng)裝有sensor 的兩物體具有�(duì)就的�(guān)系時(shí),感光元件就�(huì)接收到信�(hào),將這�(gè)信號(hào)傳給�(jì)算機(jī),通過(guò)�(jì)算機(jī)�(lái)完成其它的動(dòng)�。這種sensor 主要用來(lái)感應(yīng)是否到達(dá)�(yù)定的位置,或者用�(lái)確定兩物體的相對(duì)位置�(guān)��
  3、磁感sensor � 通過(guò)磁性感�(yīng)物體,當(dāng)兩運(yùn)�(dòng)部件�(yùn)�(dòng)到一定的區(qū)域內(nèi)�(shí),可以通過(guò)磁感�(lái)感就到物體的存在及位��
  在一些電子產(chǎn)品的�(jī)器中,sensor 可說(shuō)是無(wú)處不�,每�(gè)sensor 有具體作用也不同,在遇到sensor�(shí),先看看它到底有什么作�,為什么要一�(gè)sensor� 原理是什么,然后再分析該如何處理�
  物理傳感器的�(yīng)用范圍是非常廣泛的,我們僅僅就生物�(yī)�(xué)的角度來(lái)看看物理傳感器的�(yīng)用情�,之后不難推�(cè)物理傳感器在其他的方面也有重要的�(yīng)��
  比如血壓測(cè)量是�(yī)�(xué)�(cè)量中的最為常�(guī)的一�。我們通常的血壓測(cè)量都是間接測(cè)量,通過(guò)體表檢測(cè)出來(lái)的血流和壓力之間的關(guān)�,從而測(cè)出脈管里的血壓�。測(cè)量血壓所需要的傳感器通常都包括一�(gè)彈性膜片,它將壓力信號(hào)�(zhuǎn)變成為膜片的變形,然后再根據(jù)膜片的應(yīng)變或位移�(zhuǎn)換成為相�(yīng)的電信號(hào)。在電信�(hào)的峰值處我們可以檢�(cè)出來(lái)收縮壓,在通過(guò)反相器和峰值檢�(cè)器后,我們可以得到舒張壓,通過(guò)積分器就可以得到平均��
  讓我�?cè)倏纯春粑鼫y(cè)量技�(shù)。呼吸測(cè)量是臨床診斷肺功能的重要依據(jù),在外科手術(shù)和病人監(jiān)�(hù)中都是必不可少的。比如在使用用于�(cè)量呼吸頻率的熱敏電阻式傳感器�(shí),把傳感器的電阻安裝在一�(gè)夾子前端的外�(cè),把夾子夾在鼻翼�,當(dāng)呼吸氣流從熱敏電阻表面流�(guò)�(shí),就可以通過(guò)熱敏電阻�(lái)�(cè)量呼吸的頻率以及熱氣的狀�(tài)�
  再比如最常見(jiàn)的體表溫度測(cè)量過(guò)程,雖然看起�(lái)很容�,但是卻有著�(fù)雜的�(cè)量機(jī)�。體表溫度是由局部的血流量、下層組織的�(dǎo)熱情況和表皮的散熱情況等多種因素決定�,因此測(cè)量皮膚溫度要考慮到多方面的影�。熱電偶式傳感器被較多的�(yīng)用到溫度的測(cè)量中,通常有桿狀熱電偶傳感器和薄膜熱電偶傳感�。由于熱電偶的尺寸非常小,精度比較高的可做到微米的級(jí)�,所以能夠比較精確地�(cè)量出某一�(diǎn)處的溫度,加上后期的分析�(tǒng)�(jì),能夠得出比較全面的分析�(jié)果。這是傳統(tǒng)的水銀溫度�(jì)所不能比擬�,也展示了應(yīng)用新的技�(shù)給科�(xué)�(fā)展帶�(lái)的廣闊前景�
  從以上的介紹可以看出,僅僅在生物�(yī)�(xué)方面,物理傳感器就有著多種多樣的�(yīng)�。傳感器的發(fā)展方向是多功能、有圖像�、有智能的傳感器。傳感器�(cè)量作為數(shù)�(jù)獲得的重要手�,是工業(yè)生產(chǎn)乃至家庭生活所必不可少的器件,而物理傳感器又是最普通的傳感器家�,靈活運(yùn)用物理傳感器必然能夠�(chuàng)造出更多的產(chǎn)�,更好的效益�

分類(lèi)

  �(jiǎn)�
  可以用不同的觀(guān)�(diǎn)�(duì)傳感器�(jìn)行分�(lèi)�
  它們的�(zhuǎn)換原�(傳感器工作的基本物理或化�(xué)效應(yīng));它們的用途;它們的輸出信號(hào)�(lèi)型以及制作它們的材料和工藝等。根�(jù)傳感器工作原理,可分為物理傳感器和化�(xué)傳感器二大類(lèi):傳感器工作原理的分�(lèi)物理傳感器應(yīng)用的是物理效�(yīng),諸如壓電效�(yīng),磁致伸縮現(xiàn)�,離化、極�、熱�、光�、磁電等效應(yīng)。被�(cè)信號(hào)量的微小變化都將�(zhuǎn)換成電信�(hào)。化�(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果�(guān)系的傳感器,被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將�(zhuǎn)換成電信�(hào)。有些傳感器既不能劃分到物理�(lèi),也不能劃分為化�(xué)�(lèi)。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)�(yùn)作的?;瘜W(xué)傳感器技�(shù)�(wèn)題較�,例如可靠性問(wèn)�,規(guī)模生�(chǎn)的可能�,價(jià)格問(wèn)題等,解決了這類(lèi)難題,化�(xué)傳感器的�(yīng)用將�(huì)有巨大增�(zhǎng)。常�(jiàn)傳感器的�(yīng)用領(lǐng)域和工作原理列于下表�
  按照其用途分�(lèi)
  壓力敏和力敏傳感� 位置傳感� 液面?zhèn)鞲衅?能耗傳感器 速度傳感�
  加速度傳感� 射線(xiàn)輻射傳感� 熱敏傳感� 24GHz雷達(dá)傳感�
  按照其原理分�(lèi)
  振動(dòng)傳感� 濕敏傳感� 磁敏傳感� 氣敏傳感� 真空度傳感器 生物傳感器等�
  按照其輸出信�(hào)分類(lèi)
  模擬傳感器——將被測(cè)量的非電�(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信�(hào)�  �(shù)字傳感器——將被測(cè)量的非電�(xué)量轉(zhuǎn)換成�(shù)字輸出信�(hào)(包括直接和間接轉(zhuǎn)�)。膺�(shù)字傳感器——將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸�(包括直接或間接轉(zhuǎn)�)。開(kāi)�(guān)傳感器——當(dāng)一�(gè)被測(cè)量的信號(hào)�(dá)到某�(gè)特定的閾值時(shí),傳感器相應(yīng)地輸出一�(gè)�(shè)定的低電平或高電平信�(hào)�
  按照其材料分�(lèi)
  在外界因素的作用�,所有材料都�(huì)作出相應(yīng)�、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對(duì)外界作用最敏感的材料,即那些具有功能特性的材料,被用來(lái)制作傳感器的敏感元件。從所�(yīng)用的材料觀(guān)�(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列幾�(lèi)�
  (1)按照其所用材料的�(lèi)別分� 金屬聚合� 陶瓷混合�
  (2)按材料的物理性質(zhì)分: �(dǎo)體絕緣體 半導(dǎo)體磁性材�
  (3)按材料的晶體�(jié)�(gòu)分: 單晶 多晶非晶材料
  與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器�(kāi)�(fā)工作,可以歸納為下述三�(gè)方向�
  (1)在已知的材料中探索新的現(xiàn)�、效�(yīng)和反�(yīng),然后使它們能在傳感器技�(shù)中得到實(shí)際使��
  (2)探索新的材料,應(yīng)用那些已知的�(xiàn)�、效�(yīng)和反�(yīng)�(lái)改�(jìn)傳感器技�(shù)�
  (3)在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新�(xiàn)象、新效應(yīng)和反�(yīng),并在傳感器技�(shù)中加以具體實(shí)��  �(xiàn)代傳感器制造業(yè)的�(jìn)展取決于用于傳感器技�(shù)的新材料和敏感元件的�(kāi)�(fā)�(qiáng)度。傳感器�(kāi)�(fā)的基本趨�(shì)是和半導(dǎo)體以及介�(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)�(lián)��
  按照其制造工藝分�(lèi)
  集成傳感�,薄膜傳感器,厚膜傳感器,陶瓷傳感器。集成傳感器是用�(biāo)�(zhǔn)的生�(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技�(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片��  薄膜傳感器則是通過(guò)沉積在介�(zhì)襯底(基板)上的,相�(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí),同樣可將部分電路制造在此基板上�  厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿�,涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常是Al2O3制成�,然后�(jìn)行熱處理,使厚膜成形�  陶瓷傳感器采用標(biāo)�(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工�(溶膠-凝膠�)生產(chǎn)�  完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之�,已成形的元件在高溫中�(jìn)行燒�(jié)。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特�,在某些方面,可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變��  每種工藝技�(shù)都有自己的優(yōu)�(diǎn)和不�。由于研�、開(kāi)�(fā)和生�(chǎn)所需的資本投入較�,以及傳感器參數(shù)的高�(wěn)定性等原因,采用陶瓷和厚膜傳感器比較合�� (空侶網(wǎng)暖通專(zhuān)家提供)
  根據(jù)�(cè)量目的分�(lèi)
  物理型傳感器是利用被�(cè)量物�(zhì)的某些物理性質(zhì)�(fā)生明顯變化的特性制成的�  化學(xué)型傳感器是利用能把化�(xué)物質(zhì)的成�、濃度等化學(xué)量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量的敏感元件制成的�  生物型傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)的特性做成的,用以檢�(cè)與識(shí)別生物體�(nèi)化學(xué)成分的傳感器

特�

  傳感器靜�(tài)特�
  傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信�(hào),傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互�(guān)�。因?yàn)檫@�(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)�(guān),所以它們之間的�(guān)�,即傳感器的靜態(tài)特性可用一�(gè)不含�(shí)間變量的代數(shù)方程,或以輸入量作橫坐標(biāo),把與其�(duì)�(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫(huà)出的特性曲�(xiàn)�(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有:�(xiàn)性度、靈敏度、遲�、重�(fù)�、漂移等�
 ?�?)線(xiàn)性度:指?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間的�(shí)際關(guān)系曲�(xiàn)偏離擬合直線(xiàn)的程度。定義為在全量程范圍�(nèi)�(shí)際特性曲�(xiàn)與擬合直�(xiàn)之間的偏差值與�(mǎn)量程輸出值之��
  �2)靈敏度:靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一�(gè)重要指標(biāo)。其定義為輸出量的增量與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量之�。用S表示靈敏度�
 ?�?)遲滯:傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大�?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲�(xiàn)不重合的�(xiàn)象成為遲�。對(duì)于同一大小的輸入信�(hào),傳感器的正反行程輸出信�(hào)大小不相�,這�(gè)差值稱(chēng)為遲滯差值�
 ?�?)重�(fù)性:重復(fù)性是�?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B�(xù)多次變化�(shí),所得特性曲�(xiàn)不一致的程度�
 ?�?)漂移:傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下,傳感器輸出量隨著時(shí)間變�,此�(xiàn)象稱(chēng)為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩�(gè)方面:一是傳感器自身�(jié)�(gòu)參數(shù);二是周?chē)h(huán)境(如溫�、濕度等��
  傳感器動(dòng)�(tài)特�
  所謂動(dòng)�(tài)特�,是�?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí),它的輸出的特�。在�(shí)際工作中,傳感器的動(dòng)�(tài)特性常用它�(duì)某些�(biāo)�(zhǔn)輸入信號(hào)的響�(yīng)�(lái)表示。這是�?yàn)閭鞲衅鲗?duì)�(biāo)�(zhǔn)輸入信號(hào)的響�(yīng)容易用實(shí)�(yàn)方法求得,并且它�(duì)�(biāo)�(zhǔn)輸入信號(hào)的響�(yīng)與它�(duì)任意輸入信號(hào)的響�(yīng)之間存在一定的�(guān)�,往往知道了前者就能推定后�。最常用的標(biāo)�(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信�(hào)和正弦信�(hào)兩種,所以傳感器的動(dòng)�(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響�(yīng)�(lái)表示�
  傳感器的�(xiàn)性度
  通常情況�,傳感器的實(shí)際靜�(tài)特性輸出是條曲�(xiàn)而非直線(xiàn)。在�(shí)際工作中,為使儀表具有均勻刻度的讀�(shù),常用一條擬合直�(xiàn)近似地代表實(shí)際的特性曲�(xiàn)、線(xiàn)性度(非�(xiàn)性誤差)就是這�(gè)近似程度的一�(gè)性能指標(biāo)�  擬合直線(xiàn)的選取有多種方法。如將零輸入和滿(mǎn)量程輸出�(diǎn)相連的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn);或?qū)⑴c特性曲�(xiàn)上各�(diǎn)偏差的平方和為最小的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn),此擬合直線(xiàn)�(chēng)為最小二乘法擬合直線(xiàn)�

如何區(qū)�

  傳感器的分類(lèi)有很多,同樣傳感器可以通過(guò)不同方式�(jìn)行分�(lèi)。有一�(lèi)是從�(cè)量目的�(jìn)行區(qū)分傳感器。這樣傳感器可分為物理型傳感器,化�(xué)型傳感器�。下面就物理型傳感器做一�(gè)�(jiǎn)單的分析介紹,物理型傳感器又可以分為�(jié)�(gòu)型傳感器和物性型傳感��
  �(jié)�(gòu)型傳感器是以�(jié)�(gòu)(如形狀、尺寸等)為基礎(chǔ),利用某些物理規(guī)律來(lái)感受(敏感)被測(cè)�,井將其�(zhuǎn)換為電信�(hào)�(shí)�(xiàn)�(cè)量的。例如電容式壓力傳感�,必須有按規(guī)定參�(shù)�(shè)�(jì)制成的電容式敏感元件,當(dāng)被測(cè)壓力作用在電容式敏感元件的動(dòng)極板上時(shí),引起電容間隙的變化�(dǎo)致電容值的變化,從而實(shí)�(xiàn)�(duì)壓力的測(cè)量。又比如諧振式壓力傳感器,必須設(shè)�(jì)制作一�(gè)合適的感受被�(cè)壓力的諧振敏感元�,當(dāng)被測(cè)壓力變化�(shí),改變諧振敏感結(jié)�(gòu)的等效剛�,導(dǎo)致諧振敏感元件的固有頻率�(fā)生變�,從而實(shí)�(xiàn)�(duì)壓力的測(cè)��
  物性型傳感器就是利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)感受(敏感)被測(cè)�,并�(zhuǎn)換成可用電信�(hào)的傳感器。例如利用具有壓電特性的石英晶體材料制成的壓電式傳感�,就是利用石英晶體材料本身具有的正壓電效�(yīng)而實(shí)�(xiàn)�(duì)壓力�(cè)量的;利用半�(dǎo)體材料在被測(cè)壓力作用下引起其�(nèi)部應(yīng)力變化導(dǎo)致其電阻值變化制成的壓阻式傳感器,就是利用半�(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而實(shí)�(xiàn)�(duì)壓力�(cè)量的�
  一般而言,物理型傳感器對(duì)物理效應(yīng)和敏感結(jié)�(gòu)都有一定要�,但�(cè)重點(diǎn)不同。結(jié)�(gòu)型傳感器�(qiáng)�(diào)要依靠精密設(shè)�(jì)制作的結(jié)�(gòu)才能保證其正常工作;而物性型傳感器則主要依據(jù)材料本身的物理特�、物理效�(yīng)�(lái)�(shí)�(xiàn)�(duì)被測(cè)量的感應(yīng)。近年來(lái),由于材料科�(xué)技�(shù)的飛速發(fā)展與�(jìn)步,物理型傳感器�(yīng)用越�(lái)越廣�。這與該類(lèi)傳感器便于批量生�(chǎn)、成本較低及易于小型化等持點(diǎn)密切相關(guān)�

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