传感器的组成、分类和典型的传感器

2006-04-05 23:38:59

23.4 传感器的组成、分类和典型的传感器

23.4.1 传感器的组成

传感器是能感受规定的被测量，并按一定的规律性换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。而敏感元件是传感器中能直接感知或响应被测量的元件；转换元件是传感器中能把要敏感元件感知的或响应的被测量的信号转换成适于传输、处理或测量的电信号的部分。传感器又称换能器或变换器，有时也称为敏感元件，如把温度传感器称为热敏元件。随着科学和技术的发展，传感器向小型化、集成化和智能化方向发展。利用制作工艺的进步，特别是微/纳米加工技术的利用，传感器向小型化方向发展。同时它还向功能集成（多种传感检测功能的结合）、结构集成（把传感器同其预处理电路集成起来，甚至将A/D转换器件与发射装置等也集成在一起）和技术集成（多种技术的集成）方向发展。传感器与智能技术（人工智能）的结合，开发出硅膜片压力敏感元件同精度和漂移修正结合的智能型传感器。有的智能型传感器不仅有感知功能与信号处理功能，还有识别判断能力，如美国开发的灵捷传感器（又称为灵捷器件）。

由于传感器应用领域多、面又广，其品种和规格繁多，传感器的构成相当复杂。因此，从传感器的构成角度进行简要介绍。

（1）能量变换型它是无源型传感器，无须外加电源。传感器的功能就是将被测对象的信号能量变换成电压或电流信号能量。其组成比较简单，一般是敏感元件与转换元件合一的，只需构成转换电路就可将电信号输出。为了提高传感品质，减少附加效应引起的信号失真（即降低噪声），除上述基本组成外，还要添加一些必要的组成组元，例如：在声发射传感器的敏感-变换元件（压电晶体或压电陶瓷件）上附加声匹配并起降低声波反射作用的背衬件就是这类组元。

（2）有源型它要求提供外加能量才能将信号转换成电信号，如声表面波传感器、感应同步器等。其外加电源供给转换电路。

（3）阻抗变换型这类传感器首先把感受到的被测量信号变换成电路中的阻抗参数（电阻、电容或电感量），再由有外加电流的变换电路输出对应的电信号。

（4）中间变量型这类传感器的敏感元件感受到的信号要经过中间变量的变换后才能从变换电路中输出相应的电气量。如力传感中，敏感元件受力后变换成变形或应力/应变，只有通过应变片等转换元件才能使之变换成变换电路中的阻抗参数变化，才有可能通过有源的变换电路输出电信号。有时这种中间变换要进行多次，其中有的中间变换也可以是无源型的变换。

（5）参比补偿器型这类传感器利用有补偿功能敏感元件与传感用的敏感元件对比，被偿消除环境温度或电源波动的影响，如用温度补偿片与压电元件构成可以减少温度变化影响的压电式压力传感器。

（6）差动型采用差动的构成方式，以提高传感器的品质（灵敏度、线性度等），消除或降低环境变化的影响，如精密检测用的线性可调差动传感器（LVDT）。

此外，还有自成闭环系统的反馈型构成方式。其中的敏感元件或变换元件兼有反馈功能，使传感器自成闭环系统，如差动电容力平衡式加速度传感器。

23.4.2 传感器的分类

1．按传感器的工作原理分类

根据传感器的工作原理的学科性，一般分成物理型、化学型和生物型三类。

物理型传感器，是指利用变换元件的物理效应制成的传感器。例如：利用压电陶瓷或压电晶体的压电效应构成的压电传感器等。它们的命名常常根据效应来进行。

化学型传感器，是指利用电化学效应，将有机或无机物质的组分、浓度等转换成电信号的传感器。例如：利用离子选择性电极测定溶液的pH值或离子浓度。化学传感器的核心是离子选择性敏感膜。它们有玻璃膜、单晶膜与多晶膜等固体膜，和正、负电荷载体膜与中性载体膜等液体膜。近年来的发展是把膜技术同场效应晶体管结合起来发展离子选择性电极。它可以测量无机溶液和气体、血清与葡萄糖中的组份。

生物传感器是利用生物活性物质的选择性识别和测定生物化学物质的传感器。生物活性物质的识别功能是指其对某种物质的选择性亲和力。利用这种选择性亲和力判断某种物质是否存在，其浓度是多少，再利用电化学方法将之转换成电信号。生物传感器由功能识别物质和电、光信号转换装置两部分组成。前者的功能是识别被测物质，后者的功能是把功能膜上识别被检物质生成的化学反应转换成电信号或光信号。

2．按传感器的输入参数分类

按照这种分法，将传感器分成力、压力、位移、速度、加速度、流速、温度、湿度、粘度与浓度等传感器。这种分类法在工业界比较常用。

3．按应用对象或范围分类

按这种分类法，把应用于医疗行业中的传感器常按被检测器官命名，如心音传感器、心电传感器、脉博传感器等。工业中把用于测量振动的传感器称为振动（测量）传感器，把测量液体表面位置的传感器称为液位传感器等等。

4．按是否需要外部能源分类

分有源型和无源型。有源型要求外加电源才能工作；而无源型无须外加电源就能工作。前者如电阻式、电容式和电感式传感器；后者如压电式、光电式、热电式等传感器。

5．按输出信号特征分类

可分为数字式和模拟式两类。绝大多数现行传感器是模拟式传感器。

23.4.3 典型的传感器

对于制造领域而言，所应用的传感器主要有以下几类。

1．力传感器

（1）机械式利用弹性环节为敏感元件把被传感的力变换为弹性变形，用机械指标仪表测定变形位移，以位移值表征被测力。

（2）液压式利用液压元件作为力的敏感元件，将力变为油压的变化。80年代末期，开发出一种小型化液体静压力传感器元件（MIH-Cell），可测定轴向力、侧向力和力矩，其分辨力可高达4.5～11.25V/N。

（3）压电式利用压电晶体（如石英晶体）或压电陶瓷（如PZT）的压电效应，将力直接转换为电平信号，如石英晶体在载荷力的作用下，其X、Y轴上产生电荷q_x与q_y，而Z轴无电荷产生，X轴称为电轴，Y轴称为机械轴、Z轴为光轴，载荷力使该石英晶体产生的电荷可表达为

式中——压电常数，=23.1×10^-12C/N。

（4）电阻式利用灵敏的电阻片或集成电阻片作为力传感的变换元件，以电阻值的变化表征力的变化。它有灵敏度高、刚性好，可测静、动态力或力分量等优点；其不足之处是，易受切削温度的影响。这种力传感器的敏感元件多采用弹性元件。

（5）从功率测定力机床的切/磨削功率P、主切削力F_Z和切削/磨削速度υ呈如下关系：

F_Z=P/υ （23）

利用功率测定值来确定F_Z力。

2．声发射传感器

经过近20年的研究与开发，声发射传感器已经成为制造过程和装备监视中经常考虑选用的传感器。其工业应用中的主要形式有：

（1）压电式声发射（AE）传感器利用压电晶体，如PZT-5作为敏感与变换元件。实践证明，宽带高精度AE传感器要求压电晶体有独特的点接触式几何形状，且还应在其上附加声阻抗匹配材料件的背衬，以消除或减少透过压电晶体元件的声波因界面反射而再度返回压电晶体形成的次生压电效应，使AE传感器输出信号的噪声减少，其典型结构见中国专利（CN87214610.3）。AE传感器是按自身的谐振特性实现传感的，它可检测60kHz～100MHz的声发射信号。同压电式加速度计不同，两者的传感工作原理不同。压电式加速度计在结构上要求有惯性质量块，且要求在线性频段上工作，其可测的加速度信号频带为1Hz～20kHz，且压电式加速度计为二阶系统，不能获得高的谐振频率。故有人粗略地认为，压电式加速度传感器相当于一个低频的AE传感器。

（2）电容式AE传感器它是一种非接触式传感器，与下面将要介绍的激光AE传感器均属校准用的传感器。当忽略边缘效应的影响时，平板电容C可表示为

C=εA/δ （24）

式中：δ——两平板间的距离，即传感器到被测表面的距离（m）；

A——传感器覆盖的有效面积（m²）；

ε——极板间介质的介电常数（F·m^-1）。

当δ变化时，称这种电容传感器为极距变化型电容传感器。利用极距变化型电容传感器测定AE波引起的表面位移变化量，实现对AE波的传感。

（3）激光AE传感器利用激光扫描被AE波作用的表面，用光敏器件将位移变化量变换为电量，实现对AE波的探测。

3．CCD图像传感器

它是称为电荷耦合的半导体器件，分线阵和面阵两类。它可以把光学信号转换成电脉冲信号，且每个脉冲反映一个光敏元的受光情况。脉冲的幅值反映光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，形成图像的传感。光敏元接受正面或背面照射的光，按照光生电荷效应，受光时光敏元产生电荷，且光强越强，产生的电荷就越多。再利用转移栅顺序地转换每个光敏元上的电荷给输出二级管，生成顺序的电脉冲输出。线阵CCD有512～5000位，像元尺寸（μm²）为7×7～14×14。面阵CCD有245×492～1024×1024位。阵列单元的响应一致性为±4%～±14%。最大扫描速度为（2～10）MHz。

它们可用于尺寸自动检测、光学图像检测、安全监视等领域。

4．光纤传感器

光纤传感器是在70年代中期发展起来的一种传感器技术。它是由中心的圆柱形掺杂的石英玻璃纤维和圆柱体外层组成的光传播介质。其中心圆柱体纤维称为纤芯，外层称为包层。在包层外有护套，护套保持光纤的机械强度。纤芯与包层都由均匀介质组成。它们决定了光纤的导光能力。光在光纤内要达到全反射的要求，故纤芯的折射率要高于包层的折射率，目光线在纤芯里要保证界面上的入射角要大于临界面，以保证全反射。包层采用固体材料，护套多用尼龙材料。

光纤传感器是从光纤通信系统的光纤由于作用其上的应力、环境温度等因素对通信的有害影响的发现而发展起来的高灵敏度传感器。从1977年美国海军研究所执行光纤传感器系统计划开始，经过70年代末至80年代的发展，已开发出近百种光纤传感器，并被广泛地用于军事、科研、工业、商业和医学领域。美国以每年增长30%的速度扩大光纤传感器的销售量，到1993年已达到26亿美元。其他各国，如英国、日本都在研究、应用方面加大投入，或以巨资投建大型生产厂。从80年代以来，我国也积极开展研究、开发和应用。

光纤传感器主要有：

（1）光强调制型光纤传感器光强的调制有内调制和外调制两种方法。内调制法的调制过程是通过光纤自身特性的变化来实现的。而外调法仅仅利用光纤作为光传导系统，光纤自身的特性并不改变，其调制过程发生在光纤以外的环节中。光强调制型光纤传感器是利用光纤感受被测对象变化引起光纤中光强的变化去实现对被测对象监视传感的。如微弯型光纤传感器，利用一根多模光纤置于微弯板间，当反力作用使微弯板发生微弯时，光纤因微弯的位移也产生微弯曲变形，从而使各传播模间产生耦合，通过纤芯功率的变化量测定，就可以确定弯曲位移的量值或所受的压力量值。利用光强的外调制原理，可以构成由发送光纤和接收光纤组成的天线型光纤传感器。它可以传感温度、压力与声场等变化，用于大型电机、变压器的温度监测，煤气、液化气罐与火警的报警系统中，可靠地实现传感。

利用上述光强调制原理构造的实用型光纤传感器，可以检测传感由温度压力等因素变化而引起的位移变化、速度和加速度等，广泛地被用于石油、机械等领域。它们中有倾斜镜式光纤加速度计、移动球镜光纤位移传感器、棱镜反射型液体检漏传感器、光纤液位传感器和膜片式光纤压力传感器等。

（2）相位调制型光纤传感器利用单模光纤作为光路的干涉仪，可以排除相干光在空气中传播带来的空气扰动及声波的干扰而引起的空气中光程的变化造成的光学干涉仪工作不稳定性。光纤光波干涉可以把相位的变化转变为光能的变化。因而，光纤传感器可进行由光波相位变化和光纤干涉两部分组成的相位调制，以克服光探测器不能直接感受相位变化的不足。利用逆压电效应，将电信号转变为光纤几何尺寸的变化来实现相位调制或解调。相位调制光纤传感器是以被测量引起敏感光纤内传播的光波产生相位变化，再利用干涉测量技术把相位的变化变换成光强的变化，以传感被测量。在光纤干涉仪中，采用了相位调制光纤应变传感器、光纤电流传感器、光声气体光纤传感器和位移光纤传感器等。

此外，还有光波偏振调制型光纤传感器等。如前所述，传感器品种繁多，不可能一一介绍。有利之处是可以查阅的资料文献较多。

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