传感器技术应用与发展趋势分析

传感器技术的应用与发展趋势分析
1.3传感器的工作原理
各种传感器其输出信号的形式因传感器而异。检测仪器的输出或送控制器用以调节控制，或送至计算 机作进一步处理。
现代传感技术是自动检测和自动控制系统以及机电一体化的第一基础。
被
被测量
测
对
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可用信号 传 感 器
信 号 处 理
显 示 记 录
控制器 图1.1 传感器的工作原理
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1.4传感器的分类
由于传感器的种类繁多, 所以分类方法也较多。 1)按传感器的检测信息来分可分为光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏和射线 敏等传感器。 2) 按转换原理可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。 3) 按其输出信号可分为模拟传感器、数字传感器和开关转换器。
转换电路
电学量
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1.2 传感器的主要作用
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。
感官 外
大脑
肌体
界
随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新的要求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远距离 测量，用非电方法无法实现，必须采用电测法
传统的传感器可以完成从非电量到非电量的转换，但无法实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过 程控制的自动检测与控制。
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无论是电量测量还是非电量测量，数字电压表问世以来，模拟式仪表逐渐被数字式仪表取代。 微型计算机出现后形成崭新的微机自动化测试系统; 单片微机对采集的数据进行处理并提供显示和记录 同时，也对整个测试过程进行控制。
信
息
传感器
计算机
执行机构
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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。
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。
现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表电位测量，生物断面测量；工业领域的光 泽、触觉等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。
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另一方面，测量仪器的输出信号必须转化为电压、电流或数字量中的一种。由于传感器的种类很多，传 感器的输出有各 种形式，如热电偶、pH电极等输出为直流电压；热敏电阻、应变计、半导体气体传感器输出为电阻，……。
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实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。18世纪以来科学技术取得 飞速发展，被测对象迅速扩大。
力学领域有速度、加速度、力、功和能量等； 电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场； 化学领域中有浓度、成分、pH值等； 工业领域中有流量、压力、温度、黏度等被测量。
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随着科学技术的迅猛发展, 传感器技术已越来越广泛地应用于机械制造、交通运输、石油化工、医疗 卫生等领域, 而且也正逐步渗透到人们的日常生活中去。可以说, 传感器技术水平的高低, 是衡量一个 国家科学技术现代化程度的重要标志。
1.传感器概述 1.1 传感器的含义及组成
传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易 于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电容等）的一种组件，起自动控制作用。
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一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如：
非电物理量
敏感元件
转换器件
敏感元件感受被测量; 转换元件将响应的被测量转换成电参量; 基本电路把电参量接入电路转换成电量; 核心部分是转换元件,决定传感器的工作机理。
信号处理就是通过信号转换、放大、解调、A/D转换得到所希望的输出信号过程。这是检测系统中使用的 共同技术。
非电量
传感器
电量
测量电路
普通电测仪表基本组成
A/D转换
数字显示
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就被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大类。 非电量早期多用非电量的方法测量，例 如：用尺测量长度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。
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2.传感器技术的主要应用
随着现代科技技术的高速发展, 人们生活水平的迅速提高, 传感器技术越来越受到普遍的重视, 它的应 用已渗透到国民经济的各个领域。 2.1 在工业生产过程的测量与控制方面的应用
在工业生产过程中, 必须对温度、压力、流量、液位和气体成分等参数进行检测, 从而实现对工作状态 的监控。诊断生产设备的各种情况, 使生产系统处于最佳状态, 从而保证产品质量, 提高效益。目前传感器 与微机、通讯等的结合渗透, 使工业监测自动化, 更具有准确、效率高等优点。如果没有传感器, 现代工业 生产程度将会大大降低。
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4)按传感器使用的材料可分为: 半导体传感器、陶瓷传感器、复合材料传感器、金属材料传感 器、高分子材料传感器、超导材料传感器、光纤材料传感器、纳米材料传感器等。
5)按能量转换可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。 6) 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 等
非 电 量
传 感 器
测 量 电 路
A/D 转
换
微 机
图1.2 典型微机测试系统
显示器 记录器 控制器
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具体地说传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能, 并按照一定规律转换 成与之对应的有用信号的元器件或装置。通常, 传感器接收到的信号都是微弱的低频信号, 外界的干扰 有时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技术。如果没有传感器对被 测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换, 一切准确的测试与控制都将无法实现, 即使最现代化的电子 计算机, 没有准确的信息或有不失真的输入, 也将无法充分发挥其应有的作用。