我所了解的傳感器

1、測試與檢測技術基礎傳感器部分課程報告我所了解的傳感器傳感器技術漫談 班級：機械16班姓名：馬驥遙學號：20110105702014年4月24日我所了解得傳感器傳感器技術漫談馬驥遙 2011010570 指導教師：王雪（清華大學 精密儀器與機械學系，北京 100084）摘要傳感器是一種可以將感測到的被測量信息按一定規(guī)律轉化為電信號或其它所需信號的測試裝置，是目前用途最為廣泛，最有發(fā)展?jié)摿Φ臋z測裝置。它集信息的傳輸、處理、儲存、轉換等多功能與一身，是實現自動化控制的首要環(huán)節(jié)。本文簡要概述了傳感器的基本分類、基本原理，著重研究了視覺傳感器的相關問題，探討了傳感器的未來發(fā)展趨勢，并舉例介紹了傳感器科技

2、尖端的研究成果。關鍵詞 傳感器 視覺傳感器一、傳感器的基本分類和基本原理 傳感器的種類很多，常見的傳感器有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、激光傳感器、霍爾傳感器、生物傳感器、化學傳感器等。1.1 電阻式傳感器 電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉換成電阻值的一種測量裝置。電阻式傳感器具有結構簡單、原理基礎、輸出精度較高、線性和穩(wěn)定性較好、成本較低等優(yōu)勢，使其成為廣泛應用的傳感器。目前常見的電阻式傳感器的類型有如下幾種：1.1.1 電阻式應變片電阻式應變片電阻應變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應變計、補償電阻和外殼組成，彈性敏感元件受到所測量的力而產

3、生變形，并使附著其上的電阻應變計一起變形。電阻應變計再將變形轉換為電阻值的變化，從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。常用的電阻應變式傳感器有應變式測力傳感器、應變式壓力傳感器、應變式扭矩傳感器、應變式位移傳感器、應變式加速度傳感器和測溫應變計等。電阻應變式傳感器的優(yōu)點是精度高，測量范圍廣壽命長,結構簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現小型化、整體化和品種多樣化等。它的缺點是對于大應變有較大的非線性、輸出信號較弱，一般需要采取一定的補償措施。 1.1.2 電位計式傳感器電位器式傳感器 電位器式傳感器是一種把機械的線位移和角位移輸入量轉換為與它成一定函數關系的電阻

4、和電壓輸出的傳感元件。按其結構形式不同，電位器式傳感器可分為線繞式、薄膜式和光電式等。按照輸入和輸出的特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。電位器式傳感器的主要優(yōu)點有：結構簡單、尺寸小、精度高、重量輕、輸出信號大、性能穩(wěn)定。主要缺點是要求輸入能量大、電刷與電阻元件之間容易磨損。 1.1.3 壓阻式傳感器壓阻式壓力傳感器壓阻式加速度傳感器壓阻式壓力傳感器示意圖壓阻式傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器。單晶硅材料的壓阻效應是指，單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。壓阻式傳感器用于壓力、拉力、壓力差和可以轉變?yōu)榱Φ淖兓?/p>

5、的其他物理量，如液位、加速度、重量、應變、流量、真空度等的測量和控制。傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內，引出電極引線而成。壓阻式壓力傳感器不同于粘貼式應變計需通過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。硅膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設計成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為2060。在圓形硅膜片(N型)定域擴散4條P雜質電阻條,并接成全橋，其中兩條位于壓應力區(qū)，另兩條處于拉應力區(qū)，相對于膜片中心對稱。此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱形敏感元件也是在硅柱面的

6、某一晶面的一定方向上擴散制作電阻條，兩條受拉應力的電阻條與另兩條受壓應力的電阻條構成全橋，從而可以測量應力大小。 壓阻式傳感器廣泛地應用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)學工程、氣象、地質、地震測量等各個領域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個關鍵參數,對靜態(tài)和動態(tài)壓力,局部壓力和整個壓力場的測量都要求很高的精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如,用于測量直升飛機機翼的氣流壓力分布，測試發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛機噴氣發(fā)動機中心壓力的測量中，使用專門設計的硅壓力傳感器,其工作溫度達500以上。在波音客機的大氣數據測量系統(tǒng)中采用了精度高達0.0

7、5%的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風洞模型試驗中，壓阻式傳感器能密集安裝在風洞進口處和發(fā)動機進氣管道模型中。單個傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達300千赫,非線性和滯后均為全量程的±0.22%。在生物醫(yī)學方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。已制成擴散硅膜薄到10微米,外徑僅0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測量心血管、顱內、尿道、子宮和眼球內壓力的傳感器。此外壓阻式傳感器還有效地應用于爆炸壓力和沖擊波的測量、真空測量、監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機的性能以及諸如測量槍炮膛內壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測量。在油井壓力測量、隨鉆測向和測位地下密封電纜故障點的檢測以及流量和液位測量

8、等方面都廣泛應用壓阻式傳感器。1.1.4 電阻式氣敏傳感器 電阻式氣敏傳感器 Arduino模擬氣體傳感器 氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器，其中應用最廣泛的是半導體氣敏傳感器。半導體氣敏傳感器將氣體種類及其與濃度有關的信息轉換成電信號，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。 氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料。當被測氣體在該半導體表面吸附后，引起其電學特性(例如電導率)發(fā)生變化。 某種半導體式氣敏傳感器的特性曲線 氣敏傳感器的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、

9、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。它將氣體種類及其與濃度有關的信息轉換成電信號根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關的信息從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。 1.1.5 電阻式熱敏傳感器熱敏電阻熱敏探頭熱敏傳感器是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。金屬隨著溫度變化，其電阻值也發(fā)生變化。對于不同金屬來說，溫度每變化一度，電阻值變化是不同的，而電阻值又可以直接作為輸出信號。電阻共有兩種變化類型，正溫度系數即溫度升高阻值增加，以及負溫度系數即溫度升高阻值減少。根據不同的金

10、屬可以制作不同的熱敏傳感器，用來測量溫度的變化情況。近年來，我國工業(yè)現代化的進程和電子信息產業(yè)連續(xù)的高速增長，帶動了傳感器市場的、快速上升。熱敏傳感器作為傳感器中的重要一類，占整個傳感器總需求量的40%以上。溫度傳感器用途十分廣闊，可用作溫度測量與控制、溫度補償、流速、流量和風速測定、液位指示、溫度測量、紫外光和紅外光測量、微波功率測量等而被廣泛的應用于彩電、電腦彩色顯示器、切換式電源、熱水器、電冰箱、廚房設備、空調、汽車等領域。近年來汽車電子、消費電子行業(yè)的快速增長帶動了我國溫度傳感器需求的快速增長。1.1.6 電阻式濕敏電阻濕敏傳感器濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導致本身電阻值發(fā)

11、生變化這一原理而制成的。工業(yè)上流行的濕敏電阻主要有氯化鋰濕敏電阻以及有機高分子膜濕敏電阻。氯化鋰濕敏電阻結構氯化鋰濕敏器件屬于電解質感濕性材料，是在眾多的感濕材料之中，首先被人們所注意并應用于制造濕敏器件。氯化鋰電解質感濕液當量電導隨著溶液濃度的增加而下降，電解質溶解于水中降低水面上的水蒸氣壓，從而實現感濕。多片電阻組合式氯化鋰濕敏傳感器是利用濕敏元件的電阻值隨濕度的變化而變化的原理進行濕度測量的傳感器。濕敏元件一般是在絕緣物上浸漬吸濕性物質，或者通過蒸發(fā)、涂覆等工藝制各一層金屬、半導體、高分子薄膜和粉末狀顆粒而制作的，在濕敏元件的吸濕和脫濕的過程中，水分子分解出的離子H+的傳導狀態(tài)發(fā)生變化，

12、從而使元件的電阻值隨濕度而變化。氯化鋰感濕基片的結構為選用絕緣材料的襯底，在上方制作一對金屬電極，涂覆一層電解質溶液感濕膜，氯化鋰感濕膜由氯化鋰和聚乙烯醇混合制作，其可在120度高溫環(huán)境中穩(wěn)定工作。氯化鋰是典型的離子晶體，屬于非親合型電解質，氯化鋰溶液中，Li+對極性水分子的吸引力極強，離子水分程度最高。氯化鋰濕度傳感器具有穩(wěn)定性、耐溫性和使用壽命長多項重要的優(yōu)點，氯化鋰濕敏傳感器已有了五十年以上的生產和研究的歷史，有著多種多樣的產品型式和制作方法，都應用了氯化鋰所具備的各種特點，尤其是穩(wěn)定性強的優(yōu)點。此外氯化鋰濕敏元件線性測濕量程較窄大約在20%RH左右，在該測量范圍內，其線性誤差小于2%R

13、H，測量精度很高。 1.2 電容式傳感器將被測的力學量（如位移、力、速度等）轉換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。電容傳感器演示電容式溫度濕度模擬傳感器電容式稱重傳感器電容式位移傳感器電容式轉速傳感器手機觸屏中的電容式傳感器從能量轉換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測的力學量轉換成電壓或電流后進行放大和處理。力學量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長度有著密切聯系的量，這些量又都是通過長度或者長度比值進行測量的量，而其測量方法的相互關系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學量變化相當緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測量極小距離或位移時要有較高的分辨

14、率，其他傳感器很難做到實現高分辨率要求，在精密測量中所普遍使用的差動變壓器傳感器的分辨率僅達到15 m數量級；而有一種電容測微儀，他的分辨率為0.1nm，比前者提高了四個數量級，最大量程為1250 m，而且為零磁滯，因此他在精密小位移測量中受到青睞。電容式傳感器最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質的電容器若。忽略邊緣效應，平板電容器的電容為A/，式中為極間介質的介電常數，A為兩電極互相覆蓋的有效面積,為兩電極之間的距離。、A、 三個參數中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或

15、由于力、壓力、振動等引起的極距變化（見電容式壓力傳感器）。面積變化型一般用于測量角位移或較大的線位移。介質變化型常用于物位測量和各種介質的溫度、密度、濕度的測定。70年代末以來,隨著集成電路技術的發(fā)展,出現了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅?。對于上述這些力學量，尤其是緩慢變化或微小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進行檢測比較適宜。電容式傳感器的突出優(yōu)點有測量范圍大、靈敏度高、動態(tài)響應快、穩(wěn)定性好等。1.3 電感式傳感器電感式接近傳感器電感式浮球液位傳感器電感式位移傳感器

16、電感式水位傳感器 電感傳感器是將被測量轉換為線圈的自感或互感的變化來測量的裝置，是鐵心和線圈構成的將直線或角位移的變化轉換為線圈電感量變化的傳感器。這種傳感器的線圈匝數和材料導磁系數都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。 電感傳感器主要包括自感式、互感式和電渦流式傳感器。 電感式傳感器具有以下特點：（1）結構簡單，傳感器無活動電觸點，因此工作可靠壽命長。（2）輸出信號強，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達數百毫伏的輸出。（3）線性度和重復性都比較好，在一定位移范圍（幾十微米至數毫

17、米）內，傳感器非線性誤差可達0.05%0.1%。同時，這種傳感器能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被采用。電感傳感器的缺點是，它的頻率響應較低，不宜快速動態(tài)測控等。電感傳感器的使用要求較多，具體如下：（1）檢測距離的衰減性?；N為鐵質，適合電感式傳感器檢測；而滑翹被測部分的尺寸略小于標準檢測物尺寸（標準被測物尺寸為3倍額定檢測距離，此應用中，標準尺寸應為120*120mm），這樣的話就會有一定的衰減。（2）現場抗干擾能力。這個是不容忽視的問題，普通電感式傳感器容易被電機或變頻器干擾，很多技術人員只對在此附近的應用選擇相應強抗電磁干擾的傳感器。但在汽車制造車間，

18、廠房大，現場技術人員習慣使用對講機溝通，尤其是邊走邊用對講機對話時，會不經意的靠近傳感器，導致短暫失效。（3）安裝方面。隨著電感式傳感器的普及，傳感器不僅僅在電氣性能方面有所提升，其機械方面的設計也越來越人性化。要在最大程度的實現人性化安裝。減少了多種近似產品的備貨和減少了安裝、維護的時間。（4）穩(wěn)定運行的保障。在車廠的使用中，要杜絕任何油污、塵污的侵蝕。另外，滑翹經過軌道時，震動是長期存在的，優(yōu)異的抗震動性同樣是有著非常重要的作用。電感式傳感器特別適合用于酸類，堿類，氯化物，有機溶劑，液態(tài)CO2，氨水，PVC粉料，灰料，油水界面等液位測量，目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、糧食等行業(yè)中應用

19、廣泛。1.4 激光傳感器激光測距傳感器 激光傳感器：利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。激光傳感器工作時，先由激光發(fā)射二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號，并將其轉化為相應的電信號。 利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現無接觸遠距離測量。激光傳感器常用于長度、距離、振動

20、、速度、方位等物理量的測量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測等。激光位移傳感器激光測速儀1.5 霍爾傳感器霍爾傳感器霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器?；魻栃谴烹娦囊环N，這一現象是霍爾于1879年在研究金屬的導電機構時發(fā)現的。后來發(fā)現半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等方面?；魻栃茄芯堪雽w材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數?；魻栃?由霍爾效應的原理知，霍爾電勢的大小取決于如下參量：Rh

21、為霍爾常數，它與半導體材質有關；IC為霍爾元件的偏置電流；B為磁場強度；d為半導體材料的厚度。對于一個給定的霍爾器件，當偏置電流Ic固定時，Vh將完全取決于被測的磁場強度B。在半導體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓。一個霍爾元件一般有四個引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流IC的輸入端，另兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構成外回路，就會產生霍爾電流。一般地說，偏置電流的設定通常由外部的基準電壓源給出；若精度要求高，則基準電壓源均用恒流源取代。為了達到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導

22、磁系數的坡莫合金；這類傳感器的霍爾電勢較大，但在0.05T左右出現飽和，僅適用在低量限、小量程下使用?；魻栯娏鱾鞲衅骰魻杺鞲衅鞯膬?yōu)點有：霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態(tài)峰值的測量。副邊電流忠實地反應原邊電流的波形；原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離，隔離電壓可達9600Vrms；精度高：在工作溫度區(qū)內精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測量； 線性度好：優(yōu)于0.1%；寬帶寬：高帶寬的電流傳感器上升時間可小于1s；1.6 生物傳感器活體指紋傳感器光線生物傳感器細胞傳感器生物芯片生物傳感器(biosensor)對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進

23、行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質）與適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉換器的功能。生物傳感器在食品分析中的應用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測定分析。環(huán)境污染問題日益嚴重，人們迫切希望擁有一種能對污染物進行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測的儀器，生物傳感器滿足了人們的要求。已有相當部分的生物傳感器應用于環(huán)境監(jiān)測中。在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設備簡單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、可能消除發(fā)酵過程中干擾物質的干擾等特

24、點。因此，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。醫(yī)學領域的生物傳感器發(fā)揮著越來越大的作用。生物傳感技術不僅為基礎醫(yī)學研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，而且因為其專一、靈敏、響應快等特點，在軍事醫(yī)學方面，也具有廣的應用前景。1.7 化學傳感器 化學傳感器是對各種化學物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。二氧化氮傳感器按檢測對象，化學傳感器分為氣體傳感器、濕度傳感器、離子傳感器和生物傳感器。氣體傳感器的傳感元件多為氧化物半導體，有時在其中加入微量貴金屬作增敏劑，增加對氣體的活化作用。對于電子給予性的還原性氣體如氫、一氧化碳、烴等，用N型半導體，對接受電子性的氧

25、化性氣體如氧，用P型半導體。將半導體以膜狀固定于絕緣基片或多孔燒結體上做成傳感元件。氣體傳感器又分為半導體氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器、晶體振蕩式氣體傳感器和電化學式氣體傳感器。濕度傳感器是測定氣氛中水氣含量的傳感器，又分為電解質式、高分子式、陶瓷式和半導體式濕度傳感器。離子傳感器是對離子具有選擇響應的離子選擇性電極。它基于對離子選擇性響應的膜產生的膜電位。離子傳感器的感應膜有玻璃膜、溶有活性物質的液體膜及高分子膜，使用較多是聚氯乙烯膜（見離子選擇性電極）。生物傳感器是對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。生物傳感器的優(yōu)點是對生物物質具有分子結構的選擇功

26、能（見生物傳感器）?；瘜W傳感器在礦產資源的探測、氣象觀測和遙測、工業(yè)自動化、醫(yī)學上遠距離診斷和實時監(jiān)測、農業(yè)上生鮮保存和魚群探測、防盜、安全報警和節(jié)能等各方面都有重要的應用。氧氣傳感器氯化氫氣體傳感器二、視覺傳感器研究 視覺傳感器是指：具有從一整幅圖像捕獲光線的數以萬計像素的能力，圖像的清晰和細膩程度常用分辨率來衡量，以像素數量表示。 視覺傳感器2.1 視覺傳感器的基本原理視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數以千計的像素。圖像的清晰和細膩程度通常用分辨率來衡量，以像素數量表示。無論距離目標數米或數厘米遠，傳感器都能“看到”十分細膩的目標圖像。在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內存中存儲的基準圖像進行比較，以做出分析。例如，若視覺傳感器被設定為辨別正確地插有八顆螺栓的機器部件，則傳感器知道應該拒收只有七顆螺栓的部件，或者螺栓未對準的部件。此外，無論該機器部件位于視場中的哪個位置，無論該部件是否在 360 度范圍內旋轉，視覺傳感器都能做出判斷。2.2 視覺傳感器的應用視覺傳感器的低成本和易用性已吸引機器設計師和工藝工程師將其集成入各類曾經依賴人工、多個光電傳感器，或根本不檢驗的應用。視覺傳感器的工業(yè)應用包括檢驗、計量、測量、定向、瑕疵檢測和分撿。以下只是一些應用范例：在汽車組裝廠，檢驗由機器人涂抹到車門邊框的膠珠是否連續(xù)，是否有正確的寬度。 在瓶裝廠，校驗瓶蓋是否正