傳感器的分類

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)傳感器的分類 傳感器種類繁多，功能各異。由于同一被測量可用不同轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)探測，利用同一種物理法則、化學(xué)反應(yīng)或生物效應(yīng)可設(shè)計制作出檢測不同被測量的傳感器，而功能大同小異的同一類傳感器可用于不同的技術(shù)領(lǐng)域，故傳感器有不同的分類方法。傳感器的分類方法很多，了解傳感器的分類，旨在加深理解，便于應(yīng)用。1按外界輸入的信號變換為電信號采用的效應(yīng)分類按外界輸入的信號變換為電信號采用的效應(yīng)分類，傳感器可分為物理型傳感器、化學(xué)型傳感器和生物型傳感器三大類，如圖1-2所示。圖1-2 傳感器

2、的分類其中利用物理效應(yīng)進(jìn)行信號變換的傳感器稱為物理型傳感器，它利用某些敏感元件的物理性質(zhì)或某些功能材料的特殊物理性能進(jìn)行被測非電量的變換。如利用金屬材料在被測量作用下引起的電阻值變化的應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)變式傳感器；利用半導(dǎo)體材料在被測量作用下引起的電阻值變化的壓阻效應(yīng)制成的壓阻式傳感器；利用電容器在被測量的作用下引起電容值的變化制成的電容式傳感器；利用磁阻隨被測量變化的簡單電感式、差動變壓器式傳感器；利用壓電材料在被測力作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的壓電式傳感器等。物理型傳感器又可以分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。 結(jié)構(gòu)型傳感器是以結(jié)構(gòu)(如形狀、尺寸等)為基礎(chǔ)，利用某些物理規(guī)律來感受(敏感)被測量，并將

3、其轉(zhuǎn)換為電信號實(shí)現(xiàn)測量的。例如電容式壓力傳感器，必須有按規(guī)定參數(shù)設(shè)計制成的電容式敏感元件，當(dāng)被測壓力作用在電容式敏感元件的動極板上時，引起電容間隙的變化導(dǎo)致電容值的變化，從而實(shí)現(xiàn)對壓力的測量。又比如諧振式壓力傳感器，必須設(shè)計制作一個合適的感受被測壓力的諧振敏感元件，當(dāng)被測壓力變化時，改變諧振敏感結(jié)構(gòu)的等效剛度，導(dǎo)致諧振敏感元件的固有頻率發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對壓力的測量。 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)被測量，并轉(zhuǎn)換成可用電信號的傳感器。例如利用具有壓電特性的石英晶體材料制成的壓電式壓力傳感器，就是利用石英晶體材料本身具有的正壓電效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)對壓力測量的；利用

4、半導(dǎo)體材料在被測壓力作用下引起其內(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，就是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)對壓力測量的。 一般而言，物理型傳感器對物理效應(yīng)和敏感結(jié)構(gòu)都有一定要求，但側(cè)重點(diǎn)不同。結(jié)構(gòu)型傳感器強(qiáng)調(diào)要依靠精密設(shè)計制作的結(jié)構(gòu)才能保證其正常工作；而物性型傳感器則主要依靠材料本身的物理特性、物理效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對被測量的敏感。 近年來，由于材料科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展與進(jìn)步，物性型傳感器應(yīng)用越來越廣泛。這與該類傳感器便于批量生產(chǎn)、成本較低及易于小型化等特點(diǎn)密切相關(guān)。 化學(xué)傳感器是利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機(jī)或有機(jī)化學(xué)的物質(zhì)成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。最常用的是離子敏傳感器，即利用離子選擇性

5、電極，測量溶液的pH值或某些離子的活度，如K+，Na+，Ca2+等。電極的測量對象不同，但其測量原理基本相同，主要是利用電極界面(固相)和被測溶液(液相)之間的電化學(xué)反應(yīng)，即利用電極對溶液中離子的選擇性響應(yīng)而產(chǎn)生的電位差。所產(chǎn)生的電位差與被測離子活度對數(shù)成線性關(guān)系，故檢測出其反應(yīng)過程中的電位差或由其影響的電流值，即可給出被測離子的活度?；瘜W(xué)傳感器的核心部分是離子選擇性敏感膜。膜可以分為固體膜和液體膜。玻璃膜、單晶膜和多晶膜屬固體膜；而帶正、負(fù)電荷的載體膜和中性載體膜則為液體膜。 化學(xué)傳感器廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析、化學(xué)工業(yè)的在線檢測及環(huán)保檢測中。 生物傳感器是近年來發(fā)展很快的一類傳感器。它是一種利用

6、生物活性物質(zhì)選擇性來識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。生物活性物質(zhì)對某種物質(zhì)具有選擇性親和力，也稱其為功能識別能力。利用這種單一的識別能力來判定某種物質(zhì)是否存在，其濃度是多少，進(jìn)而利用電化學(xué)的方法進(jìn)行電信號的轉(zhuǎn)換。生物傳感器主要由兩大部分組成。其一是功能識別物質(zhì)，其作用是對被測物質(zhì)進(jìn)行特定識別。這些功能識別物有酶、抗原、抗體、微生物及細(xì)胞等。用特殊方法把這些識別物固化在特制的有機(jī)膜上，從而形成具有對特定的從低分子到大分子化合物進(jìn)行識別功能的功能膜。其二是電、光信號轉(zhuǎn)換裝置，此裝置的作用是把在功能膜上進(jìn)行的識別被測物所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)碾娦盘柣蚬庑盘?。其中最常?yīng)用的是電極，如氧電極和過

7、氧化氫電極。近來有把功能膜固定在場效應(yīng)晶體管上代替柵漏極的生物傳感器，使得傳感器整個體積做得非常小。如果采用光學(xué)方法來識別在功能膜上的反應(yīng)，則要靠光強(qiáng)的變化來測量被測物質(zhì)，如熒光生物傳感器等。變換裝置直接關(guān)系著傳感器的靈敏度及線性度。生物傳感器的最大特點(diǎn)是能在分子水平上識別被測物質(zhì)，不僅在化學(xué)工業(yè)的監(jiān)測上，而且在醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)保監(jiān)測等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。 本書將重點(diǎn)討論物理型傳感器。表1-2給出了與五官對應(yīng)的傳感器。表1-2 與五官對應(yīng)的傳感器感覺傳感器效 應(yīng)視覺光敏傳感器物理效應(yīng)聽覺聲敏傳感器物理效應(yīng)觸覺熱敏傳感器物理效應(yīng)嗅覺氣敏傳感器化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)味覺味敏傳感器化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)2

8、按工作原理分類按工作原理分類是以傳感器對信號轉(zhuǎn)換的作用原理命名的，如應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器、電感式傳感器、霍爾傳感器、熱電式傳感器等。這種分類方法較清楚地反映出了傳感器的工作原理，有利于對傳感器研究的深入分析。本書后面各章就是按傳感器的工作原理分類進(jìn)行編寫的。3按被測量對象分類按傳感器的被測量對象輸入信號分類，能夠很方便地表示傳感器的功能，也便于用戶選用。按這種分類方法，傳感器可以分為溫度、壓力、流量、物位、加速度、速度、位移、轉(zhuǎn)速、力矩、濕度、粘度、濃度等傳感器。生產(chǎn)廠家和用戶都習(xí)慣于這種分類方法。同時，這種方法還將種類繁多的物理量分為兩大類，即基本量和派生量

9、。例如，將“力”視為基本物理量，可派生出壓力、重量、應(yīng)力、力矩等派生物理量，當(dāng)我們需要測量這些派生物理量時，只要采用基本物理量傳感器就可以了。所以，了解基本物理量和派生物理量的關(guān)系，對于選用傳感器是很有幫助的，表1-3給出的是常用的基本物理量和派生物理量。表1-3 常用的基本物理量和派生物理量基 本 物 理 量派 生 物 理 量位 移線位移長度、厚度、應(yīng)變、振動、磨損、不平度角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動速 度線速度速度、振動、流量、動量角速度轉(zhuǎn)速、角振動加速度線加速度振動、沖擊、質(zhì)量角加速度角振動、扭矩、轉(zhuǎn)動慣量力壓 力重力、應(yīng)力、力矩時 間頻 率周期、計數(shù)、統(tǒng)計分布溫 度熱容量、氣體速度、渦

10、流光光通量與密度、光譜分布按輸入物理量進(jìn)行傳感器分類的方法，將原理不同的傳感器歸為一類，不易找出每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上的共性和差異，因此，不利于掌握傳感器的一些基本原理和分析方法。僅溫度傳感器中就包括用不同材料和方法制成的各種傳感器，如熱電偶溫度傳感器、熱敏電阻溫度傳感器、金屬熱電阻溫度傳感器、PN結(jié)二極管溫度傳感器、紅外溫度傳感器等。通常對傳感器的命名就是將其工作原理和被測參數(shù)結(jié)合在一起，先說工作機(jī)理，后說被測參數(shù)，如硅壓阻式壓力傳感器、電容式加速度傳感器、壓電式振動傳感器、諧振式質(zhì)量流量傳感器等。針對傳感器的分類，不同的被測量可以采用相同的測量原理，同一個被測量可以采用不同的測量原理。因此

11、，必須掌握在不同的測量原理之間測量不同的被測量時，各自具有的特點(diǎn)。4按需不需要外加電源分類傳感器按需不需要外加電源方式分類，可分為有源傳感器和無源傳感器。無源傳感器的特點(diǎn)是無需外加電源便可將被測量轉(zhuǎn)換成電量。如光電傳感器能將光射線轉(zhuǎn)換成電信號，其原理類似太陽能電池；壓電傳感器能夠?qū)毫D(zhuǎn)換成電壓信號；熱電偶傳感器能將被測溫度場的能量（熱能）直接轉(zhuǎn)換成為電壓信號的輸出等等。有源傳感器需要輔助電源才能將檢測信號轉(zhuǎn)換成電信號。大多數(shù)傳感器都屬于這類。 5按構(gòu)成傳感器的功能材料分類 按構(gòu)成傳感器的功能材料不同，可將傳感器分為半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、光纖傳感器、高分子薄膜傳感器等。6按某種高新技術(shù)命名

12、的傳感器分類有些傳感器是根據(jù)某種高新技術(shù)命名的，如集成傳感器、智能傳感器、機(jī)器人傳感器、仿生傳感器等。應(yīng)該指出，由于敏感材料和傳感器的數(shù)量特別多，類別十分繁復(fù)，相互之間又有著交叉和重疊，這里就不再贅述。為了揭示諸多傳感器之間的內(nèi)在聯(lián)系，表1-4中給出了傳感器分類、轉(zhuǎn)換原理和它們的典型應(yīng)用，供選用傳感器時參考。表1-4 傳感器分類表傳感器分類轉(zhuǎn) 換 原 理傳 感 器 名 稱典 型 應(yīng) 用轉(zhuǎn)換形式中間參量電參數(shù)電阻移動電位器觸點(diǎn)改變電阻電位器傳感器位移改變電阻絲或片的尺寸電阻應(yīng)變式傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器微應(yīng)變、力、負(fù)荷電阻利用電阻的溫度效應(yīng)（電阻溫度系數(shù)）熱絲傳感器氣流速度、液體流量電阻溫度傳感器溫度、輻射熱熱敏電阻傳感器溫度利用電阻的光敏效應(yīng)光敏電阻傳感器光強(qiáng)利用電阻的濕度效應(yīng)濕敏電阻濕度電容改變電容的幾何尺寸電容傳感器力、壓力、負(fù)荷、位移改變電容的介電常數(shù)液位、厚度、含水量電感改變磁路幾何尺寸、導(dǎo)磁體位置電感傳感器位移渦流去磁效應(yīng)渦流傳感器位移、厚度、硬度利用壓磁效應(yīng)壓磁傳感器力、壓力改變互感差動變壓器位移自速角機(jī)位