傳感器的發(fā)展歷史

傳感器的發(fā)展歷史傳感器的發(fā)展歷史與趨勢隨著新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是如何獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然領域中信息的主要途徑和手段。以現(xiàn)代飛行器為例，它裝備著各種各樣的顯示和控制系統(tǒng)，用以保證各種飛行任務的完成。而反映飛行器飛行參數(shù)、飛行姿態(tài)，發(fā)動機工作狀態(tài)的各種物理參數(shù)，都要利用傳感器予以檢測，一方面顯示出來提供給駕駛?cè)藛T去控制與操縱，另一方面?zhèn)鬏斀o各種自動控制系統(tǒng)，進行飛行器的自動駕駛和自動調(diào)節(jié)。例如“阿波羅10'的運載火箭部分，檢測加速度、聲音、溫度、壓力、振動、流量、應變等參數(shù)的傳感器共有2077個，宇宙飛船部分共有各種傳感器1218個。它們的數(shù)量很大，要求也很高。甚至在飛行器研制過程中，也要用各種傳感器對樣機進行大量的地面測試和空中測試，才能確定是否符合各項技術性能指標。在基礎學科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學技術的發(fā)展，進入了許多新領域。例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到lo—1，m的粒子世界。縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化，短到10—x+s的瞬間反應。此外，還出現(xiàn)了對深化物質(zhì)認識、開拓新能源、發(fā)現(xiàn)新材料等具有重要作用的各種極端技術的研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁場等等。顯然，要獲取大量人類感官無法獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導致該領域內(nèi)有新的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的先驅(qū)。在古代用來丈量土地的直尺，可以認為是人類應用最早的傳感器。當然，這種傳感器的功能單一，其應用方式也與現(xiàn)代的傳感器有著很大的不同，但是，應當指出，傳感器的發(fā)展是伴隨著人類文明的發(fā)展而一同進步的。傳感器的真正發(fā)展是在新技術革命開始之后。隨著大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的開展，對諸如蒸汽機壓力，汽車速度等測量的要求，催生出了現(xiàn)代傳感器。但早期的傳感器結構都比較簡單，而且往往和整個系統(tǒng)集成在一起，并不作為單獨的設備而存在。隨著科學技術的進步，人類對未知世界探求的深度和廣度都在不斷擴展，順應這一發(fā)展形式，傳感器也從原理和應用范圍上發(fā)生著巨大的變化。曰前，傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、健康管理、生物工程甚至文物保護等極其廣泛的領域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各式各樣的傳感器。在傳感器應用的初期，大都采用單一功能的傳感器來測量相應的溫度、壓力、位移等信息。隨著系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，系統(tǒng)復雜性不斷提高，所需要探測的信息量也不斷增多，受空間、成本等的影響，在同一位置放置多個傳感器越來越困難，因此，在這種情況下，“復合”傳感器應運而生。早期的復合傳感器基本上是把不同功能的傳感器簡單地疊加在一起，應用目的主要在于減小體積，降低成本。隨著微納米技術的發(fā)展，實現(xiàn)功能上集成的復合傳感器開始大規(guī)模應用。如能同時測量速度與加速度的傳感器，同時測量溫度與濕度的傳感器等。隨著2l世紀的到來，傳感器的發(fā)展呈現(xiàn)出集成化、多功能化和智能化的趨勢。1)集成化半導體集成技術與厚、薄膜技術的結合，使傳感器集成化成為可能。把信息獲取、放大、變換、傳輸以及信息處理和存儲都制作在同一基片上，并且具備反饋功能。傳感器的集成化為敏感元件的小型化與微型化以及為提供高質(zhì)量、長壽命、低功耗、低售價和特殊功能的新一代的敏感元件創(chuàng)造了條件。傳感器集成化的另一個含義是把一些同樣的單個傳感器配置于同一個面上。將一些傳感器配成一列，稱為一維傳感器；將一些傳感器配置成矩陣，稱為二維傳感器，如典型的線陣與面陣CCD傳感器。2)多功能化傳感器的功能化一般是指傳感器本身不僅具有檢測功能，而且還兼有信號處理等其它的功能。并且，傳感器復合其它功能，從而產(chǎn)生出新的功能，也是功能化的一種類型。例如，有一種熱敏傳感器就是由溫度傳感器與開關元件集成化而構成的。對這種元件，要將其集電結的反向飽和電流設計成靈敏的隨溫度而變化，能起控溫作用的結構形式。這種器件同時具備溫度傳感器與開關兩種功能。利用多種物理、化學、生物效應或傳感器與相應電子測量電路相結合，使傳感器多功能化、這是目前傳感器的一種趨勢。例如，超微粒熱／濕／汽敏多功能敏感器件以及集成溫度傳感器、集成壓力傳感器、集成磁阻傳感器等都屬于此類傳感器。3）智能化過程數(shù)據(jù)處理功能智能傳感器不但能放大信號，并能使信號數(shù)字化，再用軟件實現(xiàn)信號調(diào)節(jié)。一般來說，傳感器不能輸出線性信號，而過程控制卻把線性度作為重要的追求目標。智能傳感器通過查表方式可使非線性信號線性化，從而極大地擴展了傳統(tǒng)的傳感器在過程控制中的應用范圍，提高了系統(tǒng)的總體精度。另外，智能傳感器還能通過數(shù)字濾波器來減少噪聲或其它相關效應的干擾，用軟件實現(xiàn)非線性補償和其它更復雜的補償，從而極大地提高了原有傳感器的特性，降低了系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)的整體性價比。有時必須測量和處理幾個不同的物理量，這樣將給出各自的數(shù)據(jù)，智能傳感器中的微處理器使用戶很容易實現(xiàn)多個信號的加、減、乘、除運算。最重要一點是智能傳感器可將過程的數(shù)據(jù)處理放到接近信號產(chǎn)生點進行，這樣帶來了極大好處：其一，由于把附加信號發(fā)送到控制室成本較高，而采用智能傳感器就省去了附加傳感器和引線的成本；其二，由于附加信息是在信息的應用點檢測到的，這樣就大大降低了長距離傳輸?shù)呢撔?，如噪聲、電壓降等，從而使信號更準確；其三，可以簡化主控制器中的軟件，提高控制環(huán)的速度。除此以外，智能傳感器還具有以下幾個特點：(1)自診斷能力。智能傳感器提供先進的白診斷功能：一是智能傳感器專為在特定物理條件下工作而設計，可以監(jiān)視其工作環(huán)境，并當環(huán)境條件接近臨界極限時給出報警信號；二是智能光電傳感器能通過分析其輸入信號狀態(tài)給出診斷信息，如反射器校直發(fā)生偏移或透鏡表面受污染則給出報警信息；三是當傳感器內(nèi)部發(fā)生故障時，智能傳感器可自己監(jiān)測出內(nèi)部出現(xiàn)的臨界參數(shù)，如果某個參數(shù)超出臨界指標，將給出報警信號。通過內(nèi)部測試環(huán)節(jié)，傳感器還可檢測出一些不正常現(xiàn)象或故障。(2)組態(tài)功能。靈活的組態(tài)功能大大減少了用戶需要研制和更換必備的不同傳感器類型和數(shù)量，利用智能傳感器的組態(tài)功能可使同一類型的傳感器工作在最佳狀態(tài)，并且能在不同場合從事不同的工作。(3)存儲功能。智能傳感器可以存儲大量的信息，用戶可隨時查詢。(4)數(shù)字通信。智能傳感器本身帶有微控制器，因此屬于數(shù)字式的，能配置與外部連接的數(shù)字串行通信。把串行通信配接到裝置上，可以有效地管理信息的傳輸，使數(shù)據(jù)只在需要時才輸出。(5)自適應技術。自適應技術可延長器件或裝置的壽命，同時也擴大其工作領域，因為它能自動適應不同的環(huán)境條件。白適應技術提高了傳感器的重復性和準確度，因為其校正和補償數(shù)值已不再是一個平均值，而是測量點的真實修正值。2．2常用傳感器本章從實用的角度出發(fā)，對在測試系統(tǒng)中應用最為廣泛的一些傳感器進行重點介紹。2．2．1電阻式傳感器電阻式傳感器的基本原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。它的類型很多，在幾何量和機械量測量領域中應用廣泛，常用來測量力、壓力、位移、應變、扭矩、加速度等。．一般來說，電阻式傳感器的結構簡單、性能穩(wěn)定、靈敏度較高，有的還適合于動態(tài)測量。常用的電阻式傳感器傳感元件有應變片、半導體膜片和電位器等。由電阻式傳感器元件分別制成了應變式傳感器、壓阻式傳感器和電位器式傳感器等。本書只對應用范圍最廣的應變式電阻傳感器進行簡單介紹。1．．工作原理應變式傳感器基本上是利用金屬的電阻應變效應將被測量轉(zhuǎn)換為電量輸出的一種傳感器。當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。如圖2．1所示，一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為R＝戶圭(2．1)式中，盧為電阻絲的電阻率，L為電阻絲的長度，S為電阻絲的截面積。圖X．1電阻Bg應哭雙匝當電阻絲受到拉力F作用時，將伸長AL，橫截面積相應減小AS，電阻率則因晶格發(fā)生變形等因素的影響而改變，故引起電阻值變化AR。對式(2．1)全微分，并用相對變化量來表示，則有AR＝AL—AS+ap(2．2)式中，AL二戶e為電阻絲的軸向應變。若徑向應變?yōu)锳r，由材料力學可知，A_5＝一傘＝一／／．E，戶為電阻絲材料的泊松系數(shù)，又因為AS＝2Ar，代人式(2．2)可得!AR＝(1+2戶)s+ap(2．3)通常把單位應變引起的電阻值相對變化稱做電阻絲的靈敏系數(shù)，其表達式為A。：；二aR／R