傳感器及其概述

楊天娟　施偉斌　王婷

摘 要

傳感器（英文名稱(chēng)：transducer/sensor）是直接作用于被測(cè)量、并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)化為同種或別種量值輸出的器件。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多是電信號(hào)，因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。

【關(guān)鍵詞】傳感器 種類(lèi) 新型

1 前言

傳感器是測(cè)試系統(tǒng)的一部分，其作用類(lèi)似于人類(lèi)的感覺(jué)器官，也可以認(rèn)為是人類(lèi)感官的延伸。人們借助傳感器可以去探測(cè)那些人們無(wú)法用或不便用感官直接感知的事物，如用熱電偶可以測(cè)量熾熱物體的溫度；用超聲波換能器可以測(cè)海水深度；用紅外遙感器可從高空探測(cè)地面形貌、河流狀態(tài)及植被的分布等。因此，可以說(shuō)傳感器是人們認(rèn)識(shí)自然界事物的有力工具，是測(cè)量?jī)x器與被測(cè)量物體之間的接口。通常情況下，傳感器處于測(cè)試裝置的輸入端，是測(cè)試系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其性能直接影響著整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試精度有很大影響。

2 傳感器的分類(lèi)

按被測(cè)物理量的不同，可以分為位移、力、溫度、流量傳感器等；按工作的基礎(chǔ)不同，可以分為機(jī)械式傳感器、電氣式傳感器、光學(xué)式傳感器、流體式傳感器等；按信號(hào)變換特征可以分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器；根據(jù)敏感元件與被測(cè)對(duì)象直接的能量關(guān)系，可以分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器與能量控制型傳感器。

3 常見(jiàn)傳感器介紹

3.1 電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器又叫電阻應(yīng)變計(jì)，其敏感元件是電阻應(yīng)變。應(yīng)變片是在用苯酚，環(huán)氧樹(shù)脂等絕緣材料浸泡過(guò)的玻璃基板上，粘貼直徑為0.025mm左右的金屬絲或金屬箔制成。敏感元件也叫敏感柵。其具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精度高、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在航空、機(jī)械、建筑等各行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，其電阻值隨機(jī)械變形的變化而變化。其可以分為：金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類(lèi)。金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)。它們的主要區(qū)別在于：金屬電阻應(yīng)變片式是利用導(dǎo)體形變引起電阻變化，而半導(dǎo)體應(yīng)變片式則是利用電阻率變化引起電阻的變化。

3.2 電容式傳感器

電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電容量變化的裝置，它實(shí)質(zhì)是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。由于電容與極距成反比，與正對(duì)面積和介質(zhì)成正比，因此其可以分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三類(lèi)。極距變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行動(dòng)態(tài)非接觸式測(cè)量，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響小，靈敏度高，適用于較小位移的測(cè)量，但這種傳感器有非線性特性，因此使用范圍受到一定限制。面積變化型傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極距型傳感器相比，靈敏度較低，適用于較大的直線或角位移的測(cè)量。介質(zhì)變化型則多用于測(cè)量液體的高度等場(chǎng)合。

3.3 電感式傳感器

電感式傳感器是將被測(cè)物理量，如力、位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變換的一種裝置，其變換是基于電磁感應(yīng)原理。電感式傳感器種類(lèi)很多，常見(jiàn)的有自感式，互感式和渦流式三種。

電感式傳感器具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長(zhǎng)。靈敏度和分辨力高，能測(cè)出0.01微米的位移變化。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出。線性度和重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍（幾十微米至數(shù)毫米）內(nèi)，傳感器非線性誤差可達(dá)0.05%～0.1%。同時(shí)，這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應(yīng)較低，不宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)控等缺點(diǎn)。

3.4 磁電式傳感器

磁電式傳感器是把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種傳感器，又稱(chēng)電磁感應(yīng)式或電動(dòng)力式傳感器。其工作原理是一個(gè)匝數(shù)為N的線圈，當(dāng)穿過(guò)它的磁通量變化時(shí)，線圈產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。磁通量的變化可通過(guò)多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，如磁鐵與線圈做切割磁力線運(yùn)動(dòng)、磁路的磁阻變化、恒定磁場(chǎng)中線圈面積的變化，因此可制造出不同類(lèi)型的傳感器用于測(cè)量速度、扭矩等。

3.5 壓電式傳感器

壓電式傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的器件。最簡(jiǎn)單的壓電式傳感器是在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極。當(dāng)晶片受壓力時(shí)，兩個(gè)極板上聚集數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場(chǎng)。因此壓電傳感器可以看成是電荷發(fā)生器，又可以看作電容器。

4 新型傳感器

4.1 生物傳感器

生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的一門(mén)交叉學(xué)科，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動(dòng)化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。生物傳感器的原理：待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物活性材料，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號(hào)，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測(cè)物濃度。

4.2 激光傳感器

激光傳感器：利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。激光傳感器原理：激光傳感器工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)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(xué)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(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的飛速發(fā)展，人們不斷提高著自身認(rèn)知世界的能力。傳感器在獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大上的作用。目前，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面起到重要的推動(dòng)作用。相信未來(lái)，傳感器技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)飛躍。

作者簡(jiǎn)介

楊天娟（1991-），女，河北省邯鄲市人。現(xiàn)為鄭州大學(xué)本科生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程及自動(dòng)化。

作者單位

鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 河南省鄭州市 450001endprint