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23.4.1 傳感器的組成
傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按一定的規(guī)律性換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。而敏感元件是傳感器中能直接感知或響應(yīng)被測量的元件；轉(zhuǎn)換元件是傳感器中能把要敏感元件感知的或響應(yīng)的被測量的信號轉(zhuǎn)換成適于傳輸、處理或測量的電信號的部分。傳感器又稱換能器或變換器，有時也稱為敏感元件，如把溫度傳感器稱為熱敏元件。隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，傳感器向小型化、集成化和智能化方向發(fā)展。利用制作工藝的進步，特別是微/納米加工技術(shù)的利用，傳感器向小型化方向發(fā)展。同時它還向功能集成（多種傳感檢測功能的結(jié)合）、結(jié)構(gòu)集成（把傳感器同其預(yù)處理電路集成起來，甚至將A/D轉(zhuǎn)換器件與發(fā)射裝置等也集成在一起）和技術(shù)集成（多種技術(shù)的集成）方向發(fā)展。傳感器與智能技術(shù)（人工智能）的結(jié)合，開發(fā)出硅膜片壓力敏感元件同精度和漂移修正結(jié)合的智能型傳感器。有的智能型傳感器不僅有感知功能與信號處理功能，還有識別判斷能力，如美國開發(fā)的靈捷傳感器（又稱為靈捷器件）。
由于傳感器應(yīng)用領(lǐng)域多、面又廣，其品種和規(guī)格繁多，傳感器的構(gòu)成相當復(fù)雜。因此，從傳感器的構(gòu)成角度進行簡要介紹。
（1）能量變換型 它是無源型傳感器，無須外加電源。傳感器的功能就是將被測對象的信號能量變換成電壓或電流信號能量。其組成比較簡單，一般是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件合一的，只需構(gòu)成轉(zhuǎn)換電路就可將電信號輸出。為了提高傳感品質(zhì)，減少附加效應(yīng)引起的信號失真（即降低噪聲），除上述基本組成外，還要添加一些必要的組成組元，例如：在聲發(fā)射傳感器的敏感-變換元件（壓電晶體或壓電陶瓷件）上附加聲匹配并起降低聲波反射作用的背襯件就是這類組元。
（2）有源型 它要求提供外加能量才能將信號轉(zhuǎn)換成電信號，如聲表面波傳感器、感應(yīng)同步器等。其外加電源供給轉(zhuǎn)換電路。
（3）阻抗變換型 這類傳感器首先把感受到的被測量信號變換成電路中的阻抗參數(shù)（電阻、電容或電感量），再由有外加電流的變換電路輸出對應(yīng)的電信號。
（4）中間變量型 這類傳感器的敏感元件感受到的信號要經(jīng)過中間變量的變換后才能從變換電路中輸出相應(yīng)的電氣量。如力傳感中，敏感元件受力后變換成變形或應(yīng)力/應(yīng)變，只有通過應(yīng)變片等轉(zhuǎn)換元件才能使之變換成變換電路中的阻抗參數(shù)變化，才有可能通過有源的變換電路輸出電信號。有時這種中間變換要進行多次，其中有的中間變換也可以是無源型的變換。
（5）參比補償器型 這類傳感器利用有補償功能敏感元件與傳感用的敏感元件對比，被償消除環(huán)境溫度或電源波動的影響，如用溫度補償片與壓電元件構(gòu)成可以減少溫度變化影響的壓電式壓力傳感器。
（6）差動型 采用差動的構(gòu)成方式，以提高傳感器的品質(zhì)（靈敏度、線性度等），消除或降低環(huán)境變化的影響，如精密檢測用的線性可調(diào)差動傳感器（LVDT）。
此外，還有自成閉環(huán)系統(tǒng)的反饋型構(gòu)成方式。其中的敏感元件或變換元件兼有反饋功能，使傳感器自成閉環(huán)系統(tǒng)，如差動電容力平衡式加速度傳感器。
23.4.2 傳感器的分類
1．按傳感器的工作原理分類
根據(jù)傳感器的工作原理的學(xué)科性，一般分成物理型、化學(xué)型和生物型三類。
物理型傳感器，是指利用變換元件的物理效應(yīng)制成的傳感器。例如：利用壓電陶瓷或壓電晶體的壓電效應(yīng)構(gòu)成的壓電傳感器等。它們的命名常常根據(jù)效應(yīng)來進行。
化學(xué)型傳感器，是指利用電化學(xué)效應(yīng)，將有機或無機物質(zhì)的組分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。例如：利用離子選擇性電極測定溶液的pH值或離子濃度�；瘜W(xué)傳感器的核心是離子選擇性敏感膜。它們有玻璃膜、單晶膜與多晶膜等固體膜，和正、負電荷載體膜與中性載體膜等液體膜。近年來的發(fā)展是把膜技術(shù)同場效應(yīng)晶體管結(jié)合起來發(fā)展離子選擇性電極。它可以測量無機溶液和氣體、血清與葡萄糖中的組份。
生物傳感器是利用生物活性物質(zhì)的選擇性識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。生物活性物質(zhì)的識別功能是指其對某種物質(zhì)的選擇性親和力。利用這種選擇性親和力判斷某種物質(zhì)是否存在，其濃度是多少，再利用電化學(xué)方法將之轉(zhuǎn)換成電信號。生物傳感器由功能識別物質(zhì)和電、光信號轉(zhuǎn)換裝置兩部分組成。前者的功能是識別被測物質(zhì)，后者的功能是把功能膜上識別被檢物質(zhì)生成的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號或光信號。
2．按傳感器的輸入?yún)��?shù)分類
按照這種分法，將傳感器分成力、壓力、位移、速度、加速度、流速、溫度、濕度、粘度與濃度等傳感器。這種分類法在工業(yè)界比較常用。
3．按應(yīng)用對象或范圍分類
按這種分類法，把應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)中的傳感器常按被檢測器官命名，如心音傳感器、心電傳感器、脈博傳感器等。工業(yè)中把用于測量振動的傳感器稱為振動（測量）傳感器，把測量液體表面位置的傳感器稱為液位傳感器等等。
4．按是否需要外部能源分類
分有源型和無源型。有源型要求外加電源才能工作；而無源型無須外加電源就能工作。前者如電阻式、電容式和電感式傳感器；后者如壓電式、光電式、熱電式等傳感器。
5．按輸出信號特征分類
可分為數(shù)字式和模擬式兩類。絕大多數(shù)現(xiàn)行傳感器是模擬式傳感器。
23.4.3 典型的傳感器
對于制造領(lǐng)域而言，所應(yīng)用的傳感器主要有以下幾類。
1．力傳感器
（1）機械式 利用彈性環(huán)節(jié)為敏感元件把被傳感的力變換為彈性變形，用機械指標儀表測定變形位移，以位移值表征被測力。
（2）液壓式 利用液壓元件作為力的敏感元件，將力變?yōu)橛蛪旱淖兓��?0年代末期，開發(fā)出一種小型化液體靜壓力傳感器元件（MIH-Cell），可測定軸向力、側(cè)向力和力矩，其分辨力可高達4.5～11.25V/N。
（3）壓電式 利用壓電晶體（如石英晶體）或壓電陶瓷（如PZT）的壓電效應(yīng)，將力直接轉(zhuǎn)換為電平信號，如石英晶體在載荷力的作用下，其X、Y軸上產(chǎn)生電荷qx與qy，而Z軸無電荷產(chǎn)生，X軸稱為電軸，Y軸稱為機械軸、Z軸為光軸，載荷力使該石英晶體產(chǎn)生的電荷可表達為
式中image009.gif——壓電常數(shù)，image010.gif=23.1×10-12C/N。
（4）電阻式 利用靈敏的電阻片或集成電阻片作為力傳感的變換元件，以電阻值的變化表征力的變化。它有靈敏度高、剛性好，可測靜、動態(tài)力或力分量等優(yōu)點；其不足之處是，易受切削溫度的影響。這種力傳感器的敏感元件多采用彈性元件。
（5）從功率測定力 機床的切/磨削功率P、主切削力FZ和切削/磨削速度υ呈如下關(guān)系：
FZ=P/υ （23）
利用功率測定值來確定FZ力。
2．聲發(fā)射傳感器
經(jīng)過近20年的研究與開發(fā)，聲發(fā)射傳感器已經(jīng)成為制造過程和裝備監(jiān)視中經(jīng)�？紤]選用的傳感器。其工業(yè)應(yīng)用中的主要形式有：
（1）壓電式聲發(fā)射（AE）傳感器 利用壓電晶體，如PZT-5作為敏感與變換元件。實踐證明，寬帶高精度AE傳感器要求壓電晶體有獨特的點接觸式幾何形狀，且還應(yīng)在其上附加聲阻抗匹配材料件的背襯，以消除或減少透過壓電晶體元件的聲波因界面反射而再度返回壓電晶體形成的次生壓電效應(yīng)，使AE傳感器輸出信號的噪聲減少，其典型結(jié)構(gòu)見中國專利（CN87214610.3）。AE傳感器是按自身的諧振特性實現(xiàn)傳感的，它可檢測60kHz～100MHz的聲發(fā)射信號。同壓電式加速度計不同，兩者的傳感工作原理不同。壓電式加速度計在結(jié)構(gòu)上要求有慣性質(zhì)量塊，且要求在線性頻段上工作，其可測的加速度信號頻帶為1Hz～20kHz，且壓電式加速度計為二階系統(tǒng)，不能獲得高的諧振頻率。故有人粗略地認為，壓電式加速度傳感器相當于一個低頻的AE傳感器。
（2）電容式AE傳感器 它是一種非接觸式傳感器，與下面將要介紹的激光AE傳感器均屬校準用的傳感器。當忽略邊緣效應(yīng)的影響時，平板電容C可表示為
C=εA/δ （24）
式中：δ——兩平板間的距離，即傳感器到被測表面的距離（m）；
A——傳感器覆蓋的有效面積（m2）；
ε——極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F·m-1）。
當δ變化時，稱這種電容傳感器為極距變化型電容傳感器。利用極距變化型電容傳感器測定AE波引起的表面位移變化量，實現(xiàn)對AE波的傳感。
（3）激光AE傳感器 利用激光掃描被AE波作用的表面，用光敏器件將位移變化量變換為電量，實現(xiàn)對AE波的探測。
3．CCD圖像傳感器
它是稱為電荷耦合的半導(dǎo)體器件，分線陣和面陣兩類。它可以把光學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，且每個脈沖反映一個光敏元的受光情況。脈沖的幅值反映光敏元受光的強弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，形成圖像的傳感。光敏元接受正面或背面照射的光，按照光生電荷效應(yīng)，受光時光敏元產(chǎn)生電荷，且光強越強，產(chǎn)生的電荷就越多。再利用轉(zhuǎn)移柵順序地轉(zhuǎn)換每個光敏元上的電荷給輸出二級管，生成順序的電脈沖輸出。線陣CCD有512～5000位，像元尺寸（μm2）為7×7～14×14。面陣CCD有245×492～1024×1024位。陣列單元的響應(yīng)一致性為±4%～±14%。最大掃描速度為（2～10）MHz。
它們可用于尺寸自動檢測、光學(xué)圖像檢測、安全監(jiān)視等領(lǐng)域。
4．光纖傳感器
光纖傳感器是在70年代中期發(fā)展起來的一種傳感器技術(shù)。它是由中心的圓柱形摻雜的石英玻璃纖維和圓柱體外層組成的光傳播介質(zhì)。其中心圓柱體纖維稱為纖芯，外層稱為包層。在包層外有護套，護套保持光纖的機械強度。纖芯與包層都由均勻介質(zhì)組成。它們決定了光纖的導(dǎo)光能力。光在光纖內(nèi)要達到全反射的要求，故纖芯的折射率要高于包層的折射率，目光線在纖芯里要保證界面上的入射角要大于臨界面，以保證全反射。包層采用固體材料，護套多用尼龍材料。
光纖傳感器是從光纖通信系統(tǒng)的光纖由于作用其上的應(yīng)力、環(huán)境溫度等因素對通信的有害影響的發(fā)現(xiàn)而發(fā)展起來的高靈敏度傳感器。從1977年美國海軍研究所執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計劃開始，經(jīng)過70年代末至80年代的發(fā)展，已開發(fā)出近百種光纖傳感器，并被廣泛地用于軍事、科研、工業(yè)、商業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。美國以每年增長30%的速度擴大光纖傳感器的銷售量，到1993年已達到26億美元。其他各國，如英國、日本都在研究、應(yīng)用方面加大投入，或以巨資投建大型生產(chǎn)廠。從80年代以來，我國也積極開展研究、開發(fā)和應(yīng)用。
光纖傳感器主要有：
（1）光強調(diào)制型光纖傳感器 光強的調(diào)制有內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩種方法。內(nèi)調(diào)制法的調(diào)制過程是通過光纖自身特性的變化來實現(xiàn)的。而外調(diào)法僅僅利用光纖作為光傳導(dǎo)系統(tǒng)，光纖自身的特性并不改變，其調(diào)制過程發(fā)生在光纖以外的環(huán)節(jié)中。光強調(diào)制型光纖傳感器是利用光纖感受被測對象變化引起光纖中光強的變化去實現(xiàn)對被測對象監(jiān)視傳感的。如微彎型光纖傳感器，利用一根多模光纖置于微彎板間，當反力作用使微彎板發(fā)生微彎時，光纖因微彎的位移也產(chǎn)生微彎曲變形，從而使各傳播模間產(chǎn)生耦合，通過纖芯功率的變化量測定，就可以確定彎曲位移的量值或所受的壓力量值。利用光強的外調(diào)制原理，可以構(gòu)成由發(fā)送光纖和接收光纖組成的天線型光纖傳感器。它可以傳感溫度、壓力與聲場等變化，用于大型電機、變壓器的溫度監(jiān)測，煤氣、液化氣罐與火警的報警系統(tǒng)中，可靠地實現(xiàn)傳感。
利用上述光強調(diào)制原理構(gòu)造的實用型光纖傳感器，可以檢測傳感由溫度壓力等因素變化而引起的位移變化、速度和加速度等，廣泛地被用于石油、機械等領(lǐng)域。它們中有傾斜鏡式光纖加速度計、移動球鏡光纖位移傳感器、棱鏡反射型液體檢漏傳感器、光纖液位傳感器和膜片式光纖壓力傳感器等。
（2）相位調(diào)制型光纖傳感器 利用單模光纖作為光路的干涉儀，可以排除相干光在空氣中傳播帶來的空氣擾動及聲波的干擾而引起的空氣中光程的變化造成的光學(xué)干涉儀工作不穩(wěn)定性。光纖光波干涉可以把相位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿淖兓�。因而，光纖傳感器可進行由光波相位變化和光纖干涉兩部分組成的相位調(diào)制，以克服光探測器不能直接感受相位變化的不足。利用逆壓電效應(yīng)，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w幾何尺寸的變化來實現(xiàn)相位調(diào)制或解調(diào)。相位調(diào)制光纖傳感器是以被測量引起敏感光纖內(nèi)傳播的光波產(chǎn)生相位變化，再利用干涉測量技術(shù)把相位的變化變換成光強的變化，以傳感被測量。在光纖干涉儀中，采用了相位調(diào)制光纖應(yīng)變傳感器、光纖電流傳感器、光聲氣體光纖傳感器和位移光纖傳感器等。
此外，還有光波偏振調(diào)制型光纖傳感器等。如前所述，傳感器品種繁多，不可能一一介紹。有利之處是可以查閱的資料文獻較多。