物理傳感器應(yīng)用

下面簡(jiǎn)單介紹一下常見(jiàn)的幾種sensor 的原理和作用以及一些簡(jiǎn)單的例子。

1、 touch sensor 意是是接觸性sensor，當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí)產(chǎn)生的一種信號(hào)，將這個(gè)信號(hào)收集傳經(jīng)計(jì)算機(jī)，可執(zhí)行下一步的動(dòng)作。這種sensor 主要用來(lái)感應(yīng)兩個(gè)物體的關(guān)系。

2、感光sensor ，通過(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)單的電路來(lái)完成，一個(gè)電路有發(fā)光二極管或LED等發(fā)光元件，另一個(gè)電路則接有一個(gè)感光元件來(lái)感就發(fā)光體，當(dāng)裝有sensor 的兩物體具有對(duì)就的關(guān)系時(shí)，感光元件就會(huì)接收到信號(hào)，將這個(gè)信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成其它的動(dòng)作。這種sensor 主要用來(lái)感應(yīng)是否到達(dá)預(yù)定的位置，或者用來(lái)確定兩物體的相對(duì)位置關(guān)系。

3、磁感sensor ， 通過(guò)磁性感應(yīng)物體，當(dāng)兩運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)到一定的區(qū)域內(nèi)時(shí)，可以通過(guò)磁感來(lái)感就到物體的存在及位置。

在一些電子產(chǎn)品的機(jī)器中，sensor 可說(shuō)是無(wú)處不在，每個(gè)sensor 有具體作用也不同，在遇到sensor時(shí)，先看看它到底有什么作用，為什么要一個(gè)sensor， 原理是什么，然后再分析該如何處理。

物理傳感器的應(yīng)用范圍是非常廣泛的，我們僅僅就生物醫(yī)學(xué)的角度來(lái)看看物理傳感器的應(yīng)用情況，之后不難推測(cè)物理傳感器在其他的方面也有重要的應(yīng)用。

比如血壓測(cè)量是醫(yī)學(xué)測(cè)量中的最為常規(guī)的一種。我們通常的血壓測(cè)量都是間接測(cè)量，通過(guò)體表檢測(cè)出來(lái)的血流和壓力之間的關(guān)系，從而測(cè)出脈管里的血壓值。測(cè)量血壓所需要的傳感器通常都包括一個(gè)彈性膜片，它將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成為膜片的變形，然后再根據(jù)膜片的應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電信號(hào)。在電信號(hào)的峰值處我們可以檢測(cè)出來(lái)收縮壓，在通過(guò)反相器和峰值檢測(cè)器后，我們可以得到舒張壓，通過(guò)積分器就可以得到平均壓。

讓我們?cè)倏纯春粑鼫y(cè)量技術(shù)。呼吸測(cè)量是臨床診斷肺功能的重要依據(jù)，在外科手術(shù)和病人監(jiān)護(hù)中都是必不可少的。比如在使用用于測(cè)量呼吸頻率的熱敏電阻式傳感器時(shí)，把傳感器的電阻安裝在一個(gè)夾子前端的外側(cè)，把夾子夾在鼻翼上，當(dāng)呼吸氣流從熱敏電阻表面流過(guò)時(shí)，就可以通過(guò)熱敏電阻來(lái)測(cè)量呼吸的頻率以及熱氣的狀態(tài)。

再比如最常見(jiàn)的體表溫度測(cè)量過(guò)程，雖然看起來(lái)很容易，但是卻有著復(fù)雜的測(cè)量機(jī)理。體表溫度是由局部的血流量、下層組織的導(dǎo)熱情況和表皮的散熱情況等多種因素決定的，因此測(cè)量皮膚溫度要考慮到多方面的影響。熱電偶式傳感器被較多的應(yīng)用到溫度的測(cè)量中，通常有桿狀熱電偶傳感器和薄膜熱電偶傳感器。由于熱電偶的尺寸非常小，精度比較高的可做到微米的級(jí)別，所以能夠比較精確地測(cè)量出某一點(diǎn)處的溫度，加上后期的分析統(tǒng)計(jì)，能夠得出比較全面的分析結(jié)果。這是傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)所不能比擬的，也展示了應(yīng)用新的技術(shù)給科學(xué)發(fā)展帶來(lái)的廣闊前景。

從以上的介紹可以看出，僅僅在生物醫(yī)學(xué)方面，物理傳感器就有著多種多樣的應(yīng)用。傳感器的發(fā)展方向是多功能、有圖像的、有智能的傳感器。傳感器測(cè)量作為數(shù)據(jù)獲得的重要手段，是工業(yè)生產(chǎn)乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理傳感器又是最普通的傳感器家族，靈活運(yùn)用物理傳感器必然能夠創(chuàng)造出更多的產(chǎn)品，更好的效益。

物理傳感器是檢測(cè)物理量的傳感器。它是利用某些物理效應(yīng)，把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量形式的信號(hào)的裝置。其輸出的信號(hào)和輸入的信號(hào)有確定的關(guān)系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器等。作為例子，讓我們看看比較常用的光電式傳感器。這種傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，它直接檢測(cè)來(lái)自物體的輻射信息，也可以轉(zhuǎn)換其他物理量成為光信號(hào)。其主要的原理是光電效應(yīng):當(dāng)光照射到物質(zhì)上的時(shí)候，物質(zhì)上的電效應(yīng)發(fā)生改變，這里的電效應(yīng)包括電子發(fā)射、電導(dǎo)率和電位電流等。顯然，能夠容易產(chǎn)生這樣效應(yīng)的器件成為光電式傳感器的主要部件，比如說(shuō)光敏電阻。這樣，我們知道了光電傳感器的主要工作流程就是接受相應(yīng)的光的照射，通過(guò)類似光敏電阻這樣的器件把光能轉(zhuǎn)化成為電能，然后通過(guò)放大和去噪聲的處理，就得到了所需要的輸出的電信號(hào)。這里的輸出電信號(hào)和原始的光信號(hào)有一定的關(guān)系，通常是接近線性的關(guān)系，這樣計(jì)算原始的光信號(hào)就不是很復(fù)雜了。其他的物理傳感器的原理都可以類比于光電式傳感器。

可以用不同的觀點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行分類:

它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng));它們的用途;它們的輸出信號(hào)類型以及制作它們的材料和工藝等。根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類:傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多，例如可靠性問(wèn)題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問(wèn)題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長(zhǎng)。常見(jiàn)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和工作原理列于下表。

壓力敏和力敏傳感器 位置傳感器 液面?zhèn)鞲衅?能耗傳感器 速度傳感器

加速度傳感器 射線輻射傳感器 熱敏傳感器 24GHz雷達(dá)傳感器

振動(dòng)傳感器 濕敏傳感器 磁敏傳感器 氣敏傳感器 真空度傳感器 生物傳感器等。

模擬傳感器--將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。 數(shù)字傳感器--將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。膺數(shù)字傳感器--將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。開(kāi)關(guān)傳感器--當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。

在外界因素的作用下，所有材料都會(huì)作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對(duì)外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來(lái)制作傳感器的敏感元件。從所應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列幾類:

(1)按照其所用材料的類別分: 金屬聚合物 陶瓷混合物

(2)按材料的物理性質(zhì)分: 導(dǎo)體絕緣體 半導(dǎo)體磁性材料

(3)按材料的晶體結(jié)構(gòu)分: 單晶 多晶非晶材料

與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開(kāi)發(fā)工作，可以歸納為下述三個(gè)方向:

(1)在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實(shí)際使用。

(2)探索新的材料，應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來(lái)改進(jìn)傳感器技術(shù)。

(3)在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以具體實(shí)施。 現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。傳感器開(kāi)發(fā)的基本趨勢(shì)是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。

集成傳感器，薄膜傳感器，厚膜傳感器，陶瓷傳感器。集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。 薄膜傳感器則是通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。 厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。 陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。 完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。 每種工藝技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低，以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。 (空侶網(wǎng)暖通專家提供)

物理型傳感器是利用被測(cè)量物質(zhì)的某些物理性質(zhì)發(fā)生明顯變化的特性制成的。 化學(xué)型傳感器是利用能把化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等化學(xué)量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量的敏感元件制成的。 生物型傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)的特性做成的，用以檢測(cè)與識(shí)別生物體內(nèi)化學(xué)成分的傳感器

傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫(huà)出的特性曲線來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有:線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。

(1)線性度:指?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。定義為在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。

(2)靈敏度:靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義為輸出量的增量與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量之比。用S表示靈敏度。

(3)遲滯:傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象成為遲滯。對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。

(4)重復(fù)性:重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。

(5)漂移:傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面:一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù);二是周?chē)h(huán)境(如溫度、濕度等)。

所謂動(dòng)態(tài)特性，是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)表示。

通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實(shí)際的特性曲線、線性度(非線性誤差)就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)。 擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點(diǎn)相連的理論直線作為擬合直線;或?qū)⑴c特性曲線上各點(diǎn)偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。

傳感器的分類有很多，同樣傳感器可以通過(guò)不同方式進(jìn)行分類。有一類是從測(cè)量目的進(jìn)行區(qū)分傳感器。這樣傳感器可分為物理型傳感器，化學(xué)型傳感器等。下面就物理型傳感器做一個(gè)簡(jiǎn)單的分析介紹，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(lái)感受(敏感)被測(cè)量，井將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)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(jì)制成的電容式敏感元件，當(dāng)被測(cè)壓力作用在電容式敏感元件的動(dòng)極板上時(shí)，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(duì)壓力的測(cè)量。又比如諧振式壓力傳感器，必須設(shè)計(jì)制作一個(gè)合適的感受被測(cè)壓力的諧振敏感元件，當(dāng)被測(cè)壓力變化時(shí)，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(duì)壓力的測(cè)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(cè)量，并轉(zhuǎn)換成可用電信號(hào)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(duì)壓力測(cè)量的;利用半導(dǎo)體材料在被測(cè)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(duì)壓力測(cè)量的。

一般而言，物理型傳感器對(duì)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(jì)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據(jù)材料本身的物理特性、物理效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的感應(yīng)。近年來(lái)，由于材料科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展與進(jìn)步，物理型傳感器應(yīng)用越來(lái)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持點(diǎn)密切相關(guān)。