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    檢測與傳感技術

    發表時間:2023-06-14      點擊次數:255

    一、檢測與傳感技術概述

    檢測傳感技術是測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、微電子學、光學、聲學、精密機械、仿生學和材料科學等眾多學科相互交叉的綜合性和高新技術密集型前沿技術之一,是現代新技術革命和信息社會的重要基礎,是自動檢測和自動控制技術不可缺的重要組成部分。目前,檢測傳感技術已成為我國國民經濟不可缺的支柱產業的一部分。傳感器在工業部門的應用普及率己被國際社會作為衡量一個國家智能化、數字化、網絡化的重要標志。

    檢測傳感技術是新技術革命和信息社會的重要技術基礎,是現代科技的開路先鋒,也是當代科學技術發展的一個重要標志,它與通信技術、計算機技術構成信息產業的三大支柱之一。如果說計算機是人類大腦的擴展,那么傳感器就是人類五官的延伸,當集成電路、計算機技術飛速發展時,人們才逐步認識信息攝取裝置——傳感器沒有跟上信息技術的發展而驚呼“大腦發達、五官不靈"。從八十年代起,逐步在世界范圍內掀起了一股“傳感器熱"。美國早在80年代就聲稱世界已進入傳感器時代,日本則把傳感器技術列為技術之創立。日本工商界人士聲稱“支配了傳感器技術就能夠支配新時代"。技術發達國家對開發傳感器技術部十分重視。美、日、英、法、德和獨聯體等國都把傳感器技術列為國家重點開發關鍵技術之一。美國國家長期安全和經濟繁榮至關重要的22項技術中有6項與傳感器信息處理技術直接相關。關于保護美系統質量優勢至關重要的關鍵技術,其中8項為無源傳感器。美國空軍2000年舉出15項有助于提高21世紀空軍能力關鍵技術,傳感器技術名列第二。日本對開發和利用傳感器技術相當重視并列為國家重點發展6大核心技術之一。日本科學技術廳制定的90年代重點科研項目中有70個重點課題,其中有18項是與傳感器技術密切相關。美國早在80年代初就成立了國家技術小組(BTG),幫助政府組織和領導各大公司與國家企事業部門的傳感器技術開發工作。

    美國國防部將傳感器技術視為今年20項關鍵技術之一,日本把傳感器技術與計算機、通信、激光半導體、超導并列為6大核心枝術,德國視傳感器為優先發展技術,英、法等國對傳感器的開發投資逐年升級,原蘇聯軍事航天計劃中的第五條列有傳感器技術。

    正是由于世界各國普遍重視和投入開發,傳感器發展十分迅速,在近十幾年來其產量及市場需求年增長率均在10%以上。目前世界上從事傳感器研制生產單位已增到5000余家。美國、歐洲、俄羅斯各自從事傳感器研究和生產廠家1000余家,日本有800余家。


    二、各類型傳感器簡介

    1.電阻傳感器

    ① 電阻式傳感器介紹

    電阻式傳感器的基本原理是將被測的非電量轉化成電阻值的變化,再經過轉換電路變成電量輸出。根據傳感器組成材料變化或傳感器原理變化,產生了各種各樣的電阻式傳感器,主要包括應變式傳感器及壓阻式傳感器。

    電阻傳感器可以測量力、壓力、位移、應變、加速度和溫度等非電量參數。電阻式傳感器結構簡單,性能穩定,靈敏度較高,有的還可用于動態測量。

    ② 電阻式傳感器圖片

    2.電感傳感器

     電感式傳感器介紹

    電感式傳感器利用電磁感應原理將被測非電量如位移、壓力、流量、振動等轉換成線圈自感量L或互感量M的變化,再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出。

    電感式傳感器具有結構簡單,工作可靠,測量精度高,零點穩定,輸出功率較大等一系列優點,其主要缺點是靈敏度、線性度和測量范圍相互制約,傳感器自身頻率響應低,不適用于快速動態測量。

    電感式傳感器種類很多,常見的有自感式傳感器,互感式傳感器和電渦流式傳感器三種。

    電感傳感器能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制, 在工業自動控制系統中被廣泛采用。它主要用于測量微位移,凡是能轉換成位移量變化的參數,如壓力、力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位等都可以用電感式傳感器來進行測量。其應用范圍主要包括:可測量彎曲和偏移;可測量振蕩的振幅高度;可控制尺寸的穩定性;可控制定位;可控制對中心率或偏心率。

    電感傳感器還可用作磁敏速度開關、齒輪齡條測速等,該類傳感器廣泛應用于紡織、化纖、機床、機械、冶金、機車汽車等行業的鏈輪齒速度檢測,鏈輸送帶的速度和距離檢測,齒輪齡計數轉速表及汽車防護系統的控制等。另外該類傳感器還可用在給料管系統中小物體檢測、物體噴出控制、斷線監測、小零件區 分、厚度檢測和位置控制等。

    3.熱電傳感器

    ① 熱電式傳感器介紹

    熱電式傳感器是一種將溫度變化轉換為電量的裝置。它是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性來進行測量的。例如將溫度變化轉換為電阻、熱電動勢、熱膨脹、導磁率等的變化,再通過適當的測量電路達到檢測溫度的目的。按照測溫方法的不同,熱電式傳感器分為接觸式和非接觸式兩大類。

    ② 熱電式傳感器應用

    熱電傳感器主要應用于對溫度的檢測,廣泛應用于冶金,鍛造,化工,電子,環境監測,溫控等領域。

    ⑤ 產品圖片

    4.諧振傳感器

    ① 諧振傳感器介紹

    諧振式傳感器是直接將被測量的變化轉換為物體諧振特性變化的裝置,其工作原理基于諧振技術,利用諧振子的振動頻率、相位和幅值作為敏感參數,達到對壓力,位移,密度等被測參數的測量。

    設其初始諧振頻率為f,當振子受力或其中的介質質量等發生變化時,振子的等效剛度或等效振動質量會發生變化,從而使其諧振頻率發生變化。

    要使振子產生振動,就要外加激振力(激振元件),要測量振子的振動頻率則需要拾振元件。由激振元件激發振子振動,由拾振元件檢測振子的振動頻率,另外將此信號經放大后輸送到激振元件中形成閉環系統,以維持振子持續振動。

    ② 諧振式傳感器的應用


    諧振式傳感器因輸出為頻率信號而具有高精度、高分辨率、高抗干擾能力、適于長距離傳輸、能直接與數字設備相連接的優點;又因無活動部件而具有高穩定性和高可靠性,并可能制造出精度高的傳感器(目前可以做到精度超過萬分之一)。它的缺點是,要求材料質量較高,加工工藝復雜,所以生產周期長,成本較高;另外,其輸出頻率與被測量往往是非線性關系,需進行線性化處理才能保證良好的精度。② 諧振式傳感器的應用


    由于諧振式傳感器有許多優點,已迅速發展成為一個新的傳感器家族,可用于多種參數的測量,例如壓力、位移、加速度、扭矩、密度、液位等。諧振式傳感器主要用于航空、航天、計量、氣象、地質、石油等行業中。

    5.壓電傳感器

    ① 壓電效應與壓電傳感器

    某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時,其內部會產生極化現象,同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后,它又會恢復到不帶電的狀態,這種現象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時,電荷的極性也隨之改變。相反,當在電介質的極化方向上施加電場,這些電介質也會發生變形,電場去掉后,電介質的變形隨之消失,這種現象稱為逆壓電效應,或稱為電致伸縮現象。

    依據電介質壓電效應研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器,它是利用某些物質的壓電效應將被測量轉換為電量的一種傳感器。

    ② 壓電傳感器的應用

    壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等參量的測量中。

    壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、輪船、橋梁、和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用,特別是航空宇航領域中更有它的特殊地位。

    壓電式壓力傳感器既可以用來測量大的壓力,也可以用來測量微小的壓力。它可以用于發動機內部燃燒壓力與真空度的測量,以及軍事工業中在槍膛中擊發瞬間的膛壓變化和炮口的沖擊壓力的測量。此外,壓力式傳感器還廣泛應用在生物醫學測量中,比如說心室導管式微音器就是由壓力傳感器制成的。

    6.磁電傳感器

    ① 磁電式傳感器介紹

    磁電式傳感器利用電磁感應效應,霍爾效應,或磁阻效應等電磁現象,把被測物理量的變化轉變為感應電動勢的變化,實現速度,位移等參數測量。按電磁轉換機理的不同,磁電式傳感器可分為磁電感應式傳感器,霍爾式傳感器,和磁阻效應傳感器等,廣泛用于建筑,工業等領域中振動,速度,加速度,轉速,轉角,磁場參數等的測量。

    ② 各種磁電式傳感器的原理與應用

    (1)磁電感應式傳感器的特點及原理

    磁電感應式傳感器簡稱感應式傳感器,也稱電動式傳感器。它把被測物理量的變化轉變為感應電動勢,是一種機-電能量變換型傳感器,不需要外部供電電源,電路簡單,性能穩定,輸出阻抗小,又具有一定的頻率響應范圍(一般為10~1000Hz),適用于振動、轉速、扭矩等測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準,它直接安裝在振動體上進行測量,因而在地面振動測量及機載振動監視系統中獲得了廣泛的應用。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。

    工作原理:根據電磁感應定律,N匝線圈在磁場中運動切割磁力線,線圈內產生感應電動勢e。e的大小與穿過線圈的磁通Φ變化率有關。按工作原理不同,磁電感應式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式,即動圈式傳感器和磁阻式傳感器。

    恒定磁通式磁電感應式傳感器按運動部件的不同可分為動圈式和動鐵式。動圈式磁電傳感器的中線圈是運動部件,基本形式是速度傳感器,能直接測量線速度或角速度,如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路,那么還可以用來測量位移或加速;動鐵式磁電感應式傳感器的運動部件是鐵芯,可用于各種振動和加速度的測量。

    變磁通式磁電感應傳感器中,線圈和磁鐵都靜止不動, 轉動物體引起磁阻、磁通變化,常用來測量旋轉物體的角速度。如動畫所示,線圈3和磁鐵5靜止不動,測量齒輪1(導磁材料制成)每轉過一個齒,傳感器磁路磁阻變化一次,線圈3產生的感應電動勢的變化頻率等于測量齒輪1上齒輪的齒數和轉速的乘積。變磁通式傳感器對環境條件要求不高,能在-150~+90℃的溫度下工作,不影響測量精度,也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高,約為50Hz,上限可達100Hz。

    (2)霍爾傳感器的特點

    霍爾傳感器也是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應原理而將被測量轉換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止狀態下,具有感受磁場的能力,并且具有結構簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波)、動態范圍大(輸出電勢變化范圍可達1000:1)、壽命長等特點,因此獲得了廣泛應用。

    磁阻元件類似霍爾元件,但它的工作原理是利用半導體材料的磁阻效應(或稱高斯效應)。磁阻效應與霍爾效應的區別在于感應電動勢相對于電流的方向,霍爾電勢是垂直于電流方向的橫向電壓,而磁阻效應則是沿電流方向的電阻變化。

    (3)磁阻效應傳感器


    磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁場等參數的測量。上圖是一種測量位移的磁阻效應傳感器。將磁阻元件置于磁場中,當它相對于磁場發生位移時,元件內阻R1、R2發生變化,如果將它們接于電橋,則其輸出電壓比例于電阻的變化。磁阻效應與材料性質及幾何形狀有關,一般遷移率大的材料,磁阻效應愈顯著;元件的長、寬比愈小,磁阻效應愈大。

    7.光電傳感器

    ① 光電傳感器介紹

    光電傳感器(光電開關)是一種小型電子設備,它可以檢測出其接收到的光強的變化,通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。在一般情況下,光電傳感器由三部分構成:發送器、接收器和檢測電路。


    發送器對準目標發射光束,發射的光束一般來源于半導體光源,發光二極管(LED)、激光二極管及紅外發射二極管。接收器包括光電二極管、光電三極管、光電池等。在接收器的前面,裝有光學元件如透鏡和光圈等;在其后面是檢測電路,它能濾出有效信號并應用該信號。


    ② 光電傳感器分類


    光電傳感器通??煞譃閷ι湫秃头瓷湫蛢深?。

    (1) 對射型光電傳感器。

    由一個發光器和一個收光器組成的光電開關就稱為對射分離式光電開關,簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側,檢測物通過時阻擋光路,收光器產生響應并輸出一個開關控制信號。

    (2) 反射型光電開關。

    反射型光電開關把發光器和收光器裝入同一個裝置內,利用反射原理完成光電控制作用。一種情況下,發光器發出的光被反光板反射回來被收光器收到,一旦光路被檢測物擋住,收光器收不到光時,光電開關就動作,輸出一個開關控制信號;另一種情況下,發光器發出的光并不被專門的反光板反射,但當光路上有檢測物通過時,光在檢測物表面反射回來并被接收器接收從而產生一個開關信號。

    ③光電傳感器的應用

    光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點,傳感器的結構簡單,形式靈活多樣,體積小。近年來,隨著光電技術的發展,光電傳感器已成為系列產品,其品種及產量日益增加,在各種輕工自動機上獲得廣泛的應用。典型案例如下:

    (1) 煙塵濁度監測儀

    防止工業煙塵污染是環保的重要任務之一。為了消除工業煙塵污染,首先要知道煙塵排放量,因此必須對煙塵源進行監測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加,光源發出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加,到達光檢測器的光減少,因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。

    (2) 光電轉速傳感器

    在待測轉速軸上固定一帶孔的轉速調置盤,在調置盤一邊由白熾燈產生恒定光,透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉換器上,轉換成相應的電脈沖信號,經過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號,轉速由該脈沖頻率決定。

    (3) 光電池

    光電池作為光電探測使用時,其基本原理與光敏二極管相同,但它們的基本結構和制造工藝不相同。由于光電池工作時不需要外加電壓,光電轉換效率高,光譜范圍寬,頻率特性好,噪聲低等,它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。

    8.光纖傳感器

    ① 光纖傳感器的基本原理

    光纖傳感器通過光導纖維把輸入變量轉換成調制的光信號。光纖傳感器的測量原理有兩種。

    (1)物性型光纖傳感器原理

    物性型光纖傳感器是利用光纖對環境變化的敏感性,將輸入物理量變換為調制的光信號。其工作原理基于光纖的光調制效應,即光纖在外界環境因素,如溫度、壓力、電場、磁場等等改變時,其傳光特性,如相位與光強,會發生變化的現象。因此,如果能測出通過光纖的光相位、光強變化,就可以知道被測物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。

    激光器的點光源光束擴散為平行波,經分光器分為兩路,一為基準光路,另一為測量光路。外界參數(溫度、壓力、振動等)引起光纖長度的變化和相位的光相位變化,從而產生不同數量的干涉條紋,對它的模向移動進行計數,就可測量溫度或壓力等。

    (2)結構型光纖傳感器原理

    構型光纖傳感器是由光檢測元件(敏感元件)與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統。其中光纖僅作為光的傳播媒質,所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。

    (3) 拾光型光纖傳感器原理

    用光纖作為探頭,接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。

    9.氣敏傳感器

    ① 氣敏傳感器介紹

    氣敏傳感器可用于對氣體的定性或定量檢測。氣敏材料與氣體接觸后會發生化學或物理相互作用,導致其某些特性參數的改變,包括質量,電參數,光學參數等。氣敏傳感器利用這些材料作為氣敏元件,把被測氣體種類或濃度的變化轉化成傳感器輸出信號的變化,從而實現氣體檢測目的。

    ② 氣敏傳感器的應用

    氣敏傳感器主要用于對各種目標氣體的定性或定量檢測,在環境氣體監測,食品安全監察,工業排放監控,呼氣疾病診斷等領域有著廣泛的應用。

    ③ 氣敏傳感器分類

    根據氣敏元件的不同,氣體傳感器可分為半導體氣體傳感器,紅外吸收式氣敏傳感器,接觸燃燒式氣敏傳感器以及利用電極和電解液對氣體進行檢測的電化學傳感器等。

    10.電容傳感器

    ① 電容式傳感器概述

    電容式傳感器是將被測非電量的變化轉化為電容量的一種傳感器。具有結構簡單、分辨力高、可非接觸測量,并能在高溫、輻射和強烈震動等惡劣條件下工作等優點。

    隨著集成電路技術和計算機技術的發展,有利于電容式傳感器的揚長避短,是一種很有發展前途的傳感器。

    ⑥ 電容式傳感器圖片

    11.濕度傳感器

    水分子親和力型濕度傳感器,是利用水分子有較大的偶極矩,因而易于吸附在固體表面并滲透到固體內部的特性(成為水分子親和力)制成的濕度傳感器,其測量原理在于感濕材料吸濕或脫濕過程改變其自身的性能從而構成不同類型的濕度傳感器。

    非水分子親和力型濕度傳感器,主要的測量原理有:利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導之差來測定濕度;利用微波在含水蒸汽的空氣中傳播,水蒸汽吸收微波使其產生一定的能量損耗,傳輸損耗的能量與環境空氣中的濕度有關以此來測定濕度;利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的濕度。

    ① 濕度傳感器介紹

    濕度包括氣體的濕度和固體的濕度。氣體的濕度是指大氣中水蒸氣的含量,度量方法有絕對濕度,即每立方米氣體在標況下(0℃,1大氣壓)所含有的水蒸氣的重量,即水蒸氣密度;相對濕度,即一定體積氣體中實際含有的水蒸氣分壓與相同溫度下該氣體所能包含的最大水蒸氣分壓之比;或含濕量,即每㎏干空氣中所含水蒸氣的質量。其中相對濕度是常用的。固體的濕度是物質中所含水分的百分數,即物質中所含水分的質量與其總質量之比。

    利用水分子有較大的偶極矩,因而易于吸附在固體表面并滲透到固體內部的特性制成的濕度傳感器稱為水分子親和力型濕度傳感器,其測量原理在于感濕材料吸濕或脫濕過程改變其自身的性能從而構成不同類型的濕度傳感器;把與水分子親和力無關的濕度傳感器稱為非水分子親和力型傳感器,其主要的測量原理有:利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導之差來測定濕度;利用微波在含水蒸汽的空氣中傳播,水蒸汽吸收微波使其產生一定的能量損耗,傳輸損耗的能量與環境空氣中的濕度有關以此來測定濕度;利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的濕度。

    ② 濕度傳感器的應用

    任何行業的工作都離不開空氣,而空氣的濕度又與工作、生活、生產有直接聯系,使濕度的監測與控制越來越顯得重要。濕度傳感器的應用主要有如下幾個方面:

    (1)氣候監測:天氣測量和預報對工農業生產、軍事及人民生活和科學實驗等方面都有重要意義,因而濕度傳感器是不可少的測濕設備,如樹脂膨散式濕度傳感器已用于氣象氣球測濕儀器上。

    (2)溫室養殖:現代農林畜牧各產業都有相當數量的溫室,溫室的濕度控制與溫度控制同樣重要,把濕度控制在農作物、樹木、畜禽等生長適宜的范圍,是減少病蟲害、提高產量的條件之一。

    (3)工業生產:在紡織、電子、精密機器、陶瓷工業等部門,空氣濕度直接影響產品的質量和產量,必須有效地進行監測調控。

    (4)物品儲藏:各種物品對環境均有一定的適應性。濕度過高過低均會使物品喪失原有性能。如在高濕度地區,電子產品在倉庫的損害嚴重,非金屬零件會發霉變質,金屬零件會腐蝕生銹。

    (5)精密儀器的使用保護:許多精密儀器、設備對工作環境要求較高。環境濕度必須控制在一定范圍內,以保證它們的正常工作,提高工作效率及可靠性。如電話程控交換機工作濕度在55 % ±10 %較好。溫度過高會影響絕緣性能,過低易產生靜電,影響正常工作。

    ③濕度傳感器圖片


    12.生物傳感器

    ① 生物傳感器介紹

    生物傳感器(Biosensor)是利用某些生物活性物質所具有的高度選擇性,來識別待測生物化學物質的一類傳感器。它的結構一般是在基礎傳感器(電化學裝置)上再耦合一個生物敏感膜(稱為感受器或敏感元件)。生物敏感膜緊貼在探頭表面上,再用一種半滲透膜與被測溶液隔開。當待測溶液中的成分透過半透膜有選擇地附著于敏感物質時,形成復合體,隨之進行生化和電化學反應,產生普通電化學裝置能感知的O2、H2、NH4+、CO2等,并通過電化學裝置轉換為電信號。

    生物傳感器是目前受到人們重視傳感器之一。生物傳感器能對許多過去難于測定的生化物質進行定量分析。已經在實踐中開始應用的生物傳感器都是固定化酶電極,包括葡萄糖、谷氨酸、乳酸、乙醇等多種。

    ② 生物傳感器的應用

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