現(xiàn)代測試技術(shù)中傳感器的應用評述

1、現(xiàn)代測試技術(shù)中傳感器的應用簡介 摘要:介紹了現(xiàn)代測試技術(shù)中傳感器的特性，對常用傳感器和新型傳感器的應用進行了簡介，并分析了傳感器應用中常見的技術(shù)問題關鍵詞:測試技術(shù);傳感器;應用;簡介 Application intro of sensors in modern measuring and testing techniqueAbstract: The characteristic of sensors in modern measuring and besting technique is introduced，the application of common and new type se

2、nsors is reviewed，and the common technical problems during application of sensors were analyzed.Keywords: measuring and besting technique; sensor; application; intro 在現(xiàn)代測試技術(shù)中，傳感器是一種以一定的精度和規(guī)律把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關系的，便于應用的某種物理量的測量裝置。傳感器的分類方法有很多，按作用原理常用的傳感器可以分為:電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、熱電式傳感器、核輻射式傳感器、

3、磁電式傳感器和數(shù)字式傳感器等。新型傳感器可以分為:光纖傳感器、生物傳感器、濕度傳感器、紅外傳感器、固態(tài)圖像傳感器、霍爾傳感器、智能式傳感器和超聲波傳感器等。1測試技術(shù)中傳感器的特性 傳感器的特性主要包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標是精確度、靈敏度、線性度和重復性。而衡量傳感器動態(tài)特性的主要指標是時域性能指標和頻域性能指標。時域性能指標包括時間常數(shù)、上升時間、響應時間、超調(diào)量等;頻域性能指標包括通頻帶、工作頻帶、相位誤差等。2常用傳感器應用簡介2.1電阻式傳感器 電阻式傳感器的工作原理是利用電阻元件把被測的物理量的變化轉(zhuǎn)換為電阻阻值的變化，通過對電阻阻值的測量達到測量該物理量

4、的目的。電阻式傳感器主要分為電位器式電阻傳感器和應變式電阻傳感器。電位器式電阻傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低、輸出功率大、靈敏度較高。一般情況下可直接連接指示儀表，簡化了測量電路;但也存在精度不高，動態(tài)響應差，不適宜測量快速變化量等缺點。電位器式電阻傳感器通常用于被測對象參數(shù)變化較大的場合。而應變式電阻傳感器具有外形小、質(zhì)量輕、測量范圍廣、線性好、頻率響應好、采取措施后可在強磁場、化學腐蝕、強振動、放射性場所等惡劣環(huán)境下工作;其缺點是輸出信號小、抗干擾問題突出、在大應變下有較大的非線性。2.2電感式傳感器 電感式傳感器的工作原理是利用電磁感應把被測的物理量的變化轉(zhuǎn)換成電感線圈的自感系數(shù)或互感系數(shù)的

5、變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同，可分為自感式、互感式和電渦流式。電感式傳感器具有可靠性高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度和分辨率高，線性度和重復性比較好，穩(wěn)定性好，能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制等優(yōu)點;但也存在交流零位信號，不適用于高頻動態(tài)測量場合等缺點。2.3電容式傳感器電容式傳感器的工作原理是利用電容元件把被的物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率等物理量的測量裝置。實際上是具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量的變化后，仍需要由后接電路將其轉(zhuǎn)換為電

6、壓、電流或頻率信號。根據(jù)電容器變化的參數(shù)，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。電容式傳感器具有測量范圍大、靈敏度高、動態(tài)響應時間短、機械損失小、結(jié)構(gòu)簡單、適應性強等優(yōu)點;但也存在寄生電容影響較大，使其穩(wěn)定性較差等缺點。2.4壓電式傳感器 壓電式傳感器的工作原理是將被測參數(shù)轉(zhuǎn)化為作用力作用于壓電材料上形成電場而進行測量的而制成的傳感器。壓電式傳感器可以將機械能轉(zhuǎn)換成電能，又可以將電能轉(zhuǎn)換成機械能，是一種可逆型傳感器。在壓電式傳感器中，通常用兩個或兩個以上的晶片進行并接或串接，以增大輸出。壓電式傳感器具有質(zhì)量小、體積小、頻帶寬、信噪比大、結(jié)構(gòu)堅固、穩(wěn)定性好、可靠性高、使用方便等

7、優(yōu)點。適用于測量動態(tài)力、壓動態(tài)力、振動加速度等。2.5光電式傳感器 光電式傳感器的工作原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變化，再經(jīng)過光電元件把光量的變化轉(zhuǎn)換為電信號的一種測量裝置。光電式傳感器主要由光敏電阻、光電池、光敏晶體管等3部分組成。按照輸出量的性質(zhì)，可以把光電式傳感器分為把被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流和把被測量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的光電流兩種。光電式傳感器具有質(zhì)量小、體積小、靈敏度高、功耗低、響應快、便于集成、易于實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點。2.6熱電式傳感器 熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，其工作原理是利用不同導體串接成的閉合回路中結(jié)合點不同溫度而產(chǎn)生電勢來進行測量的。常用的熱電式傳

8、感器又分為熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、熱釋電等類型。熱電偶型具有測量精度高、測量范圍廣、構(gòu)造簡單、使用方便等特點;熱電阻型具有信號輸出較大、易于測量、要借助外加電源、測溫反應速度慢等特點;熱敏電阻型具有靈敏度高、熱惰性小、重復性好、電阻率較大、成本較低、性能不穩(wěn)定、互換性差、測量精度不高等特點;熱釋電型具有靈敏度高、光譜范圍寬、響應快等特點。2.7核輻射式傳感器 核輻射式傳感器是把射線能量轉(zhuǎn)換為容易測量的電信號的裝置。其工作原理是根據(jù)被測物質(zhì)對射線的吸收、散射或射線對被測物質(zhì)的電離激發(fā)、穿透作用而進行工作的。核輻射式傳感器主要由比例計數(shù)管、蓋革計數(shù)管、閃爍計數(shù)管和半導體探測器等組成。核輻射式傳感

9、器主要用來檢測厚度、液位、物位、轉(zhuǎn)速、材料密度、重量、氣體壓力、流速、溫度及濕度等參數(shù)以及金屬材料探傷等方面。2.8磁電式傳感器 磁電式傳感器就是一種把被測物理量轉(zhuǎn)換為感應電動勢的傳感器。磁電式傳感器直接輸出感應電勢，且傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要高增益放大器。由于磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測位移或加速度信號，則需要配用積分或微分電路。按照結(jié)構(gòu)來分，磁電式傳感器又分為動圈式和磁阻式兩種。動圈式又可以分為線速度型和角速度型;磁阻式結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、可靠性高，用來測量轉(zhuǎn)速、振動和偏心量等。2.9數(shù)字式傳感器 數(shù)字式傳感器能夠直接將非電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而不需要A/D轉(zhuǎn)換，可

10、以直接用數(shù)字顯示，從而提高了測量精度和分辨率，方便于計算機連接，提高了系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字式傳感器主要包括放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲器、通訊接口、溫度測試電路等幾部分組成。數(shù)字式傳感器具有投資少、系統(tǒng)簡單、精度高、可靠性高、抗干擾能力強、適用于遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點。3新型傳感器應用簡介3.1光纖傳感器 光纖傳感器是利用被測量對在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行某種形式的調(diào)制，即可直接利用光纖的功能進行調(diào)制，也可通過其他的靈敏元件來實現(xiàn)，使傳輸光的強度、相位、頻率或偏振狀態(tài)等特性發(fā)生相應變化，再對被調(diào)制的光信號進行檢測，測出被測量的傳感器。一般情況下，光纖傳感器可分為結(jié)構(gòu)型和物性型。結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是由光

11、檢測元件與光纖傳輸回路組成的測量系統(tǒng);物性型光纖傳感器是由光纖把輸人物理量變換為調(diào)制的光信號。光纖傳感器具有體積小、重量輕、可彎曲、可測的物理信息種類多、可實現(xiàn)動態(tài)非接觸測量、耐高壓、耐腐蝕、靈敏度高、抗干擾能力強、可適應各種環(huán)境等優(yōu)點。3.2生物傳感器 生物傳感器就是以生物活性物質(zhì)為敏感元件的傳感器。生物活性物質(zhì)主要是指微生物、抗原、抗體、各種酶、組織切片和細胞等。生物傳感器主要有微生物傳感器、免疫傳感器、酶傳感器、組織切片傳感器和細胞傳感器等。近年來，生物傳感器的快速發(fā)展為生物科學的定量分析、生物工程的測量提供了有力的技術(shù)支撐。生物傳感器具有選擇性能好、噪音低、操作簡單快速準確、靈敏度高，

12、體積小等優(yōu)點;同時生物傳感器也具有使用壽命較短等缺點。3.3濕度傳感器 濕度傳感器就是指能將濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測量處理的電信號的設備或裝置。濕度傳感器不僅種類多，而且性能差異也很大。濕度傳感器根據(jù)所用材料可以分為陶瓷型、電解質(zhì)型、半導體型、高分子型等。由于濕度傳感器工作環(huán)境是非密封性的，因此為保護測量的準確度和穩(wěn)定性，應盡量避免在酸性、堿性、粉塵較大及含有機溶劑的環(huán)境中使用。為正確反映待測空間的濕度，還應避免將傳感器安放在離墻壁太近或空氣不流通的地方，如果被測的房間太大，就應放置多個傳感器。有的濕度傳感器對供電電源要求比較高，應按要求提供合適的、符合精度要求的供電電源，否則將影響測量精度。由于

13、濕度傳感器的濕敏元件都存在一定的分散性，為了保證測量精度，需要按要求調(diào)試標定。當濕度傳感器需要進行遠距離信號傳時，要注意信號的衰減問題，當傳輸距離超過200 m時，建議選用頻率輸出信號的濕度傳感器。3.4紅外傳感器 紅外傳感器是一種能夠探測紅外線，利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性來實現(xiàn)自動檢測的裝置。紅外傳感器包括光學系統(tǒng)、檢測元件、轉(zhuǎn)換電路3個部分。紅外傳感器主要用于溫度測量和與溫度相關的物理量的測量。紅外傳感器按照功能可分為:輻射計(用于輻射和光譜測量)、搜索和跟蹤系統(tǒng)(用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤)、熱成像系統(tǒng)(可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像)、紅外測距和通信系

14、統(tǒng)等。由于紅外傳感器在測量時不與物體直接接觸，所以不存在摩擦，且還具有靈敏度高、響應快、抗外界強光干擾能力強、能夠設置多點采集，對射管陣列的間距和陣列數(shù)量可根據(jù)需求選取等優(yōu)點。3.5固態(tài)圖像傳感器 固態(tài)圖像傳感器是采用固體圖像敏感器件將二維圖像變換為電信號的光電式傳感器。固態(tài)圖像傳感器主要由物鏡、固體圖像敏感器件、驅(qū)動電路以及信息處理電路幾部分組成。固態(tài)圖像傳感器具有體積小、重量輕、速度快、響應時間短、使用壽命長、穩(wěn)定性好、靈敏度高、價格低、非接觸、工作電壓低等優(yōu)點。固態(tài)圖像傳感器主要用于電視攝像、圖像識別、機器人視覺、快速動態(tài)測量以及信息存儲等方面。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，未來固態(tài)圖像傳感器將向

15、多功能化、單芯片化、智能化、多層感色和全色等方向發(fā)展。3.6霍爾傳感器 根據(jù)美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)的霍爾效應制成了各種霍爾元件，用霍爾元件制成的傳感器就是霍爾傳感器?；魻杺鞲衅骶哂畜w積小、結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應寬、對磁場敏感、安裝方便、功耗小、精度高、線性度好、使用壽命長、輸出電壓變化大、抗震動，可在灰塵、油污、水汽及鹽霧環(huán)境中使用等優(yōu)點。另外，霍爾傳感器在使用時，如果需要準確測量交流電功率，則應對其角差指標進行驗證。近年來，霍爾傳感器已廣泛應用于自動化、計算機、汽車等技術(shù)領域。3.7智能式傳感器 智能式傳感器就是帶有集信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的微處理器的傳感器。智能式傳感器

16、由兩部分組成，即傳感器部分和微處理器部分。智能式傳感器具有數(shù)據(jù)處理能力，可以通過軟件修正其非線性，進行溫度補償和數(shù)字濾波，因此精度高;還具有信息處理、邏輯思維和判斷能力，可提高工作的穩(wěn)定性和可靠性;可以實現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復合和同步測量;此外還具有成本低、體積小、使用方便等優(yōu)點，智能式傳感器代表著未來傳感器的發(fā)展方向。3.8超聲波傳感器 超聲波傳感器是應用超聲波的特點和性能而制作出來的傳感器。根據(jù)超聲波的走向來分，超聲波傳感器又分為透射型和反射型2種，透射型就是超聲波發(fā)生器與接收器分別置于被測物體兩側(cè);反射型就是超聲波發(fā)生器與接收器分別置于被測物體同側(cè)。超聲波傳感器具有安裝方便、可靠性高、靈

17、敏度高、與顯示儀表連接方便、發(fā)射夾角較小等優(yōu)點。超聲波傳感器廣泛應用于物位監(jiān)測、機器人防撞、防盜報警和各種超聲波接近開關等方面。4結(jié)束語 傳感器的選用要根據(jù)測試目的和實際條件，合理確定靈敏度、響應特性、精確度、穩(wěn)定性等參數(shù)。另外，傳感器在實際條件下的工作方式，也是選用傳感器時要考慮的重要因素。在實際工作中，多數(shù)傳感器的特性曲線總存在一定的非線性。這主要是由于傳感器變換原理的非線性和轉(zhuǎn)換電路的非線性2個方面造成的。為了保證測試系統(tǒng)的精度，就要對其進行線性化處理，其方法有硬件校正方法和軟件校正方法。硬件校正方法有并聯(lián)電阻法和折線逼近法;軟件校正方法有計算法、查表法和線性插值法。參考文獻:L1葉超明t測量技術(shù)z.北京:北京理_大學出版社， 2007:23-89,114-127.2李成華