《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用開發(fā)》課件第3章

第3章傳感器及檢測技術(shù)

3.1傳感器3.2檢測技術(shù)基礎(chǔ)

3.3典型傳感器原理簡介3.4智能檢測系統(tǒng)

3.1傳感器3.1.1傳感器概述傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件(如光、熱、濕度)或化學(xué)組成(如煙霧)，并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665—87對傳感器下的定義是：能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。關(guān)于傳感器，我國曾出現(xiàn)過多種名稱，如發(fā)送器、傳送器、變送器等，它們的內(nèi)涵相同或相似，所以近來已逐漸趨向統(tǒng)一，大都使用“傳感器”這一名稱了。從字面上可以作如下解釋：傳感器的功用是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。根據(jù)這個定義，傳感器的作用是將一種能量轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，所以不少學(xué)者也用“換能器(Transducer)”來稱謂“傳感器(Sensor)”。3.1.2傳感器的分類往往同一被測量可以用不同類型的傳感器來測量，而同一原理的傳感器又可測量多種物理量，因此傳感器有許多種分類方法。常見的傳感器分類方法如下：

1．按照傳感器的用途分類傳感器按照其用途可分為力敏傳感器、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、熱敏傳感器和24GHz雷達傳感器等。

2．按照傳感器的原理分類傳感器按照其原理可分為振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器和生物傳感器等。

3．按照傳感器的輸出信號標(biāo)準(zhǔn)分類傳感器按照其輸出信號的標(biāo)準(zhǔn)可分為以下幾種：

(1)模擬傳感器：將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。

(2)數(shù)字傳感器：將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。

(3)膺數(shù)字型傳感器：將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。

(4)開關(guān)傳感器：當(dāng)一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號。

4．按照傳感器的材料分類在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來作為傳感器的敏感元件。從所應(yīng)用的材料觀點出發(fā)可將傳感器分成下列幾類：

(1)按照其所用材料的類別分類：金屬聚合物和陶瓷混合物。

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

(3)按材料的晶體結(jié)構(gòu)分類：單晶和多晶非晶材料。

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

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

(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)來改進傳感器技術(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)中加以具體實施。現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開發(fā)強度。傳感器開發(fā)的基本趨勢是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。

5．按照傳感器的制造工藝分類傳感器按照其制造工藝可分為集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器和陶瓷傳感器等。

(1)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信號的部分電路也集成在同一芯片上。

(2)薄膜傳感器是通過沉積在介質(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，同樣可將部分電路制造在此基板上。

(3)厚膜傳感器是將相應(yīng)材料的漿料涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是由Al2O3制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形。

(4)陶瓷傳感器是采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)的，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行燒結(jié)。厚膜傳感器和陶瓷傳感器這兩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)點和不足。由于研究、開發(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，采用陶瓷傳感器和厚膜傳感器比較合理。

6．按照傳感器的測量目的的不同分類傳感器根據(jù)測量目的的不同可分為物理型傳感器、化學(xué)型傳感器和生物型傳感器。

(1)物理型傳感器是利用被測量物質(zhì)的某些物理性質(zhì)發(fā)生明顯變化的特性制成的。

(2)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。

(3)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，用以檢測與識別生物體內(nèi)化學(xué)成分的傳感器。3.1.3傳感器的性能指標(biāo)

1．傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有的相互關(guān)系。因為這時輸入量和輸出量都與時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。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：指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。其定義為在全量程范圍內(nèi)實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：是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標(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。

(3)遲滯：指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。對于同一大小的輸入信號，傳感器的正、反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。

(4)重復(fù)性：指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。

(5)漂移：指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化的現(xiàn)象。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境(如溫度、濕度等)。

2．傳感器的動態(tài)特性所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因為傳感器對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)容易用實驗方法求得，并且它對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(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)輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。

3．傳感器的線性度通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，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際的特性曲線，即線性度(非線性誤差)，它就是這個近似程度的一個性能指標(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相連的理論直線作為擬合直線；或?qū)⑴c特性曲線上各點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。

4．傳感器的靈敏度靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化Δy對輸入量變化Δx的比值。靈敏度是輸出-輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間呈線性關(guān)系，則靈敏度S是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。當(dāng)傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。

5．傳感器的分辨率分辨率是指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化，當(dāng)輸入變化值未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當(dāng)輸入量的變化超過分辨率時，其輸出才會發(fā)生變化。通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點的分辨率并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨率的指標(biāo)。上述指標(biāo)若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。分辨率與傳感器的穩(wěn)定性有負(fù)相相關(guān)性。3.1.4傳感器的組成國家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665—87)中定義傳感器(Transducer/Sensor)為：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。這一定義包含了以下幾方面的意思：

(1)傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；

(2)它的輸出量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；

(3)它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；

(4)輸出、輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組成框圖如圖3.1所示。

圖3.1傳感器組成框圖敏感元件：是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。轉(zhuǎn)換電路：可把敏感元件的輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換元件的輸出再轉(zhuǎn)換成電量輸出。實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。3.1.5傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用傳感器是物聯(lián)網(wǎng)信息采集基礎(chǔ)。傳感器處于產(chǎn)業(yè)鏈上游，在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展之初受益較大；同時傳感器又處在物聯(lián)網(wǎng)金字塔的塔座，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器行業(yè)也將得到提升，它將是整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中需求量最大的環(huán)節(jié)。目前，我國傳感器產(chǎn)業(yè)相對國外來說，還比較落后，尤其在高端產(chǎn)品的需求上，大部分還依賴于進口，即使這樣，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，需求量還是很大。隨著物聯(lián)網(wǎng)“十二五”規(guī)劃的出臺，物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)、交通運輸、智能家居、精細農(nóng)牧業(yè)、公共安全以及智慧城市等領(lǐng)域的應(yīng)用正在慢慢展開，由此帶來的傳感器需求將更加的龐大?，F(xiàn)在，汽車、物流、煤礦安監(jiān)、安防、RFID標(biāo)簽卡領(lǐng)域的傳感器市場增長較快：在汽車傳感器市場上，由于汽車需求的急劇增加，帶動傳感器的銷量也在快速上升，其潛在規(guī)模達五十七億只，這個數(shù)量將是目前的十四倍以上；物流傳感器市場將是汽車行業(yè)的兩倍左右；此外，安防行業(yè)近年也引起了重視，“十二五”規(guī)劃中我國安防行業(yè)產(chǎn)值年均增長百分之二十，傳感器也將與其同步發(fā)展。

傳感器技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者易轉(zhuǎn)型為整體方案商，成長空間大，競爭力強，是投資的首選目標(biāo)。整體方案市場空間大，是傳感器企業(yè)的長遠目標(biāo)，傳感器核心技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者更易轉(zhuǎn)型；在物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略下，傳感器國產(chǎn)化需求迫切，傳感器行業(yè)的國內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)者受政府扶持；作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展瓶頸，傳感器成為整個產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢環(huán)節(jié)，也代表了企業(yè)的核心競爭力。3.2檢測技術(shù)基礎(chǔ)3.2.1檢測系統(tǒng)概述檢測是人類認(rèn)識物質(zhì)世界、改造物質(zhì)世界的重要手段。檢測技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志著人類的進步和人類社會的繁榮。在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)療、科研等各行業(yè)中，檢測技術(shù)的作用越來越大，檢測設(shè)備就像神經(jīng)和感官，源源不斷地向人們傳輸各種有用的信息。檢測的自動化、智能化歸功于計算機技術(shù)的發(fā)展。微處理器芯片使傳統(tǒng)的檢測技術(shù)采用計算機進行數(shù)據(jù)分析處理成為現(xiàn)實。微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，使檢測儀器在測量過程自動化、測量結(jié)果的智能化處理和儀器功能仿真等方面都有了巨大的進展。從廣義上說，自動檢測系統(tǒng)包括以單片機為核心的智能儀器、以PC為核心的自動測試系統(tǒng)和目前發(fā)展勢頭迅猛的專家系統(tǒng)?，F(xiàn)代檢測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含測量、故障診斷、信息處理和決策輸出等多種內(nèi)容，具有比傳統(tǒng)的“測量”更豐富的范疇和模仿人類專家信息綜合處理能力?，F(xiàn)代檢測系統(tǒng)充分開發(fā)利用了計算機資源，在人工最少參與的條件下盡量以軟件實現(xiàn)系統(tǒng)功能。檢測系統(tǒng)一般具有以下一些特點。

(1)軟件控制測量過程。自動檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)自穩(wěn)零放大、自動極性判斷、自動量程切換、自動報警、過載保護、非線性補償、多功能測試和自動巡回檢測。由于有了計算機，這些過程可采用軟件控制。軟件控制測量過程可以簡化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，縮小體積，降低功耗，提高檢測系統(tǒng)的可靠性和自動化程度。

(2)智能化數(shù)據(jù)處理。智能化數(shù)據(jù)處理是智能檢測系統(tǒng)最突出的特點。計算機可以方便、快捷地實現(xiàn)各種算法。因此，智能檢測系統(tǒng)可用軟件對測量結(jié)果進行及時、在線處理，提高測量精度。

(3)高度的靈活性。智能檢測系統(tǒng)以軟件為工作核心，生產(chǎn)、修改、復(fù)制都較容易，功能和性能指標(biāo)更改方便。而傳統(tǒng)的硬件檢測系統(tǒng)，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，參數(shù)分散性較大，每次更改都牽涉到元器件和儀器結(jié)構(gòu)的改變。

(4)實現(xiàn)多參數(shù)檢測與信息融合。智能檢測系統(tǒng)配備多個測量通道，可以由計算機對多路測量通道進行高速掃描采樣。因此，智能檢測系統(tǒng)可以對多種測量參數(shù)進行檢測。在進行多參數(shù)檢測的基礎(chǔ)上，依據(jù)各路信息的相關(guān)特性，可以實現(xiàn)智能檢測系統(tǒng)的多傳感器信息融合，從而提高檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性和可容錯性。

(5)測量速度快。高速測量是智能檢測系統(tǒng)追求的目標(biāo)之一。所謂檢測速度，是指從測量開始，經(jīng)過信號放大、整流濾波、非線性補償、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出的全過程所需的時間。目前高速A/D轉(zhuǎn)換的采樣速度為200MHz以上，32位PC的時鐘頻率也在500MHz以上。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高速顯示、高速打印、高速繪圖設(shè)備也日趨完善。這些都為智能檢測系統(tǒng)的快速檢測提供了條件。

(6)智能化功能強。以計算機為信息處理核心的智能檢測系統(tǒng)具有較強的智能功能，可以滿足各類用戶的需要。典型的智能功能有：①檢測選擇功能。智能檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)量程轉(zhuǎn)換、信號通道和采樣方式的自動選擇，使系統(tǒng)具有對被測對象的最優(yōu)化跟蹤檢測能力。②故障診斷功能。智能檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能較多，系統(tǒng)本身的故障診斷尤為重要。系統(tǒng)可以根據(jù)檢測通道的特征和計算機本身的自診斷能力，檢查各單元故障，顯示故障部位、故障原因和應(yīng)該采取的故障排除方法。③其他智能功能。智能檢測系統(tǒng)還可以具備人機對話、自校準(zhǔn)、打印、繪圖、通信、專家知識查詢和控制輸出等智能功能。檢測就是借助專用的手段和技術(shù)工具，通過實驗的方法，把被測量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，求出兩者的比值，從而得到被測量數(shù)值大小的過程。傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口，特別是在自動檢測和自動控制系統(tǒng)中獲取的信息，都要通過傳感器轉(zhuǎn)換為容易傳輸、處理的電信號。在工程實踐和科學(xué)實驗中提出的檢測任務(wù)是正確、及時地掌握各種消息，大多數(shù)情況下是要獲取被測對象信息的大小，即被測量的大小。這樣，信息采集的主要含義就是測量并取得測量數(shù)據(jù)。測量結(jié)果可用一定的數(shù)值表示，也可用一條曲線或某種圖形表示。但無論其表現(xiàn)形式如何，測量結(jié)果應(yīng)包括兩部分，即比值和測量單位。確切地講，測量結(jié)果還應(yīng)包括誤差部分。實現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出比值的方法，稱為測量方法。針對不同測量任務(wù)進行具體分析，以找出切實可行的測量方法，對測量工作是十分重要的。

3.2.2檢測技術(shù)的分類

1．按測量過程的特點分類

1)直接測量法在使用儀表或傳感器進行測量時，對儀表讀數(shù)不需要經(jīng)過任何運算就能直接表示測量所需結(jié)果的測量方法稱為直接測量法。例如，用磁電式電流表測量電路的某一支路電流、用彈簧管壓力表測量壓力等，都屬于直接測量法。直接測量法的優(yōu)點是測量過程既簡單又迅速，缺點是測量精度不高。直接測量法又包括以下幾種：

(1)偏差測量法：用儀表指針的位移(即偏差)決定被測量的量值的測量方法。在測量時，插入被測量，按照儀表指針在標(biāo)尺上的示值決定被測量的數(shù)值。這種方法測量過程比較簡單、迅速，但測量結(jié)果精度較低。

(2)零位測量法：用指零儀表的零位指示檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，在測量系統(tǒng)平衡時，用已知的標(biāo)準(zhǔn)量決定被測量的量值的測量方法。在測量時，已知的標(biāo)準(zhǔn)量直接與被測量相比較，已知量應(yīng)連續(xù)可調(diào)，指零儀表指零時，被測量與已知標(biāo)準(zhǔn)量相等。

(3)微差測量法：是綜合了偏差測量法與零位測量法的優(yōu)點而提出的一種測量方法。它將被測量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，取得差值后，再用偏差測量法測得此差值。應(yīng)用這種方法測量時，不需要調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量，而只需測量兩者的差值。微差測量法的優(yōu)點是反應(yīng)快，而且測量精度高，特別適用于在線控制參數(shù)的測量。

2)間接測量法在使用儀表或傳感器進行測量時，首先對與測量有確定函數(shù)關(guān)系的幾個量進行測量，將被測量代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)過計算得到所需要的結(jié)果，這種測量方法稱為間接測量法。間接測量法的測量手續(xù)較多，花費時間較長，一般用于采用直接測量法不方便或者缺乏直接測量手段的場合。

3)組合測量法組合測量法是一種特殊的精密測量方法，被測量必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程組才能得到最后結(jié)果。組合測量法的操作手續(xù)復(fù)雜，花費時間長，多用于科學(xué)實驗或特殊場合。

2．按測量的精度因素分類

(1)等精度測量法：用相同精度的儀表與相同的測量方法對同一被測量進行多次重復(fù)測量。

(2)非等精度測量法：用不同精度的儀表或不同的測量方法，或在環(huán)境條件相差很大時對同一被測量進行多次重復(fù)測量。

3．按測量儀表特點分類

(1)接觸測量法：傳感器直接與被測對象接觸，承受被測參數(shù)的作用，感受其變化，從而獲得其信號，并測量其信號大小的方法。

(2)非接觸測量法：傳感器不與被測對象直接接觸，而是間接承受被測參數(shù)的作用，感受其變化，并測量其信號大小的方法。

4．按測量對象的特點分類

(1)靜態(tài)測量法：指被測對象處于穩(wěn)定情況下的測量方法，此時被測對象不隨時間變化，故又稱之為穩(wěn)態(tài)測量法。

(2)非接觸測量法：傳感器不與被測對象直接接觸，而是間接承受被測參數(shù)的作用，感受其變化，并測量其信號大小的方法。

4．按測量對象的特點分類

(1)靜態(tài)測量法：指被測對象處于穩(wěn)定情況下的測量方法，此時被測對象不隨時間變化，故又稱之為穩(wěn)態(tài)測量法。

(2)動態(tài)測量法：指被測對象處于不穩(wěn)定情況下進行的測量方法，此時被測對象隨時間而變化，因此，這種測量必須在瞬間完成，才能得到動態(tài)參數(shù)的測量結(jié)果。3.2.3檢測系統(tǒng)的組成

1．檢測系統(tǒng)構(gòu)成在工程中，需要由傳感器與多臺儀表組合在一起，才能完成信號的檢測，這樣便形成了一個檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)是傳感器與測量儀表、變換裝置等的有機結(jié)合。圖3.2所示的是檢測系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖。圖3.2檢測系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖

2．開環(huán)檢測系統(tǒng)和閉環(huán)檢測系統(tǒng)

1)開環(huán)檢測系統(tǒng)開環(huán)檢測系統(tǒng)的全部信息變換只沿著一個方向進行，如圖3.3所示。其中x為輸入量，y為輸出量，x1和x2為各個環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)。采用開環(huán)方式構(gòu)成的檢測系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較簡單，但各環(huán)節(jié)特性的變化都會造成測量誤差。圖3.3開環(huán)檢測系統(tǒng)框圖

2)閉環(huán)檢測系統(tǒng)閉環(huán)檢測系統(tǒng)是在開環(huán)檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加了反饋環(huán)節(jié)，使得信息變換與傳遞形成閉環(huán)，能對包含在反饋環(huán)內(nèi)的各環(huán)節(jié)造成的誤差進行補償，使得系統(tǒng)的誤差變得很小。

3．檢測儀表的組成檢測儀表是實現(xiàn)檢測過程的物質(zhì)手段，是測量方法的具體化，它將被測量經(jīng)過一次或多次的信號或能量形式的轉(zhuǎn)換，再由儀表指針、數(shù)字或圖像等顯示出量值，從而實現(xiàn)被測量的檢測。檢測儀表的組成框圖如圖3.4所示。圖3.4檢測儀表的組成框圖

1)傳感器傳感器也稱敏感元件，一次元件，其作用是感受被測量的變化并產(chǎn)生一個與被測量呈某種函數(shù)關(guān)系的輸出信號。傳感器：根據(jù)被測量性質(zhì)分為機械量傳感器、熱工量傳感器、化學(xué)量傳感器及生物量傳感器等；根據(jù)輸出量性質(zhì)分為無源電參量型傳感器(如電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器等)與發(fā)電型傳感器(如熱電偶傳感器、光電傳感器、壓電傳感器等)。

2)變送器變送器的作用是將敏感元件輸出信號變換成既保存原始信號全部信息又更易于處理、傳輸及測量的變量，因此要求變換器能準(zhǔn)確、穩(wěn)定地實現(xiàn)信號的傳輸、放大和轉(zhuǎn)化。

3)顯示(記錄)儀表顯示(記錄)儀表也稱二次儀表，其將測量信息轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的工程量在顯示(記錄)儀表上顯示。3.3典型傳感器原理簡介3.3.1電阻式傳感器電阻式傳感器是把位移、力、壓力、加速度、扭矩等非電物理量轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。電阻式傳感器與相應(yīng)的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、加速度、扭矩等測量儀表是冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和國防等部門進行自動稱重、過程檢測和實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化不可缺少的工具之一。電阻式傳感器種類繁多，應(yīng)用廣泛，如稱重傳感器、壓阻式傳感器、應(yīng)變式傳感器、熱電阻傳感器等。

1．稱重傳感器

稱重傳感器是一種能夠?qū)⒅亓D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕牧?電轉(zhuǎn)換裝置，是電子衡器的一個關(guān)鍵部件。能夠?qū)崿F(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器有多種，常見的有電阻應(yīng)變式稱重傳感器、電磁力式稱重傳感器和電容式稱重傳感器等。電磁力式稱重傳感器主要用于電子天平，電容式稱重傳感器用于部分電子吊秤，而絕大多數(shù)衡器產(chǎn)品所用的還是電阻應(yīng)變式稱重傳感器。電阻應(yīng)變式稱重傳感器結(jié)構(gòu)較簡單，準(zhǔn)確度高，適用面廣，而且能夠在相對比較差的環(huán)境下使用，因此電阻應(yīng)變式稱重傳感器在衡器中得到了廣泛運用。

2．壓阻式傳感器壓阻式傳感器是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當(dāng)基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時，各電阻值發(fā)生變化，電橋就會產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。用做壓阻式傳感器的基片(或稱膜片)材料主要為硅片和鍺片。硅片為敏感材料，由其制成的硅壓阻式傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應(yīng)用最為普遍。

3．應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。應(yīng)變式傳感器可測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。應(yīng)變式傳感器的特點如下：

(1)精度高，測量范圍廣；

(2)價格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用；

(3)頻率響應(yīng)較好，既可用于靜態(tài)測量又可用于動態(tài)測量；

(4)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；

(5)使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠。金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或直接將應(yīng)變片粘貼于被測試件上。彈性體或試件的變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即可測量應(yīng)變。若通過彈性體或試件把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，則可測量上述各量，而做成各種應(yīng)變式傳感器。

4．熱電阻傳感器熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)的。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。熱電阻傳感器用于測量-200℃～+500℃范圍內(nèi)的溫度。熱電阻傳感器分類如下：

(1)?NTC熱電阻傳感器：該類傳感器為負(fù)溫度系數(shù)傳感器，即傳感器阻值隨溫度的升高而減小。

(2)?PTC熱電阻傳感器：該類傳感器為正溫度系數(shù)傳感器，即傳感器阻值隨溫度的升高而增大。

3.3.2壓電式傳感器壓電式傳感器是一種自發(fā)電式和機電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后，表面產(chǎn)生電荷，此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大與變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、加速度等(見壓電式壓力傳感器、加速度計)。它的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等；缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。配套儀表和低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電式傳感器的使用更為方便。壓電式傳感器廣泛應(yīng)用于工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。

1．壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)是壓電式傳感器的主要工作原理。壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電式傳感器只能測量動態(tài)的應(yīng)力。壓電效應(yīng)示意圖如圖3.5所示。壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。逆壓電效應(yīng)是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形、長度變形、體積變形、厚度切變形、平面切變形五種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這五種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。圖3.5壓電效應(yīng)示意圖

2．壓電材料

壓電材料可分為壓電單晶、壓電多晶和有機壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。其他壓電單晶還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。壓電陶瓷有屬于二元系的鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛系列陶瓷、鈮酸鹽系列陶瓷和屬于三元系的鈮鎂酸鉛陶瓷。壓電陶瓷的優(yōu)點是燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫；缺點是具有熱釋電性，會對力學(xué)量測量造成干擾。有機壓電材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龍等十余種高分子材料。有機壓電材料可大量生產(chǎn)和制成較大的面積，它與空氣的聲阻匹配具有獨特的優(yōu)越性，是很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娐暡牧稀?0世紀(jì)60年代以來發(fā)現(xiàn)了同時具有半導(dǎo)體特性和壓電特性的晶體，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等。利用這種材料可以制成集敏感元件和電子線路于一體的新型壓電傳感器，很有發(fā)展前途。

壓電敏感元件是力敏元件，在外力作用下，壓電敏感元件(壓電材料)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。壓電式傳感器特別適合于動態(tài)測量，絕大多數(shù)加速度(振動)傳感器屬壓電式傳感器。壓電式傳感器的主要缺點是壓電轉(zhuǎn)換元件無靜態(tài)輸出，輸出阻抗高，需高輸入阻抗的前置放大級作為阻抗匹配，而且很多壓電元件的工作溫度最高只有250°C左右。3.3.3生物傳感器生物傳感器是對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測的儀器。它是由固定化的生物敏感材料作識別元件(包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì))與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能結(jié)構(gòu)器(如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等)及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接收器與轉(zhuǎn)換器的功能。

1．簡介

1967年S.J.烏普迪克等制出了第一個生物傳感器—葡萄糖傳感器。他們將葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺膠體中加以固化，再將此膠體膜固定在隔膜氧電極的尖端上，便制成了葡萄糖傳感器。當(dāng)改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得檢測其對應(yīng)物的其他傳感器。固定感受膜的方法有直接化學(xué)結(jié)合法、高分子載體法和高分子膜結(jié)合法。第二代生物傳感器是微生物、免疫、酶免疫和細胞器傳感器，第三代生物傳感器是將系統(tǒng)生物技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合起來的場效應(yīng)生物傳感器。20世紀(jì)90年代開啟了微流控技術(shù)，生物傳感器的微流控芯片集成為藥物篩選與基因診斷等提供了新的技術(shù)前景。由于酶膜、線粒體電子傳遞系統(tǒng)粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗體膜對生物物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)具有選擇性識別功能，只對特定反應(yīng)起催化活化作用，因此生物傳感器具有非常高的選擇性。其缺點是生物固化膜不穩(wěn)定。生物傳感器涉及的是生物物質(zhì)，主要用于臨床診斷檢查、治療時實施監(jiān)控以及在發(fā)酵工業(yè)、食品工業(yè)、環(huán)境和機器人等方面的應(yīng)用。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)換能器有機結(jié)合的一門交叉學(xué)科，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。在21世紀(jì)知識經(jīng)濟發(fā)展中，生物傳感器技術(shù)是介于信息和生物技術(shù)之間的新增長點，在國民經(jīng)濟中的臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析(包括生物藥物研究開發(fā))、環(huán)境保護以及生物技術(shù)、生物芯片等研究中有著廣泛的應(yīng)用前景。

2．定義與分類用固定化生物成分或生物體作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器(biosensor)。生物傳感器并不專指用于生物技術(shù)領(lǐng)域的傳感器，它的應(yīng)用領(lǐng)域還包括環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生和食品檢驗等。

生物傳感器主要有下面三種分類命名方式：

(1)根據(jù)生物傳感器中分子識別元件(即敏感元件)可分為五類：酶傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器、組織傳感器和免疫傳感器，其所應(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個體、細胞器、動植物組織、抗原和抗體。

(2)根據(jù)生物傳感器的換能器(即信號轉(zhuǎn)換器)可分為生物電極傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、光生物傳感器、熱生物傳感器和壓電晶體生物傳感器等，其所應(yīng)用的換能器依次為電化學(xué)電極、半導(dǎo)體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。

(3)以被測目標(biāo)與分子識別元件的相互作用方式可分為生物親合型生物傳感器。實際中，這三種分類方法之間互相交叉使用。

3．結(jié)構(gòu)和原理生物傳感器由分子識別部分(敏感元件)和轉(zhuǎn)換部分(換能器)構(gòu)成，以分子識別部分去識別被測目標(biāo)，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件。分子識別部分是生物傳感器選擇性測定的基礎(chǔ)。生物體中能夠選擇性地分辨特定物質(zhì)的物質(zhì)有酶、抗體、組織、細胞等。這些分子識別功能物質(zhì)通過識別過程可與被測目標(biāo)結(jié)合成復(fù)合物，如抗體和抗原的結(jié)合，酶與基質(zhì)的結(jié)合。在設(shè)計生物傳感器時，選擇適合于測定對象的識別功能物質(zhì)，是極為重要的前提。要考慮到所產(chǎn)生的復(fù)合物的特性。根據(jù)分子識別功能物質(zhì)制備的敏感元件所引起的化學(xué)變化或物理變化，去選擇換能器，是研制高質(zhì)量生物傳感器的另一重要環(huán)節(jié)。菌素傳感器是典型的生物傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。敏感元件中光、熱、化學(xué)物質(zhì)的生成或消耗等會產(chǎn)生相應(yīng)的變化量。根據(jù)這些變化量，可以選擇適當(dāng)?shù)膿Q能器。

圖3.6菌素傳感器的結(jié)構(gòu)

4．生物傳感器的四大應(yīng)用領(lǐng)域生物傳感器正進入全面深入研究開發(fā)時期，各種微型化、集成化、智能化、實用化的生物傳感器與系統(tǒng)越來越多。

1)食品工業(yè)生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測定分析。在食品工業(yè)中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和儲藏壽命的一個重要指標(biāo)。已開發(fā)的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖含量等。亞硫酸鹽通常用做食品工業(yè)的漂白劑和防腐劑，采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型二氧化硫酶電極可用于測定食品中的亞硫酸含量。此外，也有用生物傳感器測定色素和乳化劑的報道。

2)環(huán)境監(jiān)測近年來，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們迫切希望擁有一種能對污染物進行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測的儀器，生物傳感器滿足了人們的要求。目前，已有相當(dāng)部分的生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中。二氧化硫(SO2)是酸雨、酸霧形成的主要原因，傳統(tǒng)的檢測方法很復(fù)雜。Marty等人將亞細胞類脂類固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，對酸雨、酸霧樣品溶液進行檢測。

3)發(fā)酵工業(yè)在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、可能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾等特點。因此，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝產(chǎn)物，還可用于微生物細胞數(shù)目的測定。利用這種電化學(xué)微生物細胞數(shù)傳感器可實現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線的測定。

4)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物傳感器發(fā)揮著越來越大的作用。生物傳感技術(shù)不僅為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究及臨床診斷提供了一種快速、簡便的新型方法，而且因為其專一、靈敏、響應(yīng)快等特點，在軍事醫(yī)學(xué)方面，也具有廣闊的應(yīng)用前景。在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器。利用其具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器。在軍事醫(yī)學(xué)中，對生物毒素的及時、快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細菌、病毒及其毒素。

5．未來生物傳感器的幾大特點

近年來，隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展的推動，生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展?？梢灶A(yù)見，未來的生物傳感器將具有以下特點：

(1)功能多樣化：未來的生物傳感器將進一步涉及醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)的各個領(lǐng)域。目前，生物傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器，即仿生傳感器。

(2)微型化：隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進步，生物傳感器將不斷地微型化，各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們在家中進行疾病診斷，在市場上直接檢測食品成為可能。

(3)智能化與集成化：未來的生物傳感器必定與計算機緊密結(jié)合，自動采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，更科學(xué)、更準(zhǔn)確地提供結(jié)果，實現(xiàn)采樣、進樣、結(jié)果一條龍，形成檢測的自動化系統(tǒng)。同時，芯片技術(shù)將越來越多地進入傳感器領(lǐng)域，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的集成化、一體化。

(4)低成本、高靈敏度、高穩(wěn)定性和高壽命：生物傳感器技術(shù)的不斷進步，必然要求不斷降低產(chǎn)品成本，提高靈敏度、穩(wěn)定性和延長壽命。這些特性的改善也會加速生物傳感器市場化、商品化的進程。3.3.4磁電式傳感器

1．基本原理和結(jié)構(gòu)

磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運動速度變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械能轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。磁電式傳感器有時也稱做電動式或感應(yīng)式傳感器，它只適合進行動態(tài)測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為10Hz～1000Hz。磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力(矩)發(fā)生器和電磁激振器等。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)W匝線圈在均恒磁場內(nèi)運動時，設(shè)穿過線圈的磁通為Φ，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率dΦ/dt有如下關(guān)系：

根據(jù)這一原理，可以設(shè)計成變磁通式和恒磁通式兩種結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)成測量線速度或角速度的磁電式傳感器。圖3.7(a)、(b)所示分別為用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動速度測量的變磁通式結(jié)構(gòu)。其中永久磁鐵1(俗稱“磁鋼”)與線圈3均固定，動鐵芯2(銜鐵)的運動使氣隙4和磁路磁阻發(fā)生變化，從而引起磁通變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu)。圖3.7變磁通式結(jié)構(gòu)(a)旋轉(zhuǎn)型(變磁)；(b)平移型(變氣隙)在恒磁通式結(jié)構(gòu)中，工作氣隙中的磁通恒定，感應(yīng)電勢是由于永久磁鐵與線圈之間有相對運動—線圈切割磁力線而產(chǎn)生的。這類結(jié)構(gòu)有兩種，如圖3.8所示。圖中的磁路系統(tǒng)由圓柱形永久磁鐵和極掌、圓筒形磁軛及空氣隙組成。氣隙中的磁場均勻分布，測量線圈繞在筒形骨架上，經(jīng)膜片彈簧懸掛于氣隙磁場中。圖3.8恒磁通式結(jié)構(gòu)(a)動圈式；(b)動鐵式當(dāng)線圈與磁鐵間有相對運動時，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為e?=?Blv式中：B—氣隙磁通密度(T)；

l—氣隙磁場中有效匝數(shù)為W的線圈總長度(m)，

l?=?laW(la為每匝線圈的平均長度)；

v—線圈與磁鐵沿軸線方向的相對運動速度(m/s)。當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，B、la、W都為常數(shù)，感應(yīng)電勢e僅與相對速度v有關(guān)。傳感器的靈敏度為S?=?e/v=?Bl。為提高靈敏度，應(yīng)選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通密度B；增加la和W也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內(nèi)電阻及工作頻率等因素的限制。為了保證傳感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場內(nèi)運動。設(shè)計者的任務(wù)是選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器的基本性能要求。

2．磁電式傳感器的應(yīng)用

1)測振傳感器磁電式傳感器主要用于振動測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn)，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(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。常用的測振傳感器有動鐵式振動傳感器、圈式振動速度傳感器等。測振傳感器可用于航空發(fā)動機、各種大型電機、空氣壓縮機、機床、車輛、軌枕振動臺、化工設(shè)備、各種水氣管道、橋梁、高層建筑等，其振動監(jiān)測與研究都可使用磁電式傳感器。

2)磁電式力發(fā)生器與激振器前已指出磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，其逆向功能同樣可以利用。如果給速度傳感器的線圈輸入電量，那么其輸出量即為機械量。在慣性儀器—陀螺儀與加速度計中廣泛應(yīng)用的動圈式或動鐵式直流力矩器就是上述速度傳感器的逆向應(yīng)用。它在機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)實驗中是非常重要的設(shè)備，用以獲取機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)參數(shù)，如共振頻率、剛度、阻尼、振動部件的振型等。除上述應(yīng)用外，磁電式傳感器還常用于扭矩、轉(zhuǎn)速等測量。3.3.5光纖傳感器傳感器家族的新成員—光纖傳感器備受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能，絕緣、無感應(yīng)的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達不到的地方(如高溫區(qū))或者對人有害的地區(qū)(如核輻射區(qū))，起到人的“耳目”的作用，而且還能超越人的生理極限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

1．光纖傳感器的工作原理光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)(如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等)發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。

2．光纖傳感器的特點光纖傳感器具有如下特點：

(1)靈敏度較高；

(2)幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；

(3)可以制造傳感各種不同物理信息(聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等)的器件；

(4)可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕或其他的惡劣環(huán)境；

(5)具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。

3．光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用于絕緣子污穢、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。

4．光纖傳感器的分類

光纖傳感器可以分為兩大類：功能型(傳感型)光纖傳感器和非功能型(傳光型)光纖傳感器。

1)功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹姸取⑾辔?、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對被調(diào)制過的信號進行解調(diào)，從而得出被測信號。

光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制，多采用多模光纖。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

2)非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器是利用其他敏感元件感受被測量的變化,光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)；比較容易實現(xiàn)，成本低。缺點：靈敏度較低。實用化的大都是非功能型光纖傳感器。

光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。無論是在狹小的空間里，還是在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身的傳感器(功能型光纖傳感器)和利用光纖的傳感器(非功能型光纖傳感器)。所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測量。外界的被測量的物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹⑾辔?、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉(比較)，使輸出的光的相位(或振幅)發(fā)生變化，根據(jù)這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測出10-4rad的微小相位變化所對應(yīng)的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長度，獲得更高的靈敏度。光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力會發(fā)生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高、體積小、成本低，可以用于飛機、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。光纖布拉格光柵傳感器(FBS)是一種使用頻率最高、范圍最廣的光纖傳感器，這種傳感器能根據(jù)環(huán)境溫度以及應(yīng)變的變化來改變其反射的光波的波長。光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個光強周期分布的光波下面，這樣光纖的光折射率就會根據(jù)其被照射的光波強度而永久改變。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。

當(dāng)一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會反射一種特定波長的光波，這個波長稱為布拉格波長。這種特性可使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長的光波，而其他波長的光波都會被傳播。光纖傳感器的另外一個大類是利用光纖的傳感器。其結(jié)構(gòu)大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅或相位的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結(jié)合。光纖的導(dǎo)入使得實現(xiàn)探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡便，但是精度比第一類傳感器稍低。光纖傳感器憑借著其自身的優(yōu)勢已經(jīng)成為傳感器家族中的后起之秀，并且在各種不同的測量中發(fā)揮著自己獨到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。

3.4智能檢測系統(tǒng)3.4.1智能檢測系統(tǒng)的組成智能檢測系統(tǒng)和所有的計算機系統(tǒng)一樣，由硬件和軟件兩個部分組成。智能檢測系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。圖中不同種類的被測信號由各種傳感器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，這是任何檢測系統(tǒng)都必不可少的環(huán)節(jié)。傳感器輸出的電信號經(jīng)調(diào)節(jié)放大(包括交直流放大、整流濾波和線性化處理)后，變成0V～5V直流電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送單片機進行初步數(shù)據(jù)處理。單片機通過通信電路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和測量結(jié)果的存儲、顯示、打印、繪圖以及與其他計算機系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)通信。圖3.9智能檢測系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu)智能檢測系統(tǒng)的分機多以單片機為數(shù)據(jù)處理核心(特大型智能檢測系統(tǒng)以工控機或PC主分機為數(shù)據(jù)處理核心)，典型的智能檢測系統(tǒng)包含一個主機和多個分機。

1．分機之間的連接分機由傳感器、信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、單片機等部分組成。將它們連接成智能檢測系統(tǒng)的基本單元，是決定系統(tǒng)檢測性能的重要環(huán)節(jié)。

2．通信標(biāo)準(zhǔn)接口與總線系統(tǒng)各接口之間的連接方式是組建智能檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前，全世界廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)有IEC-625系統(tǒng)、CAMAC系統(tǒng)、I2C系統(tǒng)、CAN總線系統(tǒng)等?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)接口的儀器可單獨使用，也可作為智能檢測系統(tǒng)的分機使用。利用標(biāo)準(zhǔn)接口的分機，可以大大簡化智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，使智能檢測系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上通用化、積木化，增強可擴展性和可縮性，方便用戶更改系統(tǒng)的功能和要求。標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)應(yīng)包括的內(nèi)容有：接口的連接線及其傳送信號的各種規(guī)定；接口電路的工作原理與實現(xiàn)方法；機械結(jié)構(gòu)方面的規(guī)定；數(shù)據(jù)格式和編碼方式；控制器的組成及其命令系統(tǒng)。3.4.2智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件電路設(shè)計、接口選型設(shè)計和軟件設(shè)計。對于系統(tǒng)設(shè)計人員，硬件電路設(shè)計的涉及面廣，設(shè)計調(diào)試周期長，疑難問題較多。一般情況下，在設(shè)計智能檢測系統(tǒng)時，應(yīng)堅持以下幾項設(shè)計原則。

1．硬件設(shè)計原則智能檢測系統(tǒng)的硬件包括主要硬件、分機硬件(包括傳感器)和通信系統(tǒng)三大部分。硬件組成決定一個系統(tǒng)的主要技術(shù)與經(jīng)濟指標(biāo)。智能檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循下列原則：

(1)簡化電路設(shè)計。

(2)低功耗設(shè)計。

(3)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

(4)可擴展件設(shè)計。

(5)采用通化接口。

2．軟件設(shè)計原則智能檢測系統(tǒng)的軟件包括應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件。應(yīng)用軟件與被測對象直接有關(guān)，貫穿整個檢測過程，由智能檢測系統(tǒng)研究人員根據(jù)系統(tǒng)的功能和技術(shù)要求編寫，它包括檢測程序、控制程序、數(shù)據(jù)處理程序、系統(tǒng)界面生成程序等。智能檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計應(yīng)遵循下列設(shè)計原則：

(1)優(yōu)化界面設(shè)計，方便用戶使用。

(2)使用編制、修改、調(diào)試、運行和方便的應(yīng)用軟件。軟件是實現(xiàn)、完善和提高智能檢測系統(tǒng)功能的重要手段。軟件設(shè)計人員應(yīng)充分考慮應(yīng)用軟件在編程、修改、調(diào)試、運行和升級方面時的方便，為智能檢測系統(tǒng)的后續(xù)升級、換代設(shè)計做好準(zhǔn)備。