傳感器技術

傳感器技術

電子工程學術語
傳感器:能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信号的器件或裝置。[1]我國國家标準(GB7665-2005)對傳感器的定義是:“能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信号的器件或裝置”。傳感器作為信息獲取的重要手段,與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。作用:利用物理效應、化學效應、生物效應,把被測的物理量、化學量、生物量等轉換成符合需要的電量。
    中文名: 外文名: 所屬學科: 中文名稱:傳感器技術 用途:傳感器作為信息獲取的重要手段 簡介:指能感受規定的被測量 應用領域:實現測試與自動控制

戰略目标

到2020年,傳感器及儀表元件領域應争取實現三大戰略目标:以工業控制、汽車、通訊、環保為重點服務領域,以傳感器、彈性元件、光學元件、專用電路為重點對象,發展具有自主知識産權的原創性技術和産品;

以MEMS工藝為基礎,以集成化、智能化和網絡化技術為依托,加強制造工藝和新型傳感器和儀表元器件的開發,使主導産品達到和接近國外同類産品的先進水平;

以增加品種、提高質量和經濟效益為主要目标,加速産業化,使國産傳感器和儀表元器件的品種占有率達到70%“80%,高檔産品達60%以上。

基本内容

傳感器是指能感受規定的被測量,并按照一定的規律轉換成可用輸出信号的器件或裝置。

我國國家标準(GB7665-2005)對傳感器的定義是:“能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信号的器件或裝置”。

傳感器作為信息獲取的重要手段,與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。

作用:利用物理效應.化學效應.生物效應,把被測的物理量.化學量.生物量等非電量轉換成電量。

應用領域

傳感器技術是實現測試與自動控制的重要環節。在測試系統中,被作為一次儀表定位,其主要特征是能準确傳遞和檢測出某一形态的信息,并将其轉換成另一形态的信息。

具體地說傳感器是指那些對被測對象的某一确定的信息具有感受(或響應)與檢出功能,并使之按照一定規律轉換成與之對應的可輸出信号的元器件或裝置。如果沒有傳感器對被測的原始信息進行準确可靠的捕獲和轉換,一切準确的測試與控制都将無法實現,即使最現代化的電子計算機,沒有準确的信息(或轉換可靠的數據),不失真的輸入,也将無法充分發揮其應有的作用。

傳感器種類及品種繁多,原理也各式各樣。其中電阻應變式傳感器是被廣泛用于電子秤和各種新型機構的測力裝置,其精度和範圍度是根據需要來選定的過高的精度要求對某種使用也無太大意義,過寬的範圍度也會使測量精度降低,而且會造成成本過高及增加工藝上的困難,因此,應根據測量對象的要求,恰當地選擇精度和範圍度是至關重要的。但無論何種條件、場合使用的傳感器,均要求其性能穩定,數據可靠,經久耐用。為此,在研究高精度傳感器的同時,必須重視可靠性和穩定性的研究。目前,包括床暗器的研究、設計、試制、生産、檢測與應用等諸項内容在内的傳感器技術,已逐漸形成了一門相對獨立的專門學科。

一般情況下,由于傳感器設置的場所并非理想,在溫度、濕度、壓力等效應的綜合影響下,可引起傳感器零點漂移和靈敏度的變化,已成為使用中的嚴重問題。雖然人們在制作傳感器過程中,采取了溫度補償及密封防潮的措施,但它與應變片、粘帖膠本身的高興能化、粘帖技術的精确和熟練、彈性體材料的選擇及冷、熱加工工藝的制定均有密切的關系,哪一方面都不能忽視,都需精心設計和制作。同時,還須注意傳感器的安裝方法,支撐結構的設置,如何克服橫向力等問題。

作為一次儀表的傳感器通常由敏感元件與轉換元件組成。轉換元件就是精密的電橋。因此,測力秤重用電阻應變式傳感器主要由彈性體、應變片、粘帖膠及各種補償電阻構成。他的穩定性也必然是由這些元件的内、外因的綜合作用所決定。本文就此問題進行探讨,談些粗淺看法,與同行商榷。

首先是彈性元件。彈性元件一般是由優質合金鋼材及有色金屬鋁、铍青銅等加工成型,影響彈性體穩定性,主要是它經各種處理後的金相組織及殘馀應力。考慮到應力釋放時的相互平衡關系及彈性體結構形式的約束,要想讓殘馀應力釋放,就要進行時效處理,這在實際中若采用自然時效法,則釋放緩慢、周期長,常常是不可取的,需要人為縮短時間,一般要消除彈性體表面殘馀應力的方法是:做真空回火處理和疲勞式脈動處理及共振。這樣可大幅度地降低殘馀應力,在短時間内完成通常的長時間的自然時效,使組織性能更為穩定。

其次,是應變片和粘接膠。影響應變片穩定性的是箔材本身,制造應變片的電阻合金種類很多,其中以康銅合金使用最廣,它有較好的穩定性,高的疲勞壽命及小的電阻溫度系數,是理想的絲栅制造材料。此外,制造應變片過程中應消除不良影響而造成的不穩定性。如:絲栅與基底膠的粘接強度,應變片與彈性體間的粘帖強度,基底膠内應力的釋放等等,都是不穩定因素。另外,應變片的粘帖,也是非常關鍵的要素之一,這一工作的好壞,直接影響膠的粘接質量,乃至測量精度,如果帖片不嚴格,技術不熟練,即使使用最好的應變片也無濟于事。

應用于空調制冷劑液位的精确控制

用過空調的人肯定都知道滿液式冷水機,滿液式冷水機組主要由螺杆式制冷壓縮機、殼管式冷凝器、滿液式蒸發器等組成。對于滿液式冷水機組,要實現液體冷媒完全将熱傳表面潤濕同時又不會産生回液,就要對蒸發器内制冷劑液位進行精确控制,目前對蒸發器液位控制的解決方案大緻可以分為兩種:間接控制和直接控制。不管是哪種都需要用到傳感器。

間接控制是指将除冷媒液位以外的其它系統參數作為調節對象,以間接實現對蒸發器液位的控制。間接控制可以是對蒸發器出口過熱度進行控制,即通過溫度傳感器和控制模塊中的控制邏輯,将過熱度控制在大約1.5至2.0℃,從而實現對液位的控制。此外,蒸發器液位也可以通過系統排氣過熱度、壓縮機油位等反饋參數進行間接控制。

直接控制是直接以蒸發器内制冷劑液位作為被調參數,通過液位傳感器采集到的液位信号與給定值進行比較,對目标值進行調節,調節信号輸入到節流閥驅動裝置,調節目标為節流閥的開度值,從而實現對供液量的精确調節,進而達到精确控制蒸發器内冷媒液位的目的。

随着溫度傳感器的發展,現在大多都是采用間接控制的方法進行測量,這樣是非常方便的。類似的傳感器不僅在空調上有應用,在洗衣機等其它類似家電上也有應用的。

應用于數字醫療捕捉電壓信号

微型傳感器掀開數字藥片面紗,“數字藥片”就是在高科技盛行的時代下誕生的,這是一種内置可消化微芯片的藥物,僅長寬僅1毫米,高也不過0.45毫米,體積跟一粒沙子相仿,被植入到正常藥片中。其實質是一個微型傳感器,由迷你矽片組成,内含極少量鎂和銅,當其被吞食的時候,可直接利用人體胃液發電被服用後會和消化液反應産生輕微電壓,将信号傳送到皮膚表面。這就需要一個感應裝置來捕捉和顯示數字藥片的信号,這以裝置被稱為接收片,它通常被貼在服用藥片的患者貼近胃部的位置,這個裝置接受輕微電壓産生的信号并将其轉化成為數據,傳輸到醫生手機上,這樣醫生就知道病人有無按規定服藥。而這個小裝置不僅可以接受信息,還能夠記錄病人的心率、溫度等――這些信息也能通過手機應用查看。

發展曆程

傳感技術大體可分3代,第1代是結構型傳感器.它利用結構參量變化來感受和轉化信号。例如:電阻應變式傳感器,它是利用金屬材料發生彈性形變時電阻的變化來轉化電信号的。

第2代傳感器是70年代開始發展起來的固體傳感器,這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成,是利用材料某些特性制成的.如:利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應,分别制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。

70年代後期,随着集成技術、分子合成技術、微電子技術及計算機技術的發展,出現集成傳感器.集成傳感器包括2種類型:傳感器本身的集成化和傳感器與後續電路的集成化.例如:電荷藕合器件(CCD),集成溫度傳感器AD590集成霍爾傳感器UGN3501等.這類傳感器主要具有成本低、可靠性高性能好、接口靈活等特點集成傳感器發展非常迅速,現已占傳感器市場的2/3左右,它正向着低價格、多功能和系列化方向發展。

第3代傳感器是80年代剛剛發展起來的智能傳感器.所謂智能傳感器是指其對外界信息具有一定檢測、自診斷、數據處理以及自适應能力,是微型計算機技術與檢測技術相結合的産物。80年代智能化測量主要以微處理器為核心,把傳感器信号調節電路微計算機、存貯器及接口集成到一塊芯片上,使傳感器具有一定的人工智能.90年代智能化測量技術有了進一步的提高,在傳感器一級水平實現智能化,使其具有自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯網通信功能等。

發展趨勢與應用前景

對比傳感器技術的發展曆史與研究現狀可以看出,随着科學技術的迅猛發展以及相關條件的日趨成熟,傳感器技術逐漸受到了更多人士的高度重視當今傳感器技術的研究與發展,特别是基于光電通信和生物學原理的新型傳感器技術的發展,已成為推動國家乃至世界信息化産業進步的重要标志與動力。

由于傳感器具有頻率響應、階躍響應等動态特性以及諸如漂移、重複性、精确度、靈敏度、分辨率、線性度等靜态特性,所以外界因素的改變與動蕩必然會造成傳感器自身特性的小穩定,從而給其實際應用造成較大影響這就要求我們針對傳感器的工作原理和結構,在小同場合對傳感器規定相應的基本要求,以最大程度優化其性能參數與指标,如高靈敏度、抗幹擾的穩定性、線性、容易調節、高精度、無遲滞性、工作壽命長、可重複性、抗老化、高響應速率、抗環境影響、互換性、低成本寬測量範圍小尺寸重量輕和高強度等。

同時,根據對國内外傳感器技術的研究現狀分析以及對傳感器各性能參數的理想化要求,現代傳感器技術的發展趨勢可以從四個力而分析與概括:一是開發新材料、新工藝和開發新型傳感器;一是實現傳感器的多功能、高精度、集成化和智能化;三是實現傳感技術硬件系統與元器件的微小型化;四是通過傳感器與其它學科的交叉整合,實現無線網絡化。

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