检测与传感技术

一、检测与传感技术概述

检测传感技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的综合性和高新技术密集型前沿技术之一，是现代新技术革命和信息社会的重要基础，是自动检测和自动控制技术*重要组成部分。目前，检测传感技术已成为我国国民经济不可缺的支柱产业的一部分。传感器在工业部门的应用普及率己被国际社会作为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。

检测传感技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵"。从八十年代起，逐步在世界范围内掀起了一股“传感器热"。美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为技术之创立。日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代"。技术发达国家对开发传感器技术部十分重视。美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一。美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有６项与传感器信息处理技术直接相关。关于保护美系统质量优势至关重要的关键技术，其中８项为无源传感器。美国空军2000年举出15项有助于提高21世纪空军能力关键技术，传感器技术名列第二。日本对开发和利用传感器技术相当重视并列为国家重点发展６大核心技术之一。日本科学技术厅制定的90年代重点科研项目中有70个重点课题，其中有18项是与传感器技术密切相关。美国早在80年代初就成立了国家技术小组（BTG），帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感器技术开发工作。

美国国防部将传感器技术视为今年20项关键技术之一，日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为６大核心枝术，德国视传感器为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资逐年升级，原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。

正是由于世界各国普遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速，在近十几年来其产量及市场需求年增长率均在10％以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家。

二、各类型传感器简介

1.电阻传感器

① 电阻式传感器介绍

电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转化成电阻值的变化，再经过转换电路变成电量输出。根据传感器组成材料变化或传感器原理变化，产生了各种各样的电阻式传感器，主要包括应变式传感器及压阻式传感器。

电阻传感器可以测量力、压力、位移、应变、加速度和温度等非电量参数。电阻式传感器结构简单，性能稳定，灵敏度较高，有的还可用于动态测量。

② 电阻式传感器图片

2.电感传感器

① 电感式传感器介绍

电感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。

电感式传感器具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。

电感式传感器种类很多，常见的有自感式传感器，互感式传感器和电涡流式传感器三种。

电感传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制, 在工业自动控制系统中被广泛采用。它主要用于测量微位移，凡是能转换成位移量变化的参数，如压力、力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感式传感器来进行测量。其应用范围主要包括：可测量弯曲和偏移；可测量振荡的振幅高度；可控制尺寸的稳定性；可控制定位；可控制对中心率或偏心率。

电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮龄条测速等，该类传感器广泛应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测，链输送带的速度和距离检测，齿轮龄计数转速表及汽车防护系统的控制等。另外该类传感器还可用在给料管系统中小物体检测、物体喷出控制、断线监测、小零件区 分、厚度检测和位置控制等。

3.热电传感器

① 热电式传感器介绍

热电式传感器是一种将温度变化转换为电量的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。按照测温方法的不同，热电式传感器分为接触式和非接触式两大类。

② 热电式传感器应用

热电传感器主要应用于对温度的检测，广泛应用于冶金，锻造，化工，电子，环境监测，温控等领域。

⑤ 产品图片

4.谐振传感器

① 谐振传感器介绍

谐振式传感器是直接将被测量的变化转换为物体谐振特性变化的装置，其工作原理基于谐振技术，利用谐振子的振动频率、相位和幅值作为敏感参数，达到对压力，位移，密度等被测参数的测量。

设其初始谐振频率为f，当振子受力或其中的介质质量等发生变化时，振子的等效刚度或等效振动质量会发生变化，从而使其谐振频率发生变化。

要使振子产生振动，就要外加激振力(激振元件)，要测量振子的振动频率则需要拾振元件。由激振元件激发振子振动，由拾振元件检测振子的振动频率，另外将此信号经放大后输送到激振元件中形成闭环系统，以维持振子持续振动。

② 谐振式传感器的应用

由于谐振式传感器有许多优点，已迅速发展成为一个新的传感器家族，可用于多种参数的测量，例如压力、位移、加速度、扭矩、密度、液位等。谐振式传感器主要用于航空、航天、计量、气象、地质、石油等行业中。

5.压电传感器

① 压电效应与压电传感器

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器,它是利用某些物质的压电效应将被测量转换为电量的一种传感器。

② 压电传感器的应用

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等参量的测量中。

压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、轮船、桥梁、和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式压力传感器既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。它可以用于发动机内部燃烧压力与真空度的测量，以及军事工业中在枪膛中击发瞬间的膛压变化和炮口的冲击压力的测量。此外，压力式传感器还广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压力传感器制成的。

6.磁电传感器

① 磁电式传感器介绍

磁电式传感器利用电磁感应效应，霍尔效应，或磁阻效应等电磁现象，把被测物理量的变化转变为感应电动势的变化，实现速度，位移等参数测量。按电磁转换机理的不同，磁电式传感器可分为磁电感应式传感器，霍尔式传感器，和磁阻效应传感器等，广泛用于建筑，工业等领域中振动，速度，加速度，转速，转角，磁场参数等的测量。

② 各种磁电式传感器的原理与应用

（1）磁电感应式传感器的特点及原理

磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。但这种传感器的尺寸和重量都较大。

工作原理：根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关。按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。

恒定磁通式磁电感应式传感器按运动部件的不同可分为动圈式和动铁式。动圈式磁电传感器的中线圈是运动部件，基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度，如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速；动铁式磁电感应式传感器的运动部件是铁芯，可用于各种振动和加速度的测量。

变磁通式磁电感应传感器中，线圈和磁铁都静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化，常用来测量旋转物体的角速度。如动画所示，线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮1（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90℃的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。

（2）霍尔传感器的特点

霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。

磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应)。磁阻效应与霍尔效应的区别在于感应电动势相对于电流的方向，霍尔电势是垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。

（3）磁阻效应传感器

磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁场等参数的测量。上图是一种测量位移的磁阻效应传感器。将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻R1、R2发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。

7.光电传感器

① 光电传感器介绍

光电传感器（光电开关）是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化，通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。在一般情况下，光电传感器由三部分构成：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。接收器包括光电二极管、光电三极管、光电池等。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等；在其后面是检测电路，它能滤出有效信号并应用该信号。

光电传感器通常可分为对射型和反射型两类。

(1) 对射型光电传感器。

由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器产生响应并输出一个开关控制信号。

(2) 反射型光电开关。

反射型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，利用反射原理完成光电控制作用。一种情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到，一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号；另一种情况下，发光器发出的光并不被专门的反光板反射，但当光路上有检测物通过时，光在检测物表面反射回来并被接收器接收从而产生一个开关信号。

③光电传感器的应用

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,传感器的结构简单,形式灵活多样,体积小。近年来,随着光电技术的发展,光电传感器已成为系列产品,其品种及产量日益增加,在各种轻工自动机上获得广泛的应用。典型案例如下：

（1） 烟尘浊度监测仪

防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。

（2） 光电转速传感器

在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。

（3） 光电池

光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不相同。由于光电池工作时不需要外加电压，光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。

8.光纤传感器

① 光纤传感器的基本原理

光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。光纤传感器的测量原理有两种。

（1）物性型光纤传感器原理

物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。

激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。

（2）结构型光纤传感器原理

构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

① 气敏传感器介绍

气敏传感器可用于对气体的定性或定量检测。气敏材料与气体接触后会发生化学或物理相互作用，导致其某些特性参数的改变，包括质量，电参数，光学参数等。气敏传感器利用这些材料作为气敏元件，把被测气体种类或浓度的变化转化成传感器输出信号的变化，从而实现气体检测目的。

② 气敏传感器的应用

气敏传感器主要用于对各种目标气体的定性或定量检测，在环境气体监测，食品安全监察，工业排放监控，呼气疾病诊断等领域有着广泛的应用。

③ 气敏传感器分类

根据气敏元件的不同，气体传感器可分为半导体气体传感器，红外吸收式气敏传感器，接触燃烧式气敏传感器以及利用电极和电解液对气体进行检测的电化学传感器等。

10.电容传感器

① 电容式传感器概述

电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量的一种传感器。具有结构简单、分辨力高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作等优点。

随着集成电路技术和计算机技术的发展，有利于电容式传感器的扬长避短，是一种很有发展前途的传感器。

⑥ 电容式传感器图片

11.湿度传感器

水分子亲和力型湿度传感器，是利用水分子有较大的偶极矩，因而易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的特性（成为水分子亲和力）制成的湿度传感器，其测量原理在于感湿材料吸湿或脱湿过程改变其自身的性能从而构成不同类型的湿度传感器。

非水分子亲和力型湿度传感器，主要的测量原理有：利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度；利用微波在含水蒸汽的空气中传播，水蒸汽吸收微波使其产生一定的能量损耗，传输损耗的能量与环境空气中的湿度有关以此来测定湿度；利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度。

① 湿度传感器介绍

湿度包括气体的湿度和固体的湿度。气体的湿度是指大气中水蒸气的含量，度量方法有绝对湿度，即每立方米气体在标况下（0℃，1大气压）所含有的水蒸气的重量,即水蒸气密度；相对湿度，即一定体积气体中实际含有的水蒸气分压与相同温度下该气体所能包含的最大水蒸气分压之比；或含湿量，即每㎏干空气中所含水蒸气的质量。其中相对湿度是常用的。固体的湿度是物质中所含水分的百分数，即物质中所含水分的质量与其总质量之比。

利用水分子有较大的偶极矩，因而易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型湿度传感器，其测量原理在于感湿材料吸湿或脱湿过程改变其自身的性能从而构成不同类型的湿度传感器；把与水分子亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型传感器，其主要的测量原理有：利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度；利用微波在含水蒸汽的空气中传播，水蒸汽吸收微波使其产生一定的能量损耗，传输损耗的能量与环境空气中的湿度有关以此来测定湿度；利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度。

② 湿度传感器的应用

任何行业的工作都离不开空气,而空气的湿度又与工作、生活、生产有直接联系,使湿度的监测与控制越来越显得重要。湿度传感器的应用主要有如下几个方面:

(1)气候监测：天气测量和预报对工农业生产、军事及人民生活和科学实验等方面都有重要意义,因而湿度传感器是不可少的测湿设备,如树脂膨散式湿度传感器已用于气象气球测湿仪器上。

(2)温室养殖：现代农林畜牧各产业都有相当数量的温室，温室的湿度控制与温度控制同样重要，把湿度控制在农作物、树木、畜禽等生长适宜的范围,是减少病虫害、提高产量的条件之一。

(3)工业生产：在纺织、电子、精密机器、陶瓷工业等部门,空气湿度直接影响产品的质量和产量,必须有效地进行监测调控。

(4)物品储藏：各种物品对环境均有一定的适应性。湿度过高过低均会使物品丧失原有性能。如在高湿度地区，电子产品在仓库的损害严重，非金属零件会发霉变质，金属零件会腐蚀生锈。

(5)精密仪器的使用保护：许多精密仪器、设备对工作环境要求较高。环境湿度必须控制在一定范围内,以保证它们的正常工作,提高工作效率及可靠性。如电话程控交换机工作湿度在55 % ±10 %较好。温度过高会影响绝缘性能,过低易产生静电,影响正常工作。

③湿度传感器图片

12.生物传感器

① 生物传感器介绍

生物传感器（Biosensor）是利用某些生物活性物质所具有的高度选择性，来识别待测生物化学物质的一类传感器。它的结构一般是在基础传感器(电化学装置)上再耦合一个生物敏感膜（称为感受器或敏感元件）。生物敏感膜紧贴在探头表面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔开。当待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于敏感物质时，形成复合体，随之进行生化和电化学反应，产生普通电化学装置能感知的O₂、H₂、NH₄⁺、CO₂等，并通过电化学装置转换为电信号。

生物传感器是目前受到人们重视传感器之一。生物传感器能对许多过去难于测定的生化物质进行定量分析。已经在实践中开始应用的生物传感器都是固定化酶电极，包括葡萄糖、谷氨酸、乳酸、乙醇等多种。

② 生物传感器的应用