浅谈传感器的现状及存在问题.pdf

墨堪芷遮让巡 生箍垒翅 晋城矿务局西区建设中心王岳林李建军 摘要在一个控制系统中，参数的选取离不开传感器，而传感器选择的合适与否直接决 定了控制系统的质量。在此，作者就关于传感器的现状和存在的问题作一简介。 关键词传感器控制参数 1 温度传感器 温度传感器是应用最广，用量最多的一种传 感器。其主要形式有 1 温度开关传感器，它是利用磁铁的温度特 性做成的，近几年出售的产品是由磁铁与叠簧接 点元件相组合，构成通用温度开关，其可靠性比原 来有较大提高。它可用于过热保护开关，在异常 过热时切断电路。另一种温度开关传感器，它是 利用液体和气体热膨胀原理做成。具体结构是 在细小的金属管中封人膨胀系数大的物质，在它 的一端装上伸缩软管。当金属管的温度发生变 化，则软管相应移动，使开关能够接通与断开，它 的主要缺点是体积比较大。 2 热敏电阻，其特点是根据设备要求不同， 其形状和检测范围也不同，典型阻抗为 2 5 ℃ 5 0 Q 至1 M Q ；线性化网络时灵敏度为0 ．7 ％／℃；灵 敏度在普通温度传感器中为最高，近年来的发展 情况是检测温度从低温到高温的各种热敏电阻材 料已研制出来，更有利于它的最佳使用。今后热 敏电阻的响应速度以及大型高温用恒温发热适用 化方面的问题仍待继续研究。 3 热电偶早就作为高精度的温度测定传感 器用于计量仪器。在家电领域，热电偶也用来检 查煤气设备是否点火。由于这种传感器可利用在 失火、断线、短路及发生异常情况时。自动使开关 闭合，从而构成安全系统。 4 近年来，已出现集成温度传感器，如 A D 5 9 0 电流型集成温度传感器，特别适用于远距 离温度测量。 2 压力传感器 传统的压力器以机械结构型的器件为主。它 利用弹性元件的形变或液柱高度差来指示压力， 其缺点是尺寸大，体积重并且不能提供电量输出。 随着半导体技术的发展，有了半导体压力传感器， 它是利用晶体中的应力变化引起晶体管的电流增 益或反向漏电流的相应变化而制成的压力传感 器，这种传感也称压结型压力传感器；由于封装工 艺上有着缺陷，而且易因压力过大产生不可逆变 化而失效，逐渐被更为稳定的压阻型器件代替，压 阻型器件主要利用半导体的电阻率随应力变化的 性质制成的，它目前的应用最为广泛。它主要由 电源稳压电路、带温度补偿的压敏电阻、电桥和运 算放大器构成。其精度一般在1 ％F ．S 左右，温漂 在0 ．0 3 ％F ．S ／℃下。但压阻型器件也有一些缺 点，如本征灵敏度低和封装困难，因此，人们近几 年来又研究了电容式电力传感器，并已制成单块 集成器件。 3 气体传感器 气体传感器分为两类一类是利用氧化物半 导体对气体敏感的特性制成的；另一类是利用接 触燃烧而发生温度变化的特性制成的，二者各有 万方数据 迎 生筮生翅煤芷遮让 窆 所长。近几年，气体传感器尽管取得了很大改进， 但存在不稳定的因素。尤其对于检测气体的选择 性不好，对于酒精与香烟燃烧的烟雾不需检测的 气体产生敏感而误报警。另外，两类传感器往往 都必须加热到2 0 0 3 0 0 ℃才能工作。此外，其成 本较高。 4 湿度传感器 湿度传感器实用的例子不多，但很有存在的 必要。作为实用化的例子，有根据存料电阻值变 化检测干燥度的湿度传感器，有根据特殊树脂的 电阻值变化来检测磁带录像机磁头的水汽湿度传 感器。另外还研制了采用对湿度容易敏感的陶瓷 制作的湿度传感器。湿度传感器存在的问题是， 至今还没有一种包括整个湿度范围的万能湿度传 感器。对于干燥、水汽及二者之间的范围，必须采 用彼此完成不同的传感器。湿度传感器研制的难 处在于检测部位往往是裸露的，传感器表面易受 环境影响，从而难以保证其可靠性。 5 光电传感器 光电传感器，由于反应快、精度好、无接触测 量，因此在军事、工业控制和民用电器中的应用十 分广泛。它有真空光电管、半导体光电管和7 0 年 代发展起来的集成光电器件。特别是集成光电器 件的发展应用引人注目。例如C C D 器件 电荷耦 合器件 即能实现电极下电荷有控制的转移的器 件，第一个可供工业电视使用的面型电荷合像传 感器产品有1 0 0 1 0 0 个分辨单位。随后器件的 分辨单元的规模越来越大，目前已达到民用电视 的要求，国内也已有5 1 2 3 2 0 位面型C C D 摄像传 感器产品出售，用它已构成象素5 1 2 3 2 0 位的黑 白电视摄像机。它的光谱灵敏范围为4 5 卜 1 0 6 0 0 A ，最低照度可达到1 0 ～～1 0 ‘2 勒克斯，整机 功耗仅9 W 。在工业上，用它可构成轻便而长寿命 的工业电视，同时为遥控，遥测 卫星摄像 提供了 有力的工具。在国外，C C D 还使用在电视电话、电 子照相机中。最近日本索尼公司的M a v i c a 照相 机摄像系统中就采用了C C D 传感器。 普通的C C D 传感器，光敏元件是由多晶硅电 极下面的M 0 s 电容器组成，存在着多晶硅不均匀 和光吸收而使灵敏度下降的问题。因此，近年来 又发展了光敏元件为光电二极管的高灵敏度C C D 图像传感器。美国微系统公司 嫡c 肌M i c r ． 娜岫i n e 已将3 2 3 2 位的光敏元件陈列和A D 转换以及四位微处理器集成在一起，构成智能传 感器，以作为机器人的视觉传感。它可以区分人 和小动物，作交通控制用时，又可以区分车和人。 6 结语 随着检测对象的范围日益扩大，以及新材料， 新技术的不断出现，传感器的种类越来越多，功能 也益趋特异。例如，由生物感受器和电子换能器 组成的各种生物传感器，可植入体内迅速可靠地 检测生物体的微量物质，或对病人身体状况进行 连续监测，利用微电子工艺将敏感元件连同信号 处理的电子线路制作在一块总片上的集成传感 器；利用半导体微电子工艺及传感器加固装配技 术，采用硅一蓝宝石材料制成的高温，高稳定压力 传感器，利用离子选择电极，将感受的可溶性气体 转换成可用输出信号的气体传感器。根据振筒壁 附近气体的存在增加了振动质量的原理制成的振 动频率随气体密度变化的气体密度传感器；日本 最近制研出来可广泛用于生物环境污染和半导体 检测的一种毫米波图象传感器以及一种可测物体 速度的绝对值的非接触式相干光斑传感器。总 之，随着传感新材料的出现，各种类型的传感器将 不断涌出，将广泛用于各个领域。 责任编辑严民杰 万方数据