1、测试与检测技术基础传感器部分课程报告我所了解的传感器传感器技术漫谈班级：机械 16 班姓名：马骥遥学号：20110105702014 年 4 月 24 日2我所了解得传感器传感器技术漫谈马骥遥 2011010570 指导教师：王雪（清华大学 精密仪器与机械学系，北京 100084）摘要传感器是一种可以将感测到的被测量信息按一定规律转化为电信号或其它所需信号的测试装置，是目前用途最为广泛，最有发展潜力的检测装置。它集信息的传输、处理、储存、转换等多功能与一身，是实现自动化控制的首要环节。本文简要概述了传感器的基本分类、基本原理，着重研究了视觉传感器的相关问题，探讨了传感器的未来发展趋势，并举例介
2、绍了传感器科技尖端的研究成果。关键词传感器 视觉传感器一、传感器的基本分类和基本原理传感器的种类很多，常见的传感器有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、激光传感器、霍尔传感器、生物传感器、化学传感器等。1.1 电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换成电阻值的一种测量装置。电阻式传感器具有结构简单、原理基础、输出精度较高、线性和稳定性较好、成本较低等优势，使其成为广泛应用的传感器。目前常见的电阻式传感器的类型有如下几种：1.1.1 电阻式应变片电阻式应变片3电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，弹性敏感元件受到所测
3、量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等。电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，一般需要采取一定的补偿措施。1.1.2 电位计式传感器电位器式传感器电位器式传感器是一种把机械的线位移和角位移输入量转换为与它成一定函数关系
4、的电阻和电压输出的传感元件。按其结构形式不同，电位器式传感器可分为线绕式、薄膜式和光电式等。按照输入和输出的特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。电位器式传感器的主要优点有：结构简单、尺寸小、精度高、重量轻、输出信号大、性能稳定。主要缺点是要求输入能量大、电刷与电阻元件之间容易磨损。41.1.3 压阻式传感器压阻式压力传感器压阻式加速度传感器压阻式压力传感器示意图5压阻式传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料的压阻效应是指，单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为
5、力的变化的其他物理量，如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度等的测量和控制。传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成压阻芯片, 并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线而成。压阻式压力传感器不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为 2060。在圆形硅膜片(N 型) 定域扩散 4 条 P 杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。此外，也有采用方形硅膜片和硅柱形敏感元件的。硅柱
6、形敏感元件也是在硅柱面的某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥，从而可以测量应力大小。压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。在航天和航空工业中压力是一个关键参数,对静态和动态压力 ,局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器, 其工作温度达 500以上。在波音客机的大气数据测
7、量系统中采用了精度高达 0.05%的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。单个传感器直径仅 2.36 毫米，固有频率高达 300 千赫, 非线性和滞后均为全量程的0.22%。在生物医学方面,压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜薄到10 微米 ,外径仅 0.5 毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。此外压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。在油井压力测量、随钻测向和测位地下密
8、封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。1.1.4 电阻式气敏传感器6电阻式气敏传感器 Arduino 模拟气体传感器气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，其中应用最广泛的是半导体气敏传感器。半导体气敏传感器将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率) 发生变化。某种半导体式气敏传感器的特性曲线气敏传感器的
9、应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息从而可以进行检测、监控、报警还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。 71.1.5 电阻式热敏传感器热敏电阻8热敏探头热敏传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。金属随着温度变化，其电阻值也发生变化。对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。电阻共有两种变化类型，正温度系数即温度升高阻值增加，以及负温度
10、系数即温度升高阻值减少。根据不同的金属可以制作不同的热敏传感器，用来测量温度的变化情况。近年来，我国工业现代化的进程和电子信息产业连续的高速增长，带动了传感器市场的、快速上升。热敏传感器作为传感器中的重要一类，占整个传感器总需求量的 40%以上。温度传感器用途十分广阔，可用作温度测量与控制、温度补偿、流速、流量和风速测定、液位指示、温度测量、紫外光和红外光测量、微波功率测量等而被广泛的应用于彩电、电脑彩色显示器、切换式电源、热水器、电冰箱、厨房设备、空调、汽车等领域。近年来汽车电子、消费电子行业的快速增长带动了我国温度传感器需求的快速增长。1.1.6 电阻式湿敏电阻9湿敏传感器湿敏电阻是利用湿
11、敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。工业上流行的湿敏电阻主要有氯化锂湿敏电阻以及有机高分子膜湿敏电阻。氯化锂湿敏电阻结构氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料，是在众多的感湿材料之中，首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件。氯化锂电解质感湿液当量电导随着溶液浓度的增加而下降，电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压，从而实现感湿。多片电阻组合式氯化锂湿敏传感器是利用湿敏元件的电阻值随湿度的变化而变化的原理进行湿度测量的传感器。湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺制各一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制作的，在湿敏元件的吸湿和脱湿的过程中，水
12、分子分解出的离子H+的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。氯化锂感湿基片的结构为选用绝缘材料的衬底，在上方制作一对金属电极，涂覆一层电解质溶液感湿膜，氯化锂感湿膜由氯化锂和聚乙烯醇混合制作，其可在 120 度高温环境中稳定工作。氯化锂是典型的离子晶体，属于非亲合型电解质，氯化锂溶液中，Li+对极性水分子的吸引力极强，离子水分程度最高。氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂所具备的各种特点，尤其是稳定性强的优点。10此外氯化锂湿敏元件线性测湿量程较窄大约在 2
13、0%RH 左右，在该测量范围内，其线性误差小于 2%RH，测量精度很高。1.2 电容式传感器将被测的力学量（如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。电容传感器演示电容式温度湿度模拟传感器11电容式称重传感器电容式位移传感器电容式转速传感器12手机触屏中的电容式传感器从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量，这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，
14、而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到15 m数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为 0.1nm，比前者提高了四个数量级，最大量程为 1250 m，而且为零磁滞，因此他在精密小位移测量中受到青睐。电容式传感器最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器若。忽略边缘效应，平板电容器的电容为 A/，式中 为极间介质的介电常数，A 为两电极互相覆盖的有效面积 ,为两电极之间的距离。、A、 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距
15、变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化（见电容式压力传感器） 。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。70 年代末以来,随着集成电路技术的发展 ,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。对于上述这些力学量，尤其是缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜。电容式传感器的突出优点有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性
16、好等。1.3 电感式传感器13电感式接近传感器电感式浮球液位传感器电感式位移传感器14电感式水位传感器电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或互感的变化来测量的装置，是铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感传感器主要包括自感式、互感式和电涡流式传感器。电感式传感器具有以下特点：（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。（2）输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移
17、可达数百毫伏的输出。（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达 0.05%0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。电感传感器的缺点是，它的频率响应较低，不宜快速动态测控等。电感传感器的使用要求较多，具体如下：（1）检测距离的衰减性。滑翘为铁质，适合电感式传感器检测；而滑翘被测部分的尺寸略小于标准检测物尺寸（标准被测物尺寸为 3倍额定检测距离，此应用中，标准尺寸应为 120*120mm） ，这样的话就会有一定的衰减。（2）现场抗干扰能力。这个是不容忽视的问题，普通电感式传感器容易被电机或变
18、频器干扰，很多技术人员只对在此附近的应用选择相应强抗电磁干扰的传感器。但在汽车制造车间，厂房大，现场技术人员习惯使用对讲机沟通，尤其是边走边用对讲机对话时，会不经意的靠近传感器，导致短暂失效。（3）安装方面。随着电感式传感器的普及，传感器不仅仅在电气性能方面有所提升，其机械方面的设计也越来越人性化。要在最大程度的实现人性化安装。减少了多种近似产品的备货和减少了安装、维护的时间。（4）稳定运行的保障。在车厂的使用中，要杜绝任何油污、尘污的侵蚀。另外，滑翘经过轨道时，震动是长期存在的，优异的抗震动性同样是有着非常重要的作用。电感式传感器特别适合用于酸类，碱类，氯化物，有机溶剂，液态CO2，氨水，P
19、VC 粉料，灰料，油水界面等液位测量，目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。1.4 激光传感器15激光测距传感器激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。 利用激光的高方向
20、性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。激光位移传感器激光测速仪1.5 霍尔传感器16霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔于 1879 年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度
21、及载流子迁移率等重要参数。霍尔效应由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于如下参量：Rh 为霍尔常数，它与半导体材质有关；IC 为霍尔元件的偏置电流；B 为磁场强度；d 为半导体材料的厚度。对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流 Ic 固定时，Vh 将完全取决于被测的磁场强度 B。17在半导体薄片两端通以控制电流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B 的匀强 磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为 UH 的霍尔电压。一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流 IC 的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设
22、定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T 左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。霍尔电流传感器霍尔传感器的优点有：霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形；原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离，隔离电压可达 9600Vrms；精度高：在工作温度区内精度优于 1%，该精度适合于任何波形的测量；线性度好：优于 0.1%；宽带宽：高带宽的电流传感器上升时间可小于 1s；1.
23、6 生物传感器活体指纹传感器18光线生物传感器细胞传感器生物芯片19生物传感器(biosensor) 对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求。已有相当部分的生物
24、传感器应用于环境监测中。在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、可能消除发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此，在发酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。医学领域的生物传感器发挥着越来越大的作用。生物传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学方面，也具有广的应用前景。1.7 化学传感器化学传感器是对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。二氧化氮传感器按检测对象，化学传感器分为气体传感器、湿度传感器、离子传感器和生物传感器。气体传感器的传感元件多为氧化物半导
25、体，有时在其中加入微量贵金属作增敏剂，增加对气体的活化作用。对于电子给予性的还原性气体如氢、一氧化碳、烃等，用 N 型半导体，对接受电子性的 氧化性 气体如氧，用 P 型半导体。将半导体以膜状固定于绝缘基片或多孔烧结体上做成传感元件。气体传感器又分为半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、晶体振荡式气体传感器和电化学式气体传感器。20湿度传感器是测定气氛中水气含量的传感器，又分为电解质式、高分子式、陶瓷式和半导体式湿度传感器。离子传感器是对离子具有选择响应的离子选择性电极。它基于对离子选择性响应的膜产生的膜电位。离子传感器的感应膜有玻璃膜、溶有活性物质的液体膜及高分子膜，
26、使用较多是聚氯乙烯膜（见离子选择性电极） 。生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。生物传感器的优点是对生物物质具有分子结构的选择功能（见生物传感器） 。化学传感器在矿产资源的探测、气象观测和遥测、工业自动化、医学上远距离诊断和实时监测、农业上生鲜保存和鱼群探测、防盗、安全报警和节能等各方面都有重要的应用。氧气传感器氯化氢气体传感器二、视觉传感器研究视觉传感器是指：具有从一整幅图像捕获光线的数以万计像素的能力，图像的清晰和细腻程度常用分辨率来衡量，以像素数量表示。视觉传感器212.1 视觉传感器的基本原理视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素。图像的清晰和细
27、腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。无论距离目标数米或数厘米远，传感器都能“ 看到” 十分细腻的目标图像。在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。例如，若视觉传感器被设定为辨别正确地插有八颗螺栓的机器部件，则传感器知道应该拒收只有七颗螺栓的部件，或者螺栓未对准的部件。此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在 360 度范围内旋转，视觉传感器都能做出判断。2.2 视觉传感器的应用视觉传感器的低成本和易用性已吸引机器设计师和工艺工程师将其集成入各类曾经依赖人工、多个光电传感器，或根本不检验的应用。视觉传感器的工业应用包括检验、计量、测量、定
28、向、瑕疵检测和分捡。以下只是一些应用范例：在汽车组装厂，检验由机器人涂抹到车门边框的胶珠是否连续，是否有正确的宽度。 在瓶装厂，校验瓶盖是否正确密封、装灌液位是否正确，以及在封盖之前没有异物掉入瓶中在包装生产线，确保在正确的位置粘贴正确的包装标签在药品包装生产线，检验阿斯匹林药片的泡罩式包装中是否有破损或缺失的药片。在金属冲压公司，以每分钟逾 150 片的速度检验冲压部件，比人工检验快13 倍以上。三、传感器技术发展趋势随着科技的发展成熟，技术的不断进步，传感器技术也迎来了一个新的发展阶段。可以想象，未来的传感器的性能将会较现在得到显著地提升。未来的传感器的发展趋势主要在于：3.1 传感器的智
29、能化传感器将于微型处理机组合，使得传感器检测到的信号具有逻辑判断和整理思维的能力。传感器将越来越聪慧，可以按照预先设定的思维方式进行思考和判断，从而提高了传感器的功能和应用范围。iphone中运用了许多智能传感器223.2 传感器的微型化计算机辅助设计技术的不断发展，以及微机电控制系统（MEMS）的不断创新，使得传感器的尺寸将越来越小。传感器的微型化使得未来的电子产品的尺寸不断减小，增强了产品的用户友好，减少了由于产品重量带来的不良影响。微型加速度传感器3.3 传感器的无线化随着通信技术的发展，无线电技术的普遍应用，远距离信息传输的需求，传感器的无线化成为了传感器发展的必然趋势。在现在，太空探
30、索、深海探索等领域的传感器的无线模块成为了必备模块。传感器的无线通讯技术必将成为传感器不可回避的功能。无线功能模块参考文献1 尹福炎. 应变片与应变传递原理研究. 衡器, 20122 陈长庆, 胡明, 吴霞宛. 气敏传感器的发展.材料导报，20033 王亚峰, 吴仲达.生物材料与生物传感器,传感器世界，2006 年第 6 期4 史永基, 高雅利. 生物/化学微传感器技术和应用，传感器世界， 2008 年第 3 期235 王瑞峰, 米根锁. 霍尔传感器在直流电流检测中的应用,仪器仪表学报， 2006 年 S1 期6 Mark T.Hoske.高性能视觉传感器, Control Engineering, 2006 年 07 期7 于凌宇. 传感器的数字化技术. 中国电子商情.2012 年第 10 期
