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传感器技术与原理回顾
传感器技术与原理回顾
传感器技术已经广泛的应用于军事武器系统的改进与民用工业生产中,并在多
个领域取得了不同程度的成功。
通常用于测量系统中的传感器技术工作原理各有
不同,相应的优点与缺点也非常明显,因此,不同传感器技术应用领域并不相同。
像压电传感技术主要应用于震动波探测方面,而声波与超声波传感技术应用于军
事等特殊环境的测距领域,光电传感技术与红外传感技术作为新兴技术,则广泛
应用于高端探测技术领域[1-4]。
根据传感器应用领域不同,常见传感器技术大概
分为三类,用于测量位移的传感器技术,如电位传感器,光学编码器,电感式传
感器,线性差动变压器(LVDT),电容传感器等;用于测量应力与压力的传感器技
术,如应变器,膜片传感器;用于测量温度的传感器技术,如热电偶,电阻温度
计,热敏电阻等。
根据传感器转换功能的不同,可以分为输入传感器与输出传感
器,如图1.1
图1.1传感器功能分类
通常情况下,输入传感器需要将被测量也称为影响量的测量物理信号转换为相
应的可处理信号,如电流,电压,频率或相位等电信号,并且通过信号调节电路
对转换后的信号做相应处理,经过传送电路或信道将处理后的信号传送到控制单
元。
然后通过控制单元或电脑进行计算和分析,并将控制信号转换后由输出传感
器或执行部件反馈[25,26]。
基于传感器技术的测量系统框图如图1.2所示。
图1.2基于传感器技术的测量系统计及ECT技术研究
1光电传感器技术
光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。
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。
光电传感
器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成,如图1.3所示。
光电检测方法具
有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式
灵活多样,因此在检测和控制领域内得到广泛应用。
图1.3光电传感器框图
按光源的发光分类:
X光灯、紫外线光灯、可见光灯(即照明灯)、红外光灯
等等;按光的性质分类:
激光光源(平等光源)、普通光源(发散光源)。
光在
光学通路中利用光的反射与折射原理进行传播,即Snell–Descartes定律:
n1sinθ1=n2sinθ2
其中,n1与n2分别表示光线在传播过程中穿过的不同传播介质的折射率,如
水与玻璃;θ1与θ2分别表示光线传播过程中穿过不同传播介质时的入射角与折射
角。
光电元件是光电传感器中最重要的部件,常见的有真空光电元件和半导体光电
元件两大类。
它们的工作原理都基于不同形式的光电效应。
根据光的波粒二象性,
认为光是一种以光速运动的粒子流,这种粒子称为光子。
每个光子具有的能量为:
E=hν式中,υ为光波频率;h为普朗克常数6.63×10^-34J/Hz。
由此可见,对不同频
率的光,其光子能量是不相同的,光波频率越高,光子能量越大。
用光照射某一
物体,可以看做是一连串能量为hυ的光子轰击在这个物体上,此时光子能量就传
递给电子,并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收,电子得到光
子传递的能量后其状态就会发生变化,从而使受光照射的物体产生相应的电效应,
我们把这种物理现象称为光电效应。
光的传播也是光电传感器中需要考虑到的重要因素,光电传感器工作原理为光
的折射与反射原理,即斯涅尔定律,当光由第一媒质(折射率n1)射入第二媒质(折射率n2)时,在平滑界面上,部分光由第一媒质进入第二媒质后即发生折射。
适用
于均匀的各向同性的媒质。
2.脉冲式光电传感器
在这种传感器中,光电元件接收的光信号是断续变化的,因此光电元件处于开
关工作状态,它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号,多用
于光电计数和光电式转速测量等场合。
由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时,还必须配
备适当的测量电路。
测量电路能够把光电效应造成的光电元件的电性能的变化转
换成所需要的电压或电流。
不同的光电元件,需要不同的测量电路。
光电传感器典型应用与测量原理
光电传感器尤其是红外光传感器,较常见于气雾检测以及安全监控系统中。
通
常光电传感器测量的基本原理是光的传播原理以及不同形式的光电效应。
应用于
气雾监测系统的红外光传感器由光源,光检测装置与光组件(包括两个汇聚镜头
与光导通路)构成,其利用的就是光线在传播介质内部的全反射原理,如图1.5所
示。
(a)系统检测表面干燥状态(b)系统检测表面存在气雾水膜状态
图1.5光电传感器在气雾检测系统中的工作原理
光束通过光汇聚装置与光学通路在检测介质内部由光源以固定角度发射,并在
介质内部传播,通过固定位置的光检测装置,获取传播的光信号能量。
相同的工
作原理也大量的应用于光纤通信技术中[5]。
当传播介质表面干燥时,光源发射的
光束在传播过程中发生全反射现象(可以是多次反射),反射后的光通过光汇聚
装置与光学通路后被光检测装置获得,产生固定的能量或电信号,如图1.5(a);一
旦有气雾或液膜在检测介质形成,光线在检测介质中不在进行全反射传播,由
Snell–Descartes定律,式
(1)可知,只有部分光线仍能够到达光检测装置,产生
相应的能量或电信号,然后通过系统控制单元对接收到的电信号比较分析,进而
做出正确的判断。
当光电传感器应用于压力探测时,基本原理如图1.6所示。
测试系统由弹性膜片与光电传感器构成,其中光电传感器由光束发射/反弹装置与光接收装置构成,当弹性膜片没有发生外力作用(压力),就不会产生的形变,此时成为参考恒压
状态,并且光电传感器的光接收装置感应到的光束位置恒定,例如在光接收传感
器正中。
一旦弹性膜片受压产生形变,反射光束在光接收传感器上发生偏移,偏移距离对应着形变程度,将接收到的光信号转换为电信号,通过测算获得压力的大小。
光电传感技术已经大量的应用于许多主流工业系统和公司产品,其高精度,
结构简单,非接触式测量检测方式等已经得到了广泛的认可,然而,随着市场推
广与调查,其缺点也逐渐显现[6]。
1)高成本。
测量检测系统要达到高精度性能就
需要高精度光电传感器,除此之外,由于部分光学元件的持续使用寿命有限,因
此高昂的设备维护以及更换也使系统成本骤升;2)传感器性能受光源入射角局限,
并且容易在反射折射过程中出现散射现象,根据光的反射定律,在满足全反射的
情况下,光检测装置需要固定在距离光源d的位置,如图1.5中所示。
因此,在使
用光电传感器技术的时候需要考虑到传感器光源与光探测器之间的距离,在对测
量区域以及传感器尺寸有特殊要求的情况下,不易于实现;3)光电传感器受测量
传播介质的限制,无法穿透金属等不透明介质,有一定的应用局限性;4)光电传感
器容易受到测量环境的影响,包括灰尘,温度,湿度等,也容易造成传感器使用
寿命的降低。
4其它传感器测量系统
4.1超声波传感器技术
超声波传感器工作原理类似于雷达或声纳探测装置,利用超声波特性进行测量
测距,超声波是一种振动频率高于声波的机械波,具有频率高,波长短,方向性
好,能成为射线而定向传播等特点[7]。
特别是超声波对液体、固体的穿透性,尤
其是在不透明固体中的穿透性传播,能够到达几十米的深度。
超声波碰到杂质或
分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此
超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
以超声波作为检测手段,
需要超声波发射器与声波拾取装置构成,通过发射器发射高频声波并由超声波拾
振动位移(vibrationdiplacement)
米赫兹(mHz)线性差动变压器(LVDT),整合速度仪,双整合加速仪应力[34,35]
(straingauge/force)牛顿(N)利用反平衡:
质量,电磁挠度:
应变计,线性差动变压器(LVDT)压阻传感器,压电传感器,电容传感器,电感式传感器压力[33](pressure)帕斯卡,牛/米平
压电传感器,压阻传感器,应变计,线性差动变压器(LVDT),电感式传感器,电容传感器温度[36,37](temperature)摄氏度或卡尔文(K或者oC)热耦合,电阻温度计,热敏电阻,
4.2光学高温计,
1.2研究背景与应用领域概述
电容用来描述导电极板间电场的变化,电容传感器可以直接用于测量或感应
多种类型的物质或物理特性的变化,例如物体运动,物质的化学成分以及电场等,
除此之外还可以用于间接测量或感应其他能够转换或转化成为运动变化,介电常
量等变化的物质或物理特性,例如压力,加速度,液位以及流体组成等。
相邻电
容传感器技术尤其广泛的应用于微距测量,机器自动化,压力测试,微型机器人,
微型机电系统(MEMS)等领域。
特别是对于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尤为适宜,相比于光电传感器,超声波传感器等主
流技术,电容传感器技术具有以下突出优点:
(1)成本低廉。
任何一种技术的产生,推广到普及,都与该技术的成本息息相
关,用于同一测量目的基于电容传感器的测量系统成本大约是光电传感器监测系
统的1/5,甚至更少,而其使用寿命却更长。
(2)测量范围大。
相对变化率可超过100%;
(3)灵敏度高。
如果使用比率变压器电桥测量,相对变化量可达10
-7
数量级,在
应用于高精度距离测量时,测量范围能够达到微米级,测量误差微乎其微;
(4)动态响应快。
由于电容传感器可动质量小,固有频率高,高频特性既适宜
动态测量,也可静态测量;
(5)稳定性好。
由于电容器极板多为金属材料,极板间的衬物多为无机材料,
如空气、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工
作,尤其是解决高温高压环境下的检测难题。
通常根据电极板空间位置的不同,将相邻电容传感器分为平行板电容传感器
与边缘效应电容传感器[9],测量原理各不相同,如图1.12。
计及ECT技术研究
(a)
(b)
图1.12电容传感器测量原理a)平行板电容传感器;b)边缘电容传感器
平行板电容传感器由两块平行的电极板以及夹在电极板间的分隔层(绝缘材
料)组成的,电容值由式(1-14)计算获得。
d
A
C
=
ε
(1-14)
其中,ε表示分隔层材质的电容率,A为有效接收极板极板面积,d表示激励极板与
接收极板间距离。
利用被测量物体(电导体)充当平行板电容传感器的接收极板进行距离测量
[10-12],应用广泛,其基本原理如图1.13(a)所示。
但是此类平行板电容传感器测量
系统有其致命的缺陷:
1)被测量物体或者平面必须是电导体;2)当电容传感器激励
极板与接收极板间距与电容值在实际测量中高度非线性化,传感器灵敏度也随着
间距d的增加快速下降,如图1.13(b);3)利用平行板电容原理的传感器无法应用于
存在空间约束的测量环境下,例如,当测量环境中,待测物发生旋转或者表面有
绝缘涂层等。
(a)(b)
图1.13平行板电容传感器(a)测量距离;(b)待测物体与极板距离和电容值关系曲线
边缘效应电容传感器利用电容传感器的电场边缘效应原理进行测量,图
1.14(a),(b)解释了传感器基本工作原理、结构特点与典型的特征曲线。
边缘电容计及ECT技术研究
图1.11霍尔效应传感器工作原理
霍尔效应传感器对与尘土,泥土,污垢和水油等环境干扰有很高的鲁棒性,
因此相对于光电传感器以及其他的机电类传感器,更为稳定。
通过检测磁场变化,
转变为电信号输出,霍尔效应传感器可用于监视和测量机械系统的各部件运行参
数的变化,包括:
位置、位移、角度、角速度、转速等,并且能够进行二次转换,
进而测量压力、质量、液位、流速、流量等。
霍尔效应传感器的输出量直接与电
控单元接口,可实现系统的自动检测。
目前的霍尔效应传感器都可承受一定的振
动,可在-40
o
C到零上150
o
C范围内工作。
而温度的限制也是该传感器最主要的缺点
之一。
1.1.4传感器测量系统的操作原理与应用总结
除以上介绍分析的传感器技术以外,还有包括线性差动变压器(LVDT),电位
传感器,光学编码器,电感式传感器,热电偶,电阻温度计,热敏电阻等多种传
感器技术,通过大量文献查阅与工程调研,对各种主流传感器的应用范围,测量
参数进行了分类比较,见表1.3。
表1.3常用传感器技术工作原理与应用范围比较
测量参量/应用领域单位
可选传感器技术
与工作原理
线性位移[30,31]
(lineardisplacement)
米(m)电容传感器,电感式传感器,线
性差动变压器(LVDT),光电传
感器,电位计
线性速度
(linearvelocity)
米/秒(m/s)线性差动变压器(LVDT),光时
差动传感器,压电一体化加速计
线性加速度[32,33]
(linearacceleration)
米/秒/秒(m/s/s)压电传感器,压阻传感器,应变
计,线性差动变压器(LVDT),
电感式传感器,电容传感器第一章绪论15
传感器由激励极板与接收极板构成,极板间由接地屏蔽层隔离,通过激励极板与
接收极板间形成的电场变化进行测量。
被测量物体不作为电容传感器的接收极板,
并且对被测物体的电导特性没有特别要求[13-16]。
详细的原理分析与数学模型推
导在第二章的2.1节“电容边缘效应”中给出。
(a)
(b)
图1.14边缘电容传感器(a)测距原理;(b)典型模型(俯视图);
基于相邻电容传感器的测量系统,传感器部分通常由导电感应电极与电介质组
成,结合5V激励电压与检测放大电路将测量到的电容变化转换成电压,频率或脉
冲宽度的差别,电容传感器技术的应用非常的广泛。
运动检测系统,能够检测到10
-14
m的位移或运动,并且该传感器具有反应速度
快,在恶劣测量环境下性能稳定等优点,当电容传感器使用电极板足够大时,
能够对车辆移动以及车辆速度进行精确测量;
电容传感器技术应用于加速度测量器,压力测量系统时,完全能够取代传统的
硅质压阻传感器技术。
一些新兴技术应用,包括质问探测检验其,红外探测其
都可以利用电容传感器技术,同时传感器尺寸能够在保持精度,分辨率的前提
下达到微米级。
(极间电容达到10fF,传感器测量分辨率达到5aF(10
-18
F))[23];
电容传感器技术还大量应用于流体成分监测系统中,例如,炼油厂利用电容式
传感器技术检测原油或成品油中水油混合比;在谷物粮食储存过程中,电容传
感器技术能够用来检测储存小麦或其他谷物中水分含量。
计及ECT技术研究
然而电容传感器技术从出现到今,最常被人诟病的缺点在于:
该技术对潮湿
环境的灵敏度过高,并且使用该技术需要不稳定、高阻抗电路。
而事实上,潮湿
空气比干燥空气的介电常数仅仅略高一点,潮湿本身并不能成为电容传感器技术
大量推广应用的问题。
同样的对于高阻抗,不稳定的电路这个问题,通过适当的
电路设计与优化的PCB板设计之后,电容传感器在信号识别方面的能力以及对感应
区域的空间电容率的分辨率丝毫不逊于光电,压电等传感器技术的灵敏度。
电容
传感器技术在工业,民用领域的应用之广泛,超过了许多传感器技术[58],因此除
以上应用之外,目前还有许多主流应用包括:
流量计的应用
通常流量计工作原理是将流量转换为压力或位移,通过节流孔对液体的容
积流量进行测算或通过科里奥利应力对质(固)体(颗粒)流量进行计算[29,38,
48,49],此种方法利用了电容传感器对流量转换后的压力或位移的精确测量能
力,属于电容传感器技术的间接应用。
测压领域的应用
通常由间距灵敏探测器与一块或多块挠度特性稳定的膜片构成,通过形
变产生的电压变化,对压力进行测算[39-41],属于电容传感器的直接应用。
液位探测
电容液位探测系统通过对激励极板与浸泡入液体的接收极板或置于非导
体容器或储罐外的极板间的电容值变化进行测算,从而判断容器或储罐内液
体高度[42,43],属于电容传感器技术的直接应用。
间距,倾角与线性位移的测量应用
电容传感器对靠近的金属或高导电的物体有非常灵敏的感应能力,除此
之外,通过多极板结构,电容传感器技术结合高精度的数字信号输出,或者
结合提供绝对精度较低的模拟信号输出的电路(响应速度快,电路简单),能够
精确测量待测倾角与线性位置[44,57,59-61],属于电容传感器的直接应用。
材料厚度测量
最简单的电容传感器技术的应用,两极板置于绝缘材料两端用于测量材
料的厚度,当绝缘材料的电容率已知时,能够计算出绝缘材料的厚度;当绝
缘材料的厚度已知时,能够计算出材料的电容率[64],属于直接应用。
含水量或湿度测量
参考文献[62]在2004年提出一种用于估计纸浆生产过程中对纸浆中水含
量的检测方法,以确保纸浆生产过程中湿度集中度低于90%,该方法基于电容
边缘效应产生的边缘场进行检测和控制;参考文献[63]介绍了一种用于测量蛋
糕,饼干制造过程中的湿度方法,该技术能够实时检测蛋糕或饼干制作过程
中面粉水分含量,传感器结构为环形,工作频率范围在10Hz到10kHz。
第一章绪论11
表1.2典型的金属与半导体的电阻应变式传感器参数特性
金属半导体
应变系数1.8-2.3550-60
应变电阻值120,350,600,1000500+
线性度
0.1%1%
断裂应变
25,000με5,000με
疲劳寿命100万次100万次
1με=10
-6
m/m(应变)
但是在使用电阻应变式传感器时需要注意以下一些问题:
1)作用应力不能超出
应变材料的弹性限制,否则Hooke定律将不再适用;2)应变计需要有一个弹性支撑,
从而使所有的作用应力能够传输到应变计上,对于弹性支撑的要求为能够抗温度
干扰并且有较长的使用寿命;3)温度对电阻应变式传感器的影响,尤其是对半导体
材料的影响,因为温度能够影响电阻应变计的尺寸和电阻率;4)电阻应变式传感器
的阻值测量主要源于应变计上通过的电流,但是在测量的同时传感器的功率耗散
以热量形式损耗,对于半导体材质的电阻应变式传感器最大功耗接近250mW。
1.1.3.3霍尔效应传感器技术
霍尔效应是磁电效应的一种,由美国物理学家霍尔(A.H.Hall)于1879年在研究
金属的导电结构时发现的。
当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁
场和电流方向的两个端面会出现电势差,这一现象便是霍尔效应,而利用此效应
作为工作测试测量原理的传感器称为霍尔效应传感器[21,22],如图1.11。
对于普通
金属,当只有一种类型的载流子时,霍尔电压V
h
可由下式获得:
d
IB
VR
hh
=(1-12)
ne
R
h
1
=(1-13)
其中R
h
称为霍尔系数,n表示载流子浓度或自由电子浓度,e等于电子电量,I是通
过导体的电流;B为垂直于I的磁感应强度;d是导体的厚度。
第一章绪论17
成像用多极板电容传感器技术
单极板间隔测量可以扩展到多极板空间测量。
最典型的应用是上个世纪
80年代出现的电容断层层析成像技术(ElectricalCapacitanceTomography,
ECT),当测量容器为导电材料时,将传感器极板置于容器内部;当测量容器
为非导电材料时,将传感器极板等间隔环绕于容器外壁进行电容测量[45-47],
属于电容传感器技术的直接应用。
冰水/结冰率测量
飞机在高空飞行过程中,机翼两侧会由于高空冷空气的原因形成结冰现
象,利用绝缘封装的金属极板或金属条置于机翼前缘,当结冰现象出现时,
通过电容传感器间的电容值变化,推断机翼结冰率;此外,还能通过电容传
感器技术,对河流中结冰后的冰层厚度进行测量[50],属于电容传感器技术的
直接应用。
灯光调节器和控件开关
灯光调节开关通常利用60Hz的交流激励源,通过测量人体(手指或身体其
它部分)接近开关或触摸开关时的电容值进行灯光调节或控件开关;控件开关
利用了屏蔽效应原理,利用靠近的手指或导电柱(片)的接触,连接两块断开的
小金属片从而中断其耦合电容;除此之外,不同尺寸大小的电容式图形输入
板大量的应用于笔记本电脑中。
例如,触摸灵敏,z轴灵敏的手写笔激活设备
等,属于对电容传感器技术的直接应用。
加速计(表)
参考文献[51]报告设计了一款基于电容传感器技术的通过对普通硅片进
行高宽比多晶硅与单晶硅(high-aspectrationpolysiliconandsingle-crystal
siliconprocess,HARPSS)处理,获得的一种能够测量微小加速度的加速计,能
够应用于惯性导航,航天器微重力干扰测量以及地震预报,属于电容传感器
技术的直接应用。
综合分析大量参考文献,近年来,对于电容传感器技术的应用研究,多集中
在三个方面:
利用电容传感器边缘效应对导电物体进行距离测量,或对非导电物体
进行厚度测量[52,53];利用电容传感器对空间电容率分布高分辨能力,以及低廉
的成本等商品特性,对未知液体安全性能进行检测[54];第三个方面也是目前全世
界各国针对电容传感器技术研究的新领域和热点,即电容断层层析成像技术
(ECT)[8,55,56],该技术大量应用于工业生产过程中,对气液两相流的监控等领域。
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