传感器的地位和作用
1 传感器的地位和作用
传感器作为采集信号的一次元件, 随着计算机技术和自动化技术的飞速发展, 不断地更新换代并向自动化程度更高的方向发展。目前从基础科学的研究到宇宙开发、海洋探测、航天、航空、生物医学、健康管理、家用电器等工程技术的各个领域和我们日常生活的各个方面, 传感器都得到了广泛的应用。例如反映一个工厂各部分工作状态的调度监视装置, 就需要众多的传感器。监测各个车间的生产机械工作状态, 如电动机的输出量、加工产品的质量、数量等。航天方面, 大家熟知的航天飞机, 从牵引火箭到宇宙飞船, 为了向地面指挥中心发出各种信息及测试的参数, 所需的传感器多达几千个。还有, 在目前日益受到重视的环境监测与控制方面, 以及健康管理方面, 我们需要对人口密集地区的粉尘、噪音和各种有害气体及辐射性物质进行监测和控制。特别是在煤矿这样特殊的环境, 为保证人员和矿井的安全, 更需要全面监测各种参数。如: 瓦斯监测、一氧化碳监测、二氧化碳监测、矿井压力监测、采煤机工作情况、皮带运输机的运转情况等, 这些都离不开传感器。但是, 作为为计算机技术和自动控制技术提供各种信息的感觉器官传感器技术还跟不上计算机技术的协调发展, 已出现了信息处理功能发达、检测功能不足的局面, 直接影响了计算机的推广和应用, 目前这个问题已引起了世界各国的高度重视, 世界各国都在积极开发和发展传感器技术。世界上一些工业发达国家用于传感器方面的研制投资在不断递增, 特别是日本, 把传感器技术作为第一位的技术来发展。可以说, 一个国家现代化水平是用自动化水平来衡量的, 而自动化水平是由采用传感器的种类多少和质量来衡量的。 2 传感器的种类和性能
在传感器种类中, 用于非电量测试的传感器种类繁多,这一方面反映了传感器技术在新的技术革命中的活跃性,另一方面给选用传感器的用户带来了许多困难。
到底哪种传感器更适用, 这就需要对于常用非电量测试的传感器作一个比较。常用的非电量测试的传感器有: 模盒电位计式、差动电感式、金属应变式、电容式、压电式以及新产品数字和光导纤维传感器等等。这些产品虽各有千秋, 但也各有其不足之处。如压电式传感器虽在高频振动的测试中有优越之处, 但它的阻抗高, 给二次仪表带来了困难; 同时,它对低频振动或单向静压中的动态测试也无能为力, 因为它有一个电荷积累和损失问题。又如, 新型光导纤维传感器虽然其适用温区宽, 不需要引入电量, 绝对防爆; 但它增加了一层信息转换, 造成了系统的复杂性, 增加了一次误差引入的机会。在这种情况下, 一种全新的产品压阻式传感器应运而生。
压阻式传感器的优越性
压阻式传感器, 由于不存在上述问题, 而且自身还有许多优越的特性, 所以它是非电量测试的最理想的一次元件。
31 灵敏度高
导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时, 其电阻值亦将发生变化。根据这种效应可将变片粘贴于材料上, 这样被测材料受到外力的作用产生的应变就会传到应变片上, 使应变片的电阻发生变化, 通过测量应变片电阻值的变化就可得知被测量的大小。
32 精度高
由于硅单晶具有良好的线性压阻系数, 而且这种传感器实现了弹性元件与应变元件的一体化, 不存在由于机械上的缺陷和应变粘贴时造成的迟滞和重复性误差, 因此这种传感器容易做到很高的精度。
33 稳定性好
我们都知道, 半导体的电阻随温度的变化而变化比较大。但由于半导体压阻式传感器在芯片上采用了惠斯顿电桥, 从工艺和外电路上对温度漂移进行了多种方
法的补偿,有效地抑制了电阻的温度系数, 使半导体压阻传感器的稳定性完全不亚于其它传感器。目前半导体压阻式传感器的使用温区可达- 40~ + 80 。 34 体积小
由于半导体压阻式传感器采用集成电路工艺, 把应变电阻桥集成在一个很小的硅片上, 而且在不断地完善外壳封装技术, 故此, 这种传感器的体积可以做得很小。而这是其他传感器很难做到的。
35 分辨率高, 频响高, 动态响应好
从理论上讲, 半导体压阻式传感器的分辨率是无限的,但限于二次仪表的分辨能力, 目前还无法做到。在实际中,半导体压阻式传感器的分辨率是相当高的。 由于硅材料具有很高的刚性系数, 且芯片的直径很小,所以半导体压阻式传感器的敏感膜片的固有频率很高。同时半导体压阻式传感器的压力腔可长可短, 因此它的动态响应非常好。