传感器的发展历史

传感器的发展历史传感器的发展历史与趋势随着新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是如何获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然领域中信息的主要途径和手段。以现代飞行器为例，它装备着各种各样的显示和控制系统，用以保证各种飞行任务的完成。而反映飞行器飞行参数、飞行姿态，发动机工作状态的各种物理参数，都要利用传感器予以检测，一方面显示出来提供给驾驶人员去控制与操纵，另一方面传输给各种自动控制系统，进行飞行器的自动驾驶和自动调节。例如“阿波罗10'的运载火箭部分，检测加速度、声音、温度、压力、振动、流量、应变等参数的传感器共有2077个，宇宙飞船部分共有各种传感器1218个。它们的数量很大，要求也很高。甚至在飞行器研制过程中，也要用各种传感器对样机进行大量的地面测试和空中测试，才能确定是否符合各项技术性能指标。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域。例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到lo—1，m的粒子世界。纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到10—x+s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、发现新材料等具有重要作用的各种极端技术的研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内有新的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。在古代用来丈量土地的直尺，可以认为是人类应用最早的传感器。当然，这种传感器的功能单一，其应用方式也与现代的传感器有着很大的不同，但是，应当指出，传感器的发展是伴随着人类文明的发展而一同进步的。传感器的真正发展是在新技术革命开始之后。随着大规模工业生产的开展，对诸如蒸汽机压力，汽车速度等测量的要求，催生出了现代传感器。但早期的传感器结构都比较简单，而且往往和整个系统集成在一起，并不作为单独的设备而存在。随着科学技术的进步，人类对未知世界探求的深度和广度都在不断扩展，顺应这一发展形式，传感器也从原理和应用范围上发生着巨大的变化。曰前，传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、健康管理、生物工程甚至文物保护等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各式各样的传感器。在传感器应用的初期，大都采用单一功能的传感器来测量相应的温度、压力、位移等信息。随着系统规模不断扩大，系统复杂性不断提高，所需要探测的信息量也不断增多，受空间、成本等的影响，在同一位置放置多个传感器越来越困难，因此，在这种情况下，“复合”传感器应运而生。早期的复合传感器基本上是把不同功能的传感器简单地叠加在一起，应用目的主要在于减小体积，降低成本。随着微纳米技术的发展，实现功能上集成的复合传感器开始大规模应用。如能同时测量速度与加速度的传感器，同时测量温度与湿度的传感器等。随着2l世纪的到来，传感器的发展呈现出集成化、多功能化和智能化的趋势。1)集成化半导体集成技术与厚、薄膜技术的结合，使传感器集成化成为可能。把信息获取、放大、变换、传输以及信息处理和存储都制作在同一基片上，并且具备反馈功能。传感器的集成化为敏感元件的小型化与微型化以及为提供高质量、长寿命、低功耗、低售价和特殊功能的新一代的敏感元件创造了条件。传感器集成化的另一个含义是把一些同样的单个传感器配置于同一个面上。将一些传感器配成一列，称为一维传感器；将一些传感器配置成矩阵，称为二维传感器，如典型的线阵与面阵CCD传感器。2)多功能化传感器的功能化一般是指传感器本身不仅具有检测功能，而且还兼有信号处理等其它的功能。并且，传感器复合其它功能，从而产生出新的功能，也是功能化的一种类型。例如，有一种热敏传感器就是由温度传感器与开关元件集成化而构成的。对这种元件，要将其集电结的反向饱和电流设计成灵敏的随温度而变化，能起控温作用的结构形式。这种器件同时具备温度传感器与开关两种功能。利用多种物理、化学、生物效应或传感器与相应电子测量电路相结合，使传感器多功能化、这是目前传感器的一种趋势。例如，超微粒热／湿／汽敏多功能敏感器件以及集成温度传感器、集成压力传感器、集成磁阻传感器等都属于此类传感器。3）智能化过程数据处理功能智能传感器不但能放大信号，并能使信号数字化，再用软件实现信号调节。一般来说，传感器不能输出线性信号，而过程控制却把线性度作为重要的追求目标。智能传感器通过查表方式可使非线性信号线性化，从而极大地扩展了传统的传感器在过程控制中的应用范围，提高了系统的总体精度。另外，智能传感器还能通过数字滤波器来减少噪声或其它相关效应的干扰，用软件实现非线性补偿和其它更复杂的补偿，从而极大地提高了原有传感器的特性，降低了系统的成本，提高了系统的整体性价比。有时必须测量和处理几个不同的物理量，这样将给出各自的数据，智能传感器中的微处理器使用户很容易实现多个信号的加、减、乘、除运算。最重要一点是智能传感器可将过程的数据处理放到接近信号产生点进行，这样带来了极大好处：其一，由于把附加信号发送到控制室成本较高，而采用智能传感器就省去了附加传感器和引线的成本；其二，由于附加信息是在信息的应用点检测到的，这样就大大降低了长距离传输的负效应，如噪声、电压降等，从而使信号更准确；其三，可以简化主控制器中的软件，提高控制环的速度。除此以外，智能传感器还具有以下几个特点：(1)自诊断能力。智能传感器提供先进的白诊断功能：一是智能传感器专为在特定物理条件下工作而设计，可以监视其工作环境，并当环境条件接近临界极限时给出报警信号；二是智能光电传感器能通过分析其输入信号状态给出诊断信息，如反射器校直发生偏移或透镜表面受污染则给出报警信息；三是当传感器内部发生故障时，智能传感器可自己监测出内部出现的临界参数，如果某个参数超出临界指标，将给出报警信号。通过内部测试环节，传感器还可检测出一些不正常现象或故障。(2)组态功能。灵活的组态功能大大减少了用户需要研制和更换必备的不同传感器类型和数量，利用智能传感器的组态功能可使同一类型的传感器工作在最佳状态，并且能在不同场合从事不同的工作。(3)存储功能。智能传感器可以存储大量的信息，用户可随时查询。(4)数字通信。智能传感器本身带有微控制器，因此属于数字式的，能配置与外部连接的数字串行通信。把串行通信配接到装置上，可以有效地管理信息的传输，使数据只在需要时才输出。(5)自适应技术。自适应技术可延长器件或装置的寿命，同时也扩大其工作领域，因为它能自动适应不同的环境条件。白适应技术提高了传感器的重复性和准确度，因为其校正和补偿数值已不再是一个平均值，而是测量点的真实修正值。2．2常用传感器本章从实用的角度出发，对在测试系统中应用最为广泛的一些传感器进行重点介绍。2．2．1电阻式传感器电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。它的类型很多，在几何量和机械量测量领域中应用广泛，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。．一般来说，电阻式传感器的结构简单、性能稳定、灵敏度较高，有的还适合于动态测量。常用的电阻式传感器传感元件有应变片、半导体膜片和电位器等。由电阻式传感器元件分别制成了应变式传感器、压阻式传感器和电位器式传感器等。本书只对应用范围最广的应变式电阻传感器进行简单介绍。1．．工作原理应变式传感器基本上是利用金属的电阻应变效应将被测量转换为电量输出的一种传感器。当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。如图2．1所示，一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为R＝户圭(2．1)式中，卢为电阻丝的电阻率，L为电阻丝的长度，S为电阻丝的截面积。图X．1电阻Bg应哭双匝当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长AL，横截面积相应减小AS，电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而改变，故引起电阻值变化AR。对式(2．1)全微分，并用相对变化量来表示，则有AR＝AL—AS+ap(2．2)式中，AL二户e为电阻丝的轴向应变。若径向应变为Ar，由材料力学可知，A_5＝一伞＝一／／．E，户为电阻丝材料的泊松系数，又因为AS＝2Ar，代人式(2．2)可得!AR＝(1+2户)s+ap(2．3)通常把单位应变引起的电阻值相对变化称做电阻丝的灵敏系数，其表达式为A。：；二aR／R