传感器的定义和分类

 

一、传感器的定义

　　信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。　　最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 点击图片，可能获得更佳效果,：

图1-1 传感器系统的框图

 　　传感器系统的原则框图示于图1-1，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。　　德国和俄罗斯学者认为传感器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，传感器还包含了信号成形器的电路部分。　　传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源(参阅图1-2(a))。点击图片，可能获得更佳效果,：

图1-2有源(a)和无源(b)传感器的信号流程

　　无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能(参阅图1-2(b))。

　　传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。

　　各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。　　常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：

　　光敏传感器——视觉
　　声敏传感器——听觉
　　气敏传感器——嗅觉
　　化学传感器——味觉
　　压敏、温敏、流体传感器——触觉

　　与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。

　　对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是：

• 高灵敏度
• 抗干扰的稳定性(对噪声不敏感) 　　
• 线性　　
• 容易调节(校准简易) 　　
• 高精度　　
• 高可靠性 　
• 无迟滞性　　
• 工作寿命长(耐用性) 　　
• 可重复性　　
• 抗老化 　　
• 高响应速率　　
• 抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力 　　
• 选择性　　
• 安全性(传感器应是无污染的) 　　
• 互换性　　
• 低成本 　　
• 宽测量范围　　
• 小尺寸、重量轻和高强度 　　
• 宽工作温度范围

二、传感器的分类

　　可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

　　根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类，其分类示于图1-3。

　　图1-3按传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

　　化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

　　有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

　　常见传感器的应用领域和工作原理列于表1.1。

按照其用途，传感器可分类为： 　　 　　

• 压力敏和力敏传感器
• 位置传感器 　　 　　
• 液面传感器
• 能耗传感器 　　 　　
• 速度传感器
• 热敏传感器 　　 　　
• 加速度传感器
• 射线辐射传感器 　　 　　
• 振动传感器
• 湿敏传感器 　　 　　
• 磁敏传感器
• 气敏传感器 　　 　　
• 真空度传感器
• 生物传感器等。

以其输出信号为标准可将传感器分为：

• 模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。
• 数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。
• 膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。
• 开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

　　在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：

1. 按照其所用材料的类别分 金属 聚合物 陶瓷 混合物
2. 按材料的物理性质分 导体 绝缘体 半导体 磁性材料
3. 按材料的晶体结构分　单晶 多晶 非晶材料

与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：

1. 在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。
2. 探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。
3. 在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。

　　现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。

　　按照其制造工艺，可以将传感器区分为：集成传感器 薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器

　　表1.2半导体和介质材料的能量转换(调制)能量转换(调制)

集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

　　薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。
　　厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。
　　陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。

　　完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型

　　从列于表1.3中的比较中可知，每种工艺技术都有自已的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。

表1.3 传感器制造工艺的比较特性 ：

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OTL功放电路中的自举电容

    　图1是一个典型的OTL电路，电路中的C1称为自举电容。它在电路中作用如何？为分析方便将图1简画成图2。
    　图2的电路中是没有C1的情况，在功放中各级的放大管总是考虑充分利用的，即在输入信号U1的作用下，放大管工作在接近饱和与截止。此时从充分利用输出管的角度出发。希望BG1的集电极饱和此时VCE1=0.5~1V左右，故E点电位VE=-(24-VCE1)，因VCE1饱和压降非常小，可忽略不计所以VE=-24V。当U1负半周达峰时，则BG1截止，BG2导通并接近饱和此时VE接近为0伏，那么负载RL得到的高流电压平均峰值为12V。
    　上述是理想情况下的情形，但实质上图2电路是做不到的，当BG1饱和时，|VE|不可能达到V1。这是因为BG1实质上是一个发射极输出器，所以 VE≈VB，当BG1导通时它的发射极流入负载的电流增大，从而使|VB|减小，因此|VE|就不可能达到24V，这样RL的平均峰极电压将小于12V。
   　 从以上分析可知，最简单的解缺办法是用一个比24V高的电源电压来给BG1供电。这样由于A点电压的提高，|VB|也就提高了。于是放大器的输出电压幅度也有条件增加。电路中利用图1中的C1和R5可在不增加供电电压的条件下来提高A点的电位，其原理如下：在静态时VA=-（24-IC3*R5） ≈-24V，而VE=EC/2=-12V，那么电容C1上的电压VC1就是VA和VE之差是12V。因此电容C1被充电到12V。当加入信号U1，BG3 导通时VE从-12V向更负方向变化（这是因为BG1开始导通）即|VE|增加，由于A点电位VA=-（VC1+|VE|）因此随着|VE|增加， |VA|也自动增加。例如当|VE|变到24V时，|VA|可达12+24=36V，这就相当于A点由一个36V的电源供电一样。电阻R5的作用是把A点和电源EC隔开，这样A点电压增加才有条件。
    　由上可知，利用C1可把A点电位|VA|自动提高故电容C1我们叫做自举电容。

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设计分析:高速应用中电流反馈运放电路

电流反馈放大器不受基本增益带宽积的限制，随着信号幅度的增加，带宽的损失非常小。因为可以在最小失真的条件下对大信号进行调节，这些放大器在非常高的频率下通常都具有优异的线性度。而电压反馈放大器的带宽随着增益的增加降低，电流反馈放大器在很宽的增益范围上维持其大部分带宽不变。

　　正因为如此，准确地说，电流反馈运放没有增益带宽积的限制。当然，电流反馈运放也不是无限快，其压摆率(Slew Rate)不受内部偏置电流的限制，但受三极管本身的速度限制。对给定的偏置电流，这就容许不用通常可能影响稳定性的正反馈或其方法来获得较大的压摆率。
　
　　那么如何构建这些电路呢？电流反馈运放具有一个与差分对相对的输入缓冲器，该输入缓冲器大多数情况下常常是射极跟随器或其它非常类似的电路。正相输入端具有高阻抗，而缓冲器的输出，即放大器的反相输入具有低阻抗。相比之下，电压反馈放大器的输入都是高阻。

　　电流反馈运放的输出是电压，并且它与流出或流入运放的反相输入端的电流有关，这由称为互阻抗(transimpedance)的复杂函数Z(s)来表示(图1)。在直流时，互阻抗是一个非常大的数，并且像电压反馈运放一样，它随着频率的增加具有单极点滚降特性。

　　电流反馈运放灵活性的关键之一是具有可调节的带宽和可调节的稳定性。因为反馈电阻的数值实际上改变放大器的交流环路的动态特性，所以能够影响带宽和稳定性两个方面。加之具有非常高的压摆率和基于反馈电阻的可调节带宽，你可以获得与器件的小信号带宽非常接近的大信号带宽。在甚至更好的情况下，该带宽在很宽的增益范围内大部分都维持不变。而因为具有固有的线性度，你也可以在高频大信号时获得较低的失真。

如何发现最佳的反馈电阻RF

　　由于放大器的交流特性部分地取决于反馈电阻，这就让我们能够针对每一个特定的应用“量身定制”放大器。降低反馈电阻的数值将提升环路增益。为了保持稳定性和最大的带宽，在低增益时，反馈电阻要设置为较高的数值；随着增益的上升，环路增益自然降低。如果需要高的增益，可以利用较小的反馈电阻来部分地恢复环路增益。

图1：具有Z(s)和反馈电阻的电路示意图

图2：能够体现LMH6714特色的不同RF条件下的频率响应

　　在图2中你可以看到随着你改变反馈电阻带宽所发生的变化。在右手曲线的远处，反馈电阻RF等于147Ω，你可以看到频率响应具有相当大的峰值。该曲线也具有最高的带宽。减小该电阻到远远低于这个147Ω，会导致你的脉冲响应出现振铃，如果再进一步减小该电阻，实际上就会发生振荡。RF等于300Ω的曲线具有优异的平坦度和增益，并仍然具有与峰值频率响应可比的良好带宽。

　　所以，我们不必牺牲太多的带宽就已经获得了很高的稳定性。利用600Ω的反馈电阻，你就能调节回你的频率响应。例如，如果一个应用仅仅需要50~60MHz的带宽，在该频段内的任何信号都会对噪声有所贡献，你可以利用反馈电阻来调节你的器件的频率响应。在如此有限的带宽内，利用如此高速的放大器的原因在于它提供优异的信号保真度。

图3：建议反馈电阻与正相增益的关系

　　图3来自相同器件的数据表，该图说明了对给定正相增益的推荐反馈电阻。正如预期的那样，对增益为2的放大器推荐采用300Ω的电阻，它具有最佳的增益平坦度、建立时间和速度的组合。此外，从该图中可以看到，对增益为1的放大器需要采用600Ω的反馈电阻来获得最优化的性能。这是因为环路增益非常高，较大的电阻值对于稳定性是必需的。这就是与电压反馈架构的主要差异。电流反馈放大器在使用时不能把输出与反相输入短路连接。

　　数据表上指定的最常用的电阻是针对增益为2的放大器。然而，你可以从图2中看到，你最终使用的实际数值有很大的灵活性，在数据表中所推荐的数值是在性能表和曲线中公布的规范所使用的数值。

　　如图3所示，对于增益为5的放大器，RF下降到200Ω。该增益设置电阻现在仅仅是50Ω，所以我们获得的输入缓冲电阻和增益设置电阻的值相近。这就降低了运放的闭环互阻抗，并将随着增益的提高而开始限制带宽。在增益为8时，我们要把反馈电阻提高到275Ω。对于更高的增益，一旦不能降低反馈电阻来提高增益，带宽将受到损失，而且放大器开始呈现电压反馈放大器的特性。

电路板的布局

　　一般来说，在电流反馈放大器或高速器件的应用中，要仔细考虑的事情之一就是电路板的布局设计。表面安装的陶瓷电源旁路电容要非常靠近该器件，典型距离小于3mm。如果需要更大的电容，可以在电路板上较远的地方布置电解电容。电路板上常常有电压调节器，这时，在电压调节器供应商推荐的电解电容之外，不必要采用额外的电解电容。

　　布置在放大器附近的小陶瓷旁路电容为放大器的高频响应提供能量。根据放大器的速度和被放大的信号速度，可能要采用两个数值大约相差10倍的陶瓷电容。例如，一个400MHz的放大器可能采用并连安装的0.01uF和1nF电容。

　　当购买电容时，核查其自谐振频率至关重要，自谐振频率在此频率(400MHz)上下的电容毫无益处。地和电源层有助于为地电流和电源电流两者提供低的阻抗路径，在放大器的输入和输出引脚以及反馈电阻的下面，要避免走地和电源层，这样做有助于通过减小不想要的寄生电容来维持放大器的稳定性。

　　要在可能的地方尝试采用表面贴装器件，这些器件提供最佳的性能并占用的电路板空间也最小。电路板的布线应该保持尽可能地短，并应该调整其长宽以最小化寄生效应。在电源布线上，最坏的寄生特性是直流电阻和自感，所以电源布线要尽可能地宽。另一方面，输入和输出连接线常常承载非常小的电流，所以容性寄生效应对它们的危害最大。对于超过1cm的信号路径，最好采用受控阻抗和两端终接(匹配电阻)的传输线。

因为无法避免小量的寄生负载，电流反馈放大器的反馈电阻为特殊应用提供调整放大器性能的灵活性。面对真正具有挑战性的电路板设计，即使采用非常大的反馈电阻可能也是不够的。

驱动容性负载

图4：利用串联输出电阻实现对容性负载的隔离

　　如图4所示，通过引入一个电阻(ROUT)，放大器几乎可以驱动任何大小的电容而没有稳定性问题。这是电压和电流两种反馈放大器常用的技术，当驱动高速模/数转换器时，该技术特别有用。ROUT电阻被放置在运放和容性负载(即ADC)之间。只要电路板空间允许，要把电阻靠近放大器放置。

图5：LMH6738推荐的ROUT与容性负载的对比

 　　在图5中，图表上的曲线显示了根据电容大小建议的ROUT电阻数值。该图表是根据1kΩ的阻性负载绘制的。如果RL的数值较小，ROUT也可以更小。另一个选项是把ROUT放在反馈环之内(图中没有标出)。你可以把RF连接到隔离电阻的输出侧，而不是图中ROUT和放大器之间用RF连接。这样做将保持增益的精度，但是跟在其它例子中一样，你将仍然在隔离电阻上损失相同大小的电压摆幅。尽管该技术确实有其缺陷，但应该这样实现。

　　因为电阻和电容形成一种低通滤波器，对于这种电路的应用，存在某种带宽的损失。实际应用表明，无论电阻阻值多大，电容越大就越难驱动，并降低带宽。

降低系统噪声

　　如果你正在构建一种IF放大器或低频RF放大器，那么把噪声最小化就特别重要。利用电流反馈放大器，增加反馈电阻常常能减小系统的噪声，这是因为频率响应衰减得比电阻噪声的上升要快。

　　为了减小跟随放大器电路的那部分噪声，非常重要的一点是仅仅采用必需的带宽，而不要选用超过应用需求的带宽。除了采用反馈电阻的最佳数值之外，你可以给电路添加附加的滤波电路。

　　利用Sallen-Key滤波器拓扑，滤波器常常可以被恰当地合并到放大器的反馈网络中。如果可能的话，交流耦合将有助于消除低频噪声，那常常就是所谓的1/f噪声，目标是滤除在你的放大带宽之外的所有噪声。从系统的层面考虑，要求在电路中尽早布置最低噪声和最高增益的模块。你提高增益越早，其后噪声对你的信号的影响就越小。如果可能的话，要避免大的信号源电阻，电阻增加的热噪声与电阻值成正比。

电压反馈放大器的优势

　　如果比较电流反馈和电压反馈两种放大器，你会发现电压反馈放大器在某些方面可能具有一定优势。利用电流反馈拓扑，输入偏置电流并没有系统地匹配。正相输入比反相输入阻抗更大—通常具有更低的输入偏置电流。反相输入偏置电流通常将比较大，如果偏置电流必须流过大阻值的电阻的话，这样做可能导致输入电压的偏移。

　　在电流反馈器件上的偏移电压可以被匹配并使之相当小，但从系统的观点看，它们不可能完全为零。所以，虽然典型的电流反馈放大器的偏置电压可以被设计得非常好，但是它将随着正常的工艺批号及温度而变化比较大。如果需要非常高精度的输入偏置电压，那么电压反馈放大器通常是比较好的选择。

　　电流反馈放大器的缓冲器配置需要一个反馈电阻，而电压反馈放大器可以采取直接短路连接。这样做通常没有问题，除非在设计中取代现有的电压反馈放大器。最后，在电流反馈放大器的反馈环路中，电容会引起不稳定性。一些常用的电路拓扑不适合于电流反馈放大器，对于大多数这些电路，需要重新设计电路板，以使之满足电流反馈放大器工作的要求。

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８．转基因生物新品种培育

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１１．大型飞机

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１３．载人航天与探月工程

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