论文传感器在生产制造中的应用及发展趋向研究定稿

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1、摘要：近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。新型传感器 的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了 传统仪器仪表产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新 的经济增长点。关键词：传感器现代工业未来趋势1. 传感器及基本特征国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照 一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组 成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受 到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满 足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要

2、求。它是实现自动检 测和自动控制的首要环节。传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特 性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处 于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入 量的响应特性。一般来说，传感器的输入和输出关系可用微分方程来描述。理论上，将微分 方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即可得到静态特性。因此传感器的静特 性是其动特性的一个特例。传感器除了描述输入与输出量之间的关系特性外，还有与使用条件、使用环 境、使用要求等有关的特性。1传感器的静特性

3、传感器的输入-输出关系:输入（外部影响：冲振、电磁场、线性、滞后、重 复性、灵敏度、误差因素）一传感器一输出（外部影响：温度、供电、各种干扰 稳定性、温漂、稳定性（零漂）、分辨力、误差因素）。人们总希望传感器的输入与输出成唯一的对应关系，而且最好呈线性关系。 但一般情况下，输入输出不会完全符合所要求的线性关系，因传感器本身存在着 迟滞、蠕变、摩擦等各种因素，以及受外界条件的各种影响。传感器静态特性的主要指标有：线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、 漂移、稳定性等。2传感器的动特性动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。只要

4、 输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间关系要用动特性来说 明。设计传感器时要根据其动态性能要求与使用条件选择合理的方案和确定合适 的参数；使用传感器时要根据其动态特性与使用条件确定合适的使用方法，同时 对给定条件下的传感器动态误差作出估计。总之，动特性是传感器性能的一个重 要方面，对其进行研究与分析十分必要。总的来说，传感器的动特性取决于传感 器本身，另一方面也与被测量的形式有关。（1）规律性的：1）周期性的：正弦周期输入、复杂周期输入；2）非周期 性的：阶跃输入、线性输入、其他瞬变输入（2）随机性的：1）平稳的：多态历经过程、非多态历经过程；2）非平稳 的随机过程。在研究动态

5、特性时，通常只能根据“规律性”的输入来考虑传感器的响应。 复杂周期输入信号可以分解为各种谐波，所以可用正弦周期输入信号来代替。其 它瞬变输入不及阶跃输入来得严峻，可用阶跃输入代表。因此，“标准”输入只 有三种；正弦周期输入、阶跃输入和线性输入。而经常使用的是前两种。2. 传感器的种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：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。

6、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2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。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

7、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)O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：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

8、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）在己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，应用那些己知的现象、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，

9、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 A1203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。每种工艺技术都有自己的优点和不足。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。转速传感器一一就是旋转编码器，将转速转换成脉冲波（5VDC）送入PLC或其它 处理器进行处理。

10、电流传感器一一就是电流变送器，将0-5A或更大的电流信号转换成420mA或 020mA的标准控制信号给处理器。电压传感器一一就是电压变送器，将0100V或更大的电压信号转换成010V的标 准控制信号给处理器。振动传感器一一检测机械设备的振动，进行线性输出或继电器输出。霍尔传感器一一就是电感式的接近开关，采用霍尔原理。检测距离不会超过 lOmni。输出信号一般都是直流三线制的PNP或NPN输出。缸压传感器就是压力传感器，可以输出继电器信号也可以是线性信号。空气流量传感器可以输出继电器信号或电压、电流的线性信号。氧传感器节气门位置传感器温度传感器这个一般都是线性的电压输出。4. 新型传感器近年来，

11、传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。新型传感器 的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了 传统产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增 长点。微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，目前己成功应用 在硅器件上形成硅压力传感器。微电子机械加工技术包括体微机械加工技术、表 面微机械加工技术、LIGA技术（X光深层光刻、微电铸和微复制技术）、激光微 加工技术和微型封装技术等。MEMS的发展把传感器的微型化、智能化、多功能 化和可靠性水平提高到了新的高度。传感器和检测仪表在微电子技术基础上，内 置微处理器，或把微传感器和微

12、处理器及相关集成电路等封装在-起完成了数字 化、智能化、网络化、系统化。MEMS技术还完成了微电动机或执行器等产品。 网络化方面，目前主要是指采用多种现场总线和以太网（互联网），这要按各行 业的特点,选择其中的一种或多种,近年内最流行的有FF、Profibus. CAN、 LonWorks AS-i、InterbusTCP/IP 等。除MEMS夕卜，新型传感器的发展还有赖于新型敏感材料、敏感元件和纳 米技术，如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面陈列红外探测器、生物传感 器、纳米传感器、新型量子传感器、微型陀螺、网络化传感器、智能传感器、模 糊传感器、多功能传感器等。多传感器数据融合技术正在形

13、成热点，它形成于20世纪80年代，它不 同于一般信号处理，也不同于单个或多个传感器的监测和测量，而是对基于多个5传感器测量结果上的更高层次的综合决策过程。鉴于传感器技术的微型化、智能 化程度提高，在信息获得基础上，多种功能进一步集成以致于融合，这是必然的 趋势，多传感器数据融合技术也促进了传感器技术的发展。多传感器数据融合的 定义概括为：把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资 源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的 冗余和矛盾，加以互补，降低其不确定性，获得对被测对象的一致性解释与描述, 从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获

14、得更充分的信息。 其信息融合在不同信息层次上出现，包括数据层（像素层）融合、特征层融合、 决策层（证据）融合。由于它比单一传感器信息有如下优点，即容错性、互补性、 实时性、经济性，所以逐步得到推广应用；应用领域除军事外，已适用于自动化 技术。5. 传感器的发展趋向1、向高精度发展：随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制 出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自 动化的可靠性。目前能生产万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远 远不能满足要求。2、向高可靠性、宽温度范围发展：传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠

15、性、宽温 度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器 其工作范围都在-20C70C,在军用系统中要求工作温度在-40C85C范围， 而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传 感器将很有前途。3、向微型化发展：6各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好, 因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利 用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧 等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制 成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。4、向微功耗及无源化发展：传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远 离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无 源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前， 低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有1. 5财，而工 作电压只需25V。5、向智能化数字化发展：随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单 一的模拟信号（如0lOniV）,而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带 有控制功能，这就是所说的数字传感器。一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传