传感器的功能与使用

随着我国社会主义建设的蓬勃发展，国民经济各部门都在大力推进技术进步。传感器作为提高生产技术水平和达到生产自动化的重要工具，它的应用范围将越来越广泛。下面想就传感器的功能和使用方法作一简单介绍。

有一些元件或装置，对外界物理和化学变化十分敏感，我们称它们为敏感元件或装置。

在科研和生产实践中，我们经常要和各种物理量和化学量打交道。例如经常要检测长度、重量、压力、流量、温度、湿度、光强、日照、酸碱度和化学成分等等。在生产水平稍高的情况下，生产人员较多地依靠仪表来完成检测工作。这些检测仪表，如温度计、湿度计、流量计、压力计、日照计和PH计等，它们都包含有或者本身就是敏感元件，能很敏锐地反映待测参数的大小。

在为数众多的敏感元件当中，我们把那些将非电量形式的参量转换成电参量的元件叫做传感器。之所以作如此划分，其道理是显而易见的。这是因为在电子学高度发展的今天，电信号最容易显示、记录，传送、变换和处理，比用温度计、压力计等机械或其他形式的仪表能得到更快更准确的测量结果。因此总希望把被测参量变换成电量形式。以检测温度为例，若只想测量和记录温度，可采用热电偶或热敏电阻作传感器，配以毫伏表、记录仪和极简单的电路。若还想把温度控制在预定值上，可配上自动调整电路。然而，若要对一个复杂的生产过程全面进行控制，则须采用以工业控制计算机为中心的全套控制系统。不论是最简单的显示和记录，还是很复杂的调整与控制，都是在用各种电路技术与手段对电信号进行加工和处理，因此都需要传感器这种敏感元件预先把非电量形式的物理、化学等参量转化成电量。要使生产向更高水平发展达到所谓自动化，就意味着对电信号进行大量加工与处理，如果没有传感器，就很难实现现代化生产。

在一些先进企业中，生产操作人员很少，但产品质量之高，产量之大却令人瞩目。究其原因，一个重要的因素就是那里有着成千上万的传感器在起着耳目的作用，每时每刻都在严密“监视”着每一生产细节。近年来崭露头角的机器人能大大减轻人的体力劳动和脑力劳动，并可在十分恶劣的环境下工作，忠实地执行人的命令。机器人的“大脑”是电子计算机。而各式各样的传感器则赋予机器人以“视觉”、“听觉”和“触觉”。作为尖端技术之一的遥感技术，更是集中采用了许多高灵敏度、高精度、高可靠性的传感器。在资源卫星上采用遥感技术，能观察地面上植物的分布和生长状况，预计作物收成；能勘察人迹未到的地区的矿藏；还能发现地下河流或湖泊。总之，能完成人们在地面上难以完成的许多工作。我国国土十分辽阔，有着大量宝贵的自然资源等待勘探和开发。在这项工作中，传感器将发挥其“千里眼”的威力，有广阔的发展前途。

在当前要对现有企业进行技术改造，传感器更有其用武之地。随着人民物质文化生活水平的日益提高，传感器愈益广泛地进入人们日常生活之中。像电子售货秤、烹调控温、火灾预警、能显示脉搏、血压和体温的电子手表、收录机上的话筒、电唱机上的拾音头，录相机上的摄象管、彩色电视机上的接触开关和电子玩具等均是生动的实例。

非电形式的参量种类很多，传感器也因而多种多样。有对温度敏感的热敏元件如热电偶、铂电阻、热敏电阻和热释电器件；有对湿度敏感的湿敏元件如湿敏电阻；有对磁场敏感的磁敏元件如霍尔元件、磁敏二极管和晶体管；有对可燃性气体敏感的气敏元件如气敏电阻，测氧探头：有对力或压力敏感的力敏元件如力敏电阻和电桥；有对光敏感的光敏元件如光电池、光电二极管和晶体管、光电闸流管；另外还有一类对位置或位移敏感的传感器件如码盘、差动变压器等。

由以上列举的例子来看，大部分传感器是半导体器件。我们知道，随着半导体技术的出现，晶体管和集成电路使传统的电路技术面貌一新。而半导体用于制作传感器则是半导体技术的又一重大贡献。许多古老的传感器件一旦用半导体来制作，灵敏度就大大提高。力敏电阻比金属丝或箔式应变片的灵敏度高十到数十倍，热敏电阻比铂电阻灵敏度高几个数量级。可是，不能由此认为似乎今日的传感器就只有半导体传感器最好。压电晶体和陶瓷、光纤维转速传感器等还是半导体器件所望尘莫及的。

传感器的输出信号可分为两类。一类像光电池、热电偶、压电陶瓷，它们输出的是电压或电流。对于这些传感器，我们只须配备电压电流表，或者附加以电压电流放大器即可。另一类像光敏电阻、电容传感器、电感（或互感）传感器，它们输出的只是电路参数的变化。因此须要配以适当电路将这些变化的参量转换成交直流的、或脉冲的、或振荡的电压电流信号。比方可将敏感电阻、电容和电感接入电桥中成为电桥之一臂。也可以将它们接入脉冲形成或振荡回路作为一个振荡元件。至于采用哪种方式要依实际要求和目的而定。

传感器的工作原理很简单，使用也不困难。但是如何用好用巧却是个很有意思的问题。首先，因为要测的参量种类很多，而传感器的产品种类有限，有的参量没有合适的传感器产品可用。这就需要将待测参量转换成传感器能测的参量。例如在图la中，为了测量加速度，将力敏电阻贴在弹性片上。弹性片的一端和待测物件相连，另一端上安装一重块。当物件向前加速运动时，重块受一向后的惯性力使弹性片弯曲，力敏电阻产生正比于弯曲程度的信号，然后再折算成加速度。若要测量油量、水位或测量土壤，物料的水份，可利用面积或介电常数的变化测两极板间的电容量再换算出来，如图Ib。要想测血液中的含氧量，可用光通过耳垂，比较红光和绿光吸收程度来鉴别（含氧量越高，血色越红），见图1c。

其次，这种转换方法并不是唯一的。换句话说，对于同一个参量可以用不同的传感器来测量。比如要测液体的流量，可以像图2a那样使用差压传感器来测，流速越大，压差也越大。也可将涡轮置入流体中，如图2b，流体推动涡轮旋转发出电脉冲。还可以用两只压电超声换能器分置于上下游两位置，利用声音在不同流速的液体中传播速度的差异来测定流量如图2c。如果流体是酸碱盐之类有导电性能的液体，还可以橡图2d那样在管道外加一对磁极，和磁场垂直方向上安装一对探测电极，那么，当液体流动时探测电极上会出现电压信号。

一种传感器就像一个万花筒。只要开动脑筋就可以发掘出许多截然不同的用途来。假如手头有些光电元件，可以利用它们对光线强弱的反应制成放映机的还音装置、路灯的自动开关、烟雾报警、选矿选种、液位或料位显示、织机的自动探纬和换梭等。利用光电元件的光谱特性，在光电元件前放置一滤光片，可用于光电测温、血氧计、彩色制板的电子分色，预计还能用于中医自动诊断所急需的舌象仪。此外，在自动化生产线上，用一只光电元件可以判断工件的有无，并计数。用两只光电元件还能判断工件传送方向（由哪个元件先被遮光而定）。用四只或更多光电元件组成的阵列则可以判断工件的位置和姿态。

我们在选择和使用传感器时首先要了解传感器的灵敏度和量程。若待测信号很大，超过传感器的量程，可设法将信号衰减后再测量。但更为普遍的情况是待测信号很小，而传感器的灵敏度还嫌不够，可采取一些辅助措施。在图3a中设入射光十分微弱，先用透镜使其聚焦，再用机械调制盘使它断续地投射到光电元件上。由光电元件输出的信号经放大和相敏检波，就能很可靠地测定入射光强。在图3b中要测两个端面间的温差，当此温差很小时，可采用若干对热电偶串联起来就能提高信号电压。

和灵敏度具有同样重要性的是传感器的稳定性。使用时应注意该传感器是否会轻易地随环境条件变化，是否随时间发生漂移。半导体传感器灵敏度高是一大优点，但稳定性差是其根本弱点。对稳定性考虑不周会造成假象和意外损失，所以在使用上应采取相应措施改善稳定性。一种做法是改善和维持传感器的工作环境，比如减振、遮光、恒温和恒湿。另一种做法是采用补偿措施，使用性能一致的两个传感器，一个用于测量，一个用于补偿因环境条件变化引起的测量值的变化。为此，应把补偿用的传感器放在和测量用的传感器尽量一致的环境下，只是不要受待测参量的作用。更理想的补偿方法是这样的：两个传感器处在同一环境条件下同时进行测量，使得环境产生的效应互相抵消。图4是个典型的例子，为了判断一个光斑是否在指定位置，可在该位置上放两个光敏电阻（图4a），并按图4b接成电桥。光斑的位置正确时电桥输出为零。电桥供电电压的变化，光敏电阻温度漂移都在电桥内抵消了。一旦光斑向一边，例如向R\(_{1}\)这边偏移，则R1减小，R\(_{2}\)加大，电桥的输出则不为0，而且其值将是只用一个光敏电阻的两倍。

在稳定性达到一定指标后，传感器的精度就有了一定的保证。这时线性度——传感器的输出信号是否随被测参量正比变化的问题就突出了。在将传感器用于测量之前应了解它的线性度和线性范围，超出线性范围时应对读数进行修正。这个修正过程还可在电路设计上加以完成，用电路技术使传感器“线性化”。图5a示出了铂电阻的阻值R\(_{t}\)随温度t的变化。很明显，Rt和t不成线性关系。现在把铂电阻接到图5b的桥路中，当温度变化时，电桥失去平衡。调整R\(_{s}\)使电桥回复到平衡。只要R1～R\(_{4}\)的数值合适，则\(\frac{1}{R}\)S将和温度成线性关系，可作为温度的线性度量。例如

如图5c中的曲线所示。它和理想的直线的最大偏差仅零点几度。

除以上所述，每一种传感器都有其特殊的使用要点须加留意，否则也会引入测量误差。在使用热敏电阻时应保持热接触良好，并减少电阻中工作电流的自加热效应。使用热电偶时尚须保持冷端温度恒定或设冷端补偿。使用光电池时要注意负载电阻宜小。这样光电信号和光强成正比。使用力敏电阻时，粘贴力敏电阻的胶和粘贴工艺都很讲究。胶的迟滞和蠕变对测最结果有明显影响。由此可见，只有对每个环节都仔细加以考虑，才能充分发挥传感器的全部功能。 (江明珞)