紅外傳感器

　　紅外技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國(guó)防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖象；（4）紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)的組合。

　　紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測(cè)器，按照探測(cè)的機(jī)理的不同，可以分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。下面以熱探測(cè)器為例子來(lái)分析探測(cè)器的原理。

　　熱探測(cè)器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測(cè)元件接收到輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使探測(cè)器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測(cè)其中某一性能的變化，便可探測(cè)出輻射。多數(shù)情況下是通過(guò)熱電變化來(lái)探測(cè)輻射的。當(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q后測(cè)量相應(yīng)的電量變化。

　　電磁傳感器

　　磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器的最早的一種應(yīng)用。但是作為現(xiàn)代的傳感器，為了便于信號(hào)處理，需要磁傳感器能將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)輸出。應(yīng)用最早的是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制造的磁電式的傳感器。這種磁電式傳感器曾在工業(yè)控制領(lǐng)域作出了杰出的貢獻(xiàn)，但是到今天已經(jīng)被以高性能磁敏感材料為主的新型磁傳感器所替代。

　　在今天所用的電磁效應(yīng)的傳感器中，磁旋轉(zhuǎn)傳感器是重要的一種。磁旋轉(zhuǎn)傳感器主要由半導(dǎo)體磁阻元件、永久磁鐵、固定器、外殼等幾個(gè)部分組成。典型結(jié)構(gòu)是將一對(duì)磁阻元件安裝在一個(gè)永磁體的刺激上，元件的輸入輸出端子接到固定器上，然后安裝在金屬盒中，再用工程塑料密封，形成密閉結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)就具有良好的可靠性。磁旋轉(zhuǎn)傳感器有許多半導(dǎo)體磁阻元件無(wú)法比擬一款電磁傳感器的外形的優(yōu)點(diǎn)。除了具備很高的靈敏度和很大的輸出信號(hào)外，而且有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)范圍，這是由于電子技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。另外，這種傳感器還能夠應(yīng)用在很大的溫度范圍中，有很長(zhǎng)的工作壽命、抗灰塵、水和油污的能力強(qiáng)，因此耐受各種環(huán)境條件及外部噪聲。所以，這種傳感器在工業(yè)應(yīng)用中受到廣泛的重視。

　　磁旋轉(zhuǎn)傳感器在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，因?yàn)檫@種傳感器有著令人滿意的特性，同時(shí)不需要維護(hù)。其主要應(yīng)用在機(jī)床伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)、工廠自動(dòng)化的機(jī)器人臂的定位、液壓沖程的檢測(cè)、工廠自動(dòng)化相關(guān)設(shè)備的位置檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測(cè)單元和各種旋轉(zhuǎn)的檢測(cè)單元等。

　　現(xiàn)代的磁旋轉(zhuǎn)傳感器主要包括有四相傳感器和單相傳感器。在工作過(guò)程中，四相差動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器用一對(duì)檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)差動(dòng)檢測(cè)，另一對(duì)實(shí)現(xiàn)倒差動(dòng)檢測(cè)。這樣，四相傳感器的檢測(cè)能力是單元件的四倍。而二元件的單相旋轉(zhuǎn)傳感器也有自己的優(yōu)點(diǎn)，也就是小巧可靠的特點(diǎn)，并且輸出信號(hào)大，能檢測(cè)低速運(yùn)動(dòng)，抗環(huán)境影響和抗噪聲能力強(qiáng)，成本低。因此單相傳感器也將有很好的市場(chǎng)。

　　磁旋轉(zhuǎn)傳感器在家用電器中也有大的應(yīng)用潛力。在盒式錄音機(jī)的換向機(jī)構(gòu)中，可用磁阻元件來(lái)檢測(cè)磁帶的終點(diǎn)。家用錄像機(jī)中大多數(shù)有變速與高速重放功能，這也可用磁旋轉(zhuǎn)傳感器檢測(cè)主軸速度并進(jìn)行控制，獲得高畫面的質(zhì)量。洗衣機(jī)中的電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和高低速旋轉(zhuǎn)功能都可以通過(guò)伺服旋轉(zhuǎn)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和控制。

　　這種開關(guān)可以感應(yīng)到進(jìn)入自己檢驗(yàn)區(qū)域的金屬物體，控制自己內(nèi)部電路的開或關(guān)。開關(guān)自己產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)有金屬物體進(jìn)入到磁場(chǎng)會(huì)引起磁場(chǎng)的變化。這種變化通過(guò)開關(guān)內(nèi)部電路可以變成電信號(hào)。

　　更加突出電磁傳感器是一門應(yīng)用很廣的高新技術(shù)，國(guó)內(nèi)、國(guó)外都投入了一定的科研力量在進(jìn)行研究，這種傳感器的應(yīng)用正在滲透入國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，隨著信息社會(huì)的到來(lái)，其地位和作用必將。

　　磁光效應(yīng)傳感器

　　現(xiàn)代電測(cè)技術(shù)日趨成熟，由于具有精度高、便于微機(jī)相連實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電氣量和非電氣量的測(cè)量中。然而電測(cè)法容易受到干擾，在交流測(cè)量時(shí)，頻響不夠?qū)捈皩?duì)耐壓、絕緣方面有一定要求，在激光技術(shù)迅速發(fā)展的今天，已經(jīng)能夠解決上述的問(wèn)題。

　　磁光效應(yīng)傳感器就是利用激光技術(shù)發(fā)展而成的高性能傳感器。激光，是本世紀(jì)六十年代初迅速發(fā)展起來(lái)的又一新技術(shù)，它的出現(xiàn)標(biāo)志著人們掌握和利用光波進(jìn)入了一個(gè)新的階段。由于以往普通光源單色度低，故很多重要的應(yīng)用受到限制，而激光的出現(xiàn)，使無(wú)線電技術(shù)和光學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)、相互滲透、相互補(bǔ)充。現(xiàn)在，利用激光已經(jīng)制成了許多傳感器，解決了許多以前不能解決的技術(shù)難題，使它適用于煤礦、石油、天然氣貯存等危險(xiǎn)、易燃的場(chǎng)所。

　　比如說(shuō)用激光制成的光導(dǎo)纖維傳感器，能測(cè)量原油噴射、石油大罐龜裂的情況參數(shù)。在實(shí)測(cè)地點(diǎn)，不必電源供電，這對(duì)于安全防爆措施要求很嚴(yán)格的石油化工設(shè)備群尤為適用，也可用來(lái)在大型鋼鐵廠的某些環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)光學(xué)方法的遙測(cè)化學(xué)技術(shù)。

　　磁光效應(yīng)傳感器的原理主要是利用光的偏振狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的功能。當(dāng)一束偏振光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，若在光束傳播方向存在著一個(gè)外磁場(chǎng)，那么光通過(guò)偏振面將旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這就是磁光效應(yīng)。也就是可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)測(cè)量外加的磁場(chǎng)。在特定的試驗(yàn)裝置下，偏轉(zhuǎn)的角度和輸出的光強(qiáng)成正比，通過(guò)輸出光照射激光二極管 LD，就可以獲得數(shù)字化的光強(qiáng)，用來(lái)測(cè)量特定的物理量。

　　自六十年代末開始，RCLecraw提出有關(guān)磁光效應(yīng)的研究報(bào)告后，引起大家的重視。日本，蘇聯(lián)等國(guó)家均開展了研究，國(guó)內(nèi)也有學(xué)者進(jìn)行探索。磁光效應(yīng)的傳感器具有優(yōu)良的電絕緣性能和抗干擾、頻響寬、響應(yīng)快、安全防爆等特性，因此對(duì)一些特殊場(chǎng)合電磁參數(shù)的測(cè)量，有獨(dú)特的功效，尤其在電力系統(tǒng)中高壓大電流的測(cè)量方面、更顯示它潛在的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)通過(guò)開發(fā)處理系統(tǒng)的軟件和硬件，也可以實(shí)現(xiàn)電焊機(jī)和機(jī)器人控制系統(tǒng)的自動(dòng)實(shí)時(shí)測(cè)量。在磁光效應(yīng)傳感器的使用中，最重要的是選擇磁光介質(zhì)和激光器，不同的器件在靈敏度、工作范圍方面都有不同的能力。隨著近幾十年來(lái)的高性能激光器和新型的磁光介質(zhì)的出現(xiàn)，磁光效應(yīng)傳感器的性能越來(lái)越強(qiáng)，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

　　磁光效應(yīng)傳感器做為一種特定用途的傳感器，能夠在特定的環(huán)境中發(fā)揮自己的功能，也是一種非常重要的工業(yè)傳感器。

　　壓力傳感器

　　壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。

　　我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向受到機(jī)械力作用發(fā)生變形時(shí)，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當(dāng)機(jī)械力撤掉之后，又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時(shí)候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應(yīng)，這就是所謂的極化效應(yīng)?？茖W(xué)家就是根據(jù)這個(gè)效應(yīng)研制出了壓力傳感器。

　　壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微?。ㄒ簿驼f(shuō)壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　在現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

　　壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，因?yàn)榻?jīng)過(guò)外力作用后的電荷，只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。

　　壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別壓電傳感器的外形是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器心乂

　　也可以用來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來(lái)測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來(lái)測(cè)量大的壓力，也可以用來(lái)測(cè)量微小的壓力。

　　壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，比如說(shuō)心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因?yàn)闇y(cè)量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。

　　除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應(yīng)制造出來(lái)的壓阻傳感器，利用應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的效應(yīng)和不同的材料，在不同的場(chǎng)合能夠發(fā)揮它們獨(dú)特的用途。