【文章內(nèi)容簡介】 電子工業(yè)的進步。所以，目前傳感器技術(shù)被各個國提上日程。在日本更有人認為“只有將模仿人類大腦的計算機和類似人類五官延伸的傳感器科學合理的協(xié)調(diào)好 , 才能對未來 技術(shù)發(fā)展的方向指明道路。而現(xiàn)在需要做的就是不遺余力的對傳感器電子設備進行大力的發(fā)展?！? 我們國家的經(jīng)濟實力與科技能力正在飛速的發(fā)展，很多高、新、精以及特殊行業(yè)需要的高科技含量的傳感器在市面上總是無法滿足需求。而傳感器作為當代信息技術(shù)中最有發(fā)展前途的前沿技術(shù)之一，但實際上傳感器技術(shù)大多是由國外引進的，然而中國卻因為龐大而多樣的市場特點將它實現(xiàn)了真正的應用。 傳感器技術(shù)被我國自動化方面的專家認為是影響我國自動化產(chǎn)業(yè)發(fā)展極其重要的技術(shù)，甚至提出了 “ 如果傳感器技術(shù)越先進，那么自動化產(chǎn)業(yè)則越有生命力 ” 。傳感器技術(shù)對于 自動化產(chǎn)業(yè)發(fā)展甚至全國工業(yè)建設的重要性可見一斑。傳感器的產(chǎn)品有非常多的種類，其原因就是因為它所依靠的科學技術(shù)原理比較多，應用的科學技術(shù)比較復雜，因此具備了多樣性、邊緣性和綜合性、技藝性。傳感器的市場的主要由無線傳感器和 MEMS 傳感器以及生物傳感器等新興傳感器支撐。而無線傳感器的復合年增長率預計在 07 到 10 年會突破 25%。 工業(yè)及信息化部在 07 年前 3 個季度顯示的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，雖然金融風暴的影響巨大，但是傳感器市場在我國卻出現(xiàn)了逆勢增長的姿態(tài)。近些年來，傳感器在我國年銷售的平均增長也近乎達到 40%， 5 而傳感器在國 外的市場也是以持續(xù)不斷的態(tài)勢發(fā)展， Intechno 咨詢公司對 3000 多家遍布全球的傳感器制造商在 07 年的年度總銷售額進行估計，其至少擁有 500 億美元；在 10 年的年度總銷售額估計，其至少擁有 600 億美元，毫無疑問，這是一個巨大的機遇擺在了傳感器廠商的面前。 當前，傳感器的全球市場出現(xiàn)迅猛增長的傾向。相關(guān)的專家強調(diào)，傳感器的相關(guān)技術(shù)會因為現(xiàn)實的需要和層出不窮的創(chuàng)意不斷的擴展和提高，傳感器的開發(fā)是各個國家目前展開競爭的切入點。適合應用到人們生活的新技術(shù)必將得到廣泛地發(fā)展，例如不斷出現(xiàn)以及在市場上份額不斷擴大的無線 傳感器和光纖傳感器以及智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器。 總而言之 , 傳感器技術(shù)已經(jīng)全面的在我們的生活、科研、民生經(jīng)濟等等各個層次廣泛的得以應用 , 構(gòu)成了一個大型多樣化的科學技術(shù)領(lǐng)域 , 傳感器技術(shù)的開發(fā)研究會隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展持續(xù)不斷的進步 , 所以吸引了全世界的目光是必然不可阻擋的。 本論文的主要工作 本文的主要研究工作如下 : l) 通過廣泛的調(diào)研和查新，考證了汽鍋漏氣性檢測系統(tǒng)在現(xiàn)實生產(chǎn)安全檢測中的重要性，分析了傳統(tǒng)的檢測方法在應變長期、實時、在線監(jiān)測方面的不足，將虛擬儀器與傳感器整合在一起的新方向。 2) 通過對差壓傳感技術(shù)的系統(tǒng)研究，分析它在應變測量上是否可行、相比較而言具有哪些不可比擬的優(yōu)點。 3) 用 LabVIEW 開發(fā)一套成熟的數(shù)據(jù)采集與管理、監(jiān)測結(jié)果實時動態(tài)顯示界面 。 4）對本次設計的方案進行系統(tǒng)的總結(jié)、并補充不足的地方方便以后的研究。 基于虛擬儀器的汽鍋漏氣檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 6 2 傳感器的研究 傳感器的分類 傳感器 在 國家標準 GB766587 中被定義為 ： “由 敏感 器件 與 轉(zhuǎn)換 器件構(gòu)成的可以將接收的一 種信號轉(zhuǎn)換成另一種 可用 的方便傳輸?shù)男盘?的器件 ”。 作為一種 檢測 的 裝置， 傳感器能被測信號感受到，并且按照一定的轉(zhuǎn)換規(guī)律將它轉(zhuǎn)換為電信號等所需的信號進行傳輸顯示等 ， 它在自動檢測及自動控制中的所處的環(huán)節(jié)是用永遠排在第一的。 新 華 詞典中 將 “ 傳感器 ” 如此定義： “ 從現(xiàn)場接收一個作為功率的存在，然后通過一定的轉(zhuǎn)換規(guī)律，將它以另一種作為功率的形式傳到系統(tǒng)采集中心或控制中心去 。 由此可知 ，傳感器 將能量的形式進行轉(zhuǎn)換的器件 ， 因此不少人用 “ 換能器－ Transducer” 來稱謂 “ 傳感器－ Sensor” 。 圖 傳感器 傳感器 依照 工作原理 的不同 分為二大類：化學和 物理 兩個形式的 傳感器 。 化學 類的 傳感器包括主要是測量與化學吸附和電化學反應相關(guān)的各種關(guān)系的傳感器，因此，這類的傳感器可以測量極其細微的變化轉(zhuǎn)換為電信號傳輸顯示 。物理 類的 傳感器 包括主要是測量與 磁致 的 伸縮 現(xiàn)象 、 壓電效 應 以及 極化、離化、光電、熱電、磁電等 相關(guān)的各種關(guān)系的傳感器 。 因此，這類的傳感器也可以測量極其 7 細微的變化轉(zhuǎn)換為電信號傳輸顯示 。 但是有的傳感器超出了這兩類傳感器的劃分 。傳感器 基本上都是在 物理 的 原理 上執(zhí)行任務完成要求的 ?；瘜W 類的 傳感器 需要面臨很多的技術(shù)方面的問題 ， 比如說性能的可靠程度 ，規(guī)模 性 生產(chǎn) 的實現(xiàn) ，市場的價格定位 等 問題 ，化學 類 傳感器 的 增長 都賴于這些問題的完美解決 。 傳感器常用術(shù)語 1．傳感器 由 敏感 器件 與 轉(zhuǎn)換 器件構(gòu)成的可以將接收的一種信號轉(zhuǎn)換成另一種 可用 的方便傳輸?shù)男盘?的器件 。 (1)敏感 器件：在 傳感器中 可以將 被測 信號 直接 感受到 （或響應 到 ）的 部件 。 (2)轉(zhuǎn)換 器件：在 傳感器中 可以將 感受 到 （或響應 到 ）的被測 信號轉(zhuǎn)化成 可用 的方便傳輸?shù)?電信號的部件 。 (3) 變送器 是作為 輸出 的信號是 標準的規(guī)定信號 的傳感器 。 2．測量范圍 ：被測信號沒有超出允許的誤差限度的范圍 。 3．量程 ：作為測量范圍的信號 最大值與最小值的差值 。 4．精確度 ：最后的真實結(jié)果和真值的一致性 。 5．重復性 ： 在短時期內(nèi)重復 以一致的 測量方法 ，一致的 測量儀器 ，一致的 觀測者 ，一致的 使用條件一致的 地點對 相同的被測信號 進行多次 的 連續(xù)測量結(jié)果的 相符 程度：。 6．分辨力 ： 在測量范圍內(nèi) 可以檢測出的被測信號變化的最小量 。 7．閾值 ：可以讓 傳感器 的 輸出 出現(xiàn) 可測 的 變化的被測 信號 變化的最小量。 8．零位 ：類似 平衡狀態(tài) 當輸出的數(shù)值是最小值時的狀態(tài) 。 9．激勵 ：用以糾正 傳感器 至 正常工作 而施加的 外部電壓或 者外部 電流。 10 最大激勵 ：在 傳感器上 可以 施加 的最大的室內(nèi) 的激勵電壓或 者激勵 電流。 11． 輸入阻抗 ：傳感器的 輸出端短路 時 輸入端的阻抗。 12．輸出阻抗 ：傳感器的 輸入端短路時輸出端的阻抗。 13．輸出 ： 傳感器 輸出的和被測信號有 函數(shù)關(guān)系的電 信號 。 14． 零點輸出 ：當 被測 信號 為 0時 的 傳感器在室內(nèi)的輸出。 15．滯后 ：傳感器在 被測 信號不超出 規(guī)定的 要 求 增加 或 減少 的情況下 輸出的最大差值。 16．遲后 ： 輸出 的 信號 在 輸入信號時間 上的 延遲。 17．漂移 ： 傳感器 在一定時間內(nèi) 輸出與被測 信號 無關(guān)的變化量。 18．零點漂移 ： 傳感器 在一定時間內(nèi)并在室內(nèi)條件 零點輸出的變化 量 。 基于虛擬儀器的汽鍋漏氣檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 8 19．靈敏度 ： 傳感器輸出 信號 的增量 和它 的輸入量 信號 增量 的比值 。 20．靈敏度漂移 ： 校準曲線斜率 根據(jù) 靈敏度 的改變 而 出現(xiàn) 的變化。 21．熱靈敏度漂移 ：因為 靈敏度的 改變 而 出現(xiàn) 的靈敏度漂移。 22．熱零點漂移 ：因為四周 溫度 改變 而 出現(xiàn) 的零點漂移。 23．線性度 ： 校準曲線 和 規(guī)定直線 的 一致 性 。 24．非線 性度 ： 校準曲線 和 一規(guī)定直線 的 偏離 性 。 25．長期穩(wěn)定性 ： 傳感器 具備的沒超出 規(guī)定的時間 仍在允許誤差內(nèi)的能力 。 26．固有頻率 ： 傳感器在無阻力 狀態(tài)下 的自由振蕩 頻率 。 27．響應 ： 被測 信號在 輸出 的 變化特性。 28．補償溫度范圍 ： 補償傳感器 在 量程和規(guī)定的零平衡 內(nèi) 的溫度范圍。 29．蠕變 ： 輸出 信號在 被測 信號和它的 環(huán)境條件恒定 不變狀態(tài)下一定時間內(nèi)的 變化。 30．絕緣電阻 ： 傳感器規(guī)定 的 絕緣部分 在室溫下 的電阻。 全球傳感器市場預測 傳感器 08 年在 全球市場 的銷售額高達 506 億美元，預計傳感器 11 年 的 全球市場 銷售額可以達到至 少 600 億美元。 通過 調(diào)查 得到東歐和亞太以及加拿大的傳感器市場增長排在第一 ，傳感器市場 在 美國 和 日本 以及 德國 的 分布地區(qū) 是 最大的。 從全球來看 ， 汽車市場仍然是傳感器市場增長最快的 ，過程控制市場 僅次其后 ， 同時值得一提的是通訊市場具有很好的發(fā)展前途 。 當前 傳感器 表現(xiàn) 成熟 的 市場 包括 壓力 和 溫度傳感器 以及 流量 和 水平傳感器。 整個傳感器市場在現(xiàn)在場規(guī)模最大的是流量傳感器（ 21%）和溫度傳感器（ 14%）以及壓力傳感器（ 19%） 。傳感器市場 因為新興的傳感器帶來了不少的增長 。 例如 07 到 10 年無線傳感器 的 增長率預計 不會少于 25%。 當前，傳感器的全球市場出現(xiàn)迅猛增長的傾向。相關(guān)的專家強調(diào)，傳感器的相關(guān)技術(shù)會因為現(xiàn)實的需要和層出不窮的創(chuàng)意不斷的擴展和提高，傳感器的開發(fā)是各個國家目前展開競爭的切入點。適合應用到人們生活的新技術(shù)必將得到廣泛地發(fā)展，例如不斷出現(xiàn)以及在市場上份額不斷擴大的無線傳感器和光纖傳感器以及智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器。 9 3 壓力傳感器 壓力 傳感器 作為一種最常見的 工業(yè)傳感器，通常 主要 是 通過 壓電效應 來實現(xiàn)制造的 ， 以此它還有一個名字是 壓電傳感器 。 總所周知 ，晶體 和 非晶體 各自具備 各向異性 和 各向同性的 特性 。 而一些 晶體 的 極化效應 會在 介質(zhì)沿著 某個 方向 在 機械力 的 作用 下 發(fā)生 形變 時產(chǎn)生； 機械力消失之后介質(zhì)就不會出現(xiàn)帶 電的狀態(tài) 。而極化效應的定義是指一些 晶體 也許會有 電 在被施加壓力的時候出現(xiàn) 的效應。 而壓力傳感器正是被 科學家 應用 這個效應 而研究制造出來的 。 壓電傳感器中有石英 和 磷酸二氫胺 以及 酒石酸鉀鈉 等 壓電材料 。石英（二氧 化硅） 最早發(fā)現(xiàn)壓電效應的 天然晶體， 它可以在承受的溫度范圍內(nèi)一直存在 壓電性質(zhì)， 但壓電性質(zhì)會在超出溫度 （ 此時的溫度稱為 “ 居里點 ” ） 后消失 。 可惜的是石英的壓電系數(shù)比較低，因此電場隨應力的變化太微小 ， 固石英現(xiàn)在基本已經(jīng)不在使用 。 雖然 酒石酸鉀鈉 的 壓電系數(shù) 以及 壓電 的 靈敏度 非常大 ，但是它 的局限性在于只能應用在 室溫 環(huán) 境以及 濕度比較低的環(huán)境 。 磷酸二氫胺 就是可以承擔高溫和高濕度環(huán)境的 人造晶體， 因此它的應用就相對十分廣泛 。 同時 壓電效應 的應用也在現(xiàn)在的 壓電陶瓷 等多晶體上得到體現(xiàn) ，例如 鈮酸鹽系 的 壓電陶瓷 和 鈮鎂酸鉛 的 壓電陶瓷鈦 以及 酸鋇 的 壓電陶瓷 和 PZT 等。 壓電傳感器 是以 壓電效應 作為 工作 的基本 原理， 而應力作用產(chǎn)生的電荷因為回路中沒有無限大的輸入阻抗 進行保存，所以無法對靜態(tài)進行測量，因此也決定了壓力傳感器只能適用于對動態(tài)應力進行 測量。 壓電傳感器在加速度 和 壓力 以及 力等測量 得到了廣泛的應用 。 壓電式加速度傳感器 是一種具有簡單 的 結(jié)構(gòu) 以及較小 體積 和 重量 的 長壽命常用加速度計。 它被應用在了 汽車、船舶、飛機 以及大型 橋梁和 各類 建筑的沖擊 與 振動測量 的各個方面。 壓電式傳感器 對于 發(fā)動機 的 內(nèi)部 的 燃燒壓力 和真空度的測量 也得到了廣泛的應用 。 同時，它 也在 槍炮子彈 出膛 一瞬間的膛壓的變化 等 軍事工業(yè) 中 得到了不小的應用 。壓電式傳感器 還可以在 心室 的 導管式微音器 等 生物醫(yī)學 測量中 進行應用。因此只要是動態(tài)應力存在的地方壓力傳感器就可以得到很好的應用 。 壓力傳感器因為用的材料不同，所利用的效應也有所不同，因此有壓電效應實現(xiàn)的 壓電傳感器 ，壓阻效應 實現(xiàn)的 壓阻傳 感器 ， 應變效應 實現(xiàn)的 應變式傳感器 等， 都可以根據(jù)用途的不 同使用場地的不同發(fā)揮各自的特性 。 工作原理 在 傳感器 薄片 的 表面 通過形變 壓力 對薄片的形狀