传感器在测控技术中应用非常广泛,按其工作原理,可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类。
1.物理传感器
物理传感器是利用某些变换元件的物理性质,以及某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器。它是三大类传感器中种类最多较用最普遍的一种传感器。
从不同的角度出发,物理传感器又可近一步分类:
(1)按照构成原理,可分为结构型传感器和物性型传感器。
结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的,包括动力场的运动定律、电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器来说,这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是,其工作原理足以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础,而不是以材料特性变化为基础。
物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则大多数是以物质本身的常数形式给出,而传感器的主要性能就取决于这些常数的大小。因此,物性型传感器的性能随材料的不同而异。例如.光电管就是物性型传感器,它利用了物质法则中的外光电效应。显然,光电管的特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如、所有半导体传感器,以及所有利用各种环境变化而引起金属、半导体、陶瓷合金等性能变化的传感器,部居于物性型传感器。
(2)按照能量转换情况,可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。
能量控制型传感器,在信息变化过程中其能量需要外电源供给。如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、隘阻效应成阻效应、光电效应、霍耳效应等的传感器也属于这一类传感器。
能量转换型传感器,主要由能量变换元件构成,它不需要外电源。如基于压电效应,热电效应、光电动势效应等的传感器均居于这一类传感器。
(3)按照物理原理,可分为;1、电路参量式传感器,包括电阻式、电感式、电容式三种基本形式,以及由此衍生的差动变压器式、涡流式、压磁式、感应同步器式、容栅式等:2、压电式传感器;3、磁电式传感器,包括磁电感应式、霍耳式、磁栅式等;4、光电式传感器,包括一放光电式、光栅式、光电码盘式、光纤式、激光式、红外式、固态图像式等;5、热电式传感器;6、波式传感器,包括超声波式、微波式等;7、射线式传感器;8、半导体式传感器:9、其他原理的传感器。
有些传感器的工作原理具有两种以k物理原理的复合形式,如不少半导体式传感器.也可看成电参量式传感器,有些传感器不归属于前几类,则可列入第九类.如振弦振简式传感器、力平衡式传感器等。
上述按照物理原理分类的方法.对于学习研究传感器原理较为有利。
(4)按照传感器输人旦(或被测参数)的分类,实际上就是按照传感器的用途来分类。例如,用来测量力的称为力传感器,测量位移的称为位移传感器,测量温度的称为温度传感器等。这种分类方法对于实际使用者选用传感器非常方便。
(5)按照传感器的输出量来分类,可分成模拟式传感器和数字式传感器。
模拟式传感器是将诸如应变、应力、位移、加速度等被测量转换成电模拟量(如电流、电压)输出。苦用数字显示或输入给计算机,还需要经过A/D转换.将模拟量变成数字量。
数字式传感器是将被测量直接转换成数字信号输出,如码盘式传感器、光栅传感器、容栅传感器、振弦式传感器等。
2.化学传感器
化学传感器是利用电化学反应原理.把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常用的是离子选挥性电极,利用这种电极来测量溶液中的pH值或某些离子的活度。电极的测量对象虽然不同,但其测量原理却大同小异,主要是利用电报界面(固相)和被测溶液(液相)间的电化学反应,也就是利用电极对溶液中离子的选择性响应而产生电位差,电位差是和被测离子活度的对数成线性关系的,所以捡出其反应过程中的电位差或由其影响的电流值,即表示被测离子的活度;比学传感器的核心部分是离子选择性敏感脂。膜可分为固体膜和液体膜:玻璃膜、单晶膜和多晶膜属固体膜。而带正、负电荷的载体膜和中性载体膜则是液体膜。
近年来发展最快的是把膜技术和场效应晶体管结合起来而形成的FET离子选择性电极.它是把膜覆盖于场效应晶体管的栅极上而形成的,这种离子选择性电极不仅可以测量无机溶液,而且可以测量葡萄糖与体中的离子和血清中的某些成分。化学传感器广泛应用于化学分析、化学工业的在线检测及环保监测今。
3.生物传感器
生物传感器是近年来发展很快的一类传感器—它是一种利用生物活性物质的选据性来识别和测定生物化学物质的传感器。生物活性物质对某种物质具有选择性.也称其为功能识别能力。利用这种单一的识别能力来判定某种物质是否存在,其浓度是多少,进而利用电化学的方法进行电信号的转换。
生物传感器主要由两大部分组成:一为功能识别物质,其作用是对被测物质进行特定识别。这些功能识别物有酶、抗原、抗体、微生物及细胞等。用特殊方法把这些识别物固化在特制的有机膜上,从而形成具有对持定的从低分子到大分子化合物进行识别功能的功能膜。其二是电、光倍号转换装置.此装置的作用是把在功能膜上进行的识别被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号,其中最常应用的是电极,如氧电极和过氧化氢电极。最近有把功能膜固定在场效应晶体管上代替栅一漏极的生物传感器,它的体积很小。如果采用光学方法来识别在功能膜上的识别反应,则要靠光强的变化来测量被测物质,如荧光生物传感器等。变换装置直接关系着传感器的灵敏度及线性度。
生物传感器的最大特点是能在分子水平上识别被测物质,不仅在化学工业的监测上,而且在医学诊断上都有着广泛的应用前景。