詳細了解工業(yè)自動化十八般兵器（上）

自動化技術是一門綜合性技術，它和控制論、信息論、系統(tǒng)工程、計算機技術、電子學、液壓氣壓技術、自動控制等都有著十分密切的關系，而其中又以控制理論和計算機技術對自動化技術的影響最大。自動化技術中有很多專用器材，就像學武之人的兵器一樣，下面筆者對自動化兵器作了一個盤點。

物理傳感器---刀

傳感器（Sensor）是一種常見的卻又很重要的器件，它是感受規(guī)定的被測量的各種量并按一定規(guī)律將其轉換為有用信號的器件或裝置。對于傳感器來說，按照輸入的狀態(tài)，輸入可以分成靜態(tài)量和動態(tài)量。我們可以根據(jù)在各個值的穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出量和輸入量的關系得到傳感器的靜態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性的主要指標有線性度、遲滯、重復性、靈敏度和準確度等。傳感器的動態(tài)特性則指的是對于輸入量隨著時間變化的響應特性。動態(tài)特性通常采用傳遞函數(shù)等自動控制的模型來描述。通常，傳感器接收到的信號都有微弱的低頻信號，外界的干擾有的時候的幅度能夠超過被測量的信號，因此消除串入的噪聲就成為了一項關鍵的傳感器技術。

物理傳感器是檢測物理量的傳感器。它是利用某些物理效應，把被測量的物理量轉化成為便于處理的能量形式的信號的裝置。其輸出的信號和輸入的信號有確定的關系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導纖維傳感器等。作為例子，讓我們看看比較常用的光電式傳感器。這種傳感器把光信號轉換成為電信號，它直接檢測來自物體的輻射信息，也可以轉換其他物理量成為光信號。其主要的原理是光電效應：當光照射到物質(zhì)上的時候，物質(zhì)上的電效應發(fā)生改變，這里的電效應包括電子發(fā)射、電導率和電位電流等。顯然，能夠容易產(chǎn)生這樣效應的器件成為光電式傳感器的主要部件，比如說光敏電阻。這樣，我們知道了光電傳感器的主要工作流程就是接受相應的光的照射，通過類似光敏電阻這樣的器件把光能轉化成為電能，然后通過放大和去噪聲的處理，就得到了所需要的輸出的電信號。這里的輸出電信號和原始的光信號有一定的關系，通常是接近線性的關系，這樣計算原始的光信號就不是很復雜了。其它的物理傳感器的原理都可以類比于光電式傳感器。

物理傳感器的應用范圍是非常廣泛的，我們僅僅就生物醫(yī)學的角度來看看物理傳感器的應用情況，之后不難推測物理傳感器在其他的方面也有重要的應用。

比如血壓測量是醫(yī)學測量中的最為常規(guī)的一種。我們通常的血壓測量都是間接測量，通過體表檢測出來的血流和壓力之間的關系，從而測出脈管里的血壓值。測量血壓所需要的傳感器通常都包括一個彈性膜片，它將壓力信號轉變成為膜片的變形，然后再根據(jù)膜片的應變或位移轉換成為相應的電信號。在電信號的峰值處我們可以檢測出來收縮壓，在通過反相器和峰值檢測器后，我們可以得到舒張壓，通過積分器就可以得到平均壓。

讓我們再看看呼吸測量技術。呼吸測量是臨床診斷肺功能的重要依據(jù)，在外科手術和病人監(jiān)護中都是必不可少的。比如在使用用于測量呼吸頻率的熱敏電阻式傳感器時，把傳感器的電阻安裝在一個夾子前端的外側，把夾子夾在鼻翼上，當呼吸氣流從熱敏電阻表面流過時，就可以通過熱敏電阻來測量呼吸的頻率以及熱氣的狀態(tài)。

再比如最常見的體表溫度測量過程，雖然看起來很容易，但是卻有著復雜的測量機理。體表溫度是由局部的血流量、下層組織的導熱情況和表皮的散熱情況等多種因素決定的，因此測量皮膚溫度要考慮到多方面的影響。熱電偶式傳感器被較多的應用到溫度的測量中，通常有桿狀熱電偶傳感器和薄膜熱電偶傳感器。由于熱電偶的尺寸非常小，精度比較高的可做到微米的級別，所以能夠比較精確地測量出某一點處的溫度，加上后期的分析統(tǒng)計，能夠得出比較全面的分析結果。這是傳統(tǒng)的水銀溫度計所不能比擬的，也展示了應用新的技術給科學發(fā)展帶來的廣闊前景。

從以上的介紹可以看出，僅僅在生物醫(yī)學方面，物理傳感器就有著多種多樣的應用。傳感器的發(fā)展方向是多功能、有圖像的、有智能的傳感器。傳感器測量作為數(shù)據(jù)獲得的重要手段，是工業(yè)生產(chǎn)乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理傳感器又是最普通的傳感器家族，靈活運用物理傳感器必然能夠創(chuàng)造出更多的產(chǎn)品，更好的效益。

光纖傳感器---槍

近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能，絕緣、無感應的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹⑾辔?、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位（或振幅）發(fā)生變化，根據(jù)這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術能夠檢測出10的負4次方弧度的微小相位變化所對應的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠將很長的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長度，獲得更高的靈敏度。

光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導彈等的高性能慣性導航系統(tǒng)。

另外一個大類的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結構大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結合。光纖的導入使得實現(xiàn)探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡便，但是精度比第一類傳感器稍低。

光纖在傳感器家族中是后期之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應用，是在生產(chǎn)實踐中值得注意的一種傳感器。

光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測量中發(fā)揮著自己獨到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。

仿生傳感器---劍

仿生傳感器，是一種采用新的檢測原理的新型傳感器，它采用固定化的細胞、酶或者其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來生物醫(yī)學和電子學、工程學相互滲透而發(fā)展起來的一種新型的信息技術。這種傳感器的特點是機能高、壽命長。在仿生傳感器中，比較常用的是生體模擬的傳感器。

仿生傳感器按照使用的介質(zhì)可以分為：酶傳感器、微生物傳感器、細胞器傳感器、組織傳感器等。在圖中我們可以看到，仿生傳感器和生物學理論的方方面面都有密切的聯(lián)系，是生物學理論發(fā)展的直接成果。在生體模擬的傳感器中，尿素傳感器是最近開發(fā)出來的一種傳感器。下面就以尿素傳感器為例子介紹仿生傳感器的應用。

尿素傳感器，主要是由生體膜及其離子通道兩部分構成。生體膜能夠感受外部刺激影響，離子通道能夠接收生體膜的信息，并進行放大和傳送。當膜內(nèi)的感受部位受到外部刺激物質(zhì)的影響時，膜的透過性將產(chǎn)生變化，使大量的離子流入細胞內(nèi)，形成信息的傳送。其中起重要作用的是生體膜的組成成分膜蛋白質(zhì)，它能產(chǎn)生保形網(wǎng)絡變化，使膜的透過性發(fā)生變化，進行信息的傳送及放大。

生體膜的離子通道，由氨基酸的聚合體構成，可以用有機化學中容易合成的聚氨酸的聚合物（L－谷氨酸，PLG）為替代物質(zhì)，它比酶的化學穩(wěn)定性好。PLG是水溶性的，本不適合電機的修飾，但PLG和聚合物可以合成嵌段共聚物，形成傳感器使用的感應膜。

生體膜的離子通道的原理基本上與生體膜一樣，在電極上將嵌段共聚膜固定后，如果加感應PLG保性網(wǎng)絡變化的物質(zhì)，就會使膜的透過性發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電流的變化，由電流的變化，便可以進行對刺激性物質(zhì)的檢測。

尿素傳感器經(jīng)試驗證明是穩(wěn)定性好的一種生體模擬傳感器，檢測下限為10的負3次方的數(shù)量級，還可以檢測刺激性物質(zhì)，但是暫時還不適合生體的計測。

目前，雖然已經(jīng)發(fā)展成功了許多仿生傳感器，但仿生傳感器的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性和可批量生產(chǎn)性明顯不足，所以仿生傳感技術尚處于幼年期，因此，以后除繼續(xù)開發(fā)出新系列的仿生傳感器和完善現(xiàn)有的系列之外，生物活性膜的固定化技術和仿生傳感器的固態(tài)化值得進一步研究。

在不久的將來，模擬生體功能的嗅覺、味覺、聽覺、觸覺仿生傳感器將出現(xiàn)，有可能超過人類五官的敏感能力，完善目前機器人的視覺、味覺、觸覺和對目的物進行操作的能力。我們能夠看到仿生傳感器應用的廣泛前景，但這些都需要生物技術的進一步發(fā)展，我們拭目以待這一天的到來。

紅外傳感器---戟

紅外技術發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖象；（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。

我們先看看紅外系統(tǒng)的組成、主要光學系統(tǒng)和輔助光學系統(tǒng)，在此基礎上對紅外的關鍵元件進行詳細的探討。其實，紅外傳感器的工作原理并不復雜，一個典型的傳感器系統(tǒng)各部分的工作原理如下所示；

（1）待側目標。根據(jù)待側目標的紅外輻射特性可進行紅外系統(tǒng)的設定。

（2）大氣衰減。待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時，由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。

（3）光學接收器。它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線，常用是物鏡。

（4）輻射調(diào)制器。對來自待測目標的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結構。

（5）紅外探測器。這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出來的電學效應。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。

（6）探測器制冷器。由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應的系統(tǒng)必須有制冷設備。經(jīng)過制冷，設備可以縮短響應時間，提高探測靈敏度。

（7）信號處理系統(tǒng)。將探測的信號進行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉化成為所需要的格式，最后輸送到控制設備或者顯示器中。

（8）顯示設備。這是紅外設備的終端設備。常用的顯示器有示波器、顯象管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。

依照上面的流程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。下面以熱探測器為例子來分析探測器的原理。

熱探測器是利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當?shù)淖儞Q后測量相應的電量變化。

紅外傳感器已經(jīng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)實踐中發(fā)揮著它的巨大作用，隨著探測設備和其他部分的技術的提高，紅外傳感器能夠擁有更多的性能和更好的靈敏度。

電磁傳感器---斧

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用。但是作為現(xiàn)代的傳感器，為了便于信號處理，需要磁傳感器能將磁信號轉化成為電信號輸出。應用最早的是根據(jù)電磁感應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)控制領域作出了杰出的貢獻，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。

一款電磁傳感器的外形

在今天所用的電磁效應的傳感器中，磁旋轉傳感器是重要的一種。磁旋轉傳感器主要由半導體磁阻元件、永久磁鐵、固定器、外殼等幾個部分組成。典型結構是將一對磁阻元件安裝在一個永磁體的刺激上，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，形成密閉結構，這個結構就具有良好的可靠性。磁旋轉傳感器有許多半導體磁阻元件無法比擬的優(yōu)點。除了具備很高的靈敏度和很大的輸出信號外，而且有很強的轉速檢測范圍，這是由于電子技術發(fā)展的結果。另外，這種傳感器還能夠應用在很大的溫度范圍中，有很長的工作壽命、抗灰塵、水和油污的能力強，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)應用中受到廣泛的重視。

磁旋轉傳感器在工廠自動化系統(tǒng)中有廣泛的應用，因為這種傳感器有著令人滿意的特性，同時不需要維護。其主要應用在機床伺服電機的轉動檢測、工廠自動化的機器人臂的定位、液壓沖程的檢測、工廠自動化相關設備的位置檢測、旋轉編碼器的檢測單元和各種旋轉的檢測單元等。

現(xiàn)代的磁旋轉傳感器主要包括有四相傳感器和單相傳感器。在工作過程中，四相差動旋轉傳感器用一對檢測單元實現(xiàn)差動檢測，另一對實現(xiàn)倒差動檢測。這樣，四相傳感器的檢測能力是單元件的四倍。而二元件的單相旋轉傳感器也有自己的優(yōu)點，也就是小巧可靠的特點，并且輸出信號大，能檢測低速運動，抗環(huán)境影響和抗噪聲能力強，成本低。因此單相傳感器也將有很好的市場。

磁旋轉傳感器在家用電器中也有大的應用潛力。在盒式錄音機的換向機構中，可用磁阻元件來檢測磁帶的終點。家用錄像機中大多數(shù)有變速與高速重放功能，這也可用磁旋轉傳感器檢測主軸速度并進行控制，獲得高畫面的質(zhì)量。洗衣機中的電機的正反轉和高低速旋轉功能都可以通過伺服旋轉傳感器來實現(xiàn)檢測和控制。

電磁接近開關

這種開關可以感應到進入自己檢驗區(qū)域的金屬物體，控制自己內(nèi)部電路的開或關。開關自己產(chǎn)生磁場，當有金屬物體進入到磁場會引起磁場的變化。這種變化通過開關內(nèi)部電路可以變成電信號。

電磁傳感器是一門應用很廣的高新技術，國內(nèi)、國外都投入了一定的科研力量在進行研究，這種傳感器的應用正在滲透入國民經(jīng)濟、國防建設和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領域，隨著信息社會的到來，其地位和作用必將更加突出。

磁光效應傳感器---鉞

現(xiàn)代電測技術日趨成熟，由于具有精度高、便于微機相連實現(xiàn)自動實時處理等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用在電氣量和非電氣量的測量中。然而電測法容易受到干擾，在交流測量時，頻響不夠寬及對耐壓、絕緣方面有一定要求，在激光技術迅速發(fā)展的今天，已經(jīng)能夠解決上述的問題。

磁光效應傳感器就是利用激光技術發(fā)展而成的高性能傳感器。激光，是上世紀六十年代初迅速發(fā)展起來的又一新技術，它的出現(xiàn)標志著人們掌握和利用光波進入了一個新的階段。由于以往普通光源單色度低，故很多重要的應用受到限制，而激光的出現(xiàn)，使無線電技術和光學技術突飛猛進、相互滲透、相互補充?，F(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難題，使它適用于煤礦、石油、天然氣貯存等危險、易燃的場所。

比如說用激光制成的光導纖維傳感器，能測量原油噴射、石油大罐龜裂的情況參數(shù)。在實測地點，不必電源供電，這對于安全防爆措施要求很嚴格的石油化工設備群尤為適用，也可用來在大型鋼鐵廠的某些環(huán)節(jié)實現(xiàn)光學方法的遙測化學技術。

磁光效應傳感器的原理主要是利用光的偏振狀態(tài)來實現(xiàn)傳感器的功能。當一束偏振光通過介質(zhì)時，若在光束傳播方向存在著一個外磁場，那么光通過偏振面將旋轉一個角度，這就是磁光效應。也就是可以通過旋轉的角度來測量外加的磁場。在特定的試驗裝置下，偏轉的角度和輸出的光強成正比，通過輸出光照射激光二極管LD，就可以獲得數(shù)字化的光強，用來測量特定的物理量。

磁光效應傳感器

自六十年代末開始，RC Lecraw提出有關磁光效應的研究報告后，引起大家的重視。日本，蘇聯(lián)等國家均開展了研究，國內(nèi)也有學者進行探索。磁光效應的傳感器具有優(yōu)良的電絕緣性能和抗干擾、頻響寬、響應快、安全防爆等特性，因此對一些特殊場合電磁參數(shù)的測量，有獨特的功效，尤其在電力系統(tǒng)中高壓大電流的測量方面、更顯示它潛在的優(yōu)勢。同時通過開發(fā)處理系統(tǒng)的軟件和硬件，也可以實現(xiàn)電焊機和機器人控制系統(tǒng)的自動實時測量。在磁光效應傳感器的使用中，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。隨著近幾十年來的高性能激光器和新型的磁光介質(zhì)的出現(xiàn)，磁光效應傳感器的性能越來越強，應用也越來越廣泛。

磁光效應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。