引言：自動化技術(shù)與控制、電子學(xué)、液壓技術(shù)、信息等眾多技術(shù)領(lǐng)域有著密切的聯(lián)系，自動化技術(shù)的快速發(fā)展離不開這些技術(shù)的推動。在自動化技術(shù)領(lǐng)域，存在著很多專用器材，如同武學(xué)中的兵器一樣，都發(fā)揮著各自的優(yōu)勢。那么，在自動化技術(shù)領(lǐng)域有哪些十八般兵器呢?讓我們來盤點一下。

　　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(zhuǎn)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(guān)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(fù)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(yīng)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(guān)鍵的傳感器技術(shù)。

　　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(yīng)，把被測量的物理量轉(zhuǎn)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(guān)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(dǎo)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(zhuǎn)換成為電信號，它直接檢測來自物體的輻射信息，也可以轉(zhuǎn)換其他物理量成為光信號。其主要的原理是光電效應(yīng)：當(dāng)光照射到物質(zhì)上的時候，物質(zhì)上的電效應(yīng)發(fā)生改變，這里的電效應(yīng)包括電子發(fā)射、電導(dǎo)率和電位電流等。顯然，能夠容易產(chǎn)生這樣效應(yīng)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(yīng)的光的照射，通過類似光敏電阻這樣的器件把光能轉(zhuǎn)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(guān)系，通常是接近線性的關(guān)系，這樣計算原始的光信號就不是很復(fù)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。

　　一種傳感器外形

　　物理傳感器的應(yīng)用范圍是非常廣泛的，我們僅僅就生物醫(yī)學(xué)的角度來看看物理傳感器的應(yīng)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(yīng)用。

　　比如血壓測量是醫(yī)學(xué)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(guān)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(zhuǎn)變成為膜片的變形，然后再根據(jù)膜片的應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)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(shù)。呼吸測量是臨床診斷肺功能的重要依據(jù)，在外科手術(shù)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(cè)，把夾子夾在鼻翼上，當(dāng)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(fù)雜的測量機理。體表溫度是由局部的血流量、下層組織的導(dǎo)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(yīng)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(jié)果。這是傳統(tǒng)的水銀溫度計所不能比擬的，也展示了應(yīng)用新的技術(shù)給科學(xué)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(xué)方面，物理傳感器就有著多種多樣的應(yīng)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(yīng)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(yīng)的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)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

　　光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，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(shù)難以完成的測量任務(wù)。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?、相位、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(shù)能夠檢測出10的負4次方弧度的微小相位變化所對應(yīng)的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L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(dāng)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(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)合。光纖的導(dǎo)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(yīng)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(xué)和電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透而發(fā)展起來的一種新型的信息技術(shù)。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

　　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(xué)理論的方方面面都有密切的聯(lián)系，是生物學(xué)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(yīng)用。

　　尿素傳感器，主要是由生體膜及其離子通道兩部分構(gòu)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(dāng)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(luò)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(gòu)成，可以用有機化學(xué)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(xué)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(yīng)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(yīng)PLG保性網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shù)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(yīng)用的廣泛前景，但這些都需要生物技術(shù)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(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(xué)系統(tǒng)和輔助光學(xué)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對紅外的關(guān)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(fù)雜，一個典型的傳感器系統(tǒng)各部分的工作原理如下所示;

　　紅外傳感器

　　(1)待側(cè)目標。根據(jù)待側(cè)目標的紅外輻射特性可進行紅外系統(tǒng)的設(shè)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(xué)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(dāng)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(jié)構(gòu)。

　　(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(yīng)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(xué)效應(yīng)。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(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)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(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。

　　(8)顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)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(yīng)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(yīng)，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(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)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(shè)備和其他部分的技術(shù)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(yīng)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(zhuǎn)化成為電信號輸出。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，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(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、外殼等幾個部分組成。典型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，這個結(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(zhuǎn)速檢測范圍，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(yīng)用中受到廣泛的重視。

　　磁旋轉(zhuǎn)傳感器在工廠自動化系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)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(yīng)用在機床伺服電機的轉(zhuǎn)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(guān)設(shè)備的位置檢測、旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測單元和各種旋轉(zhuǎn)的檢測單元等。

　　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。在工作過程中，四相差動旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)傳感器在家用電器中也有大的應(yīng)用潛力。在盒式錄音機的換向機構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)和高低速旋轉(zhuǎn)功能都可以通過伺服旋轉(zhuǎn)傳感器來實現(xiàn)檢測和控制。

　　電磁接近開關(guān)

　　這種開關(guān)可以感應(yīng)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(guān)。開關(guān)自己產(chǎn)生磁場，當(dāng)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(guān)內(nèi)部電路可以變成電信號。

　　電磁傳感器是一門應(yīng)用很廣的高新技術(shù)，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(yīng)用正在滲透入國民經(jīng)濟、國防建設(shè)和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)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(yīng)傳感器---鉞

　　現(xiàn)代電測技術(shù)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(yīng)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?qū)捈皩δ蛪?、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，是本世紀六十年代初迅速發(fā)展起來的又一新技術(shù)，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(yīng)用受到限制，而激光的出現(xiàn)，使無線電技術(shù)和光學(xué)技術(shù)突飛猛進、相互滲透、相互補充。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、易燃的場所。

　　比如說用激光制成的光導(dǎo)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(shè)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(xué)方法的遙測化學(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)來實現(xiàn)傳感器的功能。當(dāng)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(zhuǎn)一個角度，這就是磁光效應(yīng)。也就是可以通過旋轉(zhuǎn)的角度來測量外加的磁場。在特定的試驗裝置下，偏轉(zhuǎn)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(yīng)傳感器

　　自六十年代末開始，RC Lecraw提出有關(guān)磁光效應(yīng)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(xué)者進行探索。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(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)傳感器的性能越來越強，應(yīng)用也越來越廣泛。

　　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。