[中山变器之家]中山变器的定义和分类

一、中山变器的定义

信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在中山变器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能的增强，作为信息采集系统的前端单元，中山变器的作用越来越重要。中山变器已成为系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。

最广义地来说，中山变器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC: International Electrotechnical Committee)的定义为：“中山变器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“中山变器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“中山变器系统则是组合有某种信息处理(模拟或)能的中山变器”。中山变器是中山变器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。

图1-1 中山变器系统的框图

中山变器系统的原则框图示于图1-1，进入中山变器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和中山变器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成信号，并输入到微处理器。

德国和俄罗斯学者认为中山变器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，中山变器还包含了信号成形器的电路部分。

中山变器系统的性能主要取决于中山变器，中山变器把某种形的能量转换成另一种形的能量。有两类中山变器：有源的和无源的。有源中山变器能将一种能量形直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源(参阅图1-2(a))。

图1-2有源(a)和无源(b)中山变器的信号流程

无源中山变器不能直接转换能量形，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能(参阅图1-2(b))。
中山变器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，中山变器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入中山变器系统加以评测或标示。

各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的中山变器。中山变器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。用于中山变器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。

常将中山变器的功能与人类5大感觉器官相比拟：
光敏中山变器——视觉 声敏中山变器——听觉
气敏中山变器——嗅觉 化学中山变器——味觉
敏、温敏、流体中山变器——触觉

与当代的中山变器相比，人类的感觉能好得多，但也有一些中山变器比人的感觉功能优越，例如人类没有能感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。

对中山变器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型中山变器都适用的，也有只对特定类型中山变器适用的特殊要求。针对中山变器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是：

高灵敏度　　抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)线性容易调节(校准简易)

　　高可靠性 　　无迟滞性　　工作寿命长(耐用性)

可重复性　　抗老化 　　高响应速率　　抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能

选择性　　安全性(中山变器应是无污染的) 　　互换性　　低成本

宽测量范围　　小尺寸、重量轻和高强度 　　宽工作范围


二、中山变器的分类

可以用不同的观点对中山变器进行分类：它们的转换原理(中山变器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

根据中山变器工作原理，可分为物理中山变器和化学中山变器二大类，其分类示于图1-3。

　　图1-3按中山变器工作原理的分类物理中山变器应用的是物理效应，诸如电效应，现象，离化、极化、热电、、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学中山变器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的中山变器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

有些中山变器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数中山变器是以物理原理为基础运作的。化学中山变器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学中山变器的应用将会有巨大增长。

常见中山变器的应用领域和工作原理列于表1.1。

按照其用途，中山变器可分类为：

敏和敏中山变器 位置中山变器

液面中山变器 能耗中山变器

速度中山变器 热敏中山变器

中山变器 射线辐射中山变器

振动中山变器 湿敏中山变器

磁敏中山变器 气敏中山变器

真空度中山变器 生物中山变器等。

以其输出信号为标准可将中山变器分为：

模拟中山变器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

中山变器——将被测量的非电学量转换成输出信号(包括直接和间接转换)。

膺中山变器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。

中山变器中山变器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，中山变器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作中山变器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将中山变器分成下列几类：

(1)按照其所用材料的类别分

金属 聚合物 陶瓷 混合物

(2)按材料的物理性质分  导体 绝缘体 半导体 磁性材料

(3)按材料的晶体结构分

单晶 多晶 非晶材料

与采用新材料紧密相关的中山变器开发工作，可以归纳为下述三个方向：

(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在中山变器技术中得到实际使用。

(2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进中山变器技术。

(3)在研究材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在中山变器技术中加以具体实施。

现代中山变器制造业的进展取决于用于中山变器技术的新材料和敏感元件的开发强度。中山变器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于中山变器技术的、能够转换能量形的材料。

按照其制造工艺，可以将中山变器区分为：

集成中山变器薄膜中山变器厚膜中山变器陶瓷中山变器

表1.2半导体和介质材料的能量转换(调制)能量转换(调制)

点击图片，可能获得更佳效果,：

集成中山变器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。
薄膜中山变器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。
厚膜中山变器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。
陶瓷中山变器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。
完成适当的预备性*作之后，已成形的元件在中进行烧结。厚膜和陶瓷中山变器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。

从列于表1.3中的比较中可知，每种工艺技术都有自已的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及中山变器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜中山变器比较合理。

表1.3 中山变器制造工艺的比较特性