1、傳感器技術(shù)的介紹

傳感器的定義和分類

一、傳感器的定義

信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開(kāi)發(fā)方面有相應(yīng)的進(jìn)展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測(cè)量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來(lái)越重要。傳感器已成為自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來(lái)越明顯。

最廣義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC:International

Committee)的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感讓亂余元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量陪塌信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。

傳感器系統(tǒng)的原則框圖示于圖1-1，進(jìn)入傳感器的信號(hào)幅度是很小的，而且混雜有干擾信號(hào)和噪聲。為了方便隨后的處理過(guò)程，首先要將信號(hào)整形成具有最佳特性的波形，有時(shí)還需要將信號(hào)線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號(hào)隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸坦?jié)L入到微處理器。

德國(guó)和俄羅斯學(xué)者認(rèn)為傳感器應(yīng)是由二部分組成的，即直接感知被測(cè)量信號(hào)的敏感元件部分和初始處理信號(hào)的電路部分。按這種理解，傳感器還包含了信號(hào)成形器的電路部分。

傳感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量。有兩類傳感器：有源的和無(wú)源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉(zhuǎn)變成另一種，不需要外接的能源或激勵(lì)源(參閱圖1-2(a))。

有源(a)和無(wú)源(b)傳感器的信號(hào)流程

無(wú)源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵(lì)能

傳感器承擔(dān)將某個(gè)對(duì)象或過(guò)程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。其“對(duì)象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)(即過(guò)程)的。對(duì)象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過(guò)多種方式檢測(cè)。對(duì)象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感器將對(duì)象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測(cè)定的電學(xué)量，然后將此電信號(hào)分離出來(lái)，送入傳感器系統(tǒng)加以評(píng)測(cè)或標(biāo)示。

各種物理效應(yīng)和工作機(jī)理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被測(cè)量對(duì)象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機(jī)制和效應(yīng)類型不斷增加，其包含的處理過(guò)程日益完善。

常將傳感器的功能與人類5大感覺(jué)器官相比擬：

光敏傳感器——視覺(jué) 聲敏傳感器——聽(tīng)覺(jué)

氣敏傳感器——嗅覺(jué) 化學(xué)傳感器——味覺(jué)

壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺(jué)

與當(dāng)代的傳感器相比，人類的感覺(jué)能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺(jué)功能優(yōu)越，例如人類沒(méi)有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺(jué)不到電磁場(chǎng)、無(wú)色無(wú)味的氣體等。

對(duì)傳感器設(shè)定了許多技術(shù)要求，有一些是對(duì)所有類型傳感器都適用的，也有只對(duì)特定類型傳感器適用的特殊要求。針對(duì)傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)合均需要的基本要求是：

高靈敏度 抗干擾的穩(wěn)定性(對(duì)噪聲不敏感) 線性 容易調(diào)節(jié)(校準(zhǔn)簡(jiǎn)易)

高精度 高可靠性 無(wú)遲滯性 工作壽命長(zhǎng)(耐用性)

可重復(fù)性 抗老化 高響應(yīng)速率 抗環(huán)境影響(熱、振動(dòng)、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力

選擇性 安全性(傳感器應(yīng)是無(wú)污染的) 互換性 低成本

寬測(cè)量范圍 小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度 寬工作溫度范圍

二、傳感器的分類

可以用不同的觀點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng))；它們的用途；它們的輸出信號(hào)類型以及制作它們的材料和工藝等。

根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類

傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的。化學(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多，例如可靠性問(wèn)題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問(wèn)題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長(zhǎng)。

常見(jiàn)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和工作原理列于表1.1。

按照其用途，傳感器可分類為：

壓力敏和力敏傳感器 位置傳感器

液面?zhèn)鞲衅?能耗傳感器

速度傳感器 熱敏傳感器

加速度傳感器 射線輻射傳感器

振動(dòng)傳感器 濕敏傳感器

磁敏傳感器 氣敏傳感器

真空度傳感器 生物傳感器等。

以其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為：

模擬傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。

數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。

膺數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。

開(kāi)關(guān)傳感器——當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。

在外界因素的作用下，所有材料都會(huì)作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對(duì)外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來(lái)制作傳感器的敏感元件。從所應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列幾類：

(1)按照其所用材料的類別分

金屬 聚合物 陶瓷 混合物

(2)按材料的物理性質(zhì)分  導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體 磁性材料

(3)按材料的晶體結(jié)構(gòu)分

單晶 多晶 非晶材料

與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開(kāi)發(fā)工作，可以歸納為下述三個(gè)方向：

(1)在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實(shí)際使用。

(2)探索新的材料，應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來(lái)改進(jìn)傳感器技術(shù)。

(3)在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以具體實(shí)施。

現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。傳感器開(kāi)發(fā)的基本趨勢(shì)是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。表1.2中給出了一些可用于傳感器技術(shù)的、能夠轉(zhuǎn)換能量形式的材料。

按照其制造工藝，可以將傳感器區(qū)分為：

集成傳感器薄膜傳感器厚膜傳感器陶瓷傳感器

集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。

薄膜傳感器則是通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。

厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。

陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。

完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。

每種工藝技術(shù)都有自已的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低，以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。

2、傳感器的定義和分類

傳感器是一種設(shè)備、模塊或子系統(tǒng)，其目的是檢測(cè)環(huán)境中的事件或變化，并將信息發(fā)送給其他電子設(shè)備，通常是計(jì)算機(jī)處理器。

傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。

傳感器的特點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感官，讓物體慢慢變得活了起來(lái)。

通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

3、傳感器的定義、基本組成和在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的重要性

隨著社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是近20年來(lái)，電子技術(shù)日新月異，計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用把人類帶到了信息時(shí)代，各種電器設(shè)備充滿了人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，相當(dāng)大一部分的電器設(shè)備都應(yīng)用到了傳感器件，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)中主要技術(shù)之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占據(jù)有極其重要的地位。

人是通過(guò)視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等感官來(lái)感知外界的信息，感知的信息輸入大腦進(jìn)行分析判斷（即人的思維）和處理，再指揮人作出相應(yīng)的動(dòng)作，這是人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界具有的最基本的本能。但是通過(guò)人的五官感知外界的信息非常有限，例如，人總不能利用觸覺(jué)來(lái)感知超過(guò)幾十甚至上千度的溫度吧，而且也不可能辨別溫度的微小變化，這就需要電子設(shè)備的幫助。同樣，利用電子儀器特別象計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化裝置來(lái)代替人的勞動(dòng)，那么計(jì)算機(jī)類似于人的大腦，而僅有大腦而沒(méi)有感知外界信息的“五官”顯然是不足夠的，中央處理系統(tǒng)也還需要它們的“五官”——即傳感器。

人的五管是功能非常復(fù)雜、靈敏的“傳感器”，例如人的觸覺(jué)是相當(dāng)靈敏的，它可以感知外界物體的溫度、硬度、輕重及外力的大小，還可以具有電子設(shè)備所不具備的“手感”，例如棉織物的手感，液體的粘稠感等。然而人的五官感覺(jué)大多只能對(duì)外界的信息作“定性”感知，而不能作定量感知。而且有許多物理量人的五官是感覺(jué)不到的，例如對(duì)磁性就不能感知。視覺(jué)可以感知可見(jiàn)光部分，對(duì)于頻域更加寬的非可見(jiàn)光譜則無(wú)法感覺(jué)得到，象紅外線和紫外線光譜，人類卻是“視而不見(jiàn)”。借助溫度傳感器很容易感知到幾百度到幾千度的溫度，而且要做到1℃的分辨率輕而易舉。同樣借助紅外和紫外線傳感器，便可感知到這些不可見(jiàn)光，所以人類才制造出了具有廣泛用途的紅外夜視儀和X光診斷設(shè)備，這些技術(shù)在軍事、國(guó)防及醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域有著極其重要的作用。

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工廠的自動(dòng)流水生產(chǎn)線，全自動(dòng)加工設(shè)備，許多智能化的檢測(cè)儀器設(shè)備，都大量地采用了各種各樣的傳感器，它們?cè)诤侠砘剡M(jìn)行生產(chǎn)，減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免有害的作業(yè)發(fā)揮了巨大的作用。在家用電器領(lǐng)域，象全自動(dòng)洗衣機(jī)、電飯褒和微波爐都離不開(kāi)傳感器。醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，電子脈博儀、體溫計(jì)、醫(yī)用呼吸機(jī)、超聲波診斷儀、斷層掃描（CT）及核磁共振診斷設(shè)備，都大量地使用了各種各樣的傳感技術(shù)。這些對(duì)改善人們的生活水平，提高生活質(zhì)量和健康水平起到了重要的作用。在軍事國(guó)防領(lǐng)域，各種偵測(cè)設(shè)備，紅外夜視探測(cè)，雷達(dá)跟蹤、武器的精確制導(dǎo)，沒(méi)有傳感器是難以實(shí)現(xiàn)的。在航空航天領(lǐng)域，空中管制、導(dǎo)航、飛機(jī)的飛行管理和自動(dòng)駕駛，儀表著陸盲降系統(tǒng)，都需要傳感器。人造衛(wèi)星的遙感遙測(cè)都與傳感器緊密相關(guān)。沒(méi)有傳感器，要實(shí)現(xiàn)這樣的功能那是不可能的。

此外，在礦產(chǎn)資源、海洋開(kāi)發(fā)、生命科學(xué)、生物工程等領(lǐng)域傳感器都有著廣泛的用途，傳感器技術(shù)已受到各國(guó)的高度重視，并已發(fā)展成為一種專門的技術(shù)學(xué)科。

傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件，它與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集手段，也是采用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要方法，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益、科學(xué)研究與生產(chǎn)技術(shù)的水平有著舉足輕重的作用。傳感器技術(shù)水平高低不但直接影響信息技術(shù)水平，而且還影響信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。目前，傳感器技術(shù)已滲透到科學(xué)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究及改善人民生活等方面，起著越來(lái)越大的作用。許多尖端科學(xué)和新興技術(shù)更是需要新型傳感器技術(shù)來(lái)裝備，計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用，離不開(kāi)傳感器，新型傳感器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，不但使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了嶄新時(shí)代，也為傳感器技術(shù)展現(xiàn)了一個(gè)更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。

4、傳感器的定義是什么 它們是如何分類的

一、傳感器的定義

國(guó)標(biāo)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

二、傳感器的分類

1、按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量等傳感器。

2、按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。

3、按傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)分類，可分為：開(kāi)關(guān)型傳感器；模擬型傳感器；脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。

一、傳感器的分辨力

分辨力是指?jìng)鞲衅骺赡芨惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力。也就是說(shuō)，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當(dāng)輸入變化值未超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化，即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來(lái)的。只有當(dāng)輸入量的變化超過(guò)分辨力時(shí)，其輸出才會(huì)發(fā)生變化。

通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標(biāo)。上述指標(biāo)若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。

二、傳感器的穩(wěn)定性

傳感器的穩(wěn)定性指在一定的工作條件下，傳感器能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保持不變的能力。通常包括短期漂移如點(diǎn)漂、零飄、量程飄移以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。零飄指率定零點(diǎn)隨時(shí)間的偏移，點(diǎn)漂、量程飄移含義類似。

漂移多由于元器件的老化、徐變等引起。長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)于埋在水工建筑物內(nèi)部供長(zhǎng)期觀測(cè)的傳感器來(lái)說(shuō)，是一個(gè)需要特別重視的事情。