第1章傳感器概述1.1傳感器的定義與作用

1.2傳感器的組成與分類

1.3傳感器的發(fā)展趨勢

思考題與習題

1.1傳感器的定義與作用

1.1.1傳感器的定義

傳感器技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機技術(shù)并列為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。計算機相當于人的大腦，通信相當于人的神經(jīng)，而傳感器就相當于人的感覺器官。視覺傳感器相當于人的眼睛，如X射線、紫外線、紅外線、可見光傳感器等；聽覺傳感器相當于人的耳朵，如超聲波、聲波傳感器等；嗅覺傳感器相當于人的鼻子，如氣敏傳感器；味覺傳感器相當于人的舌頭，如離子敏傳感器；觸覺傳感器相當于人的皮膚，如壓力、溫度、濕度傳感器等。傳感器是一種能感受規(guī)定的被測量，并按一定規(guī)律將它轉(zhuǎn)換成某種可用輸出信號的測量裝置。這一定義表明：傳感器是測量裝置，能感受被測量的變化，完成檢測任務；被測量可以是物理量，也可以是化學量、生物量等；輸出信號是某種便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示的可用信號，如電參量(電阻、電容、電感)、電信號(電壓、電流、電荷)、光信號、頻率信號等，輸出信號的形式由傳感器的原理確定。由于電信號易于傳輸、轉(zhuǎn)換和處理，因此一般概念上的傳感器是指將被測量轉(zhuǎn)換成電信號輸出的測量裝置。傳感器作為測量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，必須具有快速、準確、可靠且又能經(jīng)濟地實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本特點，應滿足一些必要的條件：

(1)輸出信號與被測量之間具有惟一確定的因果關(guān)系，是被測量的單值函數(shù)；

(2)輸出信號能夠與電子系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)或光學系統(tǒng)匹配，適于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示；

(3)具有盡可能寬的動態(tài)范圍、良好的響應特性、足夠高的分辨率和信號噪聲比；

(4)對被測量的干擾盡可能小，盡可能不消耗被測系統(tǒng)的能量，不改變被測系統(tǒng)原有的狀態(tài)；

(5)性能穩(wěn)定可靠，不受被測量參數(shù)因素的影響，抗外界干擾能力強；

(6)便于加工制造，具有可互換性；

(7)適應性強，具有一定的過載能力；

(8)成本低，壽命長，使用維修方便等。1.1.2傳感器的作用

可以毫不夸張地說，從宏觀的茫茫宇宙探索到微觀的粒子研究，從各種復雜的工程系統(tǒng)到日常生活的衣食住行，幾

乎每一個領域都離不開各種各樣的傳感器。歸納起來傳感器具有以下作用。

1.信息采集

2.診斷與報警

3.檢測與控制 1.2傳感器的組成與分類

1.2.1傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理電路和輔助電源等組成，如圖1.1所示。敏感元件直接感受或響應規(guī)定的被測量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系的其他量(如位移、應變、壓力、光強等)；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的可用信號(如電阻、電容、電壓、電荷等)；信號調(diào)理電路將轉(zhuǎn)換元件輸出的可用信號進行轉(zhuǎn)換、放大、運算、調(diào)制、濾波等；輔助電源為信號調(diào)理電路和傳感器提供工作電源。圖1.1傳感器組成框圖傳感器的敏感元件與轉(zhuǎn)換元件之間并無嚴格的界限，有些傳感器很簡單，有些傳感器較為復雜。最簡單的傳感器只有一個敏感元件(兼轉(zhuǎn)換元件)，它直接感受被測量并輸出可用信號。如熱電偶傳感器直接將被測溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢輸出，電容式位移傳感器直接將被測位移轉(zhuǎn)換成電容量的變化。這里熱電偶和電容器既是敏感元件，又是轉(zhuǎn)換元件。

有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

有些傳感器不止一個轉(zhuǎn)換元件，而要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換。如應變式密度傳感器，它由浮子、懸臂梁和電阻應變片等組成，如圖1.2所示。浮子先將被測液體的密度轉(zhuǎn)換成浮力變化，浮力作用在懸臂梁上使梁產(chǎn)生變形，粘貼在懸臂梁上的電阻應變片再將梁的變形轉(zhuǎn)換成電阻量的變化，這樣經(jīng)過三次轉(zhuǎn)換才將被測液體的密度轉(zhuǎn)換成電阻量的變化。圖1.2應變式密度傳感器1.2.2傳感器的分類

1.按工作原理分類

傳感器按其工作原理劃分，將物理、化學和生物等學科的某些機理、規(guī)律、效應作為分類依據(jù)，一般可分為物理型傳感器、化學型傳感器和生物型傳感器三大類，其中物理型傳感器又可分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器，如圖1.3所示。這種分類方法的特點是對傳感器的工作原理分析得比較清楚，有利于從原理、設計及應用上進行歸納。圖1.3傳感器的分類

(1)物理型傳感器是利用某些敏感元件的物理結(jié)構(gòu)或某些功能材料的物理特性及效應制成的傳感器。

①結(jié)構(gòu)型傳感器是基于某種敏感元件的結(jié)構(gòu)形狀或幾何尺寸(如厚度、角度、位置等)的變化來感受被測量，并轉(zhuǎn)換成可用信號的傳感器。

②物性型傳感器是利用某些功能材料本身具有的內(nèi)在特性及效應來感受被測量，并轉(zhuǎn)換成可用信號的傳感器。

(2)化學型傳感器是利用電化學反應原理，將各種化學物質(zhì)(如電解質(zhì)、化合物、分子、離子)的狀態(tài)、成分、濃度等轉(zhuǎn)換成可用信號的傳感器。

(3)生物型傳感器是利用生物反應(酶反應、微生物反應、免疫學反應等)原理，將生物體內(nèi)的葡萄糖、DNA等轉(zhuǎn)換成可用信號的傳感器。

2.按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類

傳感器按被測量與輸出量的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系劃分，可分為能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器兩大類。

(1)能量控制型傳感器先將被測量轉(zhuǎn)換成電參量(電阻、電容、電感等)的變化，再依靠外部輔助電源將電參量的變化轉(zhuǎn)換成電能輸出，并且由被測量控制輸出電能的變化。屬于這種類型的傳感器有電阻式、電容式、電感式等。

(2)能量轉(zhuǎn)換型傳感器直接將被測量轉(zhuǎn)換成電能輸出。屬于這種類型的傳感器有壓電式、磁電式、熱電偶、太陽能電池等。例如磁電式傳感器直接將速度或轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成感應電勢輸出；壓電式傳感器直接將沖擊力轉(zhuǎn)換成電荷輸出等。這類傳感器在進行信號轉(zhuǎn)換時，不需要另外提供電源，故也稱為有源傳感器。

3.按輸出信號分類

傳感器按輸出信號的形式劃分，可分為模擬型傳感器和數(shù)字型傳感器。

(1)模擬型傳感器輸出連續(xù)的模擬信號，而輸出周期性信號的傳感器實質(zhì)上也是模擬型傳感器。

(2)數(shù)字型傳感器輸出“1”或“0”兩種信號電平，兩種信號電平的高低由電路的通斷、信號的有無、極性的正負、絕對值的大小等來實現(xiàn)。

4.按被測量分類

傳感器按被測量的性質(zhì)劃分，可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、力矩傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、濃度傳感器等。由于這種分類方法是按被測量命名的，因而能夠明確地指出傳感器的用途，方便地表示傳感器的功能，便于使用者選用。生產(chǎn)廠家和用戶都習慣于這種分類方法。

除以上幾種常用的分類方法之外，還有按作用形式可分為主動型傳感器和被動型傳感器；按構(gòu)成可分為基本型傳感器、組合型傳感器和應用型傳感器；按材料可分為陶瓷傳感器、半導體傳感器、有機高分子材料傳感器和氣體傳感器；按用途可分為工業(yè)用、民用、軍用、醫(yī)療衛(wèi)生用、環(huán)境保護用、科學研究用等類型的傳感器。 1.3傳感器的發(fā)展趨勢

1.3.1新材料、新功能的開發(fā)

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎，而新材料又是開發(fā)新型傳感器的基礎。隨著材料科學的飛速發(fā)展，人們已研制、設計與制造出各種用于傳感器的新功能材料。

1.半導體材料

半導體材料包括單晶硅、多晶硅、非晶硅、硅藍寶石等。

2.壓電材料

壓電材料包括石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導體等。

3.功能材料

功能材料包括半導體氧化物、有機材料、光導纖維等。1.3.2新工藝、新技術(shù)的應用

傳感器敏感元件的性能、尺寸不僅與材料有關(guān)，而且還與加工工藝及技術(shù)有關(guān)。微細加工技術(shù)除了繼承氧化、光刻、擴散、淀積、濺射等平面電子工藝技術(shù)外，還發(fā)展了刻蝕工藝技術(shù)、固相鍵合工藝技術(shù)、各向異性腐蝕技術(shù)、離子注入技術(shù)、外延技術(shù)、薄膜技術(shù)、機械切割技術(shù)和整體封裝技術(shù)等，利用這些技術(shù)對半導體硅材料進行三維形狀的加工，能制造出各式各樣的新型傳感器。利用IC技術(shù)將敏感元件和信號調(diào)理電路集成在同一芯片上，就可制成低成本、高精度、超小型的集成傳感器。目前集成傳感器主要使用半導體硅材料，它既可以制作磁敏、力敏、溫敏、光敏和離子敏等敏感元件，又可以制作電路，便于傳感器的微型化與集成化。目前，一些發(fā)達國家正在把傳感器與信號調(diào)理電路、輔助電源等集成在一起進行研究。1.3.3多功能、智能化傳感器的研制

將多種功能的敏感元件或同一功能的多個敏感元件集成在一個芯片上，就可以檢測多種被測量。例如我國研制出的復合式熱阻傳感器，就可以同時測量壓力與溫度；日本豐田研究所研制的Na+、K+、H+多離子傳感器，芯片尺寸為2.5mm×0.5mm×0.5mm，僅用一滴血液就可快速檢測出鈉、鉀、氫離子的濃度，非常適用于醫(yī)院的臨床診斷。

將傳感器、信號調(diào)理電路和微處理器等組裝在一起構(gòu)成多功能、智能化傳感器，不僅具有信號檢測與轉(zhuǎn)換功能，而且還能實現(xiàn)信息采集、記憶存儲、統(tǒng)計處理、雙向通信及自診斷、自校正、自適應等功能。

思考題與習題

1.1什么叫傳感器？舉例說明傳感器在信息技術(shù)中的作用。

1.2在現(xiàn)代測量技術(shù)中