物联网导论(第3章传感器技术)

1、 掌握传感器的基本概念、所应用的物理定律、基本结构、分类和要求、掌握传感器的特性与技术指标，了解传感器的应用领域与发展趋势。 了解电阻式与变磁阻式传感器、电容式传感器与磁电式传感器、压电式传感器与热电式传感器、光电式传感器与光纤传感器、化学传感器与生物传感器的基本原理，掌握常用的它的应用范畴。 了解MEMS传感器与智能传感器的构成与特点。本章学习目标 传感器概念与定义 传感器的物理定律 传感器基本结构、传感器敏感元件 传感器分类与要求 传感器特性与性能指标 电阻式与变磁阻式传感器、电容式传感器与磁电式传感器、压电式传感器与热电式传感器、光电式传感器与光纤传感器、化学传感器与生物传感器的基本、M

2、EMS传感器与智能传感器本章知识点3.1 传感器基础 1 传感器基本概念 传感器狭义定义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置。 传感器广义定义：凡是利用一定的物质（物理、化学、生物等）法则、定理、定律、效应等进行能量转换与信息转换，并输出与输入严格一对应的器件或装置均。 在不同的技术领域，传感器又被称作检测器、换能器、变换器等等。目前传感器已与微处理器、通信装置密切地结合到了一起，无线传感网络就是传感器、微处理器与无线通信相结合的产物。3.1.1 传感器基本概念 守恒定律：主要有能量、动量、电荷量等守恒定律。 场定律：运动场、电磁场的感应定律等。其相可作用与物体在空间的位置及分布状态

3、有关。 如，电容式传感器；利用电磁感应定律研制的自感、互感、电涡流式传感器。 物质定律：它是表示各种物质本身内在性质的定律，如欧姆定律。通常以这种物质所固有的物理常数给予描述。例如，压阻、热阻、磁阻、光阻、湿阻等。 统计法则 ：它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。这些法则，常常与传感器的工作状态有关，是分析某些传感器的理论基础。2 传感器的物理定律 传感器是一种能把非电输入信息转换成电信号输出的器件或装置。传感器一般由敏感元件和转换元件组成。3 传感器的基本结构功能功能主要敏感元件主要敏感元件力(压)位移转换弹性元件（环、梁、圆柱、膜片式，膜盒、波纹管、弹簧管）位移敏电位器、电感、电容

4、、差动变压器、电涡流线圈、容栅、磁栅、感应同步器、霍尔元件、光栅、码盘、应变片、光纤、陀螺力敏半导体压阻元件、压电陶瓷、石英晶体、压电半导体、高分子聚合物压电体、压磁元件热敏金属热电阻、半导体热敏电阻、PN结、热释电器件、热线探针、强磁性体、强电介质光敏光电管、光电倍增管、光敏二极管、色敏三极管、光导纤维、CCD、热释电器件磁敏霍尔元件、半导体磁阻元件、铁磁体金属薄膜磁阻元件（超导器件）声敏压电振子射线敏闪烁计数管、电离室、盖格计数器、PN二极管、表面障壁二极管、PIN二极管、MIS二极管、通道型光电倍增管气敏MOS气敏元件、热传导元件、半导体气敏电阻元件、浓差电池、红外吸收式气敏元件湿敏MO

5、S湿敏元件、电解质湿敏元件、高分子电容式湿敏元件、高分子电阻式湿敏元件、热敏电阻、CFT湿敏元件物质敏固相化酶膜、周相化微生物膜、动植物组织膜、离子敏场效应晶体管传感器的主要敏感元件 （1）分类：传感器应用于不同领域，它的品类众多，分类也较多，可以按基本效应来分、也可以按照传感机理来分，等。3 传感器分类和要求分类法分类法类型类型说明说明按基本效应物理、化学、生物等分别以转换中的物理效应、化学效应等命名按传感器机理结构型（机械、感应、电参量式）以敏感元件结构参数变化实现信号转换物性型（压电、热电、光电、生物、化学等）以敏感元件物性效应实现信号转换结构型（机械、感应、电参量式）以敏感元件结构参数

6、变化实现信号转换按能量关系能量转换型传感器输出量直接由被测量能量转换获得能量控制型传感器输出能量由由外部提供，但受被测量输入控制按作用原理应变、电容、压电、热电以传感器对信号转换的作用原理命名按功能性质力、热、磁、光、气敏等以对被测量的敏感性命名按功能材料固体、光纤、膜、超导等以敏感功能性材料命名按输入分量位移、压力、温度等以被测量命名（按用途分类）按输出量模拟式、数字式输出量为模拟信号或数字信号 第一，足够的容量。传感器的工作范围或量程足够大，具有一定过载能力； 第二，灵敏度高，精度适当。要求其输出信号与被测输入信号成确定关系（通常为线性），且比值要大，传感器的静态与动态响应的准确度能满足要

7、求； 第三，响应速度快，工作稳定、可靠性好； 第四，适用性和适应性强。体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小，内部噪声小而又不易受外界干扰的影响，其输出力求采用通用或标难形式，以便与系统对接。 第五，使用经济，成本低，寿命长，便于使用、维修和校准。（2）要求3.1.2 传感器应用与发展趋势 工业自动化：在工业自动化生产过程中，需要传感器来实时监控工业生产过程各环节的参数。 航空航天：如检测飞行姿态、飞行的高度、方向、速度、加速度等参数均需要传感器。 资源探测与环境保护：传感器常常用来探测陆地、海洋和空间环境等参数。 医学：实时采集人体的体温、血压、呼吸等生理参数，而这些参数的获取需

8、要用到相应的传感器。 家电：如空调、洗衣机、微波炉等。 军事：传感器在军事方面的应用非常早，也非常广泛，如各种观察、瞄准装置、红外探测装置等。1传感器应用 发现新效应，开发新材料、新功能 多功能集成化与微型化： 微型传感器的特征是体积微小、重量很轻，体积、重量仅为传统传感器的几十分之一甚至几百分之，其敏感元件的尺寸一般为微米级。 数字化、智能化与网络化 研究生物感官，开发仿生传感器2 传感器的发展趋势3.1.3 传感器的特性与指标 静态特性表示传感器在被测输入量各个位处于稳定状态时的输出输入关系。静态特性主要应考虑其非线性和随机变化等因素。1 静态特性 线性度又称非线性。是表征传感器输出输入校

9、准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标，一般拟合直线作为传感器的工作直线。通常用相对误差来去示线性度或非线性误差，即 其中， 为输出平均值与拟合直线间的最大偏差； 为理论满量程输出值。（1）线性度 回差是反映传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出输入曲线的不重合度的指标。通常用正反行程输出的最大差值计算，并用相对值表示，如图3.1.2所示。（2）回差（滞后） 重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线间的一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性复性越好。 重复性误差反映的是校淮数据的离散程度、属随机误差，因此应根据标

10、准偏差计算。即 为各校准点正行程与反行程输出值的标准偏差中的最大的值；a为置信系数（3）重复性 灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率,即（4）灵敏度 分辨率：分辨率是传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。有时用该值对满量程输入值的百分比来表示。 阈值：阈值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。 稳定性：稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍能保持其性能的能力。 漂移：漂移是指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。 静态误差（精

11、度）：静态误差（精度）是评价传感器静态性能的综合性指标，指传感器在满量程内任一点输出值相对其理论值的可能偏离（逼近）程度。（5）其他 动态特性是反映传感器对随时间变化的输入量的响应特性。用传感器测试动态量时，希望它的输出量随时间变化的关系与输入量随时间变化的关系尽可能 保持一致。 传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入的响应特性。当被测量随时间变化时，传感器的输出量是随时间变化的函数。 一个动态特性好的传感器，它的输出将呈现输入量的变化规律，也就是具有相同的时间函数。实际上，除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是动态误差。2 动态

12、特性 通过电阻参数的变化来测量非电量的传感器称为电阻式传感器(Resistive Transducer)。各种电阻材料，受被测量（如位移、应变、压力、光和热等）作用转换成电阻参数变化的机理是各个相同的，因而在电阻式传感器中相应地产生了电位计式、应变式、压阻式、磁电阻式、光电阻式和热电阻式等。 变磁阻式传感器(Variable Reluctance Transducer)是一种利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感或互感）变化来检测非电量的机电转换装置。常用来检测位移、振动、力、应变、流量、密度等物理量。3.2 电阻式与变磁阻式传感器3.2.1 电阻式传感器 电阻式应变计式是利用导体或半导体

13、在外力的作用下产生变形，而使其电阻发生变化来进行测量非电量的。电阻应变计有两方面的应用： 一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量； 另一个是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作简接测量。用作传感器的应变计，应有更高的要求，尤其非线性误差要小，力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。1电阻应变计式传感器电阻式应变计的示例(a) 电阻应变式土压力盒(b) 电阻应变式渗压计(c) 电阻应变式位移计 测力传感器 压力传感器 位移传感器 其他应变式传感器电阻应变计式传感器主要有以下几类 半导体单品硅、锗等材料在外力作用下电阻率将发生变化，这

14、种现象称为压阻效应。利用压阻效应开发的传感器称为压阻式传感器(Piezo-resistance Sensor)。它有两种类型：一是利用半导体材料的体电阻，制作成半导体应变计，其灵敏度比金属应变计高2个数量级；另一是在半导体单晶硅（锗）的底片上利用半导体技术，将弹性敏感元件与应变元件合二为一，制成扩散硅压阻式传感器。 压阻式传感器主要应用于测量压力和加速度，其输出可以是模拟电压信号，也可以是频率信号。2压阻式传感器硅压阻式压力传感器示例 一个简单的自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁等组成。当衔铁随被测量变化上下移动时，铁芯的气隙、磁路磁阻随之变化，引起线圈电感量的变化，当通过测量电路转换成与位移成比

15、例的电量时，就实现了非电量到电量的变换。可见，这种传感器实质上是一个具有可变气隙的铁心线圈。3.2.2变磁阻式传感器气隙衔铁线圈图3.2.3 变气隙自感传感器图3.2.4 自感式压力传感器 自感式传感器实质上是一个具有气隙的铁芯线圈。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变面积式与螺管式三种。1自感式传感器 互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。其原理类似于变压器。 差动变压器有变气隙式、变面积式与螺管式三种类型。气隙式，灵敏度较高，但测量范围小，一般用于测量几微米到几百微米的位移；变面积式般可分辨零点几角秒以下的微小角位移。线性范围达10；螺管式

16、可测量几纳米到一米的位移，但灵敏度稍低。 自感和互感式传感器统称为电感式传感器，主要用于测量位移与尺寸，也可以测量能转换为位移变化的其他参数，如力、张力、压力、压差、振动、应变、流量和密度等。 2 互感式传感器（差动变压器）3.3 电容式传感器与磁电式传感器 电容式传感器(Capacitance Transducer)是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它的结构简单、分辨力高、可非接触测量。并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三类。 电容式传感优点：主要表现在： 分辨力高； 动极（可动部分）质量小，可无接触测量，自身的功耗、

17、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度和好的动态特性； 结构简单，对环境的适应性较强： 过载能力强 常用有：位移、加速度、力和压力、物位（介质型）。3.3.1 电容式传感器 电容式传感器示例 是利用电磁感应原理，将输入运动速度或磁量的变化变换成感应电势输出的传感器。它有较大的输出功率，匹配电路较简单；性能稳定，工作频带一般为101000Hz。磁电式传感器具有双向转换特性。利用其逆转换效应可构成力（矩）发生器和电磁激振器等。 磁电式传感器各要用于振动测量，可应用在航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨（轨道）忱（枕木）振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等的振动监测上。3.

18、3.2 磁电式传感器 原理：霍尔传感器是以霍尔元件为核心构成的种磁感应感器，非电量只要能通过前置的敏感元件将它变换为位移量，即可利用霍尔传感器来测量。 特点：霍尔元件结构简单，工艺成熟、体积小、工作可靠、寿命长、线性好、频带宽， 用途：主要用于测量大电流、微气隙磁场、微位移、转速、加速度、振动、压力、流量和液位等方面的测量。（1）霍尔传感器 其他磁敏传感器是由磁敏电阻器和磁敏二极管、二极管和磁敏MOS器件等磁电转换元件构成的传感器，可用于位移测量、电机设备的磁探伤等。（2）其他磁敏传感器3.4 压电式传感器与热电式传感器 压电式传感器(Piezoelectric Sensor)是以具有压电效应

19、的压电器件为核心组成的传感器。由于压电效应具有自发电和可逆性，因此压电器件是种典型的双向无源传感器件。压电器件已被广泛应用在超声、通信、宇航、雷达和引爆等领域，并与激光、红外、微声等技术相结合，成为一种重要器件。3.4.1 压电式传感器 在物理中，一些离子型晶体的电介质，如石英等，不仅在电场力的作用下，而且在机械力的作用下都会发生极化现象。该现象有两种： （1）正压电效应：在这些电介质的一定方向施加机械力产生变形时，将引起内部正负电荷中心转移而产生极化，极化强度与施加的外力成正比。 （2）逆压电效应：对这些电介质施加电场，同样会引起电介质内部正负电荷重排，导致电介质变形，其变形程度与外电场强度

20、成正比，该现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。该效应能实现机电转化。 压电材料：主要有，压电晶体、压电陶瓷、压电半导体和有机压电高分子材料。1 压电效应 目前压电式传感器主要应用于测力，尤其对冲击、振动和加速度检测上。常用的压电式传感器有加速度传感器和测力传感器。2 压电式传感器的应用 热电式传感器(Thermoelectric Sensor)是利用转换元件电磁参量随温度变化的特件、对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。这两种热电式传感器应用非常广泛。3.4.2 热电式传感器 热电阻传感器可分为金属热

21、电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。 特点：高温系数，高电阻率；化学、物理性能稳定，以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性；良好的输出特性，即必须有线性的或者接近线性的输出；良好的工艺，批量生产，降低成本。 适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。1 热电阻 分类及用途：热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。按物理特性可为三类：第一类，负温度系类、热敏电阻(NTC)；第二类，正温度系数热敏电阻(PTC)；第三类，临界温度系数热敏电阻(CTR)。 主要用途：家用电器，家具设备，汽车，测量仪表，办公设备，农业、园艺，医疗。2 热敏电阻 热电偶传感器是目前接触式测温中应

22、用最广的热电式传感器，具有结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高等优点。它是由两种不同材料构成的，当两种材料两端的温度不同时，两端就会产生热电流或热电势，它反映了两端的温度差，因此可用于接触式的测量温度。3 热电偶3.5 光电式传感器与光纤传感器 光电式传感器(Photoelectric Sensor)是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等优良特性。激光技术和图像技已应用于传感器。在非接触测量领域光电式传感器具有非常重要的作用，在各个领域得到广泛应用。3.5.1 光电式传感器 原理：光电式传感器的直接被测量是光，可以测量光的有无，也可以测量

23、光的强度，主要由光源、光通路、光电元件和测量电路组成。1 光电式传感器的组成 要求：第一，必须具有足够的照度；第二，光源应均匀、无遮挡或阴影；第三，光源的照射方式应符合传感器的测量要求；第四，光源的发热量应尽可能小；第五，光源发出的光必须具有合适的光谱范围，光电传感器使用的光的波长范围处在紫外至红外之间的区域，一般多用可见光和近红外光。 常见的光源有：热辐射光源，气体放电光源，发光二极管，激光器。（1）光源 所谓光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。 般地，光电效应分为外光电效应和内光电效应两类。所以，光电器件也随之分为外光电器件和内光电器件两类。光电器件是

24、光电传感器的重要组成部分，对传感器的性能影响很大。（2）光电效应与光电器件 应用光电式传感器可制作： （1）光电式数字转速表； （2）光电式物位仪； （3）视觉传感器； （4）细丝类物件的在线检测器。2 光电式传感器的应用 用途：可用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH位等70多个物理量的测量、应用十分广泛。 原理：光纤传感器是通过被测量对光纤内传输光进行调制，使传输光的强度（振幅）、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的光信号进行检测，从而得出相府被测量的传感器。 分类：一类是功能型传感器(Function Fiber

25、 Optic Sensor)，又称为FF型光纤传感器；另一类是非功能则传感器(None Function Fiber Optic Sensor)，又称NF型光纤传感器。3.5.2 光纤传感器3.6 化学传感器与生物传感器3.6.1 化学传感器 定义：能将各种物质的化学特性，如成分、浓度等，定性或定量地转变成电信号输出的装置称为化学传感器。 原理：物质的化学特性是通过化学反应表现的。化学反应的本质是原子电荷的得失，其结果是物质的性质发生改变，化学传感器的敏感结构参与了这种反应，并将化学反应中伴随发生的各种，如电效应、光效应、热效应、质量变化等变化信息，转换为易于分析、处理和控制电信息。 组成：化

26、学传感器通常由接受器(Receptor)和换能器(Transducer)两部分组成。1 基本原理和分类 接受器：是具有分了或离了识别功能的化学敏感层，它的作用可以概括为吸附（如SnO2可以吸附气体分子，陶瓷可以吸附水汽）、离子交换（如离子敏电极可以与待测溶液交换离子）、选样（如钯栅、玻璃膜对氢气分子具有选择性）。 接受器构成：它的物理形态主要是各种工艺制作的的膜结构。膜的性能也与制膜工艺有关，一般分为：涂覆膜、厚膜（厚度0.010.3mm）、薄膜。 通常按接受器和换能器的功能来分类 换能器：主要有，各种化学电池、电极、场效府管MOSFET)、PN结、声表面波器件、光纤等，换能器的形式决定了化学

27、传感器的外在形态和测量电路。 按接受器的识别功能可分为离子敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器、光敏传感器等。 按换能器的工作原理可分为电化学传感器、光化学传感器、质量传感器、热量传感器、场效应管传感器等。（2）特性与分类 生物传感器(Biosensor)处指用生物活性材料，如酶、蛋出质、DNA、抗体、抗原、生物膜等作为感受器，通过其生化效应来检测被测量的传感器，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监护方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。生物传感器与国民经济的诸多领域关系非常密切，广泛应用在生化、医学、生物工程、环境、食品、工业控制与军事等领域，也是物联网重要的感知手段。3.6.2

28、 生物传感器 组成：生物传感器主要由两大部分构成，一是生物功能物质的分子识别部分，二是转换部分。1 基本原理与主要部件 生物传感器的转换部分生物传感器的转换部分：按照受体学说，细胞的识别作用是由于嵌合于细胞膜表面的受体与外界的配位体发生共价结合，通过细脑膜通透性的改变，诱发了一系列的电化学反应。膜反应所产生的变化再分别通过电极、半导体器件、热敏电阻、光电二极管或声波检测器等变换成电信号。这种变换得以把生物功能物质的分子识别转换为电信号，形成生物传感器。只有变换功能的部分或元件也称为换能器。（2）主要部件 常用的换能器主要点以下一些类型： （a）电化学换能器：电位型、电流型、场效应晶体管型、电导型； （b）光化学换能器：光度型、荧光型、发光型、波导型； （c）声波换能器：压电晶体型； （d）热学换能器：温敏型。还有其他类型换能器。 （1）采用固定化生物活性物质作催化剂，试剂可以重复多次使用，使用方便，成本低。 （2）专一性强，只对特定的底物（被酶作用的物质）起反应、而且不受颜色、浊度的影晌。 （3）分析速度快，可以在分钟内得到结果。 （4）准确度高，一般相对误差可小于1。 （5）操作系统比较简单，容易实现自动分析。 （6）综合信息获取能力强、能得到许多复杂的物理化学反应过程中的信息。2 生物传感器的特点3.7 MEMS传感器与智能