传感器应用（第2版） 课件全套 陈卫 第1-7章 走进传感器技术应用领域 -智能传感器及应用

第1章走进传感器技术应用领域人类已步入以信息技术为标志的高科技时代，人们的一切社会活动都依赖于各种信息的获取与运用，传感器作为信息获取与信息转换的装置或器件，建立了现实世界与信息世界的桥梁。传感器作为整个检测系统的感知端，忠实地履行着自己的职责——感受规定的被测量并转换成可用的信息。第1章走进传感器技术应用领域了解人体感观系统与传感器的关系，重新认识常用的电子产品掌握传感器的定义与组成结构，了解基本的分类方法和命名规则掌握传感器的性能指标（静态特性和动态特性），能够合理地选用传感器掌握传感器的标定和校准方法，能够进行简单传感器的静态标定和动态标定了解传感技术的应用现状和发展趋势，拓展视野第1章走进传感器技术应用领域1.1人体与传感器

1.2传感器的组成与分类

1.3传感器的性能指标

1.4传感器的标定

1.5传感技术的现状和发展趋势*1.1人体与传感器1.1.1眼睛视觉与摄像机1.1.2耳朵功能与麦克风和空间运动传感器1.1.3皮肤触觉与阵列键盘和触摸屏1.1人体与传感器人类在自然界历悠久史长河的进化进程中，逐渐形成了完善的感观世界的生理系统，其主要包括：视觉系统、听觉系统（包括平衡系统）、嗅觉系统、味觉系统和触觉系统，分别对应于人类的眼、耳、鼻、舌、皮肤。人体的感观系统用现代科技术语可表述为生物传感器系统。在此将眼睛、耳朵、皮肤的感观功能实现与现代传感器技术做关联对比。1.1.1眼睛视觉与摄像机眼睛是一个感知光线的器官，是人类感观中最重要的器官。大脑中大约有80%的知识和记忆都是通过眼睛获取的，人们读书学习、看图赏画、游览美景等都要用到眼睛。眼睛能辨别不同颜色、不同亮度的光线，再将这些光线信号转变成生物电信号，经视神经网络传送给大脑，整体构成所见物体的图像。1.1.1眼睛视觉与摄像机现代高科技数码产品：照相手机、数码相机、监控摄像机等，其结构与工作原理与人类的眼睛有惊人的相似之处。其结构是由镜头、光圈、图像传感器和处理传输电路以及显示屏等部分构成。光电图像转换器件是图像传感器，其结构与工作原理与人体视网膜上的感光细胞完全类似。1.1.1眼睛视觉与摄像机图像传感器是一种能将感光面上的光像信号转换为与光像成相应比例关系的“图像”电信号的光电器件，图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件不同分为CCD和CMOS。CCD电荷耦合元件应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS金属氧化物半导体元件应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，售价也比CCD便宜1/3。1.1.1眼睛视觉与摄像机目前，高清晰度的图像传感器已高达3600万像素，用于专业级数码单反相机；但与人眼的分辨率相比仍相差几十倍。因人眼的动态实时调节使分辨率得到极大的提升，其有效图像可达5.76亿像素；预计研发出与人眼分辨率相当的图像传感器至少需要20～30年时间。1.1.2耳朵功能与麦克风

和空间运动传感器耳朵是人们的听觉器官和运动姿态控制与平衡感受器官。耳朵的主要结构可以分为三大部分：外耳、中耳和内耳。耳道深处有封闭的薄膜——鼓膜，它是外耳与中耳的分隔膜，也是中耳鼓室的外壁。鼓室是一个空腔，内含人体中最小的骨头——听小骨。锤骨、砧骨和镫骨三块听小骨组合成听骨链，一端连接鼓膜，另一端连接到内耳的听觉组织，各部分整体构成人体生物声音信号传感器。1.1.2耳朵功能与麦克风

和空间运动传感器当声音发出时，周围的空气分子就产生了一连串的振动，这些振动就是声波，并从声源向外传播。当声音到达外耳后，通过耳廓的集音作用把声音传入外耳道并到达鼓膜，使鼓膜振动。鼓膜振动带动听骨链振动，镫骨再带动前庭窗振动，引起内耳耳蜗管道淋巴液的移动，使数以千计的听觉毛细胞产生生物电信号，生物电信号经耳蜗神经传导给大脑形成听觉。

耳朵功能与麦克风动圈式声音信号传感器——麦克风（Microphone）则是根据耳朵听觉系统的生理功能设计出来的，是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，也称话筒或拾音器。动圈麦克风的特点是结构简单、坚固，因而具有较长的使用寿命；同时其价格低廉，被广泛地应用到了各种大众音响场合，如卡拉OK厅、会议室、电话机等，其最佳频率响应为40Hz～16kHz。

耳朵功能与麦克风动圈麦克风的结构是由保护罩、振动膜、永磁铁和与振动膜相联的圆形铜线音圈组成。当声波使振动膜振动时，振动膜带动音圈在永磁场中前后运动，使圆形铜线音圈切割磁力线，并在线圈中产生感应电动势——音频电信号。即动圈麦克风完成了把机械振动声波转换成了音频电信号的能量转换功能。

耳朵功能与空间运动传感器内耳包含了一个非常重要的器官——前庭器官，位于人的内耳，包括椭圆囊、球囊和3个半规管，是人体的平衡觉感受器。人们对头部和身体的移动、上下升降以及翻身、例置等运动的辨别，都依靠平衡觉。

耳朵功能与空间运动传感器意法半导体公司（STMicroelectronics，简称ST）利用微机械制造技术和集成电路工艺研制出的LSM330DL传感器——3D加速度传感器和3D轴陀螺仪与人体前庭器官的功能完全类似。LSM330DL传感器（如图1-5所示）是利用3个可直线运动的差动电容极片实现3维的空间平移运动检测，利用3个可旋转的差动电容极片实现3维的空间旋转运动检测。LSM330DL传感器原理图LSM330DL传感器应用LSM330DL传感器广泛应用于GPS导航系统、碰撞识别和记录、游戏和虚拟现实输入设备、振动监测与补偿、自由落体检测、6维运动的定位检测等领域。例如在先进的平板iPad电脑中，配置了该系列的加速度传感器；在高级轿车如BMW7系中，也搭载了类似的传感器。1.1.3皮肤触觉与阵列键盘和触摸屏皮肤覆盖于人体的表面，是人体的第一大防线。皮肤由三部分组成，由外往里依次为表皮、真皮和皮下组织。触觉是指分布于全身皮肤上的神经细胞接受来自外界的温度、湿度、疼痛、压力、振动等方面的感觉，是人类的第五感官，也是最复杂的感官。

皮肤触觉与阵列键盘和触摸屏在人体皮肤中，能感觉高于皮肤温度的接收器是热敏小体，能感觉接触和受压等机械刺激的感受器是触觉小体，同时皮肤还有冷敏小体和痛觉神经末梢等感受器。如果用尖锐物品刺激手臂皮肤，就能引起触觉小体、游离神经末梢兴奋，产生生物电信号（压觉和痛觉）经神经网络传输给大脑，从而准确判断出尖锐物品刺激的体表位置。因此，触觉小体、游离神经末梢就成为了人体皮肤的触点位置传感器。

皮肤触觉与阵列键盘在现代社会生活中，与人体皮肤的触点位置传感器对应的事例很多，其中简单、实感的典型为电话机的数字功能键盘。在每个按键下有一个微动开关（类似于触觉小体），每个微动开关与固定分布的电路（类似于神经网络）相连。

皮肤触觉与触摸屏触摸屏是更加类似于皮肤的触点传感器，根据其工作原理可分为不同的类型，其中的数字电阻触摸屏则是键盘输入的技术扩展，其广泛应用于各种机器设备的控制面板，如自助信息查询机、银行自助会员机、自动售票机等的人机输入界面。观察与思考:

人体感知功能的联想在夜晚，眼睛的视杆细胞可以感受微弱的光线；红外夜视仪可以显示周围环境的图像。请以红外夜视仪为搜索关键词获取相关信息。前庭器官敏感的人乘坐汽车、轮船容易出现晕吐现象，你能构想一种交通工具，使他们感受旅途的舒适和愉悦吗？人体皮肤触觉能够感受力的大小，例如用手拿鸡蛋和端水杯完全不同，那么机械手实现相同功能会涉及哪些关键因素？拓展提高:

背部触觉识字与触摸屏文字输入现代仿生技术通过对生物体功能实现的研究，提出了许多技术创新和发明，生物体是世界上最精妙复合传感器系统，认识自己是认识传感器技术领域的前提。现请2位学生表演人体背部写字识别游戏；再请有触摸屏手机的同学手写输入汉字。主题讨论二者之间的区别和联系。1.2传感器的组成与分类1.2.1新科技革命与传感技术1.2.2传感器的定义1.2.3传感器的组成1.2.4传感器的分类1.2.5传感器的命名1.2传感器的组成与分类在现代高科技社会的今天，为了更加和谐、舒心地工作和生活，人们对信息的获取、分析、处理、存储、传输以及综合应用等需求愈加迫切。作为信息获取和转换的功能器件——传感器及其检测技术与人们类的关系愈加密切，且与我们形影相随。1.2.1新科技革命与传感技术新科技革命始于20世纪50年代，是以技术群落的形式出现，即由信息技术、生物技术、新能源技术、新材料技术、新制造技术、激光技术、空间开发技术、海洋开发技术等多个技术群落构成。其中：新能原技术、新材料技术、信息技术分别对应着人类物质活动的三要素（物质、能量、信息），是整个技术系统的基础；生物技术、空间开发技术、海洋开发技术代表着人类发展的三个方向：空间、海洋、复杂性领域（生命系统是最典型最重要的复杂性领域）；而激光技术、新制造（加工）技术作为一种技术手段广泛应用于各个领域。1.2.1新科技革命与传感技术中国政府在“国家‘十二五’科学和技术发展规划”中明确提出了：“大力培育和发展战略性新兴产业”，“在节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车等产业领域，集中优势力量进行攻关，为增强战略性新兴产业的核心竞争力奠定坚实基础”，这些新兴产业领域都与传感检测技术密不可分。1.2.1新科技革命与传感技术物联网应用技术的兴起促进了相关产业群的蓬勃发展。从物联网的网络层次看，主要分为感知层、网络层和应用层。其中，以RFID无线射频识别为代表的物品识别技术、传感技术、网络通信技术等应用方兴未艾，例如：我国人手1张的第二代“中华人民共和国居民身份证”、城市（或校园）一卡通、车载跟踪射频识别卡等，因而RFID和传感器将是构成网络感知层的触角。1.2.1新科技革命与传感技术智能建筑及楼宇自动化系统和技术的最新发展，包括：楼宇自动化网络（有线及无线局域网络和互联网，通信协议和标准及其应用）；过程控制及其整定；暖通空调系统(空调及中央制冷系统)的过程控制、优化控制及其控制特征；照明控制、安防和门禁控制及消防安全控制系统等，都离不开传感器技术的应用。1.2.1新科技革命与传感技术在军事方面，复杂的SoS(SystemofSystems，体系)工程受到了高度的关注，尤其是在联合作战研究领域，SoS建设被认为是通过众多作战平台、武器系统、传感器系统和通信交流系统等战场实体的协同运作实现战争目标的必要措施，这种系统间协调运作大大增加了战场建设的复杂性，这一问题也成为战场指挥官关注的焦点。1.2.1新科技革命与传感技术因此，传感器技术构成了新科技革命的关键与首要环节，已渗透到现代社会生产和生活的各个领域，从尖端的武器装备、航空航天技术到机械设备、工业过程控制、交通运输、家用电器、医疗卫生、办公设备及低碳环保等各个领域。随着高科技技术群的发展，传感器技术的逐渐显示出自己的重要性，国内外高新技术行业企业都十分重视研制开发与生产各种用途的传感器。随着社会文明的进步，传感器的使用将无处不在，传感技术已逐步发展成为一个独立的学科，在未来的国民经济发展中将发挥越来越重要的作用。1.2.2传感器的定义人类借助感觉器官获取外界刺激转换为生物电信息，再通过大脑的分析判断发出行动命令。随着科学技术的发展和人类社会的进步，为了进一步认识自然和改造自然，仅仅依靠自身的感觉器官显然是不能满足需求的，因此出现了各种用途的传感器，例如：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器、振动传感器等等。1.2.2传感器的定义顾名思义，传感器应是一种传递感觉的器件或装置。例如：利用不同金属的热膨胀系数差异制造的KSD温控器广泛应用于：家电产品（如饮水机、电饭堡、消毒柜、微波炉等）、办公设备（覆被机、热熔机、激光打印机等）以及汽车的发动机过热保护、座位加热器等，实现电器、电机类产品设备的温度控制及过热保护功能。1.2.2传感器的定义KSD温控器是一种将不同双金属圆片作为热敏感元件，根据所要控制对象的温度来决定通断的开关；双金属片由上层的“高锰合金”片和下层的“殷钢”片组成。前者的膨胀系数是后者的几十倍，分别称为“主动层”和“被动层”，在正常温度下铜片与弹簧片的触点A与B的触点是接触的，整个电路处在接通状态。1.2.2传感器的定义当被控主件的温度升高所产生的热量传递到双金属圆片上时，主动层膨胀的比被动层多，双金属片向下弯曲，通过小圆柱推动弹簧片，温度升高到一定程度时，使铜片与弹簧片的触点A与B断开，从而控制电路断开；当温度下降到复位温度时，双金属圆片迅速恢复原状，使触点闭合，电路接通。由此达到接通或断开电路的目的，实现设定温度的开关自动控制。1.2.2传感器的定义9700系列温控开关广泛应用于工业、家电及电气设备，为防止过流、过热提供有效可靠的安全保护。温控开关9700系列热保护器是由导热金属外壳、焊有银合金触点的双金属元件、导电支架、绝缘固定座、静触片及耐热导线等元件组成。电流通过有一定电阻的双金属元件，遇非正常工作时，随着电流增大或周围温度升高至设定温度值时，双金属元件向上弯曲，打开触点，切断电路。当装置冷却到安全工作温度时，双金属元件恢复常态，使触点闭合，恢复正常工作状态。1.2.2传感器的定义传感器是能感受规定的被测量（输入信号），并按照一定的规律转换成可用输出信号（以电量为主），以满足信息的传输、处理、存储、记录、显示和控制等要求的器件或装置。国际电工委员会（InternationalElectro-technicalCommittee，IEC）对传感器的定义为：“传感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。”1.2.2传感器的定义我国的国家标准（GB7665—1987）定义为：传感器（Transducer/Sensor）是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。并注明：①敏感元件（Sensingelement）是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分。例如双金属元件就是温度敏感元件。②转换元件（Transductionelement）指传感器中能将敏感元件感受（或响应）的被测量转换成适于传输和（或）测量的电信号部分。例如：触点的闭合与断开转换成电路电流的通和断。③当输出为规定的标准信号时，则称为变送器（Transmitter）。1.2.3传感器的组成传感器通常是由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源等部分组成。其中：转换电路可将转换元件输出的电量转变为便于显示、记录、处理、控制的有用电信号，也称为信号调节与转换电路，可由电桥、电流或电压放大器、电荷放大器、滤波电路、比较整形电路等组成。辅助电源为传感器中的元件和电路提供工作能源。1.2.3传感器的组成在很多情况下，由敏感元件获得被测量经过转换得到的电信号是很弱的，而且混杂了各种干扰信号和噪声信号。为了便于识别和后续处理，必须将电信号经由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路处理成代表被测量特性的波形或幅度信号，有时这些电路或其中一部分是和传感器部件直接组装在一起的，传感器引出端输出成形后的电信号经匹配放大和模拟-数字转换成数字信号，并送入微处理器进行智能处理。1.2.3传感器的组成根据传感器的转换原理和复杂程度，敏感元件与转换元件有时合二为一，例如：用光敏电池成的亮度传感器、用热电偶制成的温度传感器，它们可直接将感受的被测量直接转换为电信号输出，没有中间转换环节；有些传感器则由敏感元件和转换元件组成，甚至转换元件不止一个且要经过若干次转换，例如：在高精度数控机床上使用的由长光栅、发光二极管、光敏三极管组成的位移传感器。1.2.3传感器的组成各种不同的材料或器件所具备的物理效应、化学效应、生物效应和工作机理可用于制作不同功能的传感器敏感元件，形成了丰富多彩的传感器技术器件和装置，例如一辆高级轿车的传感器就有几十种之多，分别用以检测车速、方位、负载、振动、油压、油量、温度、燃烧过程等。传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触，其“对象”可以是固体、液体或气体，而其状态可以是静态的，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式进行检测。1.2.4传感器的分类1.按传感器的检测量分类按传感器的检测量分类可分为：物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器。1）物理量传感器（physicalquantitytransducer/sensor）物理量传感器应用的是物理效应，如热胀冷缩变化、压电效应、磁致伸缩、离化、极化、热电、光电、磁电等效应，将被测信号量的微小变化都将转换成电信号，可分为如下7类：力学量传感器：压力传感器、力矩传感器、速度和加速度传感器、流量传感器、位移和位置传感器、尺度传感器、密度和粘度传感器等。1.2.4传感器的分类1）物理量传感器（physicalquantitytransducer/sensor）热学量传感器：热敏电阻、晶体管温度传感器、双金属片温度传感器、辐射式温度传感器和热释电式温度传感器等。光（学量）传感器：数码相机、红外成像仪、激光测距仪等。磁（学量）传感器：医学诊断中广泛应用的核磁共振成像。电学量传感器：电流传感器、电压传感器和电场强度传感器。声（学量）传感器：声压传感器、噪声传感器，其典型代表就是话筒麦克风。射线传感器：X射线传感器、β射线传感器、γ射线传感器以及核辐射剂量传感器。1.2.4传感器的分类2）化学量传感器（chemicalquantitytransducer/sensor）化学量传感器是能感受规定的化学量并转换成可用输出信号的传感器，其包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器。化学量传感器可分为3类：气体传感器能感受气体（组成、分压）并转换成可用输出信号的传感器。例如：CH4、CO、CO2传感器等。离子传感器利用离子选择电极，将感受的离子转换成可用输出信号的离子传感器。例如：pH值传感器，K+、Na+离子传感器等。湿度传感器能感受气氛中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。例如：用湿敏电阻制作的空气湿度检测仪。1.2.4传感器的分类3）生物量传感器（biologicalquantitytransducer/sensor）生物量传感器是能感受规定的生物量并转换成可用输出信号的传感器。其分为生化量传感器（biochemicalquantitytransducer/sensor）和生理量传感器（physiologicalquantitytransducer/sensor）。生物量传感器的绝大部分是由物理量传感器和化学量传感器构成，其中，各种生物酶传感器则是采用专用的生物酶膜作识别器件实现生化量的检测。1.2.4传感器的分类3）生物量传感器（biologicalquantitytransducer/sensor）生物芯片（biochip或bio-array）则是代表生化量传感器的最新高科技水平。生物芯片技术是利用生物分子间特异相互作用的原理，通过不同方法将生物分子（寡核苷酸、cDNA、genomicDNA、多肽、抗体、抗原等）固着于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、凝胶、尼龙膜等固相递质上形成的生物分子点阵，后与带荧光标记的DNA样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息，从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。因此，又称其为DNA芯片或基因芯片，它们是DNA杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。生物芯片及其检测系统1.2.4传感器的分类2.按传感器的敏感器件分类大致有如下12类：电容式传感器（capacitivequantitytransducer/sensor）将被测量变化转换成电容量变化的传感器。电位器式传感器（potentiometrictransducer/sensor）利用加激励的电阻体上可动触点位置的变化，将被测量变化转换成电压比变化的传感器。电阻式传感器（resistivetransducer/sensor）将被测量变化转换成电阻变化的传感器。电感式传感器（inductivetransducer/sensor）将被测量变化转换成电感量变化的传感器。1.2.4传感器的分类2.按传感器的敏感器件分类大致有如下12类：电化学式传感器（electrochemicaltransducer/sensor）利用溶液中电化学反应，将被测量变化转换成电极电位变化的传感器。光导式传感器（photoconductivetransducer/sensor）利用入射到半导体材料上照射量的变化，将被测量变化转换成该材料电阻或电导率的变化的传感器。光伏式传感器（photovoltaictransducer/sensor）将被测量变化转换成光生电动势变化的传感器。光纤传感器（opticalfibersensor）利用光纤技术和有关光学原理，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。1.2.4传感器的分类2.按传感器的敏感器件分类大致有如下12类：压电式传感器（piezoelectrictransducer/sensor）将被测量变化转换成由于材料受机械力产生的静电电荷或电压变化的传感器。压阻式传感器（piezoresistivetransducer/sensor）将被测量变化转换成由于材料受机械应力产生的电阻变化的传感器。霍尔式传感器（Halltransducer/sensor）利用霍尔效应，将被测量变化转换成可用输出信号的传感器。〔核〕辐射传感器〔nuclear〕radiationtransducer/sensor利用〔核〕辐射检测技术，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。1.2.4传感器的分类3.其他分类标准1）按数字和模拟量分类数字传感器（digitaltransducer/sensor），输出信号为数字量(或数字编码)的传感器。模拟传感器（analogtransducer/sensor），输出信号为模拟量的传感器。1.2.4传感器的分类2）按结构型和材料型分类结构型传感器（mechanicalstructuretypetransducer/sensor），利用机械构件(如金属膜片等)的变形或位移检测被测量的传感器。如应变式、电压式、电容式、磁电式传感器。物性型传感器（physicalpropertytypetransducer/sensor），利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应检测被测量的传感器。利用功能材料的压电、压阻、热敏、湿敏、光敏、磁敏、气敏等效应可把压力、温度、湿度、光量、磁场、气体成分等物理量转换成电量。1.2.4传感器的分类3）综合型分类复合型传感器（recombinationtypetransducer/sensor），由结构型传感器和物性型传感器组合而成的兼有两者特征的传感器。集成传感器（integratedsensor），利用微电子工艺，将敏感元件连同信号调理电子线路制作在一块半导体芯片上的传感器。多功能传感器（multi-functiontransducer/sensor），能感受两个或两个以上被测量并转换成可用输出信号的传感器。智能传感器（intelligentsensor），对外界信息具有一定的检测、自诊断、数据处理以及自适应能力的传感器。多功能传感器实例安装在汽车4只轮胎上的高灵敏度胎压、胎温的感应发射器，实时监测轮胎的压力和温度，数据信号经无线发射传送到安装在驾驶台前的显示报警器上，当出现胎压过高或过低、温度过高或过低的异常情况时，显示屏会自动显示并报警，从而确保汽车行驶的安全。1.2.5传感器的命名1．传感器命名法的构成一种传感器产品的名称是由主题词加四级修饰语构成。1.2.5传感器的命名第一部分：主称为传感器，用“传感器”汉语拼音字母“C”标记。第二部分：被测量代号，用“被测量”的一个或两个汉字汉语拼音的第一个大写字母标记；当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则用其汉语拼音的第二个大写字母作代号，依此类推。当被测量有国际通用标志时，应采用国际通用标志。当被测量为离子、粒子或气体时，可用其元素符号、粒子符号或分子式加圆括号“（）”表示。第三部分：转换原理代号，用“转换原理”的一个或两个汉字汉语拼音的第一个大写字母标记；当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则用其汉语拼音的第二个大写字母作代号，依此类推。1.2.5传感器的命名第四部分：序号，用阿拉伯数字标记。序号可表征产品设计特征、性能参数、产品系列等。如果传感器产品的主要性能参数不改变，仅在局部有改进或改动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写汉语拼音字母A、B、C……（其中I、U两个字母不用）。序号及其内涵可由传感器生产厂家自行决定。当对传感器的产品名称命名时，除第一级修饰语外，其他各级可视产品的具体情况任选或省略。在被测量、转换原理、序号三部分代号之间须有连字符“-”连接。传感器命名实例乐清市迈得豪电气有限公司生产用于混凝土车设备正反转双向霍尔传感器邯郸市清胜电子科技有限公司生产的用于环境、温室、养殖等测量的大气压力传感器传感器命名实例通常，各个生产行业、企业对传感器的命名会按照国际惯例及参照相关规范建立自己的产品命名规则。例如：重庆市大正温度仪表有限公司对自己生产的热电偶／热电阻温度传感器系列建立了完整的命名规则。表1-1热电偶／热电阻温度传感器型号标记表（部分）观察与思考

生活工作中的传感器在现代社会生活工作中，传感器检测与控制无处不在。例如：图书馆、商场、银行的自动门，厂房、大楼、酒店的自动升降电梯，洗手间的自动水龙、自动干手器等，都应用了传感器检测与自动控制技术。请根据观察体验，讲述其中使用的传感器类型、名称及原理。拓展提高

用电位器制作传感器方案讨论传感器技术属交叉学科，涉及知识面广、内容丰富，与数学（被测量转换模型函数、校正系数）、物理（物理现象、定律、效应）、化学（离子、分子、气体、溶液及相关反应）、电子线路（信号获取、放大、整形、模数转换）、机械结构及原理等都有联系，要综合运用各方面的理论知识，才能理解和掌握传感器技术。电位器分为旋转式电位器和直线电位器，电位器阻值与旋转角度、滑动位置存在对应关系。请分组讨论、自由发言，分析提出用电位器作为敏感元件测量拉力、压力、位移和角度的原理性方案。1.3传感器的性能指标1.3.1了解传感器的特性1.3.2传感器的静态特性1.3.3传感器的动态特性1.3传感器的性能指标传感器的特性分为静态特性和动态特性。掌握其性能指标，才能正确地选择、使用、维护和替换传感器，对新传感器的研发、生产和推广应用具有重要意义。1.3.1了解传感器的特性传感器的特性一般是指传感器输入与输出之间的关系，可用数学函数、坐标曲线、图表等方式表示。因被测量状态的不同，传感器的特性可分为静态特性和动态特性。当被测量处于稳定状态（即常量或变化极慢的状态）时，传感器的输入-输出特性称为静态特性。当被测量随时间快速变化时，传感器的输入-输出响应特性称为动态特性。1.3.1了解传感器的特性理想情况下，传感器的输入与输出应具有确定的对应关系，两者间最好成线性关系；而实际情况下，由于传感器结构、电子元器件、转换电路以及运行环境因素的影响，使输入和输出表现出非线性关系（或分段近似性关系）。为了提高测量精度，消除测量控制系统误差，要求传感器必须具有良好的静态和动态特性，通过转换原理分析为传感器建立有效合理的数学模型，引入用实验测量的数据统计计算出的校正系数，得到传感器的实际特性。1.3.2传感器的静态特性1．传感器静态特性数学模型传感器的静态特性可用数学函数表示，运用高等数学的方法（傅里叶级数）可将各种函数转化为n次多项式：式中，x为输入量，y为输出量；b0为零输入时的输出（也称零位输出），b1为传感器线性项系数（也称线性灵敏度），b2

、……、bn

为非线性项系数，各项系数不同，决定了传感器特性曲线的具体形式。1.3.2传感器的静态特性1．传感器静态特性数学模型理想情况下，传感器的静态特性函数中b2

、……、bn非线性项系数为0，前式可简化为：这样，可简化传感器的理论分析和设计计算，避免了非线性补偿计算，为传感器的标定和数据处理带来极大方便，易于测量仪表的设计、安装、调试和维护，也提高了测量精度。1.3.2传感器的静态特性1．传感器静态特性数学模型例如，便携式电子弹簧秤是典型的线性函数传感器应用，利用拉力弹簧的弹性系数k（b1=k，b0=0）、弹簧伸长量x与拉力F的线性关系实现对物品重量的称量：1.3.2传感器的静态特性1．传感器静态特性数学模型拉力弹簧的伸长量x要转换为电信号才能进行后续处理，为此加入滑动直线电位器将伸长量x转变为电阻值的变化，连接成的测量电路，将物品重量导致的弹簧伸长量x转换为不同的电压信号，通过信号处理电路、显示电路及模块直接输出物品重量值。在此应用中，拉力弹簧为敏感元件，滑动直线电位器作为转换元件，加上转换电路和处理显示电路构成了1个传感器测量系统。1.3.2传感器的静态特性2．传感器静态特性指标传感器静态特性的主要指标有测量范围（或量程）、线性度、灵敏度、分辨力、迟滞和重复性等，它们是衡量传感器质量和性能重要的指标。在传感器与测量系统的研制、生产过程中，静态特性是首先需要测定的指标。1.3.2传感器的静态特性2．传感器静态特性指标1）测量范围与量程每一种传感器都有其测量范围（Measuringrange），是由该传感器组成的测量系统（或测量仪表）按规定的精度测量被测量，测量出的最大值称为测量上限值，用Xmax表示；测量出的最小值称为测量下限值，用Xmin表示，测量下限值与测量上限值构成的测量区间[Xmin，Xmax]就是测量范围。传感器的量程可用测量范围的大小来表示，即量程（Span）就是传感器测量测量上限值与测量下限值的代数差：量程＝测量上限值－测量下限值测量范围与量程测量下限值Xmin与测量上限值Xmax对应的输出值分别为输出下限值Ymin和输出上限值Ymax，则满量程输出值记为：1.3.2传感器的静态特性1）测量范围与量程采用测量下限值和上限值可准确地表示传感器的测量范围，也可计算出传感器的量程。例如，用铂电阻pt100制作的WZPA1-F1温度传感器的测量范围为：-40℃～150℃，其量程为：190℃；腕式电子血压计测量范围为：40mmHg～280mmHg，其量程为：320mmHg。量程可表示出测量范围的大小，但不能确定测量下限值、上限值和测量范围。1.3.2传感器的静态特性2）线性度（Linearity）传感器的线性度是指传感器的输入与输出之间数值关系满足线性的程度，线性度可用线性误差来表示。即线性度表示为传感器特性曲线与规定的拟合直线之间的最大偏差绝对值（记为△Lmax）与传感器满量程输出值YFS之比，记为EL：传感器的线性度传感器的线性度是以规定的拟合直线作为参考直线计算出来的，采用不同的拟合直线计算方法可得到不同的线性度指标。常用的直线拟合方法有端点直线法、最佳直线法和最小二乘法等；为了提高测量精度，结合计算机数据处理技术和计算方法，时常采用分段拟合直线算法，其△Lmax1和△Lmax2会远小于△Lmax

，使各个分段的线性度得到较大提高。1.3.2传感器的静态特性3）灵敏度（Sensitivity）灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值，记为Sn。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，其表达式为：

非线性传感器的灵敏度是一个变化的量，在特性曲线上表示为传感器在该测量点的斜率，其表达式为：传感器的灵敏度1.3.2传感器的静态特性4）分辨力（Resolution）传感器的分辨力是指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量，是传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的；只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。1.3.2传感器的静态特性4）分辨力（Resolution）在便携式电子弹簧秤的实例中，称量范围为0～20kg，分辨力为10g，即10.507kg与10.502kg重量的物品，其称量结果都是10.50kg。通常传感器在测量范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。1.3.2传感器的静态特性5）滞后（hysteresis）在传感器内部，由于某些元器件具有储能效应，例如：弹性形变、磁滞现象、极化效应等，使得被测量逐渐增加和逐渐减少时，测量得到的上升曲线和下降曲线出现不重合的情况，使传感器特性曲线形成环状，此种现象称为滞环。滞后量是指传感器在规定的测量范围内，当被测量逐渐增加和逐渐减少时，输出中出现的最大差值，也称为回差。传感器的滞环曲线和滞后量通常，习惯用滞后量与满量程输出值之比的百分数表示传感器的此种特性指标，称为迟滞误差（记为EH），其表达式如下：

1.3.2传感器的静态特性6）重复性（repeatability）重复性是指传感器在测量方法、观测者、测量仪器、地点、使用条件相同的条件下，在短时期内对同一被测量按相同的变化过程进行多次连续测量所得结果之间的符合程度。如图所示，画出了在同一工作条件下测量得出的3条某传感器特性曲线，反映出传感器在相同输入的情况下输出结果的不一致性（或称离散性）。传感器的测量重复性实际应用中，重复性常选用上升曲线的最大离散程度和下降曲线的最大离散程度两者中的最大值与满量程输出值之比的百分数来表示（记为ER），其表达式如下：1.3.2传感器的静态特性7）长期稳定性（longtermstability）长期稳定性是指传感器在规定时间内仍保持不超过允许误差范围的能力。影响传感器正常工作的各种因素很多，涉及传感器稳定性的因素也很多，现列出如下3项指标：漂移（drift）：在一定的时间间隔内，被测量保持不变而传感器输出出现的变化量。零点漂移（zeroshift）：在规定的时间间隔及室内条件下传感器零点输出时的变化。热灵敏度漂移（thermalsensitivityshift）：由于周围温度变化而引起的灵敏度漂移。1.3.2传感器的静态特性8）精确度（accuracy）精确度是指传感器测量出的被测量结果与实际值间的一致程度，常用测量误差的相对值表示。例如图1-20腕式电子血压计实例的静态压力精确度为：±3mmHg。在实际工程应用中，综合考虑室温条件下传感器的线性度、滞后和重复性三方面的误差，计算出采用传感器精度E：并按工业规定将精度划分成若干等级，简称精度等级。其由高到低的等级顺序为：0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级等。1.3.3传感器的动态特性1．动态特性（dynamiccharacteristics）动态特性是指传感器对随时间变化的被测量的响应特性。在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器不仅能精确地测量出信号的量值大小，而且能反映出信号的变化过程，即要求传感器能快速准确地响应和再现被测量的变化。例如，110m栏决赛中世界冠军刘翔在发令枪响后0.15ms左右必须发力起跑，爆发力由0瞬间到几倍于体重的最大值，速度由0瞬间达到5～10m/s；又如，原子弹在爆炸瞬间，大约在二万分之一秒的时间内爆心会产生数千万度的高温与几百万个亿帕的高压。传感器的响应特性说明事例刘翔起跑瞬间，助跑器测力并判断起跑是否违规。中国第一颗原子弹爆炸，需要测量爆心的瞬间高温和高压1.3.3传感器的动态特性1．动态特性（dynamiccharacteristics）传感器的动态特性可用输入—输出函数、图形和频率特性等来描述，在理论分析和实验研究时，通常从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析，例如采用阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性。1.3.3传感器的动态特性2．动态特性的数学模型1）微分方程传感器的动态数学模型是指：在随时间变化的动态信号作用下，传感器输入—输出量间的函数关系，通常称为响应特性。忽略了一些影响不大的非线性和随机变量等复杂因素后，可将传感器作为线性定常数系统来考虑，因而其动态数学模型可以用线性常系数微分方程来表示，其通式为：式中，am、am-1、…、a1、a0，bn、bn-1、…、b1、b0分别为与传感器有关的结构常数。1.3.3传感器的动态特性2）传递函数对于复杂传感器系统模型，求解形如上式的微分方程是非常困难的，为了分析和计算方便，常用拉普拉斯变换、傅里叶变换等数学方法将常系数线性微分方程变换为代数式形式来研究传感器的动态特性。根据拉普拉斯变换，上式可变为：1.3.3传感器的动态特性2）传递函数如果当t≤0时，y(t)=0，则传递函数H(s)可表示为：从而，就以代数式的形式表征了系统本身的传输、转换特性，而与激励及系统初始状态无关。也就是说，传递函数是描述线性定常系统的输入—输出关系的一种函数，也能表示传感器系统的动态特性。1.3.3传感器的动态特性3．传感器动态特性指标1）阶跃响应特性给传感器输入一个单位阶跃函数信号：其输出特性称为阶跃响应特性。传感器阶跃响应特性其过程类似于将一个重物M在t=0时挂在上端固定的弹簧上，重物M将向下拉伸弹簧到x位置并在x位置上下振动，最终稳定在x位置处。1.3.3传感器的动态特性阶跃响应特性指标：（1）上升时间tr：阶跃响应曲线由稳态值的10％上升到90％所需要的时间。（2）峰值时间tP；阶跃响应曲线上升到第一个峰值所需要的时间。（3）延迟时间td；阶跃响应达到稳态值50％所需要的时间。（4）响应时间ts：阶跃响应曲线逐渐趋于稳定，到与稳态值之差小于±5%～±2%所需要的时间，也称过渡过程时间。（5）最大超调量σp：阶跃响应曲线偏离阶跃曲线的最大值，其值为第一次超过稳态值的峰高，常用百分数表示，可说明传感器的相对稳定性。1.3.3传感器的动态特性2）频率响应特性给传感器输入频率不同、幅值相同、初相位为零的正弦信号，其输出正弦信号的幅值与频率的关系（简称幅频特性）和相位与频率的关系（简称相频特性），合称为传感器的频率响应特性。频率响应函数可从传递函数H(s)推断得出：将传递函数H(s)由拉普拉斯变换改为傅里叶变换，令s=jω(σ=0)代入H(s)，得H(jω)即为传感器的频率响应函数。观察与思考

电器产品中的传感器探讨传感器的特性分为静态特性和动态特性。掌握其性能指标，才能正确地选择、使用、维护和替换传感器，对新传感器的研发、生产和推广应用具有重要意义。在现代建筑中，升降电梯设有重量传感器以保证安全运行。请分组讨论、自由发言，讲述自己熟悉的电器产品中是否设有传感器，起什么作用？拓展提高

传感器的选用传感器性能特性及相关术语有130条之多，专业的选用原则有：测量对象与测量环境选择因素有量程、安装位置与空间、接触或非接触方式、有线或无线传输。灵敏度应选择灵敏度应适中的传感器。灵敏度高，有利于信号处理；但容易混入噪声，影响测量精度。频率响应特性根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）和响应特性选择。在动态测量中，传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽。拓展提高

传感器的选用传感器性能特性及相关术语有130条之多，专业的选用原则有：线性范围在满足量程和精度的条件下，可将非线性误差较小的传感器近似为线性处理。稳定性影响传感器长期稳定性的因素主要是使用环境。应选择环境适应能力强的产品，或采取补偿措施，减小环境的影响。精度在满足同一测量目的各种传感器中选择价格便宜和结构简单的传感器，以减低购买和使用维护成本。1.4传感器的标定1.4.1传感器的标定1.4.2静态标定1.4.3动态标定1.4传感器的标定为了保证各种被测量量值的一致性和准确性，很多国家都建立了一系列计量器具（包括传感器）检定的组织、规程和管理办法。根据中华人民共和国计量法，任何一种传感器产品在装配完后都必须按设计指标进行全面严格的性能鉴定；另外，使用一段时间后或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验，以便确保传感器的各项性能指标达到要求。传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立传感器输出量和输入量之间的对应关系；同时也确定不同使用条件下的误差关系。1.4.1传感器的标定标定是指在规定的条件下，为确定传感器或测量装置所指示的量值，利用某种标准器具产生已知的标准量值输入，确定其输出电量与输入量之间的关系，同时也确定出不同使用条件下误差关系的过程；为获得高的标定精度，应将传感器及其配用的电缆（尤其像电容式、压电式传感器等）、放大器等测试系统一起标定。工程测量中传感器的标定，应在与其使用条件相似的环境下进行；标定时应该按照传感器规定的安装条件进行安装。1.4.1传感器的标定校准是指传感器在使用一段时间后或经过修理后，必须对其性能参数进行复测或必要的调整、修正，以确保传感器的测量精度的复测调整过程。传感器标定与校准的本质和方法是基本相同的。其方法是利用一种标准设备产生已知的被测量（如标准力、压力、温度、位移等），并将其作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量；将输入量与输出量作数据处理后，得到传感器的标定曲线。根据系统的用途，输入可以是静态的也可以是动态的。因此传感器的标定有静态和动态标定二种。BZ9003型应变式位移传感器标定台BZ9003传感器标定台是专为应变式位移传感器设计的，其特点结构简单、结构坚固，全机械手动操作，能适应各种恶劣环境。指数指标：1.量程范围：0～100mm，最大测量范围：0～150mm2.测量精度：0.1%3.台面尺寸（长×宽×高）：330mm×220mm×130mm1.4.2静态标定静态标定主要用于检验测试传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后、精确度和重复性等。根据传感器的功能，静态标定首先需要建立静态标定系统，其次要选择与被标定传感器的精度高一等级的标定用仪器设备。应变式测力传感器静态标定系统在应变式测力传感器静态标定设备系统中，测力机用来产生大小不同的标准力，高精度稳压电源的输出电压经精密电阻箱衰减后向传感器提供稳定的电源电压，其值由数字电压表监测以满足传感器工作电压需求，传感器的输出由高精度数字电压表读出，从而得出传感器输入—输出特性曲线。1.4.2静态标定传感器的静态标定系统一般由以下几部分组成：1）被测物理量标准发生器，如测力机、砝码、恒温源；2）被测物理量标准测试系统；如标准力传感器、压力传感器、标准长度—量规等。3）被标定传感器，及其所配接的信号调节器和显示、记录器等。所配接的仪器精度应是已知的，也作为标准测试设备。1.4.2静态标定通用标定步骤如下：1）将传感器测量范围分成若干等间距点；2）根据传感器量程分点情况，输入量由小到大逐渐变化，并记录各输入、输出值；3）再将输入值由大到小逐渐降低，同时记录各输入、输出值；4）重复上述两步，对传感器进行正、反行程多次重复测量，将得到的测量数据用表格列出或绘制曲线；5）进行测量数据处理，根据处理结果确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。例如：电子秤标定与校准对某型号电子秤的标定时，可选择不同质量的标准砝码，依次由小到大和由大到小称量砝码，记录电子秤显示的测量数据，经过反复测量后得到多组数据；然后进行数学统计和线性分析，得出其输入—输出函数和特性曲线；用数据处理得到的特性参数输入电子秤，可提高电子秤的测量精度。1.4.3动态标定一些传感器除了静态特性必须满足要求外，其动态特性也需要满足要求。因此在进行静态校准和标定后还需要进行动态标定。动态标定是检验测试传感器的动态性能指标，例如，动态灵敏度、固有频率和频响范围等。振动传感器标定系统1.4.3动态标定传感器进行动态标定时，需有一标准信号对它激励，常用的标准信号有二类：一是周期函数，如正弦波等；另一是瞬变函数，如阶跃波等。用标准信号激励后得到传感器的输出信号，经分析计算、数据处理、便可决定其频率特性，即频率响应函数、幅频特性和相频特性、阻尼和动态灵敏度等。观察与思考

分析水银温度计或酒精温度计的刻度标定传感器产品的性能指标必须通过相关计量检定机构按计量规程进行的计量检定，取得产品合格印、证和《制造计量器具许可证》，才能销售和使用。一位资深的传感器专家曾说：“一种传感器从研发到生产应用通常需要十几年时间。一个人能成功地研究出1～2种传感器，就是他一身的最大贡献！”利用不同材料的热胀冷缩特性，可以设计出不同的温度测量与控制传感器。例如，在常温下使用的水银温度计或酒精温度计。请分组讨论、自由发言，讲述如何进行水银温度计或酒精温度计的刻度标定？拓展提高

传感器的标定设备中华人民共和国计量法实施细则明确规定“国家有计划地发展计量事业，用现代计量技术装备各级计量检定机构，为社会主义现代化建设服务，……”，并由国家技术监督局、地方技术监督所负责实施。同时，研发出各种等级的力值、长度、压力、温度等传感器标定设备。如图所示为JXW-I温度传感器现场检测、校准装置，用于自动检测、校准地面和煤矿井下使用的温度传感器和压力仪表，从而提高传感器的标定和校准效率。1.5传感技术的现状和发展趋势*1.5.1传感技术的应用现状1.5.2传感技术的发展趋势1.5.1传感技术的应用现状科技的发展使人类已经置身于信息时代，传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，因此，传感器技术的发展引起了各国的高度重视。日本把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器）之一；美国在军用、宇航为中心的交通、运输、航空、航天资源及海洋开发等方面领先；欧盟的在智能化机器人用传感器的研制上取得显著成果；俄罗斯和部分东欧国家对传感技术的研究也很重视，甚至分工重点研制。我国的传感技术研制开发工作起步较晚，技术实力落后于国外10～15年。1.5.1传感技术的应用现状目前，“国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定”明确提出：“根据战略性新兴产业的特征，立足我国国情和科技、产业基础，现阶段重点培育和发展节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车等产业。”现在国内已有几百个单位（包括大专院校）研制和生产敏感元器件与传感器3000余种，有基于光、声、磁、热等效应的传感器，也有基于化学吸附、化学反应的传感器。1.5.1传感技术的应用现状

由于传感器应用领域极其广泛，包罗万象，在此以选择几个典型的、具有代表性的应用进行阐述。1．压力传感器应用压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。主要有：1）压电传感器2）光纤压力传感器3）电容式真空压力传感器4）耐高温压力传感器5）硅微机械加工传感器6）多维力传感器1.5.1传感技术的应用现状1．压力传感器应用1）压电传感器压电传感器是利用某些晶体受到压力的时候可产生电的效应（即极化效应）原理研制的压力传感器。在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制，如血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。1.5.1传感技术的应用现状1．压力传感器应用2）光纤压力传感器光纤压力传感器工作原理是利用敏感元件受压力作用时的形变与反射光强度相关的特性，由硅框和金铬薄膜组成的膜片结构中间夹了一个硅光纤挡板，在有压力的情况下，光线通过挡板的过程中会发生强度的改变，通过检测这个微小的改变量，实现压力大小的测量。这种敏感元件已被应用与临床医学，用来测量扩张冠状动脉导管气球内的压力。1.5.1传感技术的应用现状1．压力传感器应用3）电容式真空压力传感器E+H公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为0.8～2.8mm的氧化铝(Al2O3)构成，其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起。该环具有隔离作用，不需要温度补偿，可以保持长期测量的可靠性和持久的精度。1.5.1传感技术的应用现状1．压力传感器应用4）耐高温压力传感器新型半导体材料碳化硅（SiC，俗称金刚石）的耐热性好、热稳定性高，在高温下形变率很高。利用这一特性可制作高温环境下使用的振动传感器和加速度传感器，与其它材料振动膜相结合可作为高温、耐腐蚀、灵敏度高的压力传感器，用于振动检测以及发动机气缸压力等测量。1.5.1传感技术的应用现状1．压力传感器应用5）硅微机械加工传感器在微机械加工技术逐渐完善的今天，硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多。而随着微机械传感器的体积越来越小，线度可以达到1～2mm，可以放置在人体的重要器官中进行数据的采集。Hachol等报导了一种可以用于测量眼球的眼压计，其膜片直径为1mm。在内眼压为60mmHg时，静态输出为40mV，灵敏度系数较高。1.5.1传感技术的应用现状1．压力传感器应用6）多维力传感器多维力传感器广泛应用于各种机器人。三维力传感器能同时检测三维空间的三个力信息（Fx、Fy、Fz），通过它控制系统检测和控制机器人手抓取物体的握力，而且还可以检测抓物体的重量，以及在抓取操作过程中是否有滑动、振动等。六维力传感器是智能机器人重要的传感器，它能同时检测三维空间（笛卡尔坐标系）的全力信息，即三个力分量和三个力矩分量。产品广泛应用于精密装配，自动磨削、轮廓跟踪、双手协调、零力示教等作业中，在航空、航天及机械加工，汽车等行业中有广泛的应用。1.5.1传感技术的应用现状2．汽车传感器应用安全、舒适、无污染、经济性一直是汽车工业和用户追求的目标。实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化，先决条件则是各种信息的及时获取，这势必要求在汽车中大量采用各种传感器。目前，一般普通汽车大约装有几十只到近百只传感器，而高级豪华汽车大约使用200～300只传感器。这些传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统中。1.5.1传感技术的应用现状2．汽车传感器应用1）发动机控制用传感器发动机控制用传感器有许多种，其中包括温度传感器、压力传感器、转速和角度传感器、流量传感器、位置传感器、气体浓度传感器、爆震传感器等。温度传感器：主要检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度、机油温度、催化温度等。压力传感器：主要检测进气管绝对压力、真空度、大气压力、发动机油压、制动器油压、轮胎压力等。转速、角度和车速传感器：主要用于检测曲轴转角、发动机转速、车速等。1.5.1传感技术的应用现状2．汽车传感器应用1）发动机控制用传感器氧传感器：氧传感器安装在排气管内，测量排气管中的含氧量。控制系统根据反馈信号，调节可燃混合气的浓度，降低排气污染。流量传感器：测定进气量和燃油流量以控制空燃比，主要有空气流量传感器和燃料流量传感器。爆震传感器：用于检测发动机的振动，通过调整点火提前角控制和避免发动机发生爆震。因汽油在即将燃烧而没有发生明显爆燃时，燃烧速度最快、动力性能最好。1.5.1传感技术的应用现状2．汽车传感器应用2）底盘控制用传感器底盘控制用传感器是指分布在变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、防抱制动系统中的传感器，在不同系统中作用不同，但工作原理与发动机中传感器是相同的，主要有以下几种形式传感器：变速器控制传感器：多用于电控自动变速器的控制。悬架系统控制传感器：主要有车速传感器、节气门开度传感器、加速度传感器、车身高度传感器、转向盘转角传感器等。1.5.1传感技术的应用现状2．汽车传感器应用2）底盘控制用传感器动力转向系统传感器：根据车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器等使动力转向电控系统实现轻便转向操纵。防抱制动传感器：根据车轮角速度传感器，检测车轮转速，在各车轮的滑移率为20%时，控制制动油压、改善制动性能，确保车辆的操纵性和稳定性。1.5.1传感技术的应用现状2．汽车传感器应用3）车身控制用传感器

车身控制用传感器主要用于提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等。主要有：用于自动空调系统的温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器等；用于安全气囊系统中的加速度传感器，如防撞加速度传感器；用于门锁控制系统中的车速传感器、防盗报警振动传感器等；1.5.1传感技术的应用现状2．汽车传感器应用3）车身控制用传感器用于倒车控制系统中的超声波传感器或激光传感器、侧面路面偏距报警传感器等；用于保持车距的距离传感器，如超声近距离目标传感器和红外热成像传感器；用于消除驾驶员盲区的图像传感器、倒车监视图像传感器；确定汽车行驶方向的罗盘传感器、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。1.5.1传感技术的应用现状3．生物医疗传感器应用1962年，Clark和Lyons最先提出了生物传感器的设想，经过50多年的发展，生物传感器已成为一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域，在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了高度重视和广泛应用。1.5.1传感技术的应用现状3．生物医疗传感器应用生物传感器是将生物活性材料作为敏感元件与作为转换元件各种类型的物理或化学传感器组合而成的具有生物识别功能的组合体。生物活性材料包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等，以及人工合成的分子印迹聚合物；转换元件有电化学（电位测定、电导测定、阻抗测定）、光学（光致发光、共振表面等离子体）、机械（杠杆、压电反应）、热（热敏电阻）或者电（离子或者酶场效应晶体管）等等。例如，1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶（GOD）固定化膜和氧电极组装在一起，制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极，用于血糖分析；1.5.1传感技术的应用现状3．生物医疗传感器应用1）家用保健手掌型血糖分析器采用酶法葡萄糖分析技术，结合丝网印刷和微电子技术制作出检测电极，结合单片机技术，三者完美地组合研发出了微型化的血糖分析仪。2）高精度血糖分析仪高精度血糖分析仪是采用固定化酶的生物传感分析仪。其分析精度可以达到0.5～2%，比家用保健类生物传感器几乎高一个数量级。德国百盛EKF血糖分析仪血糖分析仪优利特血糖分析仪1.5.1传感技术的应用现状3．生物医疗传感器应用3）用于环境检测的生物传感器用于环境检测的微生物传感器种类很多，包括BOD传感器和毒物传感器。1977年Karube等研发出了能够测定水质的BOD微生物传感器。这以后，BOD传感器在日、美、德、瑞典等国到了开发和初步应用。微电脑BOD测定仪微电脑BOD测定仪1.5.1传感技术的应用现状3．生物医疗传感器应用4）固定化酶生物传感分析仪应用固定化酶生物传感器最重要服务对象包括：临床、食品分析、发酵工业控制、环境监测、防卫安全检测等领域。中国味精企业是应用酶生物传感器最早、普及面最广的行业，通过快速测定葡萄糖、谷氨酸和L-乳酸等成分的含量，及时了解发酵罐中发酵液成分变化，有效地对生产过程进行控制，使产量和质量不断地得到提高。因此，生物传感器被誉为是发酵工厂的眼睛，是这个行业不可缺少的新检测工具。1.5.1传感技术的应用现状4．无线网络传感器应用无线传感器网络（Wirelesssensornetwork，WSN）是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。无线传感器网络综合了传感器技术、微电子机械系统(MEMS)、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时感知、采集、处理和传输各种环境或监测对象的信息，传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络系统可以被广泛地应用于国防军事、工业过程控制、环境监测、医疗护理等领域。1.5.1传感技术的应用现状4．无线网络传感器应用1）环境的监测和保护随着人们对于环境问题的关注，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利。例如，英特尔研究实验室研究人员曾将32个小型传感器连进互联网，读取缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响（在精细农业中用来监测农田害虫、土壤酸碱度和施肥状况等），监测海洋、大气和土壤的成分等。1.5.1传感技术的应用现状4．无线网络传感器应用2）医疗护理无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。在病人身上放置用于检测人体参数的微型传感器节点，可对病人的心率、血压、心电、心音等生理参数进行远程实时监测，并将信息汇总传送给监护中心，进行及时处理与反馈；利用无线传感器网络长期收集被观察者的人体生理数据，对了解人体健康状况以及研究人体疾病都很有帮助。便携式心电监护仪1.5.1传感技术的应用现状4．无线网络传感器应用2）医疗护理美国罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，来测量居住者的重要体征（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理系统，该系统通过在鞋、家具以及家用电器等器具中嵌入半导体传感器，来帮助老龄人士、残障人士的家庭生活。英特尔主管预防性健康保险研究的董事EricDishman称：“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域。”1.5.1传感技术的应用现状4．无线网络传感器应用3）军事领域信息化战争要求作战系统“看得明、反应快、打得准”，谁在信息的获取、传输、处理上占据优势（取得制信息权），谁就能掌握战争的主动权。无线传感器网络具有密集型、灵活性、随机分布的特点，非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研发。1.5.1传感技术的应用现状4．无线网络传感器应用3）军事领域智能微尘（smartdust）是一个具有电脑功能的超微型传感器，体积大小形如沙粒，它由微处理器、无线电收发装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成。将一些微尘散放在一定范围内，它们就能够相互定位，收集数据并向基站传递信息。典型设想是用飞行器将大量微传感器结点散布在战场的广阔地域，这些结点自组成网，将战场信息边收集、边传输、边融合，为各参战单位提供“各取所需”的情报服务。1.5.2传感技术的发展趋势国内外传感技术发展的总途径是：采用新技术、新工艺、新材料，探索新理论，向着高精度、高可靠性、小型化、集成化、数字化、智能化的方向发展。高精度：为提高测量控制精度，火箭发动机燃烧室压力测量希望优于0.1％，超精加工“在线”检测精度要求高于0.1μm。我国已研制出精度优于0.05％的传感器，英国压阻式传感器的精度已达到0.04％，美国传感器的精度已达到0.02％。1.5.2传感技术的发展趋势小型化：目前市场对小型传感器的需求越来越大，小型传感器可以工作在极端恶劣的环境下，并且只需要很少的保养和维护，对周围的环境影响也很小。例如，美国Entran公司生产的量程为2～500PSI的微型压力传感器，直径仅为1.27mm，可以放置在人体的血管中而不会对血液的流通产生大的影响。集成化：将敏感元件与转换电路、放大电路、温度补偿电路等集成在同一芯片上，以缩小体积、增强抗干扰能力，或将多个传感器集成以构成一维、二维阵列式传感器，成为集成智能化传感器。集成智能化传感器在过程控制和工厂自动化中已被广泛应用，以提高操作速度和效率。1.5.2传感技术的发展趋势数字化：传感器输出带有与计算机兼容的数字接口，可对其进行地址编码并直接读取数字信号，能够实现远程联网监测。智能化：传感器与单片机或嵌入式系统有机结合，构成智能传感器系统，以提高精度、扩大功能，如：自动量程转换、自动校准灵敏度和零点漂移，对输出特性线性化处理，增加状态识别、自诊断功能等。例如：电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。1.5.2传感技术的