传感器基础知识介绍

构成现代信息技术的三大支柱是：传感器技术（信息采集）；通信技术（信息传输）；计算机技术（信息处理）；它们在信息系统中分别起到

“感官”、“神经”和“大脑”的作用。在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。

传感器的作用

目前传感器涉及的领域：现代大工业生产、基础学科研究、宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、智能建筑、汽车、家用电器、生物工程、商检质检、公共安全、甚至文物保护等等极其广泛的领域。1、现代大工业生产质量监控；自动检测；过程控制的五大参量检测：流量、压力、温度、液位、成分。

传感器的作用

传感器的作用4、军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器---OICW夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。5、汽车工业

汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容

普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。

发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等、车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温

传感器的作用

传感器的作用6、智能建筑包括三大基本要素有：楼宇自动化系统BAS（BuidingAutomatingSystem）通讯自动化系统CAS(CommunicationAutomatingSystem)办公自动化系统OAS(OfficeAutomatingSystem)控制管理各种机电设备——空调制冷；给水排水、变配电系统、照明系统、电梯等等，实现以上功能使用的传感器有：温度、湿度、液位、流量、压差、空气压力。

传感器的作用安全防护；防盗、防火、防燃气泄露CCD（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器

远程抄收与管理系统；水、电、气、热量通过传感器设置远程自动化抄表巡更系统——保安管理

传感器的作用数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管7、现代家用电器

全自动洗衣机中水位、浊度传感器抽油烟机上的气敏传感器

传感器的作用数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器9、办公商务扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管10、医疗卫生电子血压计：血压检测---压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪

---离子传感器

传感器的定义与组成.1传感器的定义定性人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。定量传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。外界对象感官传感器人脑微机肢体执行器

传感器的定义与组成我们对传感器作如下定义：广义：

传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义：

能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

我国国家标准（GB/T7665—2005）对传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器的定义与组成被测量：物理量、化学量、生物量……可用信号：便于处理和传输的非噪声信号（电信号、光信号……）规律：确定规律，可以重复（线性、非线性、周期）传感器：传--传递信息；感--感受被测量；器--器件例：热敏电阻---温度变化----电阻变化RR=f(T)

传感器的定义与组成表明传感器有以下含义：按使用的场合不同又称为：

变换器、换能器、探测器②输入量可能是物理量，也可能是化学量等③输出量是某种物理量，主要是电物理量④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度①传感器能完成检测任务；非电量——电量（电阻、电压、电流、频率、电感、电容、电量）

传感器的定义与组成传感器：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量传感器功能：检测和转换。敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号的部分从传感器的定义中，可以归纳出以下信息：

传感器的定义与组成

.2传感器的组成转换电路：敏感元件：感受被测量变化，并输出相对应的电信号例：电阻应变片（应变---电阻）又称“转换元件”或“变换元件”把转换元件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和控制的可用信号的电路，又称为“信号调理电路”或“测量电路”例：电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等。

传感器的分类按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等按传感器的输出量进行分类：模拟式和数字式按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型按传感器的工作原理进行分类：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器等按传感器的构成进行分类：物性型和结构型按传感器的能量变换关系进行分类：有源（能量控制型）、无源（能量变换型）结构型与物性型结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。

物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。能量控制型和能量转换型能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。能量转换型传感器，又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。

传感器技术的发展

我国的传感器技术及产业在国家“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。目前有1688家传感器研发机构，产品约6000种，年产量13.2亿多支，其中约1／2产品销往国外。预计到“十五”期末，敏感元器件与传感器年总产量可望达到20亿支，销售总额将达约120亿元。传感器技术大体可分三代：

第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。

所谓结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；

传感器技术的发展

第二代是上70年代发展起来的固体型传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成。如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器。

第三代传感器是以后刚刚发展起来的智能型传感器，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器具有一定的人工智能。

现代传感器利用新的材料、新的集成加工工艺使传感器技术越来越成熟，传感器种类越来越多，除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料外，光纤以及超导材料的发展为传感器的发展提供了物质基础。未来还会有更新的材料，如纳米材料，更有利于传感器的小型化。目前，现代传感器正从传统的分立式，朝着集成化、智能化、数字化、系统化、多功能化与网络化并向着微功耗、高精度、高可靠性、高信噪比、宽量程的方向发展。

传感器技术的发展

现代传感器是具有全集成化、智能化、高精度、高性能、高可靠性和低价格等显著优点。只有通过计算机与传感器的协调发展，现代科学技术才能有所突破。可以说传感器技术已成为现代技术进步的重要因素之一。（为什么？）新材料、新工艺、新技术、高精度、高性能、高灵敏度、高可靠性、高稳定性、长寿命微（小）型化、集成化、数字化、多功能化、智能化、网络化、光机电一体化、无维护目前传感器技术的研究和发展主要集中在以下几个方向上：传感器性能的改善开展基础理论研究传感器的集成化传感器的智能化传感器的网络化传感器的微型化.1传感器性能的改善差动技术

平均技术

补偿与修正技术

屏蔽、隔离与干扰抑制稳定性处理

传感器技术的发展

传感器技术的发展1、改善传感器的性能的技术途径（1）差动技术

差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。

（2）平均技术

在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为δΣ=±δ/√n式中n—传感单元数。可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。（3）补偿与修正技术补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：★针对传感器本身特性★针对传感器的工作条件或外界环境对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。（4）屏蔽、隔离与干扰抑制

传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：

减小传感器对影响因素的灵敏度降低外界因素对传感器实际作用的程度对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。（5）稳定性处理

在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。

传感器技术的发展.2开展基础理论研究寻找新原理开发新材料采用新工艺探索新功能

传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。开展基础理论研究（1）寻找新原理传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。（2）开发新材料（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。

（3）新工艺的采用例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。.3传感器的集成化一是具有同样功能的传感器集成化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，形成一维的线性传感器，从而使一个点的测量变成对一个面和空间的测量。二是不同功能的传感器集成化，即将具有不同功能的传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件，从而使一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数。

传感器技术的发展.4传感器的智能化传感器与微处理器的结合：检测、信息处理、逻辑判断、自诊断等作用：提高测量精度、增加功能、提高自动化程度

.5传感器的网络化一是为了解决现场总线的多样性问题，IEEE

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传感器技术的发展.6传感器的微型化体积小重量轻低功耗可靠性高习题一、单项选择题1、下列不属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是（B）。A.应变式传感器

B.化学型传感器C.压电式传感器D.热电式传感器2、通常意义上的传感器包含了敏感元件和（C）两个组成部分。A.放大电路B.数据采集电路C.转换元件D.滤波元件3、自动控制技术、通信技术、连同计算机技术和（C

），构成信息技术的完整信息链。A.汽车制造技术B.建筑技术C.传感技术D.监测技术4、传感器按其敏感的工作原理，可以分为物理型、化学型和（A）三大类。A.生物型B.电子型C.材料型D.薄膜型5、随着人们对各项产品技术含量的要求的不断提高，传感器也朝向智能化方面发展，其中，典型的传感器智能化结构模式是（B）。A.传感器＋通信技术B.传感器＋微处理器C.传感器＋多媒体技术D.传感器＋计算机习题6、近年来，仿生传感器的研究越来越热，其主要就是模仿人的（

D

）的传感器。A.视觉器官B.听觉器官C.嗅觉器官D.感觉器官

7、若将计算机比喻成人的大脑，那么传感器则可以比喻为(B)。A．眼睛B.感觉器官C.手D.皮肤

8、传感器主要完成两个方面的功能：检测和（

D

）。A.测量B.感知C.信号调节D.转换9、传感技术与信息学科紧密相连，是（

C

）和自动转换技术的总称。A.自动调节B.自动测量C.自动检测D.信息获取10、以下传感器中属于按传感器的工作原理命名的是（

A）

A．应变式传感器

B．速度传感器C．化学型传感器D．能量控制型传感器二、多项选择题1、传感器在工作过程中，必须满足一些基本的物理定律，其中包含（ABCD）。A.能量守恒定律B.电磁场感应定律C.欧姆定律D.胡克定律2、传感技术是一个集物理、化学、材料、器件、电子、生物工程等学科于一体的交叉学科，涉及（ABC

）等多方面的综合技术。A.传感检测原理B.传感器件设计

C.传感器的开发和应用D.传感器的销售和售后服务习题3、目前，传感器以及传感技术、自动检测技术都得到了广泛的应用，以下领域采用了传感技术的有：（

ABCD

）。A.工业领域B.海洋开发领域C.航天技术领域D.医疗诊断技术领域

4、传感器有多种基本构成类型，包含以下哪几个（

ABC

）？A.自源型B.带激励型C.外源型D.自组装型

5、下列属于传感器的分类方法的是：（ABCD）

A.按输入量分B.按工作原理分C.按输出量分D.按能量变换关系分

6、下列属于传感器的分类方法的是：（ABCD

）A.按输入量分B.按工作原理分C.按构成分D.按输出量分7、下列属于传感器的分类方法的是：（ABCD

）A.按基本效应分B.按工作原理分C.按构成分D.按输出量分8、传感技术的作用主要体现在：(ABCD)A．传感技术是产品检验和质量控制的重要手段B.传感技术在系统安全经济运行监测中得到广泛应用C．传感技术及装置是自动化系统不可缺少的组成部分D.传感技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步9、传感技术的研究内容主要包括：(ABC)A．信息获取 B．信息转换C．信息处理 D．信息传输习题10、传感技术的发展趋势主要表现在以下哪几个方面：(ABCD)A．提高与改善传感器的技术性能 B．开展基础理论研究C．传感器的集成化D．传感器的智能化三、填空题1、传感技术与信息学科紧密相关，是

和

的总称。2、传感技术是以研究自动检测系统中的

、

和

的理论和技术为主要内容的一门技术性学科。3、传感器要完成的两个方面的功能是

和

。4、传感器按构成原理，可分为

型和

型两大类。5、传感器一般由