传感器及其应用综述

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1、传感器及其应用综述传感器及其应用综述1.传感器技术的发展趋势传感器技术的发展趋势人体为从外界获取信息，必须借助于感觉器官，但是单靠人们自身的感觉器官，在研 究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传 感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。当今世界已进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠 的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中 的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说， 没有众多的优

2、良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新 领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm 的粒子世界，纵 向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s 的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认 识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高 压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信 息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的 获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突

3、 破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学 诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空， 到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的 传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。 世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃， 达到与其重要地位相称的新水平。2.传感器的定义与组成、分类及基本特征。传感器的定义与组成、分类及基本特征。我国国家标准（GB766587）中说，

4、传感器（Transducer/Sensor）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或装置“。我们的定义是：传感 器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量 的测量装置。这一定义包含了以下几方面的意思：传感器是测量装置，能完成检测任务；它的 输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；它的输出量是某种 物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主 要是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的内涵相 同或

5、相似，所以近来已逐渐趋向统一，大都使用传感器这一名称了。从字面上可以作如下 解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。关于传感器，我国曾出 现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的内涵相同或相似，所以近来已逐渐 趋向统一，大都使用传感器这一名称了。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感 二传，即感受被测信息，并传送出去。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。敏感元件指能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。是传感器中能直接感受被 测量的部分。它是传感器的重要组成部分，下一环节是转换元件。 转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信

6、号部分。能敏 锐地感受某种物理、化学、生物的信息并将其转变为电信息的特种电子元件。有些传感器， 它的敏感元件与转化元件合并在一起。例如半导体气体、湿度、温度和压力传感器等。不 同的传感器，它的敏感元件是不同的。例如应变式压力传感器，它的敏感元件是一个弹性 膜片。 上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路） ，便可转换成电量输出。传感器只 完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步 转换，以获得被测值或进行过程控制。实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的 闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件（兼转换元件）组成，它感受被测

7、量时直接输 出电量，如热电偶就是这样。 两种不同的金属材料，一端联接在一起，放在被测温度中，另一端为参考，温度为,则 在回路中将产生一个与温度、有关的电动势，从而进行温度测量。有些传感器由敏感元件 和转换元件组成度，压电式加速度传感器，其中质量块是敏感元件，压电片（块）是转换 元件。因转换元件的输出已是电量，无需转换电路。 有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。敏感元件与转换元件在结构上常是装在一起的，而转换电路为了减小外界的影响也希 望和它们装有一起，不过由于空间的限制或者其它原因，转换电路常装入电箱中。尽管如 此，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电量信号，从而决定了转换电

8、路是传感 器的组成环节之一。传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类十分繁多。为了 很好地掌握它、应用它，需要有一个科学的分类方法。下面将目前广泛采用的分类方法作一简单介绍。首先，按传感器的工作机理，可分为物理型、化学型、生物型等。其次，按构成原理，可分为结构型与物性型两大类。在物理型传感器中，作为传感器工作物理基础的基本定律有场的定律、物质定律、守 恒定律和统计定律等。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。对于传感器来说，这些方程式也就是 许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是传

9、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。例如，光 电管就是物性型传感器，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。此外，也有基于守恒定律和统计定律的传感器，但为

10、数较少。第三，根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。 能量控制型传感器，在信息变化过程中，其能量需要外电源供给。如电阻、电感、电容等 电路参量传感器都属于一类传感器。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，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。第四，按照物理原理分类，可分为 1.电参量式传感器。包括电阻式、电感式、电容式等三个基本型式。 2.磁电式传感器。包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等。 3.压电式传感器。 4.光电式传感器。包括

11、一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、 摄象式等。 5.气电式传感器。 6.热电式传感器。 7.波式传感器。包括超声波式、微波式等。 8.射线式传感器。 9.半导体式传感器。 10.其它原理的传感器等。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式，如不少半导体式传感器，也可看成 电参量式传感器。第五，可以按照传感器的用途来分类，例如位移传感器、压力传感器、振动传感器、 温度传感器等等。另外，根据传感器输出是模拟信号还是数字信号，可分为模拟传感器和数字传感器； 根据转换过程可逆与否，可分为双向传感器和单向传感器等。各种传感器，由于原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同

12、，其技术指标也不可 能相同。但是有些一般要求，却基本上是共同的，这就是：可靠性；静态精度； 动态性能；量程；抗干扰能力；通用性；轮廓尺寸；成本；能耗；对被 测对象的影响等。可靠性、静态精度、动态性能、量程的要求是不言而喻的。传感器是通过检测功能来 达到各种技术目的的，很多传感器要在动态条件下工作，精度不够、动态性能不好或出现 故障，整个工作就无法进行。在某些系统中或设备上往往装上许多传感器，若有一个传感 器失灵，会影响全局。3.传感器技术的发展现状传感器技术的发展现状 我国电子信息业在上世纪八十年代第一次腾飞后，随着国民经济信息化进程的加快，之后 又进入持续快速发展的新时期。这个时期电子信息产

13、业的主要特征表现为：一是正在从单 一的制造业转变为物质生产与知识生产，装备制造与系统集成，硬件制造与软件制造，工 业生产与信息服务相结合的现代信息产业；二是产业结构，产品结构，企业结构，运行机 制，管理模式等方面发生了深刻变化；三是我国信息产业成为国民经济的支柱产业和先导 产业，是新世纪的战略产业，为国民经济和社会信息化建设提供主要技术和物质支撑。传感器技术及其产业的特点是：基础、应用两头依附；技术、投资两个密集；产品、 产业两大分散。基础、应用两头依附，是指传感器技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、 工艺设备和计测技术这四块基石。敏感机理千差万别，敏感材料多种多样，工艺设备各不 相同，计测技

14、术大相径庭，没有上述四块基石的支撑，传感器技术难以为继。应用依附是指传感器技术基本上属于应用技术，其市场开发多依赖于检测装置和自动 控制系统的应用，才能真正体现出它的高附加效益并形成现实市场。也即发展传感器技术 要以市场为导向，实行需求牵引。技术、投资两个密集技术密集是指传感器在研制和制造过程中技术的多样性、边缘性、综合性和技艺性。它是多种高技术的集合产物。由于技术 密集也自然要求人才密集。投资密集是指研究开发和生产某一种传感器产品要求一定的投 资强度，尤其是在工程化研究以及建立规模经济生产线时，更要求较大的投资。增加投资 和正确的投资方向是提高传感器产业水平的主要条件之一，也是企事业决策者谋

15、求最佳经 济效益的重要手段。产品、产业两大分散，产品结构和产业结构的两大分散是指传感器产 品门类品种繁多，生产、研究单位分布在除地方外有12个部委（电子、机械、科学院、航 空航天、教委、冶金、船舶、铁道、轻工、化工、煤炭等） ，其应用渗透到各个产业部门， 它的发展既是各产业发展的推动力。只有按照市场需求，不断调整产业结构和产品结构， 才能实现传感器产业的全面、协调、持续发展。在国家的支持下， “八五”以来，我国的传感器技术及其产业取得了长足进步。 在学术交流方面，1989年10月由敏感元器件与传感器分会发起主办的“STC“89首届全 国敏感元件与传感器学术会议”已延续至今，固定每两年召开一次，

16、每逢活动不但国内学者、 企业家云集且有不少其它国家的人士参加。目前，其论值组织机构为：“全国敏感元件与传 感器学术团体联合组织委员会”。4.光电式传感器的工作原理、测量电路、应用。光电式传感器的工作原理、测量电路、应用。理论基础理论基础光电效应光电效应光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指在光照射下，电 子逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、 光电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应， 大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属 于内光电效应类传感器。外光电效应外光电效应 光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大，电 子会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。 根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为 hv(v 为光波 频率，h 为普朗克常数)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子 能量越大。假设光子