传感器与传感器技术

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1、传感器与传感器技术姓名：任云杰专业:检测技术与自动化装置学号： 2090933摘要传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术，是进 入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，其 研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。本文介绍了传感器的定义、分类 及作用，阐述了传感器技术在现代生活与科学技术中的一些主要应用，并给出了传感器技术 的发展趋势。关键字传感器，传感器技术，应用，发展趋势第一章传感器与传感器技术的地位和作用3第二章传感器52.1传感器的定义和组成52.2传感器的分类52.3传感器的应用6第三章传感器技术8第四章

2、传感器与传感器技术的发展趋势9参考文献11第一章传感器与传感器技术的地位和作用传感器是获取信息的工具。而传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术。 传感器技术是信息技术（传感与控制技术，通信技术和计算机技术）的三大支柱之一。产业革命以来，发明了各种各样的机器以代替人力劳动，这样大大提高了生产效率，人 类的生产活动逐步进入工业社会时代。人们为了改善机器的性能和提高机器的自动化程度， 就需要实时地测量反映机器工作状态的信息，并利用这些信息去控制机器，使之处于最佳的 工作状态。为了便于测量和控制，传感器就应运而生了，它能将各种被控量（信息）检测并 转换成便于传输、处理、记录、显示和控制的可用

3、信号（一般是电信号）。在自动化生产过 程中，传感器的作用可用下图1说明。图1自动控制系统由此可见，在自动检测和自动控制系统中，传感器位于系统的最前端，其作用相当于人 的五官，直接感应外界信息。传感器能否正确感受信息并将其按照相应规律转换成可用信号， 对系统测控质量起决定作用，自动化程度越高，系统对传感器的依赖性就愈大，传感器是系 统的关键部件。所以，传感器是当前各发达国家竞相发展的高技术，是进入21世纪以来优先 发展的十大顶尖技术之一。当今人类社会正由高度工业化社会向信息化社会过渡，21世纪是一个信息化的时代，传 感器于传感器技术的重要性尤为突出。信息社会的特征是人类社会活动和生产活动的信息

4、化。现代信息科学（技术）的三大支柱是信息的采集、传输与处理技术，即传感器技术、通 信技术和计算机技术。传感器是信息采集系统的首要部件，可以认为，它既是现代信息技术 系统的源头活“感官”，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。如果没有高度保 真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，那么信息的准确获取和精密检测就成了一 句空话，通信技术和计算机技术也就成为了无源之水无本之末，现代测量与自动化技术亦会 变成水中月、镜中花11因此应用、研究和发展传感器于传感器技术是信息化时代的必然要 求，也是必由之路。当今社会的发展，就是信息社会的发展。早在20世纪80年代，美国就认为世界已进入传 感器时代

5、，日木也将传感器技术列为十大技术之首。我国将传感器技术列为国家八五重点科 技攻关项目，建成了 “传感器技术国家重点实验室”、“微纳米国家重点实验室”、“国家传感 器工程中心”等研究开发基地。而且MEMS ,MOEMS等研究项目列入了国家高新技术发展 重点。传感器产业已被国内外公认为是具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经 济效益好、渗透力强、市场前景广等特点为世人所瞩目2。第二章传感器2.1传感器的定义和组成传感器亦称为换能器、变换器、变送器、探测器等。根据中华人民共和国国家标准（GB 7665-87），传感器的定义是：能够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

6、置，由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成，有时还需外加辅助电源3， 如下图2所示。图2传感器组成框图其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量并输出与被测量成确定关系的 其他量（一般为非电量）部分，如应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，它将被测压 力转换成弹性膜片的变形;转换元件是指传感器中能将敏感元件中感受或响应的被测量转换 成适合传输或测量的可用输出信号（一般为电信号）部分，如应变式压力传感器中的应变片 就是转换元件，它将弹性膜片在压力作用下的变形转换成应变片电阻值的变化。如果敏感元 件直接输出电信号，则这种敏感元件同时兼为转换元件，如热电偶将温度变化直接转换成热 电势输出1

7、。由于传感器输出的电信号一般比较微弱，而且存在非线性和各种误差，为了便于信号 的处理，传感器还应需配以适当的信号调理电路，将传感器输出电信号转换成便于传输、处 理、显示、记录和控制的有用信号，常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换、补偿 等。如果传感器信号经信号调理后的输出信号为规定的标准信号（010mA，420mA； 05V， 010V； .）时，通常称为变送器，如热电偶温度变送器可将热电偶的热电势放大、线性矫 正和冷端补偿后输出需要的标准信号。特别是两线制电流型的变送器，以20mA表示信号的 满度值，而以此满度值的20%即4mA表示零信号，这种“活零点”的安排，有利于识别仪表 断电、断

8、线等故障囹，应用更广泛。2.2传感器的分类传感器的种类繁多、原理各异，检测对象几乎涉及各种参数，通常一种传感器可以检测 多种参数，一种参数又可以用多种传感器测量。所以传感器的分类方法至今尚无统一规定。 常见的有以下几种分类方式：1）按传感器的检测信息，来分可分为光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离 子敏和射线敏等传感器。2）按转换原理可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器3）按其输出信号可分为模拟传感器、数字传感器和开关转换器。4）按传感器使用的材料可分为：半导体传感器、陶瓷传感器、复合材料传感器、金属材 料传感器、高分子材料传感器、超导材料传感器、光纤材料传感器、纳米材料传感器等。

9、5）按能量转换可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。6）按照其制造工艺，可以将传感器区分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷 传感器等2。2.3传感器的应用随着现代科技技术的高速发展，人们生活水平的迅速提高，传感器技术越来越受到普遍 的重视，它的应用己渗透到国民经济的各个领域。1）在工业生产过程的测量与控制方面的应用在工业生产过程中，必须对温度、压力、流量、液位和气体成分等参数进行检测，从而 实现对工作状态的监控。诊断生产设备的各种情况.使生产系统处于最佳状态，从而保证产 品质量，提高效益。目前传感器与微机、通讯等的结合渗透，使工业监测自动化，史具有准 确、效率高等优点。如果没有传感

10、器，现代工业生产程度将会大大降低。2）传感器在汽车电控系统中的应用随着人们生活水平的提高，汽车已逐渐走进千家万户。汽车的安全舒适、低污染、高燃 率越来越受到社会重视。而传感器在汽车中相当于感官和触角，只有它才能准确地采集汽车 工作状态的信号,，提高自动化程度。汽车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。普通汽车上大约装有10-20只传感器，而高级豪华车有的使用传感器多 达300个，因此传感器作为汽车电控系统的关键部件，它将直接影响到汽车技术性能的发挥。3）在现代医学领域的应用社会的飞速发展，需要人们快速、准确地获取相关信息。医学传感器作为拾取生命体征 信息的五官，它的作用

11、日益显著，并得到广泛应用。例如:在图像处理、临床化学检验、生 命体征参数的监护监测、呼吸、神经、心血管疾病的诊断与治疗等方而，使用传感器十分普 及，现传感器在现代医学仪器设备中己无所不在。4）在环境监测方而的应用近年来，环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、 在线监测的仪器，传感器满足了人们的要求。目前，己有相当一部分生物传感器应用于环境 监测中，如大气环境监测。一氧化硫是酸雨雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。现 在将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，可对酸雨酸雾样 品溶液进行检测，大大简化了检测方法。5）在军事方而的应用传感器技

12、术在军用电子系统的运用，促进了武器、作战指挥、控制、监视和通信方而的 智能化。传感器在远方战场监视系统、防空系统、雷达系统、导弹系统等方而，都有广泛的 应用，是提高军事战斗力的重要因素。6）在家用电器方而的应用80年代以来，随着以微电子为中心的技术革命的兴起，家用电器正向自动化、智能化、 节能、无环境污染的方向发展。自动化和智能化的中心就是研制山微电脑和各种传感器组成 的控制系统。如:一台空调器采用微电脑控制配合传感器技术，可以实现压缩机的启动、停 机、风扇摇头、风门调节、换气等，从而对温度、湿度和空气浊度进行控制随着人们对家用 电器方便、舒适、安全、节能的要求的提高，传感器将越来越得到显著应

13、用。7）在学科研究方面的应用科学技术的不断发展，蕴生了许多新的学科领域，无论从宏观的宇宙，还是到微观的粒 子世界，许多未知的现象和规律要获取大量人类感官无法获得的信息，没有相应的传感器 是不可能的。8）在智能建筑领域中的应用智能建筑是未来建筑的一种必然趋势，它涵盖智能自动化、信息化、生态化等多方而的 内容，具有微型集成化、高精度与数字化和智能化特征的智能传感器将在智能建筑中占有重 要的地位5。第三章传感器技术传感器技术是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术，它已逐渐形成一门相对独立的专门学科1,并具有如下表1的特点。表1传感器技术的特点及其体现特点体现内容范围广且离散体现在

14、传感器技术可利用的物理、化学、生物学、电子学等中的 基础“效应”、“反应”、“机理”不仅为数甚多.而且它们往往被此独立， 甚至是完全不相关。知识密集程度高边缘学科色彩浓传感器技术是以材料的电、磁、光、声、热、力等功能效应和功 能形态变换原理为基础，并综合了物理学、化学、生物工程、微电子 学、材料科学等方面的知识和技术面形成的一门科学。由此可见，传 感器技术是学科交错应用极多.知识密集极高，与许多基础科学和专 业工程学有着极为密切的关系的技术。技术复杂、工艺要求高现代传感器的制造涉及了许多高新技术，如集成技术、薄膜技术、 超导技术、纳米加工技术、特种加工技术等。功能优性能好能检测五官不能感觉到的

15、信息，能在人类无法忍受的高温、高压 等恶劣环境下工作。性能好体现在传感器的量程宽、精度高、可靠性 好等方面。品种繁多应用广泛由于现代信息系统中待测的信息（待测量）很多，而且一种待测量往 往可用几种传感器来测量.因此，传感器产品品种极为庞杂、繁多。第四章传感器与传感器技术的发展趋势随着科学技术的迅猛发展以及相关条件的日趋成熟，传感器技术逐渐受到了各学科领域 的高度重视。当今传感器技术的研究与发展，特别是基于光电通信和生物学原理的新型传感 器技术的发展，已成为推动国家乃至世界信息化产业进步的重要标志与动力。由于传感器具有频率响应、阶跃响应等动态特性以及诸如漂移、重复性、精确度、灵敏 度、分辨率、线性度等静态特性，所以外界因素的改变与动荡必然会造成传感器自身特性的 不稳定，从而给其实际应用造成较大影响。这就要求针对传感器的工作原理和结构在不同 场合对传感器规定相应的基本要求，以最大程度优化其性能参数与指标，如高灵敏度、抗干 扰的稳定性、线性、容易调节、高精度、无迟滞性、工作寿命长、可重复性、抗老化、高响 应速率、抗环境影响、互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度等61同时，根据对国内外传感器技术的研究现状分析以及对传感器各性能参数的理想化要 求，现代传感器技术的发展趋势可以从四个方面概括：一是开发新材料、新工艺和开发新型 传感器;二是实现传感器的多功能、高