现代传感技术绪论

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1、现代传感技术绪绪 论论 高新技术迅速发展的信息时代，获取准确可高新技术迅速发展的信息时代，获取准确可靠的信息成为做好一切工作的前提。靠的信息成为做好一切工作的前提。 传感器是信息的采集和信息的转换的重要部传感器是信息的采集和信息的转换的重要部件件,测量和控制系统的首要环节，测试计量和工业测量和控制系统的首要环节，测试计量和工业自动化、智能化的关键技术。自动化、智能化的关键技术。 在世界范围内，一个国家的一项工程设计中在世界范围内，一个国家的一项工程设计中所用传感器的数量和水平直接标志着这个国家科所用传感器的数量和水平直接标志着这个国家科学技术的先进程度，因此传感器技术成为信息时学技术的先进程度

2、，因此传感器技术成为信息时代的焦点。代的焦点。 1 传感器的定义传感器的定义 人用五官感受外界信息，将所得到的信人用五官感受外界信息，将所得到的信息送入大脑并进行思维和判断，然后大脑息送入大脑并进行思维和判断，然后大脑命令四肢完成某种动作。命令四肢完成某种动作。 表观上传感器能够代替人的五官完成感表观上传感器能够代替人的五官完成感受外界信息的功能，成为传送感觉受外界信息的功能，成为传送感觉(应应)的一的一种器件。种器件。 “五官五官”感受的外界信息范围很窄感受的外界信息范围很窄(只是对人只是对人体无害的信息体无害的信息)，还有很多无法或难以感知的被测，还有很多无法或难以感知的被测量，如紫外光、

3、红外光、电磁场、无味无嗅之气量，如紫外光、红外光、电磁场、无味无嗅之气体及特高温、剧毒物和各种微弱信号等，而这些体及特高温、剧毒物和各种微弱信号等，而这些传感器都可以感知。传感器都可以感知。 由于电信号具有高精度、高灵敏度，可测量由于电信号具有高精度、高灵敏度，可测量控制的范围宽，便于传递、放大及反馈并连续可控制的范围宽，便于传递、放大及反馈并连续可测、可遥测、可储存等很多优点，所以人们希望测、可遥测、可储存等很多优点，所以人们希望传感器还能将感知的信号放大、传输、存储及显传感器还能将感知的信号放大、传输、存储及显示输出。示输出。 于是，更广义地可以把传感器归纳为一种能于是，更广义地可以把传感

4、器归纳为一种能感受外界信息感受外界信息(力、热、声、光、磁、气体、湿度力、热、声、光、磁、气体、湿度等等等等)，并按一定的规律将其转换成易处理的电信，并按一定的规律将其转换成易处理的电信号的装置。号的装置。 若被测量是电量，可直接与各种智能若被测量是电量，可直接与各种智能仪器仪器(计算机和机器人计算机和机器人)连接，并进行信号处连接，并进行信号处理。理。 若被测量是非电量，如物理量若被测量是非电量，如物理量(力学量、力学量、湿度、流量、物位、光学量和温度湿度、流量、物位、光学量和温度)，化学，化学量量(成份、酸碱度和反应速度成份、酸碱度和反应速度)，生物量，生物量(血血压、人体反应压、人体反应

5、)等，则必须通过相应的传感等，则必须通过相应的传感器将它们转换成电量，再送入计算机进行器将它们转换成电量，再送入计算机进行处理。处理。 也就是说，能把被测物理量或化学量转也就是说，能把被测物理量或化学量转换为与之有确定对立关系的电量输出的装换为与之有确定对立关系的电量输出的装置称为传感器。置称为传感器。 2 传感器的分类传感器的分类 由于被测信号的种类很多，而且一种被由于被测信号的种类很多，而且一种被测量可以用不同种类的传感器来测量，一测量可以用不同种类的传感器来测量，一种传感器也许可以测量几种被测信号，所种传感器也许可以测量几种被测信号，所以传感器存在很多分类方式，这里介绍几以传感器存在很多

6、分类方式，这里介绍几种基本的分类形式。种基本的分类形式。 按照工作机理可以分为物性传感器和结按照工作机理可以分为物性传感器和结构型传感器两大类。构型传感器两大类。 物性传感器利用外界信息使材料本身物性传感器利用外界信息使材料本身的固有性质发生变化，通过检测性质的变的固有性质发生变化，通过检测性质的变化来检测外界信息。化来检测外界信息。 利用外界信息使材料的物理性质利用外界信息使材料的物理性质(力、力、热、声和光热、声和光)发生变化的传感器称为物理传发生变化的传感器称为物理传感器，如半导体的力、热、光和磁敏传感感器，如半导体的力、热、光和磁敏传感器等。器等。 利用外界信息使材料的化学性质发生变利

7、用外界信息使材料的化学性质发生变化的传感器称为化学传感器，如化的传感器称为化学传感器，如Fe203气体气体传感器等；传感器等； 利用外界信息使生物或微生物组织的生利用外界信息使生物或微生物组织的生物效应发生变化的传感器称为生物传感器，物效应发生变化的传感器称为生物传感器，如酶传感器、微生物传感器等。如酶传感器、微生物传感器等。 结构型传感器利用外界信息使结构型传感器利用外界信息使一些元件的结构一些元件的结构(如弹簧、气压如弹簧、气压)发发生形变，通过测量结构的变化来检生形变，通过测量结构的变化来检测被测对象，如用金属的伸缩来感测被测对象，如用金属的伸缩来感知温度等等。知温度等等。 按照信息的传

8、递方式可以分为直接型和按照信息的传递方式可以分为直接型和间接型传感器。间接型传感器。 将被测的信息通过传感器直接转换成电将被测的信息通过传感器直接转换成电信号的传感器称为直接型传感器，如光敏二信号的传感器称为直接型传感器，如光敏二极管将光信号直接转换成电流信号，热敏电极管将光信号直接转换成电流信号，热敏电阻将温度的变化直接转变为电阻值的变化。阻将温度的变化直接转变为电阻值的变化。 将被测信息通过多于一次的转换才变为将被测信息通过多于一次的转换才变为电信号的传感器称为间接型传感器，如压力电信号的传感器称为间接型传感器，如压力传感器先将压力施加于感压膜片上使其产生传感器先将压力施加于感压膜片上使其

9、产生形变形变(即应变即应变)，形变会引起压阻效应才使电，形变会引起压阻效应才使电阻值发生了变化。阻值发生了变化。 按照人类的感觉功能分为视觉、听觉、按照人类的感觉功能分为视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉五类传感器。嗅觉、味觉和触觉五类传感器。 机器人的感觉系统由视觉、触觉、痛机器人的感觉系统由视觉、触觉、痛觉、滑动觉、接近觉、热觉或温觉、力觉、觉、滑动觉、接近觉、热觉或温觉、力觉、嗅觉、听觉和味觉组成。嗅觉、听觉和味觉组成。 为了将多个传感器得到的信息综合利用，为了将多个传感器得到的信息综合利用，发展多信息处理技术，使机器人更准确、发展多信息处理技术，使机器人更准确、全面和低成本地获取所处环境的信

10、息，组全面和低成本地获取所处环境的信息，组成了机器人智能技术，如机器人的多感觉成了机器人智能技术，如机器人的多感觉系统系统(Robot Sensory System)和多传感器和多传感器信息的集成与融合信息的集成与融合(MultiSensor Integration and Fusion)。 按照感觉功能将传感器分类的状况按照感觉功能将传感器分类的状况 另外按照制造传感器另外按照制造传感器所用的材料所用的材料可以分为半导可以分为半导体传感器、金属传感器、陶瓷传感器、光纤传感体传感器、金属传感器、陶瓷传感器、光纤传感器、高分子传感器和生物传感器等。器、高分子传感器和生物传感器等。 按传感器的按传

11、感器的检测对象检测对象分为温度传感器、光敏传分为温度传感器、光敏传感器、压力传感器、磁传感器、气敏传感器、湿感器、压力传感器、磁传感器、气敏传感器、湿度传感器、离子传感器和生物传感器等。度传感器、离子传感器和生物传感器等。 还有更为具体的分类形式，按照还有更为具体的分类形式，按照转换原理转换原理分类分类的，如电磁传感器和光电传感器；按照的，如电磁传感器和光电传感器；按照用途用途分类分类的，如工业、民用、医疗、军用及汽车传感器等的，如工业、民用、医疗、军用及汽车传感器等等。等。 总之，为了使用的方便，不同的行业依据的分总之，为了使用的方便，不同的行业依据的分类方式不同，而且会随着传感器的发展而出

12、现更类方式不同，而且会随着传感器的发展而出现更新的种类。新的种类。 3 传感器的基本特性及应用传感器的基本特性及应用 31传感器的基本特性传感器的基本特性 传感器是直接与被测对象发生联系的传感器是直接与被测对象发生联系的部分，是信息输入的窗口，可提供原始部分，是信息输入的窗口，可提供原始信息，检测的准确与否完全与一定范围信息，检测的准确与否完全与一定范围内反应被测量的精确程度有关。于是，内反应被测量的精确程度有关。于是，它必须具备一定的基本特性，而了解和它必须具备一定的基本特性，而了解和掌握其基本特性是正确选择和使用传感掌握其基本特性是正确选择和使用传感器的基本条件。器的基本条件。 传感器的基

13、本特性是指传感器的输出与传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间关系的特性，一般分为静态特性输入之间关系的特性，一般分为静态特性和动态特性两大类。和动态特性两大类。 当被测量不随时间变化或随时间变化很当被测量不随时间变化或随时间变化很缓慢缓慢(常称为静态信号常称为静态信号)时，用一系列静态参时，用一系列静态参数来描述其静态特性。数来描述其静态特性。 当被测量随时间变化很快当被测量随时间变化很快(常称动态信常称动态信号号)时，可用一系列动态参数来描述其动态时，可用一系列动态参数来描述其动态特性。特性。 3.1.1静态特性静态特性 传感器的静态特性是指对于静态的输入信传感器的静态特性是指对于静态

14、的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有号，传感器的输出量与输入量之间所具有的相互关系。此时输入信号与时间无关，的相互关系。此时输入信号与时间无关，输出量也与时间无关，输出量与输入量之输出量也与时间无关，输出量与输入量之间的关系可用一个不含时间的方程来表示：间的关系可用一个不含时间的方程来表示： 式中式中a0为零位输出；为零位输出；a1为线性常数；为线性常数；a2、a3、an为非线性待定常数，它们都可为非线性待定常数，它们都可由实际的测量数据进行标定。由实际的测量数据进行标定。 实际中也可以以实际中也可以以x为横坐标，为横坐标，Y为纵坐为纵坐标，用测量结果画出特性曲线来表征输出标，用测量结

15、果画出特性曲线来表征输出与输入的关系。与输入的关系。 由多次测量的结果分析可知，任何由多次测量的结果分析可知，任何传感器的输出与输入的关系不会完全传感器的输出与输入的关系不会完全符合所要求的特征线性或非线性关系，符合所要求的特征线性或非线性关系，衡量传感器的静态特性必须用一些重衡量传感器的静态特性必须用一些重要指标来确定，如要指标来确定，如测量范围测量范围、线性度线性度、迟滞迟滞、重复性重复性及及灵敏度灵敏度等等。等等。 (1)测量范围测量范围(YFS) 每一个传感器都有一定的测量范围，如每一个传感器都有一定的测量范围，如果超过了这个范围进行测量时，会带来很果超过了这个范围进行测量时，会带来很

16、大的测量误差，甚至于损坏传感器。大的测量误差，甚至于损坏传感器。 一般测量范围确定在一定的线性区域或者一般测量范围确定在一定的线性区域或者保证一定寿命的范围内。在实际应用时，保证一定寿命的范围内。在实际应用时，所选择传感器的测量范围应大于实际的测所选择传感器的测量范围应大于实际的测量范围，以保证测量的准确性和延长传感量范围，以保证测量的准确性和延长传感器及其电路的寿命。器及其电路的寿命。 (2) 线性度线性度() 通常为了标定和数据处理的方便，总希通常为了标定和数据处理的方便，总希望得到线性关系，可采用各种方法如硬件望得到线性关系，可采用各种方法如硬件或软件的补偿进行线性化处理，这样就使或软件

17、的补偿进行线性化处理，这样就使得输出不可能丝毫不差地反应被测量的变得输出不可能丝毫不差地反应被测量的变化，总存在一定的误差化，总存在一定的误差(线性或非线性线性或非线性)，即，即使实际是线性关系特性，测量的线性关系使实际是线性关系特性，测量的线性关系也并不完全与其吻合，而常用一条拟合直也并不完全与其吻合，而常用一条拟合直线近似代表实际的特性曲线。线近似代表实际的特性曲线。 线性度就是用来表示实际曲线与拟合直线接近程线性度就是用来表示实际曲线与拟合直线接近程度的一个性能指标。实际曲线与拟合直线总存在度的一个性能指标。实际曲线与拟合直线总存在一定的偏差，用实际曲线与拟合直线间的最大偏一定的偏差，用

18、实际曲线与拟合直线间的最大偏差差 Ymax与满量程输出与满量程输出YFS的百分比来表示线性度，的百分比来表示线性度，即即 拟合直线的方法拟合直线的方法(有理论拟合、过零旋转拟合、端有理论拟合、过零旋转拟合、端点平移或连线拟合及最小二乘法拟合等点平移或连线拟合及最小二乘法拟合等)不同，以不同，以所参考的拟合直线计算出的线性度也不同，比较所参考的拟合直线计算出的线性度也不同，比较传感器线性度好坏时必须建立在相同的拟合方法传感器线性度好坏时必须建立在相同的拟合方法上。上。 (3)迟滞迟滞 人们将在相同工作条件下进行全测量范围测量人们将在相同工作条件下进行全测量范围测量时正行程和反行程输出的不重合程度

19、称为迟滞或时正行程和反行程输出的不重合程度称为迟滞或滞后，用全量程范围校准时，同一输入量的正行滞后，用全量程范围校准时，同一输入量的正行程输出和反行程输出之间的最大偏差程输出和反行程输出之间的最大偏差 与满量与满量程输出值的百分比表示程输出值的百分比表示 它反映了传感器的材料参数的恢复快慢、机械结它反映了传感器的材料参数的恢复快慢、机械结构和制造工艺的缺陷等等。构和制造工艺的缺陷等等。 (4)重复性重复性 重复性用于描述在同一工作条件下输入量按同一重复性用于描述在同一工作条件下输入量按同一方向在全测量范围内连续多次重复测量所得特性方向在全测量范围内连续多次重复测量所得特性曲线的不一致性曲线的不

20、一致性(波动性波动性)。若正行程的最大重复性。若正行程的最大重复性偏差为偏差为 ,反行程的最大重复性偏差为反行程的最大重复性偏差为 取两个中最大的，再用满量程的百分比表示，即取两个中最大的，再用满量程的百分比表示，即 或用同一输入量或用同一输入量N次测量的标准偏差次测量的标准偏差 与满量程与满量程的百分比表示。其标准偏差用下式表示的百分比表示。其标准偏差用下式表示 式中为测量值的算术平均值；式中为测量值的算术平均值；N为测量的次数。为测量的次数。 (5)灵敏度灵敏度(S) 灵敏度用传感器在稳定工作时的输出量变化灵敏度用传感器在稳定工作时的输出量变化 对对输入量变化输入量变化 的比值表示：的比值

21、表示： 可以看出，灵敏度的量纲是输出量与输入量的量可以看出，灵敏度的量纲是输出量与输入量的量纲之比。对于线性传感器来讲，其校准时输出纲之比。对于线性传感器来讲，其校准时输出输入特性直线的斜率就是灵敏度。对于非线性传输入特性直线的斜率就是灵敏度。对于非线性传感器来讲，灵敏度随输入量的变化而变化。一般感器来讲，灵敏度随输入量的变化而变化。一般S较高时，测量容易，精度提高，但是较高时，测量容易，精度提高，但是S越高测量越高测量的范围就越窄，稳定性越差，应根据具体情况择的范围就越窄，稳定性越差，应根据具体情况择优选择。优选择。 (6)分辨率分辨率 分辨率是描述传感器可以感受到的被测分辨率是描述传感器可

22、以感受到的被测量最小变化的能力。若输入量缓慢变化且量最小变化的能力。若输入量缓慢变化且其变化值未超过某一范围时输出不变化，其变化值未超过某一范围时输出不变化，即此范围内分辨不出输入的变化，只有当即此范围内分辨不出输入的变化，只有当输入量变化超过此范围时输出才发生变化。输入量变化超过此范围时输出才发生变化。一般各个输入点对应的这个范围不同，人一般各个输入点对应的这个范围不同，人们将用满量程中使输出阶跃变化的输入量们将用满量程中使输出阶跃变化的输入量中最大的可分辨范围作为衡量指标，定义中最大的可分辨范围作为衡量指标，定义为传感器的分辨率为传感器的分辨率 ，也可以用分辨率，也可以用分辨率表示，即表示

23、，即 (7) 温度稳定性温度稳定性 将传感器的输入量设定在某个值，测量将传感器的输入量设定在某个值，测量出相应的输出值，使环境温度上升或下降出相应的输出值，使环境温度上升或下降一定间隔，输出值会发生变化，说明传感一定间隔，输出值会发生变化，说明传感器具有温度不稳定性。一般用温度系数来器具有温度不稳定性。一般用温度系数来描述温度引起的这个误差，表示为：描述温度引起的这个误差，表示为： 式中式中Y1、 Y2分别为温度分别为温度T1、T2时的输出值，时的输出值， T= T2 - T1 。 3.1.2动态特性动态特性 当传感器的输入量随时间变化时，其输出量的当传感器的输入量随时间变化时，其输出量的响应

24、特性就是动态特性。响应特性就是动态特性。 一般应使输出量随时间的变化与输入量随时间一般应使输出量随时间的变化与输入量随时间的变化相近，否则输出量就不能反应输入的值，的变化相近，否则输出量就不能反应输入的值，测量毫无意义。测量毫无意义。 动态输入量的变化规律分为规律性的和随机的动态输入量的变化规律分为规律性的和随机的两种变化。前者又可以分为周期性的两种变化。前者又可以分为周期性的(正弦周期和正弦周期和复杂周期复杂周期)和非周期性的和非周期性的(阶跃函数、线性函数和其阶跃函数、线性函数和其他瞬变函数他瞬变函数)，后者包括平稳的随机函数和非平稳，后者包括平稳的随机函数和非平稳的随机函数。的随机函数。

25、传感器对某些标准输入信号的响应来反映动态特性。传感器对某些标准输入信号的响应来反映动态特性。 (1(1）阶跃响应阶跃响应 当输入为阶跃函数时，如图所示，则传感器的响当输入为阶跃函数时，如图所示，则传感器的响应函数应函数Y(t)分为两个响应过程，一个是分为两个响应过程，一个是 从初始状从初始状态到接近终态之间的过程，即动态过程态到接近终态之间的过程，即动态过程(又称为过又称为过渡过程渡过程)，t 趋于无穷时，输出基本稳定，称为稳趋于无穷时，输出基本稳定，称为稳态过程。态过程。 过渡过程中特性参数：过渡过程中特性参数： 时间常数时间常数 ，是指输出量从，是指输出量从0上升到稳态上升到稳态Y(Y()

26、的的63所需的时间。所需的时间。 上升时间上升时间tr，是指从稳态值，是指从稳态值Y(Y()的的10上升到上升到90所需的时间。它表示传感器的响应速度，所需的时间。它表示传感器的响应速度， tr小时，表明传感器对输入的响应速度快。小时，表明传感器对输入的响应速度快。 响应时间响应时间ts，从输入量开始到输出进入稳定值，从输入量开始到输出进入稳定值的允许误差范围的允许误差范围(l或或2)内所需的时间，也能内所需的时间，也能表示响应速度。表示响应速度。 振荡次数振荡次数N，是指输出量在稳态值，是指输出量在稳态值Y(Y()上上下摆下摆动的次数，动的次数，N越小，表明稳定性越好。越小，表明稳定性越好。

27、 稳态误差稳态误差e，是指响应的实际值，是指响应的实际值Y(Y()与期望值与期望值之差，它反映稳态的精确程度。之差，它反映稳态的精确程度。 (2) 频率响应频率响应 零阶传感器的数学模型零阶传感器的数学模型 如果一个传感器的输入量随时间的变化为如果一个传感器的输入量随时间的变化为X(t)，其输出量随时间的变化其输出量随时间的变化Y(t)是输入量的是输入量的 b0a0倍，倍，则输出与输入的关系可以表示为则输出与输入的关系可以表示为: 式中式中a0和和b0是传感器的系数，是传感器的系数， b0 a0称为静态称为静态灵敏度。实际中，滑线电阻器的输出电压灵敏度。实际中，滑线电阻器的输出电压U(t)与与

28、触头距边界的距离触头距边界的距离X(t)成正比，可以将具有这种关成正比，可以将具有这种关系的传感器称为零阶传感器。系的传感器称为零阶传感器。 一阶传感器的数学模型一阶传感器的数学模型 如果传感器电路中含有一个储能元件如果传感器电路中含有一个储能元件(电感电感或电容或电容)，其输出量，其输出量Y(t) 与输入量与输入量X(t)的关系的关系可以表示为可以表示为: 式中式中al、 a0和和b0是传感器的常数，是传感器的常数， b0a0称为静态灵敏度。称为静态灵敏度。 n阶传感器系统的数学模型阶传感器系统的数学模型 对于线性系统的传感器，可以用常系数对于线性系统的传感器，可以用常系数线性微分方程来表示

29、线性微分方程来表示: 式中式中an 、 an-1、a1、a0，bm、bm-1、b1和和b0均为常数，可以通过均为常数，可以通过n次实验确定之。次实验确定之。 将上式进行拉氏变换，可以得到将上式进行拉氏变换，可以得到Y(S)和和X(S)的方程的方程由上式可得输入和输出量之间的拉氏传递函数由上式可得输入和输出量之间的拉氏传递函数H(S) 若输入信号为正弦波若输入信号为正弦波x(t)=A sin( t)时，用时，用j 代替式中代替式中的的S，则可以得出传感器的输出与输入之比与频率的关，则可以得出传感器的输出与输入之比与频率的关系，即频率传递函数系，即频率传递函数H(j )为为 频率传递函数的模频率传

30、递函数的模 为输出与输入的幅值之比为输出与输入的幅值之比BA，它与角频率，它与角频率 的关系被称为幅频特性。输出与输入信的关系被称为幅频特性。输出与输入信号的相位之差与频率的关系号的相位之差与频率的关系 称为相频特性，一般情称为相频特性，一般情况下传感器的输出量滞后于输入量，况下传感器的输出量滞后于输入量， 为负值。为负值。 32 传感器的基本应用传感器的基本应用 传感器基本上都应用在测量与控制系统传感器基本上都应用在测量与控制系统(也称为测控系统也称为测控系统)中，而且是其中的关键部中，而且是其中的关键部 件。它在测量系统中执行测量的功能，并件。它在测量系统中执行测量的功能，并将测定将测定“

31、量或性质量或性质”的值显示出来；在控制的值显示出来；在控制系统中将测量到的量或性质的信息进行分系统中将测量到的量或性质的信息进行分析，用于控制以达到预期的目的。析，用于控制以达到预期的目的。3.2.1 在测量系统中的应用在测量系统中的应用 基本的电子测量系统由传感器、信号调节、基本的电子测量系统由传感器、信号调节、显示系统和电源四个部分组成，如图所示。显示系统和电源四个部分组成，如图所示。 其中信号调节部分可使用阻抗匹配器、其中信号调节部分可使用阻抗匹配器、多级放大器和数模转换器等；显示部分可多级放大器和数模转换器等；显示部分可使用模拟或数字表、纸带记录仪、字符打使用模拟或数字表、纸带记录仪、

32、字符打印机和示波器等。印机和示波器等。 如果一个环境有两个或更多个被测信号如果一个环境有两个或更多个被测信号(如温度、压力和振动等如温度、压力和振动等)，则需要同样数量、，则需要同样数量、相同种类的传感器测量之，也需要各自的相同种类的传感器测量之，也需要各自的信号调节处理并显示输出。信号调节处理并显示输出。3.2.2 在控制系统中的应用在控制系统中的应用 按照控制的方式将控制系统分为开环和闭环两种。按照控制的方式将控制系统分为开环和闭环两种。将传感器测量出来的数据经信号调节器后显示出将传感器测量出来的数据经信号调节器后显示出来，由操作员分析判断，并进行控制来，由操作员分析判断，并进行控制(如提

33、高温度，如提高温度，减小压力，截止流动，装填容器或改变速度等减小压力，截止流动，装填容器或改变速度等)的的系统为开环控制系统。系统为开环控制系统。 若将由传感器测量出来的数据经信号调节器后送若将由传感器测量出来的数据经信号调节器后送入比较器，与参考数据入比较器，与参考数据(即要保持规定大小的指定即要保持规定大小的指定量量)进行比较，如果二者之差超过一定的范围，比进行比较，如果二者之差超过一定的范围，比较器或分析器会输出一个信号，可以自动启动执较器或分析器会输出一个信号，可以自动启动执行器，对被测量系统进行自动控制，这种控制系行器，对被测量系统进行自动控制，这种控制系统为闭环控制系统。统为闭环控

34、制系统。3.3 传感器的应用领域传感器的应用领域 在工农业、国防、航空、航天、医疗卫在工农业、国防、航空、航天、医疗卫生和生物工程等各个领域中，会遇到各种生和生物工程等各个领域中，会遇到各种物理量、化学量和生物量，对它们的测量物理量、化学量和生物量，对它们的测量与控制都具有十分重要的意义。与控制都具有十分重要的意义。 (1)传感器是实现自动检测和自动控制的首传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节要环节 若没有对原始的各种参数进行精确、可若没有对原始的各种参数进行精确、可靠地测量，无论是信号转换、处理，还是靠地测量，无论是信号转换、处理，还是最佳数据的显示与控制，都将成为一句空最佳数据的显示与

35、控制，都将成为一句空话。可以毫不夸张地说，如果没有精确的话。可以毫不夸张地说，如果没有精确的传感器，就没有精确的自动检测和控制。传感器，就没有精确的自动检测和控制。 (2)传感器技术是构成现代信息技术系统的主要内传感器技术是构成现代信息技术系统的主要内容之一容之一 (IT传感器、通信、计算机三大支柱传感器、通信、计算机三大支柱) 信息系统包括三个主要组成部分：感受外界各种信息系统包括三个主要组成部分：感受外界各种刺激并及时作出反应的传感器技术，相当于刺激并及时作出反应的传感器技术，相当于“电五电五官官”，也就是信息的获取技术；传送信息或信息的，也就是信息的获取技术；传送信息或信息的传输技术传输

36、技术,相当于相当于“神经神经”，也就是通信技术；处理，也就是通信技术；处理信息的技术，相当于信息的技术，相当于“大脑大脑”，如智能仪器、计算，如智能仪器、计算机及机器人等，但都只能处理信息，而不能自己机及机器人等，但都只能处理信息，而不能自己获取信息。它们可以互相促进，但不能互相代替，获取信息。它们可以互相促进，但不能互相代替，在现代信息系统中起着各自的重要作用。在现代信息系统中起着各自的重要作用。 计算机技术和通信技术的发展都非常快，传感计算机技术和通信技术的发展都非常快，传感器技术的发展就成为信息技术发展的标志，有待器技术的发展就成为信息技术发展的标志，有待进一步发展。进一步发展。 (3)

37、(3)传感器是航空、航天和航海事业不可缺传感器是航空、航天和航海事业不可缺少的器件少的器件 在现代飞行器上装备着种类繁多的显示在现代飞行器上装备着种类繁多的显示与控制系统，而传感器首当其冲地对反映与控制系统，而传感器首当其冲地对反映飞行器的参数、姿态和工作状态的各种量飞行器的参数、姿态和工作状态的各种量加以检测，以便操纵者进行正确的操作。加以检测，以便操纵者进行正确的操作。 (4)传感器是机器人的重要组成部件传感器是机器人的重要组成部件 在工业机器人的控制系统中，要完成检测在工业机器人的控制系统中，要完成检测功能、操作与驱动功能及比较与判断功能功能、操作与驱动功能及比较与判断功能等，必须借助于

38、检测机器人内部各部分状等，必须借助于检测机器人内部各部分状态以及检测并控制机器人与所操作对象的态以及检测并控制机器人与所操作对象的关系和工作现场之间的状态两类传感器。关系和工作现场之间的状态两类传感器。要是机器人从事更高级的作业，必须为它要是机器人从事更高级的作业，必须为它开发更精良的开发更精良的“五官五官”传感器。传感器。 (5)传感器在生物医学和医疗器械方面传感器在生物医学和医疗器械方面显露出广阔前景显露出广阔前景 它能将人体各种生理信息转化成工程上它能将人体各种生理信息转化成工程上已测定的量，从而正确地显示出人体的生已测定的量，从而正确地显示出人体的生理信息，如心电图、理信息，如心电图、

39、B超、胃镜、血压器及超、胃镜、血压器及CT等等。等等。 (6)传感器渗透到日常生活的各个方面传感器渗透到日常生活的各个方面 家电中温度、湿度的测控，音响系统、家电中温度、湿度的测控，音响系统、电视机和电风扇的遥控，煤气和液化气的电视机和电风扇的遥控，煤气和液化气的泄漏报警，路灯的声控等等都离不开传感泄漏报警，路灯的声控等等都离不开传感器。器。 总之，大家都已认识到它在整个科学技总之，大家都已认识到它在整个科学技术及人类生活中的重要性。目前，全世界术及人类生活中的重要性。目前，全世界都越来越重视新型传感器的研究和开发，都越来越重视新型传感器的研究和开发，可以预测传感器技术必将获得迅速发展。可以预

40、测传感器技术必将获得迅速发展。 4 4 传感器的发展方向传感器的发展方向 随着智能高新技术的发展，特别是计算随着智能高新技术的发展，特别是计算机的不断更新，表明机的不断更新，表明“头脑头脑”发达了，作为发达了，作为感觉的传感器技术也应该发展。传感器技感觉的传感器技术也应该发展。传感器技术的涉及面广，但它们有一定的共性，即术的涉及面广，但它们有一定的共性，即利用各种物理定律和材料的各种特性将待利用各种物理定律和材料的各种特性将待测量换成易处理的量，所以应采用更高新测量换成易处理的量，所以应采用更高新的技术、新工艺去开发新材料，探测新规的技术、新工艺去开发新材料，探测新规律，研究用途更广和效能更高

41、的新型传感律，研究用途更广和效能更高的新型传感器器现代传感器。现代传感器。 新型传感器的性能具备以下特征：新型传感器的性能具备以下特征： (1)高精度，且数值化高精度，且数值化 欲对某一参数进行精确地控制，首先必须欲对某一参数进行精确地控制，首先必须要求测量的精度高。目前，对线性加工要求要求测量的精度高。目前，对线性加工要求精度高于精度高于0.1 m，对火箭发动机内的动态压，对火箭发动机内的动态压力测量精度优于力测量精度优于0.10，对材料微观结构测，对材料微观结构测量达量达10-10m级。级。 (2)智能化智能化 随着管理控制的机制越来越复杂，要求随着管理控制的机制越来越复杂，要求传感器必须

42、实现智能化。传感器必须实现智能化。 随着机器人的出现，宇宙飞船和卫星向随着机器人的出现，宇宙飞船和卫星向地球传送信息的种类增多，各种数据应由传地球传送信息的种类增多，各种数据应由传感器自身处理、分类、压缩和传送，以提高感器自身处理、分类、压缩和传送，以提高效率。效率。 (3)微型化，集成化微型化，集成化 实际军事要求导弹的体积越小越好，实际军事要求导弹的体积越小越好，种类繁多的传感器必须集于一身，加之种类繁多的传感器必须集于一身，加之有放大器、补偿电路和信号处理电路等有放大器、补偿电路和信号处理电路等更要求小型化，必须通过集成化得以实更要求小型化，必须通过集成化得以实现。现。 要满足以上要求，

43、新型传感器的要满足以上要求，新型传感器的研究方向包含应用研究方向包含应用新材料新材料(如功能陶瓷材料、功能复合材料和非晶态材如功能陶瓷材料、功能复合材料和非晶态材料料)、新工艺技术新工艺技术(微细加工技术和超微颗粒的制备微细加工技术和超微颗粒的制备技术技术)、新的物理、化学和生物效应等新的物理、化学和生物效应等，开发出，开发出直接直接输出数字信号输出数字信号的的数字传感器数字传感器，采用微电子加工技术，采用微电子加工技术制作的微米级大小芯片的微型传感器，将传感器与制作的微米级大小芯片的微型传感器，将传感器与放大和补偿电路集成在一个芯片上的集成传感器，放大和补偿电路集成在一个芯片上的集成传感器，集成样品预处理器和微检测器的微型生物化学芯片、集成样品预处理器和微检测器的微型生物化学芯片、利用利用TCPIP协议使现场测控数据就近登临网络以协议使现场测控数据就近登临网络以及时共享的及时共享的网络传感器网络传感器，通过控制机与传感器双向，通过控制机与传感器双向通信实现软件控制并具有可程控和自适应功能的智通信实现软件控制并具有可程控和自适应功能的智能传感器和多个传感器单元做在一起综合识别空间能传感器和多个传感器单元做在一起综合识别空间复杂状态的复杂状态的多维化传感器。多维化传感器。