传感器技术及应用传感器技术的应用及未来发展趋势

发布时间：2024-10-07 08:10:18

传感器技术的应用及未来发展趋势

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器工作原理

传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路、辅助电源四部分构成，如下图所示。其中，敏感元件直接接收测量，用于输出被测量有关的物理量信号，敏感元件主要包括热敏、光敏、湿敏、气敏、力敏、声敏、磁敏、色敏、味敏、放射性敏感等十大类;转换元件用于将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号;

变换电路用于将转换元件输出电信号进行放大、调制等处理;辅助电源用于为系统(主要是敏感元件和转换元件)提供能量。

传感器应用

传感器在手机中的应用：重力传感器，在极品飞车、天天跑酷等游戏中有着近乎完美的体现;加速度传感器，例如手机的摇一摇功能就是对手机的加速度进行感应;光线传感器，例如手机的自动调光功能;距离传感器，例如接电话时手机离开耳朵屏幕变亮，手机贴近耳朵屏幕变黑。手机中的传感器数不胜数，很多功能都是利用传感器来实现的，在此小编就不一一列举了。

除手机外，传感器在日常生活中也有着广泛的应用，常见的如：自动门，通过对人体红外微波的传感来控制其开关状态;烟雾报警器，通过对烟雾浓度的传感来实现报警的目的;电子秤，通过力学传感来测量人或其他物品的重量;水位报警，温度报警、湿度报警等也都利用的是传感器来完成其功能。

传感器技术未来发展将会有哪些趋势呢？下面我们来看看：

1、开发新式传感器

新式传感器，大致应包含：①选用新原理；②添补传感器空白；③仿生传感器等诸方面。它们之间是互相联络的。传感器的作业机理是根据各种效应和规律，由此启示大家进一步探究具有新效应的灵敏功用资料，并以此研发出具有新原理的新式物性型传感器材，这是开展高功用、多功用、低成本和小型化传感器的主要途径。构造型传感器开展得较早，现在日趋老练。构造型传感器，通常说它的构造杂乱，体积偏大，报价偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的长处，加之曩昔开展也不行。世界各国都在物性型传感器方面投入很多人力、物力加强研究，从而使它变成一个值得注意的开展意向。其中运用量子力学诸效应研发的低活络阈传感器，用来检查弱小的信号，是开展新意向之一。

2、集成化、多功用化、智能化

传感器集成化包含两种界说，一是同一功用的多元件并排化，行将同一类型的单个传感元件用集成技能在同一平面上摆放起来，排成1维的为线性传感器，CCD图象传感器就归于这种状况。集成化的另一个界说是多功用一体化，行将传感器与放大、运算以及温度抵偿等环节一体化，组装成一个器材。

跟着集成化技能的开展，各类混合集成和单片集成式压力传感器相继呈现，有的已经变成产品。集成化压力传感器有压阻式、电容式、等类型，其中压阻式集成化传感器开展快、使用广。

传感器的多功用化也是其开展方向之一。所谓多功用化的典型实例，美国某大学传感器研究开展基地研发的单片硅多维力传感器能够一起丈量3个线速度、3个离心加速度(角速度)和3个角加速度。主要元件是由4个准确规划安装在一个基板上的悬臂梁构成的单片硅构造，9个准确布置在各个悬臂梁上的压阻灵敏元件。多功用化不只能够降低出产成本，减小体积，并且能够有效的前进传感器的稳定性、可靠性等功用指标。

把多个功用不一样的传感元件集成在一起，除可一起进行多种参数的丈量外，还可对这些参数的丈量成果进行归纳处理和评估，可反映出被测体系的全体状况。由上还能够看出，集成化对固态传感器带来了很多新的时机，一起它也是多功用化的根底。

传感器与微处理机相结合，使之不只具有检查功用，还具有信息处理、逻辑判别、自确诊、以及“思想”等人工智能，就称之为传感器的智能化。借助于半导体集成化技能把传感器有些与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制造在同一块芯片上，即变成大规模集成智能传感器。能够说智能传感器是传感器技能与大规模集成电路技能相结合的产品，它的实现将取决于传感技能与半导体集成化技能水平的前进与开展。这类传感器具有多能、高功用、体积小、适合大批量出产和运用方便等长处，能够肯定地说，是传感器主要的方向之一。

3、新资料开发

传感器资料是传感器技能的主要根底，是传感器技能晋级的主要支持。跟着资料科学的前进，传感器技能日臻老练，其品种不断增加，除了早期运用的半导体资料、陶瓷资料以外，光导纤维以及超导资料的开发，为传感器的开展供给了物质根底。例如，根据以硅为基体的很多半导体资料易于微型化、集成化、多功用化、智能化，以及半导体光热探测器具有活络度高、精度高、非触摸性等特色，开展红外传感器、激光传感器、光纤传感器等现代传感器；在灵敏资猜中，陶瓷资料、有机资料开展很快，可选用不一样的配方混合质料，在精细分配化学成分的根底上，通过高精度成型烧结，得到对某一种或某几种气体具有辨认功用的灵敏资料，用于制成新式气体传感器。此外，高分子有机灵敏资料，是近几年大家极为重视的具有使用潜力的新式灵敏资料，可制成热敏、光敏、气敏、湿敏、力敏、离子敏和生物敏等传感器。传感器技能的不断开展，也促进了更新式资料的开发，如纳米资料等。美国NRC公司已开发出纳米ZrO2气体传感器，操控机动车辆尾气的排放，对净化环境作用极好，使用远景对比广阔。因为选用纳米资料制造的传感器，具有庞大的界面，能供给很多的气体通道，并且导通电阻很小，有利于传感器向微型化开展，跟着科学技能的不断前进将有更多的新式资料诞生。

4、新技能的选用

在开展新式传感器中，离不开新技能的选用。新技能的意义规模很广，这儿主要指与开展新式传感器联络格外亲近的微细加工技能。该技能又称微机械加工技能，是这些年跟着集成电路技能开展起来的，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能，现在已不断增加地用于传感器范畴，例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体淀积(CVD)、外延、扩散、腐蚀、光刻等，迄今已有很多选用上述技能制成的传感器的国内外报导。

5、智能资料

智能资料是指规划和操控资料的物理、化学、机械、电学等参数，研发出生物体资料所具有的特性或许优于生物体资料功用的人工资料。有人以为，具有下述功用的资料可称之为智能资料：具有对环境的判别可自适应功用；具有自确诊功用；具有自修正功用；具有自增强功用(或称时基功用)。

生物体资料的最突出特色是具有时基功用，因此这种传感器特性是微分型的，它对变分有些对比灵敏。反之，长时间处于某一环境并习惯了此环境，则活络度降低。通常说来，它能适应环境调理其活络度。除了生物体资料外，最有目共睹的智能资料是形状回忆合金、形状回忆陶瓷和形状回忆聚合物。智能资料的探究作业刚刚开始，信任不久的将来会有很大的开展。

随着物联网技术推进，对传感器技术提出了新的要求，产品正在向MEMS工艺技术，无线数据传输网络技术，新材料、纳米、薄膜(含SOI)、陶瓷技术，光纤技术；激光技术，复合传感器技术，多学科交叉的融合技术方向发展。

传感器及其工作原理

一、认识传感器

1.传感器

（1）定义：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断.

☞生活中的实例

（2）基本特性：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制等.

2.传感器的工作原理：传感器通过敏感元件感受的通常是非电学量，而它利用转换元件输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等.

传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源四部分组成，其工作原理如图所示.

敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；转换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和转换电路一般还需要辅助电源供电.

☞敏感原件干簧管的结构及原理

如图所示，它由用玻璃管封入两个软磁性材料制成的簧片组成.当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”.干簧管是一种能够感知磁场的传感器，广泛用于电工设备和电子设备中.

3.传感器的特点

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化它是实现自动检测和自动控制的首要环节.传感器的存在和发展，让物体有了“触觉”“味觉”和“嗅觉”等，让物体慢慢“活”了起来.

4.传感器的分类

（1）按照其用途可分为：压力传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器、雷达传感器等.

（2）按照其原理可分为：振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等.

（3）按其输出信号可分为：模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号；

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）；

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号（包括直接和间接转换）；

开关传感器—当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号.

（4）按照其测量目的可分为：物理型传感器、化学型传感器、生物型传感器.

☞几种传感器中的敏感元件

二、对敏感元件的认识

1、光敏电阻：是一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器.

（1）特性：当用不同的光照射光敏电阻时会得到不同的电阻，由实验数据可知一般光照强度越强，电阻越小.

（2）本质：一般构成光敏电阻的物质为半导体材料，当无光照时载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变强，电阻就会减小.

（3）作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量，就如同人的眼睛一样，可以感知光线的强弱，应用光敏电阻可制成光电计数器.

☞街旁路灯和江海里的航标都要求在夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的光敏性.

2.热敏电阻和金属热电阻

（1）热敏电阻

①由半导体材料制成，利用温度变化使半导体的导电性能发生变化的电子元件一般热敏电阻的阻值随温度的升高而减小.

②分类：热敏电阻是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR）.正温度系数热敏电阻随温度升高电阻增大；负温度系数热敏电阻随温度升高电阻减小（这是最常见到的热敏电阻，如边栏图R-T图象中的热敏电阻）；临界温度热敏电阻具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数.它们的电阻率随温度的变化如边栏图中ρ-t图象所示.

☞金属热电阻与热敏电阻的R-T特性曲线

☞各种热敏电阻的电阻率随温度的变化情况

（2）金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成热敏传感器，称为热电阻一般的金属热电阻的灵敏度较差.

（3）氧化锰热敏电阻和金属热电阻的对比

三、霍尔元件

1、霍尔元件：如图所示，在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上、制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件.

2、霍尔电压

（1）表达式：如图所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场，则MN间出现霍尔电压UH，UH＝kIB/d.

（2）原理：以载流子是自由电子为例，霍尔电压的推导如下：根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向（即电流方向），

拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，电子在洛伦兹力作用下发生偏转，并在左右两侧表面积累，则左侧表面积累负电荷，右侧表面就积累等量的正电荷，即右侧表面的电势高，这样就会形成电场，当电子所受电场力与洛伦兹力平衡时，左、右两侧的电压达到稳定.

☞霍尔元件的分类

霍尔元件可分为两类：一类是金属霍尔元件，其载流子是自由电子；另一类是半导体霍尔元件，其载流子是空穴（可以认为是带正电的粒子）.

设M、N左右两板距离为h，E、F上下两板距离为d，则eE场=eU/h＝evB，又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd，联立方程得U＝IB/ned.由于ne是由霍尔元件本身材料决定的，我们把kIB/d称为霍尔系数，用k表示，这样就有UH＝kIB/d，其中d是薄片的厚度.

3、霍尔电势高低的判断

由左手定则判断带电粒子的受力方向，从而得出带电粒子的偏转方向，正电荷聚集的面为高电势面，负电荷聚集的面为低电势面.

☞霍尔电势判断要点

在判断霍尔电势的高低时，一定要注意载流子是正电荷还是负电荷.无论载流子是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向（电流方向一定时，无论载流子是正电荷还是负电荷，载流子受力方向均相同）.

4.霍尔元件的作用

一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值，若保持电流I恒定，则霍尔电压U就与磁感应强度B成正比，因此，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，故霍尔元件又称磁敏元件.

☞霍尔传感器技术在汽车工业中有着广泛的应用，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器有开关式、模拟式和数字式三种形式.

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