传感器的笔记 详解常见的几种传感器特点

详解常见的几种传感器特点

传感器是信息时代的必备产品，几乎随处可见。它是人类从外界获取信息的关键。现在人们单靠自身的感觉器官，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。

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。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，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

传感器的特点包括微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化等，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。

传感器的常见分类

1、电阻式

电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。

2、称重

称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。能够实现力电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。

3、压阻式

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。

用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。

4、激光

利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。

激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。

5、霍尔

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

6、生物

生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。

各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

传感器种类繁多，在某个特定应用场景里面需要特殊的传感器，随着第三代传感器的发展，这类传感器的特点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，未来几年也将出现大量的智能传感器。

《中国大百科全书（第2版）》读书笔记6573-传感器

传感器 transducer

氧传感器

按一定规律实现信号检测并将被测量（物理的、化学的和生物的）信息变换为另一种物理量（通常是电量）的器件或仪表。

它既能把非电量变换为电量，也能实现电量之间或非电量之间的互相变换。广义地说，一切获取信息的仪表或器件都可称为传感器。

在生产过程控制系统中，常称输出标准信号的传感器为变送器，而称输出非标准信号的传感器为敏感器。

传感器是自动控制系统必不可少的关键部分。所有自动化仪表和装置均需先经过信息检测才能实现信息的转换、处理和显示，而后达到调节、控制的目的。

发展简况

早期的机械式仪表是将机械式检测元件和机械式指示记录部分直接结合在一起。

20世纪50年代后，检测传感部分大豆采用机电结构，对机械式检测元件感受的信息进行二次变换，采用力或力矩平衡的反馈测量系统，配上相应的放大处理电路，与显示调节部分相结合，发展成系列化的显示调节仪表。

热电偶传感器

到70年代，采用集成电路工艺研制出多类固体敏感元件，它与放大处理电路结合形成新型传感器。80年代后，传感器开始向着集成化、智能化方向发展。

分类

传感器品种繁多，原理各异。

根据现象所属领域的不同可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器。

根据所用敏感元件的材料来分，有半导体传感器、陶瓷传感器、有机高分子传感器、光纤传感器等。

根据功能来分，有单功能传感器、多功能传感器、智能传感器、仿生传感器等。

比较常用的是按照被检测的参数进行分类。

构成原理

传感器依构成原理可分为结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器3种类型。

结构型传感器

基于物理学中场的定律（电场、磁场、力场等）构成的传感器。

它的基本原理是以部分结构的位置变化和场的变化来反映被测非电量的大小及其变化。

结构性传感器大都采用机电结构和间接信号变换方式。

间接变换是指信号经过两次变换，先节被测信号经过机械式检出元件转换成中间信号，再经过敏感元件转换成电信号输出。

结构型传感器应用最广，采用的测量原理主要有电磁检测、光电检测等：

①电磁检测。包括电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、电涡流式传感器、压电式传感器、热电式传感器、压阻式传感器、压磁式传感器、霍尔式传感器、频率式传感器、数字式传感器。

②光电检测。包括光电式传感器、激光传感器、红外线传感器、光栅式传感器、光纤传感器等。

还有超声波传感器、核辐射传感器及用电化学、核磁共振等方法制成的传感器。

物性型传感器

基于物质特性（各种物理、化学、生物的效应和现象）构成的传感器。

基本特征与构成传感器敏感材料的特性密切相关。

物性型传感器采用直接信号变换方式，用一种敏感元件将被测信号直接转变为电信号输出，是发展最快和引人注目的新型传感器。

差压传感器

利用物质的化学特性构成的传感器称为化学传感器，利用生物学特性的传感器称为生物传感器，这两种传感器研制困难但性能优越，发展潜力很大。

固体敏感元件是物性型传感器的关键组成部分。

智能型传感器

是物性型传感器进一步发展的产物。智能型是指除检测功能外，还具有自补偿、自校正、自调整、自诊断和逻辑操作、程序控制、自动实现计量和检测最优化等功能。

性能指标

传感器的基本性能要求是：输出信号与输入信号成比例；迟滞和非线性误差小；内部噪声小，不易受外界干扰影响；反应速度快；动作能量小；对被测状态的影响小；使用寿命长；使用、维修和校准方便。常用的性能指标有9项：

①量程，测量上限和下限的代数差。

②测量范围，测量上限与下限之间的区间。

气流传感器

③过载，传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下允许超过测量范围的能力。

④灵敏度，传感器输出的变化值与相应的被测量的变化值之比。

⑤分辨力，传感器可能检出的被测信号的最小增量。

⑥误差，被测量指示值与真值之间的差值。

⑦重复性，在同一工作条件下，对被测量的同一数值在同一方向上进行重复测量时的测量结果的一致性。

⑧非线性，在规定的环境条件下，传感器校准曲线与传感器拟合直线（理想直线）的不一致程度。

⑨迟滞，当输入作全测量范围移动时，同一测量点正反行程输出的不一致性。

发展趋势

传感器的发展趋势表现在5个方面：

①研制新型传感器。激光、超声、微波和仿生技术的利用，尤其受到人们的注意。

②采用新材料、新工艺。改变材料的组成、结构、添加物或采用各种工艺技术，利用材料形态变化如薄膜化、微小化、纤维化、气孔化、复合化、无孔化等，提高材料对电、磁、光、热、声、力、吸附、分离、输送载流子、化学、生物等的敏感功能。

③研究传感器组合技术，提高传感器测量精度。运用温度补偿技术、抗电磁干扰技术、高频响应技术、信号处理技术等，实现不同的组合，构成各类传感器。

④研究敏感元件的小型化、集成化、固体化、多功能化。研制新型场效应敏感元件、厚薄膜和超细微粒子敏感元件、色敏元件、光纤元件等，发展数字式传感器和智能型传感器，实现检测、转换和信息处理一体化，最终实现传感器的单片智能化。

⑤研究微机械式传感器。研究各种以硅为主的微传感器及微型机电系统（MEMS）。

推荐书目

王洪业. 传感器技术. 长沙：湖南科学技术出版社，1985.

袁希光. 传感器技术手册. 北京：国防工业出版社，1986.

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第4册，中国大百科全书出版社，2009年

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