传感器及其发展趋势

0 概述 　　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。

1 传感器的定义与组成 　　我国国家标准（GB7665－87）中说，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：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②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；③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；④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，组成框图见图1。

图1传感器组成 敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。图2是一种气体压力传感器的示意图。膜盒2的下半部与壳体1固接，上半部通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力 相通，内部感受被测压力 当 变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。

图2是一种气体压力传感器的示意图 　　转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入抟换成电路参量。 　　在图2中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。 　　基本转换电路：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，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶就是这样。如图3所示，

图3热电偶 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，如图4所示的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。

图4压电式加速度传感器 　　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，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。 2 传感器的分类 　　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，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：①可靠性；②静态精度；③动态性能；④量程；⑤抗干扰能力；⑥通用性；⑦轮廓尺寸；⑧成本；⑨能耗；⑩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。所以传