物理研究性学习研究性学习报告

研究性学习报告

课题：探索，研究传感器

一，传感器的定义

英文名称：transducer / sensor

国家标准GB7665-87对传感器下的定义

是：“能感受规定的被测量件并按照一定的

规律转换成可用信号的器件或装置，通常由

敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种

检测装置，能感受到被测量的信息，并能将

检测感受到的信息，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。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

“传感器”在新韦式大词典中定义为：

“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。

根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器－Transducer”来称谓“传感器－Sensor”。

二．传感器的功能

常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：

光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉

气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉

压敏、温敏、流体传感器——触觉

敏感元件的分类：

①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

②化学类，基于化学反应的原理。

③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。

三．传感器的分类

可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：

传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。

1.传感器按照其用途分类

压力敏和力敏传感器位置传感器

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

24GHz雷达传感器

2.传感器按照其原理分类

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.传感器按照其输出信号为标准分类

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的输出(包括直接或间接转换)。

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.传感器按照其材料为标准分类

在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：

(1)按照其所用材料的类别分

金属聚合物陶瓷混合物

(2)按材料的物理性质分：导体绝缘体半导体磁性材料

(3)按材料的晶体结构分：

单晶多晶非晶材料

与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：

(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。

(2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。

(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。

现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。

5.传感器按照其制造工艺分类

集成传感器薄膜传感器厚膜传感器陶瓷传感器

集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。

完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。

每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。

（空侣网暖通专家提供）

6.传感器根据测量目的不同分类

物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的。

化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的。

生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。

四．传感器的特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

（1）线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。

（2）灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。

（3）迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。

（4）重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

（5）漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。

五．传感器的种类

电阻式传感器

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。

称重传感器

引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