传感器技术绪论

第1篇传感器技术绪论

1.传感器引言

当我们看见“传感器技术”的时候，大多数同学都不陌生。传感器已经渗透到了我们生活的各个层面。看看下表，就知道了。请同学们自己补充2-3项举例。

表1-1 我们身边的传感器技术应用

看来传感器技术确实是喜欢电子的人必不可少的一项技术。那么，什么是传感器呢？就做电子技术的人来说，狭义上传感器是将被测量转换为电信号的一种器件或装置。但是，我们看见上表中出现了体温计和血压计，很多同学认为它们并不是电信号输出。

实际上，国家标准GB7665-87对传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。这里所说的“可用输出信号”是指便于加工处理、便于传输利用的信号。现在电信号是最易于处理和便于传输的信号。所以，我们可以暂时以电信号输出作为我们课程的学习对象的。传感器也可以定义为是一种检测装置，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。

1.1人类进步发展与传感器

在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。在l8世纪产业革命以前，传感技术由人的感官实现：人观天象而仕农耕，察火色以冶铜铁。从18世纪产业革命以来，特别是在20世纪信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官，即工程传感器来实现。

传感器的发展是推动人类进步的巨大力量。传感器系统代替了人类实现了大量的自动化检测与控制，是把人从繁重的体力劳动中解放出来的关键器件。那么，把它与人的感觉相比较可以帮助我们学习传感器更多知识。

1.2人的感官与传感器技术

人类最早感受周围环境的变化是通过人体感知的，我们的耳可以听见声音、鼻可以闻到味道、眼可以看见周围环境、舌可以品尝各种味道、皮肤可以感受冷暖。有人说传感器就是电五官，这是说如果将计算机比作人的大脑的话，那么传感器的地位和功能就相当于我们的身体。我们的五官感受到外界的变化传送给大脑，大脑可以支配身体作出不同的反应动作。传感器检测到外部物理量的变化可以直接驱动执行器实施相应的控制，也可以发送给计算机实施控制。那么，我们完全可以将人的感官与传感器统一起来认识。

现代技术的发展，创造了多种多样的工程传感器．在许多方面它的性能甚至凌驾于人的

感官之上。首先，工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知的量，如紫外线、红外线、超声波、磁场等。从这个意义上讲，工程传感器具有人类所梦寐以求的特异功能；其次，有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测，但工程传感器测量得更快、更精确。例如虽然人眼和光传感器都能检测可见光，进行物体识别与测距，但是人跟的视觉残留约为0.1s，而光晶体管的响应时间可短到纳秒以下；人眼的角分辨率为l°，而光栅测距的精确度可达1〞激光定位的精度在月球距离(38×10 km)范围内可达10cm以下。最后，工程传感器可以把人所不能看到的物体通过数据处理变为视觉图像。CT技术就是一个例子，它把人体的内部形貌用断层图像显示出来，其他的例子还有遥感技术。

但是人的感官在许多方面优于工程传感器系统，当前来看主要体现在以下几个方面：

1、人对所接触的多变量感知后所做综合决策与实施能力是超过传感器系统的；

2、传感器服务于人的生产劳动和生活质量，人结合自身情感所做出的判断和行为是传感器系统做不到的；

3、新型传感器的产生并应用始终滞后于人所感知外部世界的进程。尽管材料、基础学科、智能系统的研究能帮助我们探索外部世界的未知规律，但是符合传感器定义的产品研制总滞后于人对自然规律的认知。

1.3传感器的发展与未来

传感器是信息系统的源头。在客观对象的测量、测试、检测、监测、分析、定位、跟踪、导航、制导、控制及健康管理等系统中，传感器是不可缺少的且在一定程度上是决定系统性能的重要部件。因此，无论是材料、元器件和部件，还是系统研发者对传感器进展高度关注。传感器是科学和工程结合产物，既依赖于科学的新现象和新规律，又依赖于新技术和工艺。随着人类对材料的新认识、基础研究进展、智能系统的突破，传感器正在日新月异的发展。诸如：光纤传感器、光纤传感器、集成传感器、MEMS传感器；、模糊传感器、智能传感器、多功能传感器、模型传感器、网络传感器、生物传感器。

⒈光纤传感器

光纤传感器是利用光纤元件的传感器。与传统传感器相比，光纤传感器具有敏感度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，便于与计算机和被测实物连接，结构简单、体积小、重量轻、耗电少、适合于有毒有害、防火防爆环境及远程分布场合应用等优点。光纤传感器可探测的物理量很多，已应用的光纤传感器可测量近百种物理量。例如，压力、水声、应变、表面粗糙度、振动、位移、加速度、温度、流量、电磁场强度、大电压、大电流、辐射强度、体温、体压、血流、血液成分、血气成分、大气成分等。

⒉集成传感器

集成传感器是利用集成电路工艺(镀膜、掩膜、腐蚀等)将半导体敏感元件及测量处理电路集成在一个芯片上的传感器。集成传感器具有体积小、重量轻、高精度、高频响，且可做到高可靠、长寿命、低功耗、低成本，是一代新型传感器。目前，已广泛用于石油、化工、机械动力、气象、地质、生物医学及航空、航天、航海等领域。

⒊MEMS传感器

MEMS传感器是利用集成电路技术工艺和微机械加工方法将基于各种物理效应的机电敏感元器件和处理电路集成在一个芯片上的传感器。MEMS是微电子机械系统的缩写，一般简称微机电。MEMS传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高、易批产、成本低、可测量各种物理量、化学量和生物量等优势，在航天、航空、航海、兵器、机械、化工等领域，尤其是汽车工业获得较广泛应用，且国外已形成MEMS产业。目前已有MEMS压力传感器、加速度计、陀螺、静电电机、磁力矩器、电池、多路转换开关和矩阵开关等。

⒋模糊传感器