0 传感器的概念

当前，计算机应用技术、通讯技术和传感器可以说是电子信息技术的三大主要组成部分。其中计算机和通讯技术的发展相当迅速，而传感器的发展有些滞后，而实际上信息科学中的四大环节——信息捕获、提取、传输和处理中，信息捕获技术是信息科学最前端的一个“阵地”和手段，而信息捕获的主要工具就是传感器。因此，我国和全世界都视传感技术为现代信息技术的关键技术之一。目前已研制出许多新型的传感器，但在各个学科领域中特别是现代高新工程技术中对信息测量的准确度的要求越来越高，需要获取的信息量也越来越多，从而对传感器技术提出了更高的要求。 一、

传感器的定义和组成

1、定义

传感器是将各种非电量（包括物理、化学、生物量）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。

如果将计算机比喻为人的大脑，传感器就可以比喻为人的感觉器官。传感器与人的感官一一对应，能够把自然界的各种物理量和化学量等精确地变换为电信号，再经电子电路或计算机处理，从而对这些量进行监控。举例来说：光敏传感器相当于人的眼（视觉），频敏传感器相当于人耳（听觉），相当于人皮肤（触觉）的是力敏传感器和温敏传感器，相当于人鼻子（嗅觉）的是气敏传感器，相当于人舌头（味觉）的是味觉传感器等，除此之外还有很多其他的传感器。 2、组成

敏感元件：在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直

接变换为电量，往往是将非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量然后变换为电量，如：应变丝，应变片，电容等。

转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件，如：热电偶，压电晶体等。 测量元件：将转换元件输出的电量变为便于显示、记录、控制和处理的有用信号的电路。

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二、 传感器的作用和分类

传感器的作用

1、

（1） 信息的收集

科学研究中计量测试、产品制造与销售中所需要的计量等都要测量才能获得准确的定量数据。对某种特定的，需要检测目标物的存在状态，并把其状态信息转换为数据，对系统或装置的运行状态进行监测，发现异常时发出告警信号并启动保护电路，这样可以对系统或装置进行安全管理。

另外判断产品是否合格或人体各部位的异常诊断等都需由传感器完成。

（2） 信息数据的转换

把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信号数据转换成计算机、传感器能够处理的信号数据，或读出记录在各种媒介体上的信息并进行转换。例如：磁盘与光盘的信息读出磁头就是一种传感器。 （3） 控制信息的采集

对控制系统的某种状态的信息进行检测，并由此控制系统的状态或跟踪系统变化的目标值。

2、 传感器的分类 分类方法 传感器的种类 说明 位移传感器、速度传感器、 按输入量分类 传感器以被测物理量命名 温度传感器、压力传感器等 应变式、电容式、电感式、 按工作原理分类 传感器以工作原理命名 压电式、热电式等 传感器依赖其结构参数变化 结构型传感器 实现信息转换 按物理现象分类 传感器依赖其敏感元件物理 特性型传感器 特性的变化实现信息转化 传感器直接将被测量的能量 能量转换型传感器 转换为输出量的能量 按能量关系分类 由外部供给传感器能量，而 能量控制型传感器 由被测量来控制输出的能量 模拟式传感器 按输出信号分类 数字式传感器 输出为模拟量 输出为数字量 三、 传感器技术的发展动向

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传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各个学科领域。但是它们的共性是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性将非电量转换为电量。所以，如何采用新技术、新工艺、新材料以及新理论达到高质量的转换，是总的发展途径。当前传感器技术的主要发展动向有两个：

1、开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺 2、实现传感器的集成化与智能化

利用物理现象、化学反应和生物效应是各种传感器工作的基本原理，所以发现新现象与新效应是研究新型传感器的重要基础，日本夏普公司利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器，其灵敏度比霍尔器件高，仅次于超导量子干涉器件，是传感器技术的重大突破。由于材料科学的进步人们在制造传感器时可以任意控制传感器材料的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。另外，采用微细加工技术可以制造出各式各样的新型传感器，例如：利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器等。

随着集成技术的发展，传感器也正沿着集成化和智能化的方向发展，结构越来越小，功能越来越强大，例如：日本丰田研究所开发出同时检测Na+、K+和H+等多离子传感器。这种传感器的芯片尺寸为2.５×０.５mm2,仅用一滴血就可以快速检测出其中Na+、K+和H+的浓度。美国霍尼尔公司的ST—3000型智能传感器，其芯片尺寸为3×4×2mm3，采用半导体技术，在同一芯片上制作CPU·EPROM和静差、压差、温度等三种敏感元件。

值得注意的一个发展动向是仿生传感器的研究。仿生传感器就是模拟人的感觉器官的传感器，但是除了视觉和触觉传感器解决比较好之外其他的传感器远不能满足机器人的需要，也可以说，至今真正能代替人的感觉器官功能的传感器及少，需要加速研究。

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第一章

传感器的特性

传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入输出特性——输入量和输出量的对应关系是其基本特性，由于输入作用量的状态（静态、动态）的不同，同一个传感器所表现出来的输入输出特性也不一样，因此，有静态特性、动态特性之分。 一、静态特性

指当输入量为常量或变化极慢时传感器的输入输出特性。衡量传感器静态特性的主要指标有：线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。

1、线性度

在不考虑迟滞、蠕变等因素的情况下，传感器的静态特性可以用以下数学方程来描述：y?a0?a1x?a2x2???anxn

静态特性曲线可以有实际测试获得，但为了标定各种数据处理的方便，常将静态特性曲线线性化。线性化方法是在非线性误差不太大的情况下采用直线拟合的方法来线性化，输入输出的校正曲线与其拟合直线之间的最大偏差称为非线性误差，用?L来表示：?L??拟合方法： （1）理论拟合

?LmaxyFS?100%

理论拟合直线为传感器的理论特性，与实际值无关。这种方法十分简单，但一般说来?Lmax很大。

过零旋转拟合，常用于校正曲线过零的传感器。拟合时，使?L1??L2??Lmax。

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