传感器原理_传感器的定义和分类

传感器原理_传感器的定义和分类
传感器的分类方法很多．主要有如下几种：
（1）按被测量分类，可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速与流量、液面、热学量、化学量、生物量传感器等。这种分类有利于选择传感器、应用传感器
（2）按照工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式，光电式，光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。这种分类有利于研究、设计传感器，有利于对传感器的工作原理进行阐述。
（3）按敏感材料不同分为半导体传感器、陶瓷传感器、石英传感器、光导纤推传感器、金属传感器、有机材料传感器、高分子材料传感器等。这种分类法可分出很多种类。
（4）按照传感器输出量的性质分为摸拟传感器、数字传感器。其中数字传感器便干与计算机联用，且坑干扰性较强，例如脉冲盘式角度数字传感器、光栅传感器等。传感器数字化是今后的发展趋势。
（5）按应用场合不同分为工业用，农用、军用、医用、科研用、环保用和家电用传感器等。若按具体便用场合，还可分为汽车用、船舰用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。
（6）根据使用目的的不同，又可分为计测用、监视用，位查用、诊断用，控制用和分析用传感器等。
    主要特点传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，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。
主要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、  传感器（图1）
流体传感器——触觉
敏感元件的分类：
物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
化学类，基于化学反应的原理。
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）。
1)光纤传感器
光纤传感器技术是随着光导纤维实用化和光通信技术的发展而形成的一门崭新的技术。光纤传感器与传统的各类传感器相比有许多特点，如灵敏度高.抗电磁干扰能力强，耐腐蚀，绝缘性好，结构简单，体积小.耗电少，光路有可挠曲性，以及便于实现遥测等.
光纤传感器一般分为两大类，一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器.称为功能型传感器;另一类是光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其他敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器。无论哪种传感器，其工作原理都是利用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测量。
光纤传感器可以测量多种物理量.目前已经实用的光纤传感器可测量的物理量达70多种，因此光纤传感器具有广阔的发展前景.
2)红外传感器
红外传感器是将辐射能转换为电能的一种传感器，又称为红外探测器.常见的红外探测器有两大类，热探测器和光子探m器.热探测器是利用人射红外辐射引起探测器的敏感元件的沮度变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外探测器吸收的红外辐射.热探测器的主要优点是响应波段宽，可以在室沮下工作，使用方便。但是，热探测器响应时间长，灵敏度较低，一般用于红外辐射变化缓慢的场合.如光谱仪、测温仪、红外摄像等。光子红外探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光子效应，使材料的电学性质发生变化，通过测最电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。光子探测器的主要优点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但一般需在低温下_L作，探测波段较窄，一般用于侧温仪、航空扫描仪、热像仪等。红外传感器广泛用于测温、成像、成分分析、无损检测等方面，特别是在军事上的应用更为广泛，如红外侦察、红外雷达、红外通信、红外对抗等。
3)气敏传感器
气敏传感器是指能将被侧气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置。气敏传感器的性能必须满足下列条件:
(1)能够检渊易爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度.并能及时给出报薯、显示与控制信号;
(2)对被侧气体以外的共存气体或物质不敏感;
(3)长期稳定性好、重复性好
(4)动态特性好、响应迅速;
(5)使用、维护方便，价格便宜等。
4)生物传感器
生物传感器是利用生物或生物物质做成的、用以检测与识别生物体内的化学成分的传感器。生物或生物物质是指酶、微生物、抗体等，被侧物质经扩散作用进人生物敏感膜，发生生物学反应(物理、化学反应)，通过变换器将其转换成可定量、可传输、处理的电信号.按照所用生物活性物质的不同，生物传感器包括酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、生物组织传感器等。酶传感器具有灵敏度高、选择性好等优点，目前已实用化的商品达200种以上，但由于酶的提炼工序复杂，因而造价高，性能也不太稳定。微生物传感器与酶传感器相比，价格便宜，性能稳定，它的缺点是响应时间较长(数分钟)，选择性差，目前微生物传感器已成功应用于环境监测和医学中，如测定水污染程度、诊断尿毒症和搪尿病等。免疫传感器的基本原理是免疫反应，目前已研制成功的免疫传感器达儿十种以上。生物组织传感器制作简便，工作寿命长，在许多情况下可取代酶传感器，但在实用化中还存在选择性差、动植物材料不易保存等问题。目前生物传感器的开发与应用正向着多功能化、集成化的方向发展。半导体生物传感器是将半导体技术与生物技术相结合的产物，为生物传感器的多功能化、小型化、微型化提供了重要的途径。
5)机器人传感器
机器人传感器是一种能将机器人目标物特性(或参量)变换为电量输出的装置，机器人通过传感器实现类似于人类的知觉作用。机器人传感器分为内部检测
传感器和外界检测传感器两大类。内部检测传感器是在机器人中用来感知它自己的状态，以调整和控制机器人自身行动的传感器。它通常由位置、加速度、速度及JR力传感器组成。外界检测传感器是机器人用以感受周围环境、目标物的状态特征信息的传感器.从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。外界枪侧传感器通常包括触觉、接近觉、视觉、听觉、嗅觉、味觉等传感器。机器人传感器是机器人研究中必不可缺的重要课题，需要有更多的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器来推动机器人的发展。
6)智能传感器
智能传感器是一种带有微处理机的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。本书第9章将对这种传感器进行详细阐述。
3.数字传感器
数字式传感器是指能把被测(模拟)量直接转换成数字徽输出的传感器。数字式传感器是检测技术、微电子技术和计算机技术相结合的产物，是传感器技术发展的另一个重要方向。
数字式传感器可分为三类:一是直接以数宇量形式输出的传感器，如绝对编码器可以将位移鳍直接转换成数字量。二是以脉冲形式愉出的传感器.如增量编码器、光栅、磁栅和感应同步器可以将位移量转换成一系列计数脉冲，再由计数系统
所计的脉冲个数来反映被侧量的值;三是以频率形式输出的传感器，能把被测量换成与之相对应的、且便于处理的频率输出，因此也叫做频率式传感器.数字式传感器在机床数控、自动化和计量、检测技术中得到日益广泛的应用。
传感器的原理与分类
一、传感器的定义
　　国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量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，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器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。
二、传感器的分类
　　目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：
　　1、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。
　　2、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。
　　3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量(“1”和"0”或“开”和“关”)的开关型传感器;输出为模拟型传感器;输出为脉冲或代码的数字型传感器。
　　关于传感器的分类：
　　1.按被测物理量分：如：力，压力，位移，温度，角度传感器等;
　　2.按照传感器的工作原理分：如：应变式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等;
　　3.按照传感器转换能量的方式分：
　　(1)能量转换型：如：压电式、热电偶、光电式传感器等;
　　(2)能量控制型：如：电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等。
　　4.按照传感器工作机理分：
　　(1)结构型：如：电感式、电容式传感器等;
　　(2)物性型：如：压电式、光电式、各种半导体式传感器等。
　　5.按照传感器输出信号的形式分：
　　(1)模拟式：传感器输出为模拟电压量;
　　(2)数字式：传感器输出为数字量，如：编码器式传感器。
三、传感器的静态特性
　　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、分辨力和迟滞等。
四、传感器的动态特性
　　所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
五、传感器的线性度
　　通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
六、传感器的灵敏度
　　灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。
七、传感器的分辨力
　　分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。
　　通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。
八、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。
九、电阻应变式传感器
　　传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高(通常是丝式、箔式的几十倍)、横向效应小等优点。
十、压阻式传感器
　　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。
十一、热电阻传感器
　　热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。
十二、传感器的迟滞特性
　　迟滞特性表征传感器在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。
传感器的定义和分类
一、传感器的定义
信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC: International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel 等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。传感器系统的原则框图示于图1-1，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。德国和俄罗斯学者认为传感器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，传感器还包含了信号成形器的电路部分。传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源有源(a)和(b)传感器的信号流程无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被
测量对象，也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。
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
与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味
的气体等。
对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需
要的基本要求是：
高灵敏度抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)线性容易调节(校准简易)
高精度高可靠性无迟滞性工作寿命长(耐用性)
可重复性抗老化高响应速率抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力
选择性安全性(传感器应是无污染的)互换性低成本宽测量范围小尺寸、重量轻和高强度宽工作温度范围传感器的定义和分类
二、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表1.1。
按照其用途，传感器可分类为：
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，热敏传感器， 加速度传感器，射线辐射传感器，振动传感器，敏传感器，磁敏传感器，敏传感器，真空度传感器，物传感器等。
以其输出信号为标准可将传感器分为：
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。
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。
按照其制造工艺，可以将传感器区分为：
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。
传感器技术特点
     中国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。传感器技术历经了多年的发展，其技术的发展大体可分三代：
第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。
第二代是上70年代发展起来的固体型传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成。如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器。
第三代传感器是以后刚刚发展起来的智能型传感器，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。