3.1 传感器技术

传感器处于观测对象和测控系统的接口位置，是感知、获取和监测信息的窗口，如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，有人形象地称传感器为“电五官”。

传感器技术是半导体技术、测量技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的、综合性和高新技术密集型的前沿研究领域之一，是现代新技术革命和信息社会的重要基础。它与通信技术、计算机技术共同构成信息产业的三大支柱。

美国和日本等国家都将传感器技术列为国家重点开发关键技术之一。美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器技术直接相关。美国空军2000年列举出15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术，传感器技术名列第二。日本对开发和利用传感器技术相当重视，并将其列为国家重点发展的核心技术之一。日本科学技术厅制定的20世纪90年代重点科研项目中有70个重点课题，其中有18项与传感器技术密切相关。

由于世界各国普遍重视和加大开发投入，传感器技术发展十分迅速，近十几年来其产量及市场需求年增长率均在10%以上。

1.传感器的定义、组成和分类

传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。从广义上讲，传感器是获取和转换信息的装置。在某些领域中又称为敏感元件、检测器、转换器等。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，而转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号的部分。一般这些输出信号都很微弱，因此需要有信号调理与转换电路将其放大、调制等。目前随着半导体技术的发展，传感器的信号调理与转换电路可以和敏感元件集成在同一芯片上。一般传感器组成框图如图3-1所示。

传感器种类繁多，可按不同的标准分类。按外界输入信号转换为电信号时采用的效应分类，可分为物理、化学和生物传感器；按输入量分类，可分为温度、湿度、压力、位移、速度、加速度、角速度、力、浓度、气体成分传感器等；按工作原理分类，可分为电容式、电阻式、电感式、压电式、热电式、光敏、光电传感器等。表3-1给出了传感器常见的分类方法。

2.传感器性能指标

传感器在稳态信号作用下，其输入/输出关系称为静态特性。衡量传感器静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率和漂移。

（1）线性度

传感器的线性度就是其输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称为非线性误差。线性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。

实际使用中，几乎每一种传感器都存在非线性。因此，在使用传感器时，必须对传感器输出特性进行线性处理。

（2）灵敏度

传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量与输入增量的比值。

（3）重复性

重复性表示传感器在按同一方向作全量程多次测试时，所得特性不一致性的程度。多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差也越小。

传感器输出特性的不重复性主要由传感器机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘以及辅助电路老化和漂移等原因产生。

（4）迟滞

迟滞特性表明传感器在正向（输入量增大）行程和反向（输入量减小）行程期间，输出输入特性曲线不重合的程度。

（5）分辨率

传感器的分辨率是在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量。

（6）漂移

传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移。

3.物理传感器

物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某些物理效应，将被测的物理量转化成为便于处理的能量信号的装置。下面以电阻应变式传感器、压电式传感器、光纤传感器作为物理传感器的代表进行介绍。

（1）电阻应变式传感器

电阻应变式传感器以应变效应为基础，利用电阻应变片将应变转换为电阻变化。传感器由黏贴在弹性元件上的电阻应变敏感元件组成，当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量变化的大小。

电阻应变片作为应力检测手段已有50多年的历史，应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种，其最大特点是使用简便、测量精度高、体积小和动态响应好，在测量各种物理量（如压力、转矩、位移和加速度等）的传感器中被广泛采用。缺点是电阻值会随温度变化而变化，易产生误差。随着技术发展，人们发明了很多温度补偿方法，使电阻应变式传感器的准确度有了极大提高，得到了广泛应用。

（2）压电式传感器

压电式传感器以某些物质所具有的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，可测量最终能转换为力的那些物理量，例如，力、压力、加速度等。压电效应分为正压电效应和逆压电效应两种。

正压电效应也可以叫作顺压电效应。某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复为不带电状态。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。

逆压电效应也可以叫作电致伸缩效应。当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。

压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，压电式传感器在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。

（3）光纤传感器

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维（Optical Fiber）的新型传感器。光纤传感器以光作为敏感信息的载体，将光纤作为传递敏感信息的媒介，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器的主要优点包括电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、非侵入性、高灵敏度和容易实现对被测信号的远距离监控等。

光纤传感器的分类方法很多，以光纤在测试系统中的作用，可以分为功能性光纤传感器和非功能性光纤传感器。功能性光纤传感器以光纤自身作为敏感元件，光纤本身的某些光学特性被外界物理量所调制来实现测量；非功能性光纤传感器是借助于其他光学敏感元件来完成传感功能，光纤在系统中只作为信号功率传输的媒介。

根据光受被测量的调制形式，光纤传感器可以分为强度调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器、频率调制光纤传感器和相位调制光纤传感器。

4.化学传感器

化学传感器必须具有对被测化学物质的形状或分子结构进行俘获的功能，同时能够将被俘获的化学量有效地转换为电信号。下面以气体传感器和湿度传感器作为化学传感器的代表进行介绍。

（1）气体传感器

气体传感器是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。气体传感器必须满足下列条件：

● 能够检测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；

● 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；

● 性能稳定性好；

● 响应迅速，重复性好。

气体传感器从结构上可以分为两大类，即干式和湿式气体传感器。凡构成气体传感器的材料为固体者均称为干式气体传感器；凡利用水溶液或电解液感知被测气体的称为湿式气体传感器。气体传感器通常在大气环境中使用，而且被测气体分子一般要附着于气体传感器的功能材料表面且与之发生化学反应。正是由于这个原因，气体传感器可以归属于化学传感器。

气体传感器主要包括半导体传感器、红外吸收式气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器、热导率变化式气体传感器和湿式气敏传感器等。

（2）湿度传感器

湿度传感器是指能将湿度转换成为与其成一定比例关系的电量输出的装置。湿度传感器包括电解质系、半导体及陶瓷系、有机物及高分子聚合物系3大系列。

电解质系湿度传感器，包括无机电解质和高分子电解质湿敏元件两大类。感湿原理为不挥发性盐溶解于水，结果降低了水的蒸气压，同时盐的浓度降低导致电阻率增加。通过对电解质溶解液电阻的测试，即可知道环境的湿度。

半导体及陶瓷湿度传感器按照制作工艺，可以分为涂覆膜型、烧结体型、厚膜型、薄膜型及MOS型等。

有机物及高分子聚合物湿度传感器的原理在于有机纤维素具有吸湿溶胀、脱湿收缩的特性。利用这种特性，将导电的微粒或离子参入其中作为导电材料，就可将其体积随环境湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化。其典型代表有碳湿敏元件和结露敏感元件。

5.生物传感器

生物传感器通常将生物物质固定在高分子膜等固体载体上，被识别的生物分子作用于生物功能性人工膜时，会产生变化的电信号、热信号、光信号。生物传感器中固定化的生物物质包括酶、抗原、激素以及细胞等。按不同的生物物质，生物传感器可以分成三种：酶传感器、微生物传感器、免疫传感器。

酶传感器主要由固定化的酶膜与电化学电极系统复合而成。酶的催化具有高度的专一性，即一种酶只能作用于一种或一类物质，产生一定的产物。酶传感器既有酶的分子识别功能和选择催化功能，又具有电化学电极响应快、操作简便的优点。

微生物传感器是以活的微生物作为分子识别元件的传感器。主要工作原理有利用微生物体内含有的酶识别分子；利用微生物对有机物的同化作用；利用微生物的厌氧性特点等。微生物传感器尤其适合于发酵过程的测定。

免疫传感器是由分子识别元件和电化学电极组合而成的。抗体或抗原具有识别和结合相应的抗原或抗体的特性。在均相免疫测定中，作为分子识别元件的抗原或抗体分子不需要固定在固相载体上；而在非均相免疫测定中，则需将抗体或抗原分子固定到一定的载体上，使之变成半固态或固态。

6.MEMS传感器

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技术建立在微米/纳米基础上，是对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。

MEMS传感器能够将信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，从而大幅度提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。它还使得制造商能将一件产品的所有功能集成到单个芯片上，从而降低成本，所以适用于大规模生产。

MEMS传感器首先在物理量测量中获得成功，其代表为微机械压力传感器。目前，以膜片为压力敏感元件的硅机械压力传感器已经占据了压力传感器市场的很大份额，它具有体积小、重量轻和可批量化生产的特点。MEMS技术进一步在加速度、角速度、温度等其他物理量测量上得到了迅速的推广。

MEMS加速度传感器主要应用于测量冲击和振动。例如，在笔记本电脑里内置加速度传感器，动态监测笔记本电脑的振动情况，在颠簸环境甚至坠落情况下最大限度地减小硬盘的损伤；在相机和摄像机中内置加速度传感器可以监测手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。

MEMS陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，是补充MEMS加速度传感器功能的理想技术。如果组合使用加速度计和陀螺仪这两种传感器，系统设计人员就可以跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的使用体验、精确的导航系统以及其他功能。