1.1 认识传感器的组成与分类

1.1.1 传感技术的重要性

当代社会被称为信息社会，信息技术成为当代工业技术中的一个重要组成部分。信息技术包含了以下部分：

信息采集——依赖各类传感器代替人的触觉、嗅觉、味觉、视觉、听觉(电五官)。

信息传输——神经网络、通信技术等。

信息控制——利用各类计算机、微处理器等。

传感器及检测技术是信息技术的关键与首要环节。

如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么，对信号的传输、转换、处理、记录、显示都失去了意义。传感器质量的优劣，检测技术的先进与否，直接决定了测试和自控过程的成败。然而信息技术的这两个关键问题，长期以来并未协调发展，从而形成了“头脑发达、四肢简单”的状态。

造成信息技术这种状态的内在原因是：计算机输入、输出都是电信号，从其发明到现在短短几十年，经历了电子管→晶体管(分立元件)→集成电路的发展阶段，尤其近三四十年大规模、超大规模集成电路的发明使计算机技术有了突飞猛进的发展，其体积越来越小、速度越来越快、功能越来越多、应用越来越广。

传感器的问题就不那么简单了，它与计算机最大区别在于：①传感器直接与五花八门的被测对象打交道，工作环境差，更兼压力、湿度、粉尘、辐射、振动等影响；②传感器的输入、输出往往是不同种类的信息，造成其工作机理、材料和结构上千差万别。虽然传感器的历史很长，但与计算机技术相比，明显处于落后的地位，成为许多检测与控制系统的难点或者说是薄弱环节，在信息技术的发展中已经拖了后腿。

随着科学技术发展的需要，人们越来越认识到传感器的重要地位，国内外高新技术各行业都十分重视研制开发与生产各种用途的传感器。20世纪80年代，日本就将传感器列为近来应大力发展的五项(后为十项)重要技术之首，美国、西欧及俄罗斯等国都以巨额投资进行传感器的技术开发。美国近年来进行火星研究的“勇气号”、“机遇号”、“凤凰号”等探测器，就使用了大量的传感器。传感技术在我国也被列为重点科技发展项目，我国先后成立了许多科研机构与学术团体，在许多学校设立了相关专业，近年来连续召开了许多全国及国际性的学术会议及展览会。

随着社会文明的进步，传感器的使用将无处不在，传感技术已逐步发展成为一个独立的学科，在未来的国民经济发展中将发挥越来越重要的作用。

特别提示

(1) 传感技术属交叉学科，涉及知识面广，原理与过去学过的数学、物理(物理现象、定律、效应)、电路理论(测量电路)都有联系，要综合运用各方面的理论知识，复习巩固已学电路、电子技术等方面的知识，多看一些相关参考书及相关的技术期刊杂志。

(2) 传感技术实践性强，针对工程实际问题，解决检测手段与方法，要注意通过检测技术实验巩固理论知识，训练实验研究能力与动手能力。许多传感器的静态特性与动态特性实际上都是通过实测来校准获取的。所以平时要多留心观察各种传感器，了解传感器的作用、原理、结构。

1.1.2 传感器的定义

传感器是一种传递感觉的器件或装置，如：冰箱中的温度传感器、监视煤气溢出浓度(一氧化碳)的气敏传感器、防止火灾的烟雾传感器、测试物体质量的电子秤等。

传感器能感受规定的被测量(输入信号)，并按照一定的规律转换成可用输出信号(以电量为主)，以满足信息的传输、处理、存储、记录、显示和控制等要求。国际电工委员会(International Electrotechnical Committee, IEC)对传感器的定义为：“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。”我国的国家标准(GB 7665—1987)对传感器的定义为：“传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律和精度转换成可用输出信号的器件或装置。”

以上定义说明，传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。广义地说，传感器是一种能把物理量或化学量等转变成便于利用的电信号的器件。它是传感检测系统的一个组成部分，是被测量信号输入的第一道关口。

传感器由于应用场合(领域)的不同，称呼也有所不同。如在过程控制中传感器被称为变送器，在射线检测中传感器被称为发送器、接收器、探头。在有些场合它又被称为换能器、检测器、一次仪表、探测器一次仪表等。

传感器的输入信号有如下几种。

(1) 物理量：力、温度、湿度、压力、流量、位移、速度、加速度、物位、振动等。

(2) 化学量：各种气体、pH值等。

(3) 状态量：颜色、表面光洁度、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、表面质量等。

(4) 生物量：血压、颅压、体温等。

(5) 社会量：人口流动情况等。

特别提示

传感器的输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等。输出信号的形式由传感器的原理确定，但它们主要是电量。输出信号基本是电量的原因是电量最便于传输、转换、处理及显示。输出信号与输入信号之间有对应关系，且应有一定的精确程度。

1.1.3 传感器的组成

传感器的组成框图如图1.2所示。

敏感元件：直接感受被测量，输出信号量。

转换元件：一般不感受被测量，将敏感元件的输出变为电量输出，有时也直接感受被测量，如热电耦传感器。

转换电路：将传感元件输出的电量转变为便于显示、记录、处理、控制的有用电信号，也叫信号调节与转换电路。有电桥、放大器、振荡器、电荷放大器等(因传感器种类而异)。由于空间的限制或者其他原因，转换电路常装入后续设备中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。

辅助电源：为传感器各元件和电路提供工作能源。有的传感器需要外加电源才能工作，例如应变片组成的电桥、差动变压器等；有的传感器则不需要外加电源便能工作，例如压电晶体等。

进入传感器的被测量信号幅度是很小的，而且混杂了干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整理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。

但是，不是所有传感器都能明显分清敏感元件与转换元件两个部分，而是两者合为一体。例如半导体气体、湿度传感器等，它们一般都是将感受的被测量直接转换为电信号，没有中间转换环节。实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数传感器是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块 m是敏感元件，压电片(块)是转换元件。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。

传感检测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。传感器有两类：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。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性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而其状态可以是静态的，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。

1.1.4 人与机器的机能对应关系

人们常将传感器的功能与人类五大感觉器官相比拟，如：

光敏传感器——自然人的视觉；

声敏传感器——自然人的听觉；

气敏传感器——自然人的嗅觉；

化学传感器——自然人的味觉；

压敏、温敏、流体传感器——自然人的触觉。

自然人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。在机器系统中，传感器相当于人的感官，常被称为“电五官”，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。人与机器的机能对应关系如图1.3所示。

与现在的传感器相比，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线或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。

1.1.5 传感器的分类

传感器的种类繁多，可以根据它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)、用途、输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等进行分类。

1．按传感器的输入/输出量分类

1) 按输入量分类

常用的有机、光、电和化学等传感器。例如：位移、速度、加速度、力、温度和流量传感器等。

2) 按输出量分类

常用的有参数式：电阻、电感、电容、频率和离子传感器；发电式：压电式、霍尔式、光电和热电式传感器等。

2．按传感器的工作原理分类

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器两大类。

1) 物理传感器

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。物理传感器按物理效应可分为两类。

(1) 结构型(构造型)传感器。依赖结构参数变化，实现信息转换，如应变式、电压式、电容式、磁电式传感器。

结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律、电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础的。其特点是：原理明确、不受环境影响、易研制、构造复杂、价格高、可靠性高。

(2) 物性型(材料型)传感器。依赖敏感元件物理特性变化，实现信息转换，如：光电、霍尔、压电式传感器。利用功能材料的压电、压阻、热敏、湿敏、光敏、磁敏、气敏等效应可把压力、温度、湿度、光量、磁场、气体成分等物理量转换成电量。

物性型传感器是利用物质定律构成的，如胡克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。例如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。其特点是：简单、小巧、价廉，但工艺要求高，稳定性差，在一些要求高、可靠、稳定的场合及恶劣环境下不能普遍应用，目前正在这方面加速研制、发现、改进，有广泛的发展前途。

2) 化学传感器

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。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良好的前景。

按被测物理量对传感器进行分类，有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器及转矩传感器等。其优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用；缺点是没有区分每种传感器在转换机理上的共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。

按工作原理对传感器进行分类，即将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据，有电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷型传感器、半导体型传感器、谐振式传感器、电化学式传感器等。其优点是对传感器的工作原理表达比较清楚，而且类别少，有利于对传感器进行深入研究分析；缺点是不便于使用者根据用途选用。

特别提示

大多数传感器是以物理原理为基础运作的。但有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式，如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。

3．按传感器的能量关系分类

按传感器的能量关系情况分类，有能量控制型传感器和能量转换型传感器。

1) 能量控制型传感器

在信息变化过程中，能量控制型传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。

2) 能量转换型传感器

能量转换型传感器又称有源型传感器或发生器型传感器，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。

4．按传感器输出信号的性质分类

常用的有模拟传感器、数字传感器和开关传感器。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)。开关传感器在一个被测量的信号到达某个特定的阈值时，相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

5．按传感器的用途分类

按用途分类，传感器可分为压敏和力敏传感器、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、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。

6．按传感器的材料分类

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。传感器是利用材料的固有特性或开发的二次功能特性，再经过精细加工而成的。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类，有金属、聚合物、陶瓷、混合物传感器等。

(2) 按材料的物理性质分类，有导体、绝缘体、半导体、磁性材料传感器等。

(3) 按材料的晶体结构分类，有单晶、多晶、非晶材料传感器等。

7．按传感器的制造工艺分类

按制造工艺分类，传感器可分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器等。

集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺制造的。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，涂覆在基片上制成的，基片通常由陶瓷制成，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，将已成形的元件在高温中进行烧结。

厚膜和陶瓷传感器这两种工艺之间有许多共性，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已的优点和不足。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。

1.1.6 传感器的命名代号

传感器的命名代号由四部分构成。

第一部分：主称(传感器)，用传感器汉语拼音的第一个大写字母C标记。

第二部分：被测量代号——被测量的物理、化学、生物学原理规定的符号，用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则取汉语拼音的第二个大写字母作代号，以此类推。当被测量为离子、粒子或气体时，可用其元素符号、粒子符号或分子式加括号表示。

第三部分：转换原理代号——被测量转换机理的规定符号，用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则用其汉语拼音的第二个大写字母代替，以此类推。

第四部分：序号，用阿拉伯数字代替。序号可表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。

四部分代号表述格式如下：

例如：应变式位移传感器。

图1.4(a)、(b)所示为KGW—10型温度传感器和ZEP—S型声控传感器，从中可以看到其命名代号。