第二节
传感器发展的四个阶段

一、远古时代开启人类传感工具的雏形

第一阶段为人类出现至公元200年前后传感器的发展历程。

在这个阶段，传感器雏形是伴随人类开始使用简单的生产工具而产生的初级“度量衡器具”。具体体现在如下具有代表性的测量工具上：

（一）指南车

指南车被公认为是史料记载最早的传感器。指南车（见图2-1）又称司南车，相传于公元前2700年中国的轩辕黄帝发明了指南车，轩辕黄帝用指南车在大雾中辨别方向，打败了蚩尤。这是人类历史上最早辨别方向的传感器的应用。

（二）度量衡器具的产生

1.陶质量具

在甘肃大地湾出土的，距今5000年前的仰韶文化晚期房F901（考古编号）中的一组陶质量具，是迄今为止我国乃至全世界发现最早的量器。主要有泥质槽状条形盘、夹细砂长柄麻花耳铲形抄、泥质单环耳箕形抄、泥质带盖四把深腹罐等。

其中，条形盘的容积约为264.3 cm ³ ；铲形抄的容积约为2650.7 cm ³ ；箕形抄的容积约为5288.4 cm ³ ；深腹罐的容积约为26082.1 cm ³ 。由此可以看出，除箕形抄是铲形抄的2倍外，其余三件的关系都是以10倍数递增。为了与古代量具名称相贴切，将其相应容量的名称上冠以升、斗、斛之称谓，即可称为条升、抄斗、四把斛等。同时，这些度量衡器具的发现也为研究我国古代度量衡史以及十进制的起源等，提供了非常珍贵的实物资料。图2-2所示为中国古代度量衡器具。

2.骨尺

河南安阳出土的商代（公元前1600～1046年）骨尺是目前中国所见最早的长度测量工具。骨尺（见图2-3）长23.7 cm、宽1.6 cm、厚0.1 cm。以圆圈为尺星，刻度精细准确，是实用器具。长度合汉尺一尺 。

3.最早的天平

在长沙左家公山15号战国楚墓发掘出的战国时期的天平是中国最早的天平。天平用一根长27 cm的木杆，木杆正中的孔内穿一根丝线为提钮。距离木杆两端内侧0.7 cm处各有内穿丝线的穿孔，系两个直径4 cm的铜盘。铜质环形砝码共大小九个，重量近似于依次减半，最大的重125g，最小的重0.6g。此套天平砝码是目前保存较完整的战国时期楚国衡制的重要实物资料。图2-4所示为中国最原始的天平（衡器）。

（三）天文地理测量仪的发明

1.日晷仪

最早出现在西周的日晷仪（见图2-5），是古人观测日影并记录时间的仪器，根据日影的位置来指定当时的时辰或刻数，是我国古代较为普遍使用的计时仪器，即时间传感器。

2.地动仪

地动仪为最早的振动传感器，公元132年，东汉张衡发明的地动仪是世界上第一架观测地震的仪器，英国李约瑟将其称为“地震仪的鼻祖”。

地动仪（见图2-6）有东、南、西、北、东南、西南、东北、西北共八个方位，每个方位上均有含龙珠的龙头，在每个龙头的下方都有一只蟾蜍与其对应。任何一方如有地震发生，该方向龙口所含龙珠即落入蟾蜍口中，由此便可测出发生地震的方向。

二、机械化时代传感工具的产生

第二阶段为1500～1870年前后传感器的发展历程。

空气温度计——世界上最早的温度传感器，是这个时期代表性的传感器。并且起到带动传感器兴起的“领头羊”的作用。

意大利科学家伽利略在1593年发明制造了第一个验温器——空气温度计，他试图把不确定的冷热感觉转变为对物体热状的客观表述。这是一个连接在玻璃球容器上的开口管子，将玻璃球预热或装入一部分水后倒放进水里，水在管子里上升的高度随玻璃球中气体的冷热程度引起的胀缩情况而变化。这种仪器因受到气压波动的影响，测量不是很准确，而且使用起来也不方便，但它是温度量度的起源传感器。随之发明的机械式检测工具和机械式传感器大量涌现。图2-7所示为空气温度计装置示意图。

三、电气化时代传感器的蓬勃发展

第三阶段为1870年前后～2009年期间传感器的发展历程。

18世纪60年代，人类开始了工业革命，并创造了巨大的生产力，随着蒸汽机的发明和应用，人类进入“蒸汽时代”。100多年后，人类社会生产力发展又有一次重大飞跃，人们把这次变革叫作“第二次工业革命”，人类由此进入“电气时代”。

一方面，汽车的问世是第二次工业革命应用技术上的重大成就，引起了交通运输领域的革命性变革，随后，以内燃机为动力的内燃机车、远洋轮船、飞机等也不断涌现出来；另一方面，内燃机的发明推动了石油开采业和石油化学工业的产生和发展。随着大量先进交通工具和电器的使用，传感器成为不可或缺的关键性配套器件，而且在这些交通工具和电器的制造和生产过程中，传感器的需求种类和数量急剧增加，大大促进了先进传感器技术的发展。

（一）铂电阻温度计

1876年，德国的西门子制造出第一支铂电阻温度计（见图2-8），是最早输出电信号的传感器。从此传感器真正进入与电子电路接轨的时代。

（二）结构型传感器

结构型传感器是这一阶段传感器的代表，是促使传感器成为工业批量生产的第一代传感器，其通过测量元件结构参数的改变来实现对信号的感知和转换，如电阻应变传感器等。

结构型传感器是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用某些物理规律来感受（敏感）被测量，并将其转换为电信号实现测量的。例如，电容式压力传感器（见图2-9），其中含有按规定参数设计并制造的电容式敏感元件，当被测压力作用在电容式敏感元件的动极板上时，会引起电容间隙的变化并导致电容值的变化，从而实现对压力的测量。这类传感器的特点在于，传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置的变化引起电场或磁场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起金属、半导体、陶瓷、合金等特性变化的传感器，都属于结构型传感器。

（三）物性型传感器

物性型传感器是基于转换元件的物理特性发生变化而实现电信号转换的传感器，例如，压阻式传感器利用压阻效应使压阻系数改变；光电式传感器（见图2-10）利用光电效应使光子轰击引起物体电阻率改变；压电式传感器利用压电效应将物理量转换成电信号；热电式传感器利用热电效应来测量温度变化等。

（四）固体传感器

这种传感器一般由半导体、电介质、磁性材料等固体元件组成，是利用材料的某些特性制成的，是工业批量化生产的第2代传感器。

例如，将温度信号转换成电压信号的传感器AD590，当测量温度在-55～150℃内，输出电流与绝对温度成比例，输出电压在4～30 V电源电压范围内变化。而且输出为高阻抗，特别适合远程检测和检测后的信号传输应用；并可通过一个逻辑门输出切换，以实现多路复用。传感器AD590可测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度，广泛应用于不同的温度控制场合。

以某节能型药材仓库温湿度控制系统为例，若要求库房温度低于7℃，相对湿度低于 A ₁ %RH，则采取的两种控制模式如下：

控制模式一：当库房内相对湿度高于 A ₁ %RH且库房外温度低于7℃时，控制库房内外通风。这种方式是利用库房内外湿度差进行空气交换，以达到库房内除湿的要求，其优点是高效、节能、节省资金。

控制模式二：当温度高于7℃或湿度高于 A ₁ %RH但不满足第一种情况时，系统自动开启冷冻空调机组进行库房内降温除湿。

传感器AD590的实物图和接线端图如图2-11 a所示；在自动控制电路中的应用，如图2-11 b所示。

四、智能时代传感器日新月异的发展

第四阶段为2009年至今传感器的发展历程。

本世纪以来，传感器的重大变革在于，通过网络，把物质世界连接起来，并赋予物质世界一个电子的“神经系统”，使它具有能够感知信息的生命力，而能够担当这一重任的核心就是传感器。人们将传感器基础技术及其应用称为“Sen-sor Revolution”，即传感器革命。使之成为新兴发展的物联网的核心基础和突破口。所以，近年来，传感器应用快速发展。

世界上已经有35000多种传感器，这些传感器涵盖了不同的领域，并且与人们的生产、生活及科学实验息息相关，具有明显的网络化、智能化、规模化等特征。

（一）无线传感器网络爆发

传感器的无线化，例如，固定电话变为手机，使之无处不在。网络化使传感器融入物联网，自动道路、智能车间、智能工厂应运而生，人工智能对传感器从量的需求，到对功能、质量和精度的要求都大为提高，这大大促进了传感器的超常规发展。

（二）传感技术在机械加工中的应用

传感技术在机械加工中的应用，体现出极为关键的价值。把传感技术和自动化的生产环节密切关联在一起，带来更为安全有效的技术监测手段，强化了机械制造产品的精度和控制力度。

在机械加工中对传感技术的科学运用，实现对机械阻抗、振动部件的参数、部件动态特点的精准测量，从数量级上增强产品的整体质量。同时，在闭环控制系统中，能够在第一时间把不正常情况反馈给控制中心，大大降低不正常情况造成的负面影响。

（三）传感器在机器人领域的应用

在传感技术日趋成熟的前提下，传感器在现代机器人技术中得到了广泛运用，这在很大程度上扩展了机电一体化技术的运用范畴。机器人表现出智能化特征，因此对于传感器技术也有着更高的要求标准。

传感器在机器人中的具体应用一般有两个层面：

其一，实现对外部信息的有效收集与检验，保证机器人能够在第一时间给予反应，从而达到反应更加准确的效果。

其二，在机器人内部传感器技术的应用。能够确保机器人控制系统的实际目标可以被完整、准确地达成。并且能够针对机器人的运行状况，随时进行自我监管，在第一时间将有用的信息传递到外部传感器中，确保机器人对外、对内统一进行相应的活动作业。

（四）传感器在工业控制中的应用

在工业控制中，传感技术在生产流水线中发挥着较大的作用，具体体现在如下方面：

1）使用传感器对机械设备相关位置的振动情况进行检测，以便工作人员及时发现和解决相关问题，保证生产过程顺利进行。

2）对工业生产过程中超精细的加工环节，以及部件测量难度相对较大的场合，使用传感器测量技术可以有效提升测量的准确度，保证部件质量符合规定要求。

3）可以对机械系统中润滑油及液压系统的油量进行监控，可有效规避油量不足的情况。

（五）传感器在环境监测中的实际应用

环境监测是一项社会基础性事业，它涉及范围广，操作起来比较困难，传感技术在环境监测中的运用，能够有效降低成本消耗，省去了现场维护的环节，具有监测精度高与时效程度高的显著特征。往往运用在气象观测、洪灾预警和森林火灾监测等工作中，能够快速实现对险情的排除，实现事半功倍的效果。 EUh5vP6UrWtQUF/O/Qo+JL1IY35x8/qrcOrJs2AJB8TNVEMrwgPSdD4/2bCYt3h4