3.1 傳感器技術(shù)

傳感器處于觀測對象和測控系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取和監(jiān)測信息的窗口，如果說計算機是人類大腦的擴展，那么傳感器就是人類五官的延伸，有人形象地稱傳感器為“電五官”。

傳感器技術(shù)是半導(dǎo)體技術(shù)、測量技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機械、仿生學(xué)和材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的、綜合性和高新技術(shù)密集型的前沿研究領(lǐng)域之一，是現(xiàn)代新技術(shù)革命和信息社會的重要基礎(chǔ)。它與通信技術(shù)、計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。

美國和日本等國家都將傳感器技術(shù)列為國家重點開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)之一。美國國家長期安全和經(jīng)濟繁榮至關(guān)重要的22項技術(shù)中有6項與傳感器技術(shù)直接相關(guān)。美國空軍2000年列舉出15項有助于提高21世紀空軍能力的關(guān)鍵技術(shù)，傳感器技術(shù)名列第二。日本對開發(fā)和利用傳感器技術(shù)相當(dāng)重視，并將其列為國家重點發(fā)展的核心技術(shù)之一。日本科學(xué)技術(shù)廳制定的20世紀90年代重點科研項目中有70個重點課題，其中有18項與傳感器技術(shù)密切相關(guān)。

由于世界各國普遍重視和加大開發(fā)投入，傳感器技術(shù)發(fā)展十分迅速，近十幾年來其產(chǎn)量及市場需求年增長率均在10%以上。

1.傳感器的定義、組成和分類

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。從廣義上講，傳感器是獲取和轉(zhuǎn)換信息的裝置。在某些領(lǐng)域中又稱為敏感元件、檢測器、轉(zhuǎn)換器等。

通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分，而轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適合于傳輸或測量的電信號的部分。一般這些輸出信號都很微弱，因此需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路將其放大、調(diào)制等。目前隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，傳感器的信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可以和敏感元件集成在同一芯片上。一般傳感器組成框圖如圖3-1所示。

傳感器種類繁多，可按不同的標準分類。按外界輸入信號轉(zhuǎn)換為電信號時采用的效應(yīng)分類，可分為物理、化學(xué)和生物傳感器；按輸入量分類，可分為溫度、濕度、壓力、位移、速度、加速度、角速度、力、濃度、氣體成分傳感器等；按工作原理分類，可分為電容式、電阻式、電感式、壓電式、熱電式、光敏、光電傳感器等。表3-1給出了傳感器常見的分類方法。

2.傳感器性能指標

傳感器在穩(wěn)態(tài)信號作用下，其輸入/輸出關(guān)系稱為靜態(tài)特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標是線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、分辨率和漂移。

（1）線性度

傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱為非線性誤差。線性度定義為在全量程范圍內(nèi)，實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。

實際使用中，幾乎每一種傳感器都存在非線性。因此，在使用傳感器時，必須對傳感器輸出特性進行線性處理。

（2）靈敏度

傳感器的靈敏度是其在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。

（3）重復(fù)性

重復(fù)性表示傳感器在按同一方向作全量程多次測試時，所得特性不一致性的程度。多次按相同輸入條件測試的輸出特性曲線越重合，其重復(fù)性越好，誤差也越小。

傳感器輸出特性的不重復(fù)性主要由傳感器機械部分的磨損、間隙、松動、部件的內(nèi)摩擦、積塵以及輔助電路老化和漂移等原因產(chǎn)生。

（4）遲滯

遲滯特性表明傳感器在正向（輸入量增大）行程和反向（輸入量減小）行程期間，輸出輸入特性曲線不重合的程度。

（5）分辨率

傳感器的分辨率是在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測輸入量的最小變化量。

（6）漂移

傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移包括時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的漂移。

3.物理傳感器

物理傳感器是檢測物理量的傳感器。它是利用某些物理效應(yīng)，將被測的物理量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量信號的裝置。下面以電阻應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器、光纖傳感器作為物理傳感器的代表進行介紹。

（1）電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器以應(yīng)變效應(yīng)為基礎(chǔ)，利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化。傳感器由黏貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變敏感元件組成，當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量變化的大小。

電阻應(yīng)變片作為應(yīng)力檢測手段已有50多年的歷史，應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種，其最大特點是使用簡便、測量精度高、體積小和動態(tài)響應(yīng)好，在測量各種物理量（如壓力、轉(zhuǎn)矩、位移和加速度等）的傳感器中被廣泛采用。缺點是電阻值會隨溫度變化而變化，易產(chǎn)生誤差。隨著技術(shù)發(fā)展，人們發(fā)明了很多溫度補償方法，使電阻應(yīng)變式傳感器的準確度有了極大提高，得到了廣泛應(yīng)用。

（2）壓電式傳感器

壓電式傳感器以某些物質(zhì)所具有的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電傳感元件是力敏感元件，可測量最終能轉(zhuǎn)換為力的那些物理量，例如，力、壓力、加速度等。壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩種。

正壓電效應(yīng)也可以叫作順壓電效應(yīng)。某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)為不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。

逆壓電效應(yīng)也可以叫作電致伸縮效應(yīng)。當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。

壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點。近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，壓電式傳感器在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

（3）光纖傳感器

光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維（Optical Fiber）的新型傳感器。光纖傳感器以光作為敏感信息的載體，將光纖作為傳遞敏感信息的媒介，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器的主要優(yōu)點包括電絕緣性能好、抗電磁干擾能力強、非侵入性、高靈敏度和容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控等。

光纖傳感器的分類方法很多，以光纖在測試系統(tǒng)中的作用，可以分為功能性光纖傳感器和非功能性光纖傳感器。功能性光纖傳感器以光纖自身作為敏感元件，光纖本身的某些光學(xué)特性被外界物理量所調(diào)制來實現(xiàn)測量；非功能性光纖傳感器是借助于其他光學(xué)敏感元件來完成傳感功能，光纖在系統(tǒng)中只作為信號功率傳輸?shù)拿浇椤?/p>

根據(jù)光受被測量的調(diào)制形式，光纖傳感器可以分為強度調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器和相位調(diào)制光纖傳感器。

4.化學(xué)傳感器

化學(xué)傳感器必須具有對被測化學(xué)物質(zhì)的形狀或分子結(jié)構(gòu)進行俘獲的功能，同時能夠?qū)⒈环@的化學(xué)量有效地轉(zhuǎn)換為電信號。下面以氣體傳感器和濕度傳感器作為化學(xué)傳感器的代表進行介紹。

（1）氣體傳感器

氣體傳感器是指能將被測氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件。氣體傳感器必須滿足下列條件：

● 能夠檢測爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準設(shè)定濃度；

● 對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感；

● 性能穩(wěn)定性好；

● 響應(yīng)迅速，重復(fù)性好。

氣體傳感器從結(jié)構(gòu)上可以分為兩大類，即干式和濕式氣體傳感器。凡構(gòu)成氣體傳感器的材料為固體者均稱為干式氣體傳感器；凡利用水溶液或電解液感知被測氣體的稱為濕式氣體傳感器。氣體傳感器通常在大氣環(huán)境中使用，而且被測氣體分子一般要附著于氣體傳感器的功能材料表面且與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。正是由于這個原因，氣體傳感器可以歸屬于化學(xué)傳感器。

氣體傳感器主要包括半導(dǎo)體傳感器、紅外吸收式氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器、熱導(dǎo)率變化式氣體傳感器和濕式氣敏傳感器等。

（2）濕度傳感器

濕度傳感器是指能將濕度轉(zhuǎn)換成為與其成一定比例關(guān)系的電量輸出的裝置。濕度傳感器包括電解質(zhì)系、半導(dǎo)體及陶瓷系、有機物及高分子聚合物系3大系列。

電解質(zhì)系濕度傳感器，包括無機電解質(zhì)和高分子電解質(zhì)濕敏元件兩大類。感濕原理為不揮發(fā)性鹽溶解于水，結(jié)果降低了水的蒸氣壓，同時鹽的濃度降低導(dǎo)致電阻率增加。通過對電解質(zhì)溶解液電阻的測試，即可知道環(huán)境的濕度。

半導(dǎo)體及陶瓷濕度傳感器按照制作工藝，可以分為涂覆膜型、燒結(jié)體型、厚膜型、薄膜型及MOS型等。

有機物及高分子聚合物濕度傳感器的原理在于有機纖維素具有吸濕溶脹、脫濕收縮的特性。利用這種特性，將導(dǎo)電的微粒或離子參入其中作為導(dǎo)電材料，就可將其體積隨環(huán)境濕度的變化轉(zhuǎn)換為感濕材料電阻的變化。其典型代表有碳濕敏元件和結(jié)露敏感元件。

5.生物傳感器

生物傳感器通常將生物物質(zhì)固定在高分子膜等固體載體上，被識別的生物分子作用于生物功能性人工膜時，會產(chǎn)生變化的電信號、熱信號、光信號。生物傳感器中固定化的生物物質(zhì)包括酶、抗原、激素以及細胞等。按不同的生物物質(zhì)，生物傳感器可以分成三種：酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器。

酶傳感器主要由固定化的酶膜與電化學(xué)電極系統(tǒng)復(fù)合而成。酶的催化具有高度的專一性，即一種酶只能作用于一種或一類物質(zhì)，產(chǎn)生一定的產(chǎn)物。酶傳感器既有酶的分子識別功能和選擇催化功能，又具有電化學(xué)電極響應(yīng)快、操作簡便的優(yōu)點。

微生物傳感器是以活的微生物作為分子識別元件的傳感器。主要工作原理有利用微生物體內(nèi)含有的酶識別分子；利用微生物對有機物的同化作用；利用微生物的厭氧性特點等。微生物傳感器尤其適合于發(fā)酵過程的測定。

免疫傳感器是由分子識別元件和電化學(xué)電極組合而成的。抗體或抗原具有識別和結(jié)合相應(yīng)的抗原或抗體的特性。在均相免疫測定中，作為分子識別元件的抗原或抗體分子不需要固定在固相載體上；而在非均相免疫測定中，則需將抗體或抗原分子固定到一定的載體上，使之變成半固態(tài)或固態(tài)。

6.MEMS傳感器

微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技術(shù)建立在微米/納米基礎(chǔ)上，是對微米/納米材料進行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通信接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。

MEMS傳感器能夠?qū)⑿畔⒌墨@取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，從而大幅度提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。它還使得制造商能將一件產(chǎn)品的所有功能集成到單個芯片上，從而降低成本，所以適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

MEMS傳感器首先在物理量測量中獲得成功，其代表為微機械壓力傳感器。目前，以膜片為壓力敏感元件的硅機械壓力傳感器已經(jīng)占據(jù)了壓力傳感器市場的很大份額，它具有體積小、重量輕和可批量化生產(chǎn)的特點。MEMS技術(shù)進一步在加速度、角速度、溫度等其他物理量測量上得到了迅速的推廣。

MEMS加速度傳感器主要應(yīng)用于測量沖擊和振動。例如，在筆記本電腦里內(nèi)置加速度傳感器，動態(tài)監(jiān)測筆記本電腦的振動情況，在顛簸環(huán)境甚至墜落情況下最大限度地減小硬盤的損傷；在相機和攝像機中內(nèi)置加速度傳感器可以監(jiān)測手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機的聚焦。

MEMS陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，是補充MEMS加速度傳感器功能的理想技術(shù)。如果組合使用加速度計和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設(shè)計人員就可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強的使用體驗、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他功能。