第一章 傳感器的一般特性

1.1 概述

1.1.1 傳感器及其作用

△ 傳感技術是一門以電信號為變換標的，對多種物理的、化學的、生物方面的信息進行捕捉、探測、變換、處理的學科。傳感器信息拾取手段靈活，形式多樣。理論上和方法上既有經典的傳統內容，又處于不斷地智慧創新中。傳感技術涉及的知識面廣泛，與工程物理學、半導體物理學、材料科學、工程力學和相關的化學、生物學等多學科的理論和積累的成果有關聯，又與電子學，集成電路技術、電子信息處理技術、物聯網技術等密切相關?，F代傳感技術是一門要求思路開闊，知識面寬廣，創新意識強的應用科學。

傳感器的開發研究與傳感技術的應用，也極大地拓寬了電子學的應用范圍，它使電子學的觸角延伸到了自然界的各種領域中。傳感器又是電子系統與多種非電領域之間相互聯系的橋梁。傳感器和傳感技術在諸如信息獲取、信號計測、工業自動控制、機器人感官、航空航天測控、廣播電視圖像攝取、飛彈武器精確制導、技防安檢系統、信息化交通管理系統、氣象探測預報系統、醫學檢查與康復工程等眾多領域中都起著關鍵支柱的作用。在國際上，傳感技術被視為21世紀最富活力的學科之一。

△ 用機器與人作一個對比，就會發現：人的工作可大分為三類，即體力勞動、腦力勞動以及需要腦力和體力相結合才能完成的工作。第一次產業革命是嘗試用機器代替人的體力勞動，如用蒸汽機、內燃機、電動機代替了人力推動的機械和獸力車輛等；第二次產業革命則是希望用機器代替人的部分腦力勞動，試圖開發出新型電腦系統實現信息處理的自動化。未來社會的發展趨勢則是力求使用信息攝取、信息處理、信息共享、信息反饋與動力調控一體化的綜合性智能系統，使人更方便地獲取信息和操控機器，進行更準確、更安全、更高效的工作。

△ 人的腦力勞動和體力勞動相結合的工作，可以由人來完成，也可由裝有傳感器的機器來做。人或機器完成這種工作的操作過程，有如圖1-1那樣的相似之處。

人可以通過眼、耳、鼻、舌、皮膚（五官）感知外界信息，并將這些信息傳送給大腦，經大腦處理后，把要執行的命令傳送給肌肉。這樣，眼、耳、鼻、舌、皮膚就相當于是傳感器，而大腦就相當于電子計算機信息處理系統，肌肉則相當于是執行機構。

△ 傳感器是電子信息系統的第一個環節，是感測和變換外部信息的部件。使用傳感器可以將各種非電信息轉化為電信號進行傳輸和處理，其應用的范圍非常寬闊，例如對壓力、溫度、濕度、磁信號、光信號、彩色信息，超聲波信號、核放射線、機械位移、速度、加速度，液體的流速流量、液位高度、特種氣體的含量、生物體液中專項離子含量以及生物酶含量等多種非電信息，都可以通過不同種類的傳感器來拾取，并轉化為一定規律的電信號輸出。

△ 也有一些傳感器是對電參量做非電接觸形式測量的。例如電流傳感器，就是感測某一條導線中的電流強度；電信號頻率傳感器就是感測某線路中電流變化的頻率。這樣的傳感器，與被測電路之間并無電連接，而是通過某中間媒介（如磁場的變化等）來對電參量信息進行間接測量的。

△ 隨著微處理器芯片價格的低廉化和微型計算機的普及化，將傳感器與微處理器和微型計算機結合起來使用的傳感器檢測系統逐漸增多。利用微型計算機的數據存儲和處理能力，可以對傳感器采集到的信息適時進行A/D變換、讀取和存儲，通過軟件編程進行智能化處理和使用，作成微電腦控制下的信息采集處理系統。或者，在現代微電子技術的支持下，可以將一些微型傳感器與半導體存儲器和數字信號處理器集成在一塊芯片上，形成一種可以通過控制協議操控的智能傳感器件，主機易于通過數據線接口連接這種傳感器進行指令控制和讀取檢測信息。借助于智能化信息反饋系統，還可以將傳感器系統的處理結果，用于實時開閉和調整動力執行機構，實現機電一體化的智能控制機器。

△ 傳感器還可以聯網使用。近年來出現的“物聯網”，就是一種無線傳感器網絡。這種網絡傳感器就是將多個獨立的傳感器信息采集裝置或集成化的微型傳感器，作為傳感器網絡上的一個個節點，散布在各種需要監測的環境（地域）中，獨立節點獨立電源供電、獨立進行監測工作。通過安裝在傳感器節點上的無線通信組件和特殊的低耗電、低速率無線通信協議（如以IEEE 802.15.4標準為基礎的ZigBee協議），與節點對等式自適應型無線網絡（如Ad-hoc多跳路由自組織型網絡）建立連接，使分散在各處的傳感器組成Ad-hoc網絡，可以實現傳感器之間及傳感器與控制中心之間的數據通信，實現多環境、多地域、多種類的傳感器檢測信息實時共享?，F代傳感技術是一項令當今世界矚目的發展迅速的高新技術，它與通信技術、計算機技術一起構成了當代信息產業的三大支柱。

1.1.2 敏感元件和傳感器的組成

△ 傳感器是指能夠感受規定的被測量，并按照一定的規律將被測量轉換成相應電信號的器件或裝置。傳感器通常是由敏感元件和后續的轉換元件組成（如圖1-2所示）。

●敏感元件：是指能直接感受被測量，并直接對被測量產生響應輸出的部分。

●轉換元件：是指將敏感元件的輸出信息再轉換成適合于傳輸或后續電路處理使用的電信號的部分。

△ 也有些傳感器，僅由敏感元件和相應的電源及傳輸線組成。如光電二極管、硅光電池、壓電陶瓷片、熱敏電阻等，其敏感器件本身就可以構成一種傳感器，無需特定的轉換元件。每個傳感器，都必包含有敏感元件，而轉換元件則是可簡可繁的。在歐美，傳感器常用Sensor和Transducer英文表示；在我國和日本的文獻中，都已趨向于使用Sensor表示。而敏感元件則用Sensitive element英文表示。

△ 傳感器的輸出信號都是電信號，可以直接輸出模擬信號、數字信號或頻率信號等；也可以由接口電路將電阻變化率、電容變化率等電參量轉化為電信號輸出。傳感器后續的電路多為阻抗整合，電橋讀取，線性化補償、信號調理放大、A/D變換或F-V變換、數字信號處理或顯示器件驅動等功能的電路，其作用是為后繼電子系統提供匹配的接入信號。