第一章 传感器的一般特性

1.1 概述

1.1.1 传感器及其作用

△ 传感技术是一门以电信号为变换标的，对多种物理的、化学的、生物方面的信息进行捕捉、探测、变换、处理的学科。传感器信息拾取手段灵活，形式多样。理论上和方法上既有经典的传统内容，又处于不断地智慧创新中。传感技术涉及的知识面广泛，与工程物理学、半导体物理学、材料科学、工程力学和相关的化学、生物学等多学科的理论和积累的成果有关联，又与电子学，集成电路技术、电子信息处理技术、物联网技术等密切相关。现代传感技术是一门要求思路开阔，知识面宽广，创新意识强的应用科学。

传感器的开发研究与传感技术的应用，也极大地拓宽了电子学的应用范围，它使电子学的触角延伸到了自然界的各种领域中。传感器又是电子系统与多种非电领域之间相互联系的桥梁。传感器和传感技术在诸如信息获取、信号计测、工业自动控制、机器人感官、航空航天测控、广播电视图像摄取、飞弹武器精确制导、技防安检系统、信息化交通管理系统、气象探测预报系统、医学检查与康复工程等众多领域中都起着关键支柱的作用。在国际上，传感技术被视为21世纪最富活力的学科之一。

△ 用机器与人作一个对比，就会发现：人的工作可大分为三类，即体力劳动、脑力劳动以及需要脑力和体力相结合才能完成的工作。第一次产业革命是尝试用机器代替人的体力劳动，如用蒸汽机、内燃机、电动机代替了人力推动的机械和兽力车辆等；第二次产业革命则是希望用机器代替人的部分脑力劳动，试图开发出新型电脑系统实现信息处理的自动化。未来社会的发展趋势则是力求使用信息摄取、信息处理、信息共享、信息反馈与动力调控一体化的综合性智能系统，使人更方便地获取信息和操控机器，进行更准确、更安全、更高效的工作。

△ 人的脑力劳动和体力劳动相结合的工作，可以由人来完成，也可由装有传感器的机器来做。人或机器完成这种工作的操作过程，有如图1-1那样的相似之处。

图1-1 装有传感器的机器与人的对应关系

人可以通过眼、耳、鼻、舌、皮肤（五官）感知外界信息，并将这些信息传送给大脑，经大脑处理后，把要执行的命令传送给肌肉。这样，眼、耳、鼻、舌、皮肤就相当于是传感器，而大脑就相当于电子计算机信息处理系统，肌肉则相当于是执行机构。

△ 传感器是电子信息系统的第一个环节，是感测和变换外部信息的部件。使用传感器可以将各种非电信息转化为电信号进行传输和处理，其应用的范围非常宽阔，例如对压力、温度、湿度、磁信号、光信号、彩色信息，超声波信号、核放射线、机械位移、速度、加速度，液体的流速流量、液位高度、特种气体的含量、生物体液中专项离子含量以及生物酶含量等多种非电信息，都可以通过不同种类的传感器来拾取，并转化为一定规律的电信号输出。

△ 也有一些传感器是对电参量做非电接触形式测量的。例如电流传感器，就是感测某一条导线中的电流强度；电信号频率传感器就是感测某线路中电流变化的频率。这样的传感器，与被测电路之间并无电连接，而是通过某中间媒介（如磁场的变化等）来对电参量信息进行间接测量的。

△ 随着微处理器芯片价格的低廉化和微型计算机的普及化，将传感器与微处理器和微型计算机结合起来使用的传感器检测系统逐渐增多。利用微型计算机的数据存储和处理能力，可以对传感器采集到的信息适时进行A/D变换、读取和存储，通过软件编程进行智能化处理和使用，作成微电脑控制下的信息采集处理系统。或者，在现代微电子技术的支持下，可以将一些微型传感器与半导体存储器和数字信号处理器集成在一块芯片上，形成一种可以通过控制协议操控的智能传感器件，主机易于通过数据线接口连接这种传感器进行指令控制和读取检测信息。借助于智能化信息反馈系统，还可以将传感器系统的处理结果，用于实时开闭和调整动力执行机构，实现机电一体化的智能控制机器。

△ 传感器还可以联网使用。近年来出现的“物联网”，就是一种无线传感器网络。这种网络传感器就是将多个独立的传感器信息采集装置或集成化的微型传感器，作为传感器网络上的一个个节点，散布在各种需要监测的环境（地域）中，独立节点独立电源供电、独立进行监测工作。通过安装在传感器节点上的无线通信组件和特殊的低耗电、低速率无线通信协议（如以IEEE 802.15.4标准为基础的ZigBee协议），与节点对等式自适应型无线网络（如Ad-hoc多跳路由自组织型网络）建立连接，使分散在各处的传感器组成Ad-hoc网络，可以实现传感器之间及传感器与控制中心之间的数据通信，实现多环境、多地域、多种类的传感器检测信息实时共享。现代传感技术是一项令当今世界瞩目的发展迅速的高新技术，它与通信技术、计算机技术一起构成了当代信息产业的三大支柱。

1.1.2 敏感元件和传感器的组成

△ 传感器是指能够感受规定的被测量，并按照一定的规律将被测量转换成相应电信号的器件或装置。传感器通常是由敏感元件和后续的转换元件组成（如图1-2所示）。

图1-2 传感器的组成

●敏感元件：是指能直接感受被测量，并直接对被测量产生响应输出的部分。

●转换元件：是指将敏感元件的输出信息再转换成适合于传输或后续电路处理使用的电信号的部分。

△ 也有些传感器，仅由敏感元件和相应的电源及传输线组成。如光电二极管、硅光电池、压电陶瓷片、热敏电阻等，其敏感器件本身就可以构成一种传感器，无需特定的转换元件。每个传感器，都必包含有敏感元件，而转换元件则是可简可繁的。在欧美，传感器常用Sensor和Transducer英文表示；在我国和日本的文献中，都已趋向于使用Sensor表示。而敏感元件则用Sensitive element英文表示。

△ 传感器的输出信号都是电信号，可以直接输出模拟信号、数字信号或频率信号等；也可以由接口电路将电阻变化率、电容变化率等电参量转化为电信号输出。传感器后续的电路多为阻抗整合，电桥读取，线性化补偿、信号调理放大、A/D变换或F-V变换、数字信号处理或显示器件驱动等功能的电路，其作用是为后继电子系统提供匹配的接入信号。