傳感技術

傳感技術簡介

　　傳感技術同計算機技術與通信一起被稱為信息技術的三大支柱。從物聯網角度看，傳感技術是衡量一個國家信息化程度的重要標志，作為第二屆杭州物聯網暨傳感技術應用高峰論壇，推進我國傳感器產業化快速發展。傳感技術是關于從自然信源獲取信息，并對之進行處理（變換）和識別的一門多學科交叉的現代科學與工程技術，它涉及傳感器（又稱換能器）、信息處理和識別的規劃設計、開發、制/建造、測試、應用及評價改進等活動。

傳感技術百科

　　傳感技術同計算機技術與通信一起被稱為信息技術的三大支柱。從物聯網角度看，傳感技術是衡量一個國家信息化程度的重要標志，作為第二屆杭州物聯網暨傳感技術應用高峰論壇，推進我國傳感器產業化快速發展。傳感技術是關于從自然信源獲取信息，并對之進行處理（變換）和識別的一門多學科交叉的現代科學與工程技術，它涉及傳感器（又稱換能器）、信息處理和識別的規劃設計、開發、制/建造、測試、應用及評價改進等活動。

　　技術概述

　　獲取信息靠各類傳感器，它們有各種物理量、化學量或生物量的傳感器。按照信息論的凸性定理，傳感器的功能與品質決定了傳感系統獲取自然信息的信息量和信息質量，是高品質傳感技術系統的構造第一個關鍵。信息處理包括信號的預處理、后置處理、特征提取與選擇等。識別的主要任務是對經過處理信息進行辨識與分類。它利用被識別（或診斷）對象與特征信息間的關聯關系模型對輸入的特征信息集進行辨識、比較、分類和判斷。因此，傳感技術是遵循信息論和系統論的。它包含了眾多的高新技術、被眾多的產業廣泛采用。它也是現代科學技術發展的基礎條件，應該受到足夠地重視。

　　為了提高制造企業的生產率（或降低運行時間）和產品質量、降低產品成本，工業界對傳感技術的基本要求，是能可靠地應用于現場，完成規定的功能。

　　發展現狀

　　無論是國內還是國外，與計算機技術和數字控制技術相比，傳感技術的發展都落后于它們。從80年代起才開始重視和投資傳感技術的研究開發或列為重點攻關項目，不少先進的成果仍停留在研究實驗階段，轉化率比較低。

　　我國從60年代開始傳感技術的研究與開發，經過從“六五”到“九五”的國家攻關，在傳感器研究開發、設計、制造、可靠性改進等方面獲得長足的進步，初步形成了傳感器研究、開發、生產和應用的體系，并在數控機床攻關中取得了一批可喜的、為世界矚目的發明專利與工況監控系統或儀器的成果。但從總體上講，它還不能適應我國經濟與科技的迅速發展，我國不少傳感器、信號處理和識別系統仍然依賴進口。同時，我國傳感技術產品的市場競爭力優勢尚未形成，產品的改進與革新速度慢，生產與應用系統的創新與改進少。

　　七大常用的傳感器技術

　　傳感器（Sensor）是一種常見的卻又很重要的器件，它是感受規定的被測量的各種量并按一定規律將其轉換為有用信號的器件或裝置。對于傳感器來說，按照輸入的狀態，輸入可以分成靜態量和動態量。我們可以根據在各個值的穩定狀態下，輸出量和輸入量的關系得到傳感器的靜態特性。

　　傳感器的靜態特性的主要指標有線性度、遲滯、重復性、靈敏度和準確度等。傳感器的動態特性則指的是對于輸入量隨著時間變化的響應特性。動態特性通常采用傳遞函數等自動控制的模型來描述。通常，傳感器接收到的信號都有微弱的低頻信號，外界的干擾有的時候的幅度能夠超過被測量的信號，因此消除串入的噪聲就成為了一項關鍵的傳感器技術。

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　　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，把被測量的物理量轉化成為便于處理的能量形式的信號的裝置。其輸出的信號和輸入的信號有確定的關系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導纖維傳感器等。作為例子，讓我們看看比較常用的光電式傳感器。這種傳感器把光信號轉換成為電信號，它直接檢測來自物體的輻射信息，也可以轉換其他物理量成為光信號。

　　其主要的原理是光電效應：當光照射到物質上的時候，物質上的電效應發生改變，這里的電效應包括電子發射、電導率和電位電流等。顯然，能夠容易產生這樣效應的器件成為光電式傳感器的主要部件，比如說光敏電阻。這樣，我們知道了光電傳感器的主要工作流程就是接受相應的光的照射，通過類似光敏電阻這樣的器件把光能轉化成為電能，然后通過放大和去噪聲的處理，就得到了所需要的輸出的電信號。這里的輸出電信號和原始的光信號有一定的關系，通常是接近線性的關系，這樣計算原始的光信號就不是很復雜了。其它的物理傳感器的原理都可以類比于光電式傳感器。

　　物理傳感器的應用范圍是非常廣泛的，我們僅僅就生物醫學的角度來看看物理傳感器的應用情況，之后不難推測物理傳感器在其他的方面也有重要的應用。

　　比如血壓測量是醫學測量中的最為常規的一種。我們通常的血壓測量都是間接測量，通過體表檢測出來的血流和壓力之間的關系，從而測出脈管里的血壓值。測量血壓所需要的傳感器通常都包括一個彈性膜片，它將壓力信號轉變成為膜片的變形，然后再根據膜片的應變或位移轉換成為相應的電信號。在電信號的峰值處我們可以檢測出來收縮壓，在通過反相器和峰值檢測器后，種傳感器外形我們可以得到舒張壓，通過積分器就可以得到平均壓。

　　讓我們再看看呼吸測量技術。呼吸測量是臨床診斷肺功能的重要依據，在外科手術和病人監護中都是必不可少的。比如在使用用于測量呼吸頻率的熱敏電阻式傳感器時，把傳感器的電阻安裝在一個夾子前端的外側，把夾子夾在鼻翼上，當呼吸氣流從熱敏電阻表面流過時，就可以通過熱敏電阻來測量呼吸的頻率以及熱氣的狀態。

　　再比如最常見的體表溫度測量過程，雖然看起來很容易，但是卻有著復雜的測量機理。體表溫度是由局部的血流量、下層組織的導熱情況和表皮的散熱情況等多種因素決定的，因此測量皮膚溫度要考慮到多方面的影響。熱電偶式傳感器被較多的應用到溫度的測量中，通常有桿狀熱電偶傳感器和薄膜熱電偶傳感器。由于熱電偶的尺寸非常小，精度比較高的可做到微米的級別，所以能夠比較精確地測量出某一點處的溫度，加上后期的分析統計，能夠得出比較全面的分析結果。這是傳統的水銀溫度計所不能比擬的，也展示了應用新的技術給科學發展帶來的廣闊前景。

　　從以上的介紹可以看出，僅僅在生物醫學方面，物理傳感器就有著多種多樣的應用。傳感器的發展方向是多功能、有圖像的、有智能的傳感器。傳感器測量作為數據獲得的重要手段，是工業生產乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理傳感器又是最普通的傳感器家族，靈活運用物理傳感器必然能夠創造出更多的產品，更好的效益。

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　　近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能，絕緣、無感應的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區），或者對人有害的地區（如核輻射區），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

　　光纖傳感器是最近幾年出現的新技術，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

　　所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內傳輸的光在振幅、相位、頻率、偏振等方面發生變化。測量臂傳輸的光與參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位（或振幅）發生變化，根據這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸的相位受外界影響的靈敏度很高，利用干涉技術能夠檢測出10的負4次方弧度的微小相位變化所對應的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠將很長的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長度，獲得更高的靈敏度。

　　光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產生微彎曲，而其傳光能力發生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導彈等的高性能慣性導航系統。

　　另外一個大類的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結構大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統中，傳統的傳感器和光纖相結合。光纖的導入使得實現探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸的傳感器適用范圍廣，使用簡便，但是精度比第一類傳感器稍低。

　　光纖在傳感器家族中是后期之秀，它憑借著光纖的優異性能而得到廣泛的應用，是在生產實踐中值得注意的一種傳感器。

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　　仿生傳感器，是一種采用新的檢測原理的新型傳感器，它采用固定化的細胞、酶或者其他生物活性物質與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來生物醫學和電子學、工程學相互滲透而發展起來的一種新型的信息技術。這種傳感器的特點是機能高、壽命長。在仿生傳感器中，比較常用的是生體模擬的傳感器。

　　仿生傳感器按照使用的介質可以分為：酶傳感器、微生物傳感器、細胞器傳感器、組織傳感器等。在圖中我們可以看到，仿生傳感器和生物學理論的方方面面都有密切的聯系，是生物學理論發展的直接成果。在生體模擬的傳感器中，尿素傳感器是最近開發出來的一種傳感器。下面就以尿素傳感器為例子介紹仿生傳感器的應用。

　　尿素傳感器，主要是由生體膜及其離子通道兩部分構成。生體膜能夠感受外部刺激影響，離子通道能夠接收生體膜的信息，并進行放大和傳送。當膜內的感受部位受到外部刺激物質的影響時，膜的透過性將產生變化，使大量的離子流入細胞內，形成信息的傳送。其中起重要作用的是生體膜的組成成分膜蛋白質，它能產生保形網絡變化，使膜的透過性發生變化，進行信息的傳送及放大。生體膜的離子通道，由氨基酸的聚合體構成，可以用有機化學中容易合成的聚氨酸的聚合物（L一谷氨酸，PLG）為替代物質，它比酶的化學穩定性好。

　　PLG是水溶性的，本不適合電機的修飾，但PLG和聚合物可以合成嵌段共聚物，形成傳感器使用的感應膜。生體膜的離子通道的原理基本上與生體膜一樣，在電極上將嵌段共聚膜固定后，如果加感應PLG保性網絡變化的物質，就會使膜的透過性發生變化，從而產生電流的變化，由電流的變化，便可以進行對刺激性物質的檢測。尿素傳感器經試驗證明是穩定性好的一種生體模擬傳感器，檢測下限為10的負3次方的數量級，還可以檢測刺激性物質，但是暫時還不適合生體的計測。

　　目前，雖然已經發展成功了許多仿生傳感器，但仿生傳感器的穩定性、再現性和可批量生產性明顯不足，所以仿生傳感技術尚處于幼年期，因此，以后除繼續開發出新系列的仿生傳感器和完善現有的系列之外，生物活性膜的固定化技術和仿生傳感器的固態化值得進一步研究。

　　在不久的將來，模擬生體功能的嗅覺、味覺、聽覺、觸覺仿生傳感器將出現，有可能超過人類五官的敏感能力，完善目前機器人的視覺、味覺、觸覺和對目的物進行操作的能力。我們能夠看到仿生傳感器應用的廣泛前景，但這些都需要生物技術的進一步發展，我們拭目以待這一天的到來。

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　　紅外技術發展到現在，已經為大家所熟知，這種技術已經在現代科技、國防和工農業等領域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統是用紅外線為介質的測量系統，按照功能能夠分成五類：①輻射計，用于輻射和光譜測量；②搜索和跟蹤系統，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；③熱成像系統，可產生整個目標紅外輻射的分布圖象；④紅外測距和通信系統；⑤混合系統，是指以上各類系統中的兩個或者多個的組合。

　　紅外系統的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。下面以熱探測器為例子來分析探測器的原理。

　　熱探測器是利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當的變換后測量相應的電量變化。

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　　磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器的最早的一種應用。但是作為現代的傳感器，為了便于信號處理，需要磁傳感器能將磁信號轉化成為電信號輸出。應用最早的是根據電磁感應原理制造的磁電式的傳感器。這種磁電式傳感器曾在工業控制領域作出了杰出的貢獻，但是到今天已經被以高性能磁敏感材料為主的新型磁傳感器所替代。

　　在今天所用的電磁效應的傳感器中，磁旋轉傳感器是重要的一種。磁旋轉傳感器主要由半導體磁阻元件、永久磁鐵、固定器、外殼等幾個部分組成。典型結構是將一對磁阻元件安裝在一個永磁體的刺激上，元件的輸入輸出端子接到固定器上，然后安裝在金屬盒中，再用工程塑料密封，形成密閉結構，這個結構就具有良好的可靠性。磁旋轉傳感器有許多半導體磁阻元件無法比擬一款電磁傳感器的外形的優點。除了具備很高的靈敏度和很大的輸出信號外，而且有很強的轉速檢測范圍，這是由于電子技術發展的結果。另外，這種傳感器還能夠應用在很大的溫度范圍中，有很長的工作壽命、抗灰塵、水和油污的能力強，因此耐受各種環境條件及外部噪聲。所以，這種傳感器在工業應用中受到廣泛的重視。

　　磁旋轉傳感器在工廠自動化系統中有廣泛的應用，因為這種傳感器有著令人滿意的特性，同時不需要維護。其主要應用在機床伺服電機的轉動檢測、工廠自動化的機器人臂的定位、液壓沖程的檢測、工廠自動化相關設備的位置檢測、旋轉編碼器的檢測單元和各種旋轉的檢測單元等?，F代的磁旋轉傳感器主要包括有四相傳感器和單相傳感器。在工作過程中，四相差動旋轉傳感器用一對檢測單元實現差動檢測，另一對實現倒差動檢測。這樣，四相傳感器的檢測能力是單元件的四倍。而二元件的單相旋轉傳感器也有自己的優點，也就是小巧可靠的特點，并且輸出信號大，能檢測低速運動，抗環境影響和抗噪聲能力強，成本低。因此單相傳感器也將有很好的市場。

　　磁旋轉傳感器在家用電器中也有大的應用潛力。在盒式錄音機的換向機構中，可用磁阻元件來檢測磁帶的終點。家用錄像機中大多數有變速與高速重放功能，這也可用磁旋轉傳感器檢測主軸速度并進行控制，獲得高畫面的質量。洗衣機中的電機的正反轉和高低速旋轉功能都可以通過伺服旋轉傳感器來實現檢測和控制。這種開關可以感應到進入自己檢驗區域的金屬物體，控制自己內部電路的開或關。開關自己產生磁場，當有金屬物體進入到磁場會引起磁場的變化。這種變化通過開關內部電路可以變成電信號。

　　更加突出電磁傳感器是一門應用很廣的高新技術，國內、國外都投入了一定的科研力量在進行研究，這種傳感器的應用正在滲透入國民經濟、國防建設和人們日常生活的各個領域，隨著信息社會的到來，其地位和作用必將。

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　　現代電測技術日趨成熟，由于具有精度高、便于微機相連實現自動實時處理等優點，已經廣泛應用在電氣量和非電氣量的測量中。然而電測法容易受到干擾，在交流測量時，頻響不夠寬及對耐壓、絕緣方面有一定要求，在激光技術迅速發展的今天，已經能夠解決上述的問題。

　　磁光效應傳感器就是利用激光技術發展而成的高性能傳感器。激光，是本世紀六十年代初迅速發展起來的又一新技術，它的出現標志著人們掌握和利用光波進入了一個新的階段。由于以往普通光源單色度低，故很多重要的應用受到限制，而激光的出現，使無線電技術和光學技術突飛猛進、相互滲透、相互補充?，F在，利用激光已經制成了許多傳感器，解決了許多以前不能解決的技術難題，使它適用于煤礦、石油、天然氣貯存等危險、易燃的場所。

　　比如說用激光制成的光導纖維傳感器，能測量原油噴射、石油大罐龜裂的情況參數。在實測地點，不必電源供電，這對于安全防爆措施要求很嚴格的石油化工設備群尤為適用，也可用來在大型鋼鐵廠的某些環節實現光學方法的遙測化學技術。

　　磁光效應傳感器的原理主要是利用光的偏振狀態來實現傳感器的功能。當一束偏振光通過介質時，若在光束傳播方向存在著一個外磁場，那么光通過偏振面將旋轉一個角度，這就是磁光效應。也就是可以通過旋轉的角度來測量外加的磁場。在特定的試驗裝置下，偏轉的角度和輸出的光強成正比，通過輸出光照射激光二極管LD，就可以獲得數字化的光強，用來測量特定的物理量。

　　自六十年代末開始，RCLecraw提出有關磁光效應的研究報告后，引起大家的重視。日本，蘇聯等國家均開展了研究，國內也有學者進行探索。磁光效應的傳感器具有優良的電絕緣性能和抗干擾、頻響寬、響應快、安全防爆等特性，因此對一些特殊場合電磁參數的測量，有獨特的功效，尤其在電力系統中高壓大電流的測量方面、更顯示它潛在的優勢。同時通過開發處理系統的軟件和硬件，也可以實現電焊機和機器人控制系統的自動實時測量。

　　在磁光效應傳感器的使用中，最重要的是選擇磁光介質和激光器，不同的器件在靈敏度、工作范圍方面都有不同的能力。隨著近幾十年來的高性能激光器和新型的磁光介質的出現，磁光效應傳感器的性能越來越強，應用也越來越廣泛。磁光效應傳感器做為一種特定用途的傳感器，能夠在特定的環境中發揮自己的功能，也是一種非常重要的工業傳感器。

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　　壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。

　　我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質，當沿著一定方向受到機械力作用發生變形時，就產生了極化效應；當機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產生出電的效應，這就是所謂的極化效應?？茖W家就是根據這個效應研制出了壓力傳感器。

　　壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微?。ㄒ簿驼f壓電系數比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。在現在壓電效應也應用在多晶體上，比如現在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

　　壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態測量，因為經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態的應力。

　　壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別壓電傳感器的外形是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。也可以用來測量發動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。

　　它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應制造出來的壓阻傳感器，利用應變效應的應變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的效應和不同的材料，在不同的場合能夠發揮它們獨特的用途。