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第1章传感器概述1.1传感器的定义及分类1.1.1传感器的定义能够把特定的被测量信息（如物理量﹑化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号的器件或装置，称为传感器。传感器（Transguser）是将感受到的外界信息，按照一定的规律转换成所需的有用信息的装置。所谓“可用信号”，是指便于传输、便于处理的信号。就目前而言，电信号最为满足便于传输、便于处理的要求。因此，也可以把传感器狭义地定义为：能把外界非电量信息转换成电信号输出的器件或装置。•从信息角度看，传感器是获取和转换信息的一种工具，这些信息包括电、磁、光、声、热、力、位移、振动、流量、湿度、浓度、成分等。•传感器的核心部件是敏感元件，它是传感器用来感知外界信息和转换成有用信息的元件。•因此，传感器技术是关于传感器及其敏感元件与材料的一门综合性技术。注意：不同用途的传感器是由不同功能的敏感元件构成的，同一敏感元件可以构成不同的传感器。•1.1.2传感器的分类现已发展起来的传感器用途纷繁、原理各异、形式多样，就其分类方法也有多种，其中有两种分类法最为常用:一是按外界输入信号变换至电信号过程中所利用的效应来分类如利用物理效应进行变换的为物理传感器；利用化学反应进行变换的为化学传感器；利用生物效应进行变换的为生物传感器等。二是按输入量类型分类比如，输入信号是用来表征压力大小的，就称为压力传感器。这种分类法可将传感器分为位移（线位移和角位移）、速度、角速度、力、力矩、压力、流速、液面、温度、湿度、光、热、电压、电流、气体成分、浓度和粘度传感器等。•工业中常用的分类有：1.按照被测量的性质分类（1）机械（量）传感器位移、力、速度、加速度、重量、几何尺寸等。（2）热工（量）传感器温度、压力、流量、液位、物位等。（3）化学（量）传感器浓度、黏度、湿度、酸碱度、化学成分等。（4）生物（量）传感器血糖、血压、酶等（5）探伤传感器表面探伤、材料内部裂纹或缺陷、材质判别等。2.按照测量原理分类（1）电容式传感器（2）电感式传感器（3）电阻式传感器（4）热电式传感器（5）光电传感器等等3.按照输出量的性质分类（1）参量型传感器这类传感器是非源的电参量，使用时需要辅助电源（例如热敏电阻）。（2）电量式传感器电量式传感器输出的是电参量（例如热电偶）。4.按照传感器的工作机理分类（1）机电型传感器这类传感器利用结构参量的变化来感受和转换信号。（2）固态型传感器这类传感器由固体敏感元件构成，利用材料的某种特性随被测量的变化来感受和转换信号。5.按照传感器的机电耦合特性分类（1）单向传感器单向传感器是不可逆的，一般输出为电量。（2）双向传感器这类传感器具有反向功能。输入是电量时，可以输出非电量（例如压电传感器）。•注：传感器的分类是人为的，目的是可以分类研究其共性，以利于生产、应用、研究和发展。第一种是按照测量目的分类的，方便传感器的应用。后几类主要是便于传感器的研究和开发。1.2传感器的作用与地位现代信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理。传感器位于信息采集系统之首、检测与控制之前，是感知、获取与检测的最前端。1.2.1传感器与计量测试技术关系传感器对信息的准确、可靠的采集和转换是计量测试系统的关键。1.2.2传感器与计算机的关系在现代化的测控系统中，都是不可或缺的。1.2.3传感器与通信技术的关系传感器技术与网络通信技术的结合，形成了新的网络传感器技术。1.2.4传感器的应用基础学科和尖端技术的研究；工业与国防领域；在生物工程、医疗卫生、环境保护等。•未来的社会将是充满传感器的世界。1.3传感器的基本性能1.精确度（1）准确度：反映测量结果中系统误差的影响程度（2）精密度：反映测量结果中随机误差的影响程度（3）精确度反映测量结果中系统误差和随机误差综合的影响程度对于具体的测量，精密度高准确度不一定高；准确度高不一定精密度高。但精确度度高，则精密度和准确度都高。精度等级：在工程测试中为表示仪器测量结果的可信度引入一个表示其精度等级的概念，用A表示。A=(△y/y)×100%A通常是仪器在规定工作条件下最大允许误差△y相对与仪器全程y（FS）的百分数。问：仪器仪表的精度与传感器的精度是什么关系？2.输入输出特性（1）灵敏度它表明传感器在稳态工作时输出增量对输入增量的比值：S=△y/△x灵敏限、分辨率也是表示输入输出关系的两大指标。注意：灵敏度与灵敏限区别（2）线性度线性传感器测出的输入输出曲线与某一规定的直线不吻合程度，称为非线性误差，或称为线性度。非线性误差：E=（△Ymax/Y）×100%△Ymax是垂直方向最大偏差（3）回滞它指输入输出在进程和回程时输入输出关系特性不一致程度，表示为H=（△Ymax/Y）×100%△Ymax是进程和回程输出量的最大偏差（4）量程传感器测量的上、下限3.稳定性在规定的条件下和规定的时间内，性能保持不变的能力4.可靠性表示在规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能的能力稳定性和可靠性的定义说明了传感器的使用是有条件的。5.动态特性（1）频响（2）稳定时间5.动态特性（1）频响（2）稳定时间1.4传感器技术的发展动向传感器技术的主要发展动向：•一是传感器本身的基础研究，即研究新的传感器材料和工艺，发现新现象；•二是跟微处理器组合在一起的传感器系统的研究，即研究如何将检测功能与信号处理技术相结合，向传感器的智能化、集成化发展；•传感器网络化技术的研究，研究传感器网络体系结构，传感器网络的通信与组网技术，及传感器网络的支撑技术。1.4.1发现新现象传感器的工作机理是基于各种效应、反应和物理现象的。重新认识如压电效应、热释电现象、磁阻效应等已发现的物理现象以及各种化学反应和生物效应，并充分利用这些现象与效应设计制造各种用途的传感器，是传感器技术领域的重要工作。同时还要开展基础研究，以求发现新的物理现象、化学反应和生物效应。各种新现象、反应和效应的发现可极大地扩大传感器的检测极限和应用领域。•1.4.2开发新材料随着物理学和材料科学的发展，人们已经在很大程度上能够根据对材料功能的要求来设计材料的组分，并通过对生产过程的控制，制造出各种所需材料。目前最为成熟、先进的材料技术是以硅加工为主的半导体制造技术。例如，人们利用该项技术设计制造的多功能精密陶瓷气敏传感器有很高的工作温度，弥补了硅（或锗）半导体传感器温度上限低的缺点，可用于汽车发动机空燃比控制系统，大大地扩展了传统陶瓷传感器的使用范围。有机材料、光导纤维等材料在传感器上的应用，也已成为传感器材料领域的重大突破，引起国内外学者的极大关注。1.4.3采用微细加工技术将硅集成电路技术加以移植并发展，形成了传感器的微细加工技术。这种技术能将电路尺寸加工到光波长数量级，并能形成低成本超小型传感器的批量生产。微细加工技术除全面继承氧化、光刻、扩散、淀积等微电子技术外，还发展了平面电子工艺技术、各向异性腐蚀、固相键合工艺和机械切断技术。利用这些技术对硅材料进行三维形状的加工，能制造出各式各样的新型传感器。例如，利用光刻、扩散工艺已制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺已制造出快速响应的气敏、湿敏传感器等。1.4.4传感器的智能化•“电五官”与“电脑”的结合，就是传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。1.4.5仿生传感器传感器相当于人的五官，且在许多方面超过人体，但在检测多维复合量方面，传感器的水平则远不如人体。尤其是那些与人体生物酶反应相当的嗅觉、味觉等化学传感器，还远未达到人体感觉器官那样高的选择性。实际上，人体感觉器官由非常复杂的细胞组成并与人脑联接紧密，配合协调。工程传感器要完全替代人的五官，则须具备相应复杂细密的结构和相应高度的智能化，这一点目前看来还是不可能的事。但是，研究人体感觉器官，开发能够模仿人体嗅觉、味觉、触觉等感觉的仿生传感器，使其功能尽量向人自身的功能逼近，已成为传感器发展的重要课题。