搜索
21引言随着信息时代的到来，计算机、各类智能仪器、机器人等高科技得到了越来越广泛的应用。在信息化时代，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理都需要必不可少的“感觉器官”——传感器。计算机被称为“电脑”，传感器被称为“电五官”。信息的获取和处理都离不开“大脑和五官”。作为提供信息的传感技术及传感器倍受重视，进入到了一个飞速发展的新阶段。传感器种类繁多，其原理也各种各样。传感技术是一门知识密集型技术，它与许多学科相关，传感器技术已经成为各个应用领域，特别是电子信息工程、电气工程、自动控制工程、机械工程等领域中不可缺少的技术。传感技术与信息技术、计算机技术并列称为支撑现代信息产业的三大支柱。如果没有精度高和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，那么信息的准确获取将无从谈起，信息技术与计算机技术将成为无源之水。2传感器简介所谓传感器（sensor），是指将感受到得物理量、化学量等信息，按此一定规律，转换成便于测量和传输的信号的装置。由于电信号易于传输和处理，因此一般概念上的传感器是指将非电量转换成电信号输出的装置。传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源，用方块图表示，如图1-1所示。别测量敏感元件另一非电量转换元件电信号测量电路可用电信号辅助电源图2-1传感器的组成示意图敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一种量的元件。敏感元件的输出量就是转换元件的输入量，转换元件把输入量转换成电路参量。电路参量接入转换电路，便可转换成电量输出。传感器的基本特性通常可以分为静态特性和动态特性。传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。如果被测量是一个不随时间变化，或随时间变化缓慢的量，可以只考虑其静态特性，这时传感器的输入量与输之出量间在数值上3一般具有一定的对应关系，关系式中不有时间变量含。典型的传感器静态特性曲线描述方式为y=f(x)其中，y为输出量，x为输入量。理想的传感器输出–输入特性是线性的即输入与输出间的关系满足：y=ax+b3传感器的特性指标传感器的特性指标主要包括灵敏度、线性度、误差、重复性和再现性。3.1灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量△y与相应输入量增量△x之比。用S表示灵敏度，即S=△Y/△X它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，S值越大，表示传感器越灵敏。3.2线性度线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。线性度也称为非线性误差，用L表示，可以通过下式求得：%100maxFSLYL式中：maxL——最大非线性绝对误差；FSY——满量程输出值。3.3误差传感器所测值称为示值，它是被测真值的反应。严格的说，被测真值只是一个理论值因为无论采用何种传感器，测得的值都有误差。实际中通常采用适当精密的仪表测出的（或用特定的方法确定的）约定真值代替真值。示值公认的约定真值之差称为绝对误差，也就是通常所指的误差。绝对误差=示值—约定真值4绝对误差与约定真值之比称为相对误差，常用百分数表示，即相对误差（%）=绝对误差/约定真值*100%虽然用相对误差来衡量精密度比较合理，但仪表多应用在测量值接近上限值时，因而常用量程取代约定真值，则引用误差如下式所示：应用误差（%）=绝对误差/量程*100%3.4重复性和再现性在同一工作条件下，同方向连续多次对同一输入值进行测量所得的多个输出值之间相互一致的程度称为重复性他不包括滞环和死区。再现性包括滞环和死区，它是仪表上升曲线和实际下降曲线之间离散程度的表示。图3-1重复性和再现性4传感器的应用现状下面简要的介绍几种现代新型传感器。(1)光纤传感器光纤传感器分为两大类。一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器,称为功能型传感器;另一类是光纤仅仅起传输光波的作用,必须在光纤端面或中间加装其他敏感元件才能构成传感器,称为传光型传感器。根据被测参量的不同,光纤传感器又可分为位移、压力、温度、流量、速度、加速度、震动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量等各种光纤传感器。目前已经实用的光纤传感器可测量物理量达70多种。(2)固态图像传感器图像传感器是利用光电器件的光—电转换功能,将其感光面上的光像转换为与光像5成相应比例关系的“图像”电信号的一种功能器件。而固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元和移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。固态图像传感器的结构有线列阵和面列阵两种形式,它将光强的空间分布转换为与光强成比例的大小不等的电荷包空间分布,然后通过移位寄存器将这些电荷包形成一系列幅值不等的时序脉冲序列输出。也就是固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成“图像”电信号。固态图像传感器具有体积小、重量轻、析像度高、功耗低和低电压驱动等优点。目前已广泛应用于图像处理、电视、自动控制、测量、和机器人等领域。(3)红外传感器红外传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光敏器件,通常称为红外探测器。常见的红外探测器有两类:热探测器和光子探测器。（4）机器人传感器机器人传感器是指能把智能机器人对内外部环境感知物理量变换为电量输出的装置。智能机器人通过传感器实现某些类似于人类的知觉作用。机器人传感器可分为内部检测传感器和外界检测传感器两大类。内部检测传感器安装在机器人自身中,用来感知它自己的状态,以调整和控制机器人的行动,通常由位置、加速度、速度及压力传感器组成。外界传感器用于机器人对周围环境、目标物的状态特征获取信息,使机器人—环境之间能发生交互作用,从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。外界检测传感器通常包括触觉、接近觉、听觉、嗅觉、味觉等传感器。5传感器的发展趋势随着现代科学技术，特别是大规模集成电路技术的飞速发展，传感器的地位和作用将更加突出。这是因为：①“电五官”落后于“电脑”的现状，已成为微型计算机进一步开发与应用的一大障碍；②许多有竞争力的新产品的开发和卓有成效的技术改造，都离不开传感器；③传感器的应用直接带来了明显的经济效益和社会效益；④传感器普及于社会各个领域，具有良好的销售前景。目前的传感器，无论是在数量上、质量上还是功能上，还远不适应社会多方面发展的需要。当前，人们在充分利用先进的电子技术条件、研究和采用合适的外部电路以及最大限度地提高现有传感器的性价比的同时，正在寻求传感器技术发展的新途径。（1）开发新型传感器6鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，改变材料的组成、结构、添加物或采用各种工艺技术，利用材料形态变化来提高材料对电、磁、热、声、力、光、吸附载流子、分离载流子、输送载流子以及化学、生物等的敏感功能，并以此研制出新型的传感器。这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。（2）传感器的集成化和多功能化传感器集成化包括两种含义：一是将多个相同的敏感元件或各种不同的敏感元件集成在同一块芯片上；另一种含义是多功能一体化，即将温度补偿电路、放大电路以及运算电路与敏感元件做在同一芯片上。固态功能材料——半导体、电介质、强磁体的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。（3）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、分析、统计处理，及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，就成为智能传感器。它具有如下特点：①自补偿功能。对信号检测过程中的非线性误差、温度变化及其导致的信号零点漂移和灵敏度漂移、响应时间延迟、噪声与交叉感应等效应的补偿功能。②自诊断功能。接通电源时系统的自检；系统工作时实现运行的自检；系统发生故障时的自诊断，确定故障的位置与部件等。③自校正功能。系统中参数的设置与检查；测试中的自动量程转换；被测参量的自动运算等。④数据的自动存储、分析、处理与传输等。⑤微处理器与微型计算机和基本传感器之间具有双向通信功能。目前智能传感器的研究已取得一定的进展，国外已经有商品化的智能传感器，但是智能传感器的技术并不成熟，智能传感器仍将是未来传感器发展的重点。（4）基于MEMS技术的新型微传感器7MEMS(微电子机械系统)设想早在1959年就被提出，其后逐渐显示出采用MEMS技术制造各种微型新型传感器、执行器和微系统的巨大潜力。以MEMS技术为基础的传感器已逐步实用化，这是今后发展的重点之一。这项研发在工业、农业、国防、航空航天、航海、医学、生物工程、交通、家庭服务等各个领域都有巨大的应用前景。（5）研究生物感观，开发仿生传感器生物传感器是利用生物或生物物质(酶、微生物、抗体等)做成的、用来检测与识别生物体内的化学成分,它由生物敏感膜和变换器构成。被测物质经扩散作用进入生物敏感膜层,经分子识别,发生生物学反应(物理、化学变化),产生物理、化学现象或新的化学物质,通过相应的变换器将其转换成可定量和可传输、处理的电信号。生物传感器的分类主要有两种,按所用生物活性物质分类和按器件分类法,其中按所用生物活性物质不同又可将生物传感器分为5大类,即酶传感器,微生物传感器,免疫传感器,组织传感器,细胞传感器;而按器件分类则是依据所用变换器器件的不同进行分类,可分为生物电极传感器,半导体生物传感器,光生物传感器,热生物传感器,压电晶体生物传感器。大自然是生物传感器的“优秀设计师”。它通过漫长的岁月，不仅造就了集多种感观于一身的人类，而且还设计了许多功能奇特、性能优越的生物传感器。例如，狗的嗅觉，鸟的视觉，蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉，蛇的接近觉等。这些生物的感观功能是当今传感器技术望尘莫及的。因此，开发仿生传感器，是引人注目的方向。目前，发达的工业国家以及不少发展中国家投入巨大的人力和物力研发生物传感器。仅日本就有5个管理部门和50多个公司从事生物传感器的研究。欧洲把生物传感器的研究列为尤里卡计划。美国各大学均有该方面的研究机构。这种研究的新高潮的形成，说明各国都充分认识到生物传感器在微电子学、生物医学、生命科学研究中的重要地位。（6）新型环保化学传感器保护环境和生态平衡是目前经济协调发展的重点任务之一，实现这一目标必须对江河湖海进行水质检测，这就需要测量污水的流量、自动比例采样、PH、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷以及金属离子浓度特别是重金属离子浓度等，而这些参量检测的多数传感器我们尚不能实用化，甚至尚未研制。大气监测是环保重要方面，主要监测内容有：风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等，这些传感器中大多数亟待开发。85结束语传感技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用是十分明显的。研究与开发新型传感器以满足不断增长的测量需求，是当今传感器检测技术发展的一个重要方向和研究热点。随着传感器研究方法的深入以及传感器工艺技术的提高和运用的推广，新型传感器的研制必将越来越快，使传感器必定能够在更多的领域发挥更大的作用。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。