A部分 传感器的基本概念
为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握，必须采取一系列检测技术措施来完成，这些措施的理论称为检测原理，其技术的物理实现就是检测装置或检测系统。一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。而传感器是自动检测系统的第一级装置，也是其核心部件。
1.1 传感器在自动测量中的作用
将人的行为动作控制与计算机自动控制过程作一比较，计算机相当于人的大脑，而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”），如图1.1所示。因此，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节和关键器件。
图1.1 人体与自动化测控系统的对应关系
图1.2展示的是大型桥梁的安全状况实时监测系统。通过光纤光栅传感器可以将温度、称重、斜拉索的索力、应变、线型、位移等多种反应桥梁安全状态的信号检测出来，通过数据层、信息层处理分析，可得到有巨大商业价值的应用层面。没有传感器，就无法获取数据和信息层，也就无法掌握桥梁安全状态。
图1.2 长江大桥安全检测系统
传感器除了广泛应用在航空航天、军事国防、海洋开发以及工业自动化等尖端科学与工程领域，同时也向着与人们生活密切相关的领域渗透。一辆中级轿车上装有50多个传感器，高级豪华轿车则需要100多个，这些传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统和导航系统中，包括压力传感器、位置和转速传感器、加速度传感器、距离传感器、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。其中加速度传感器、振动传感器、速度传感器是汽车运动测量中的三种主要传感器。
图1.3 汽车中应用的主要传感器
此外，家用电器、生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、网络家居等领域，传感器的应用也非常广泛，新型的传感器层出不穷，方便和丰富着我们的生活。
【阅读资料】
作为一种代替人的感官的工具，传感器的历史比近代科学的出现还要古老。古埃及人在七千多年以前，就使用一种悬挂式的双盘秤作为测重的工具来称麦子，一直沿用到现在。在中国，秤的出现也很早。春秋中晚期，楚国已经制造了小型的衡器—木衡·铜环权，用来称黄金货币。利用液体膨胀特性的温度测量方法在16世纪就已经出现。以电学的基本原理为基础的传感器是在近代电磁学发展的基础上产生的，这种类型的传感器在电子技术、计算机技术和自动控制技术发展的推动下得到了飞速发展。
1.2 传感器的定义与组成
1.2.1 传感器的定义
根据中华人民共和国国家标准GB7665—1987，传感器（Transducer/Sensor）的定义是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。其定义包含以下几个方面的意思。
（1）传感器是测量装置，能完成检测任务；
（2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；
（3）它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量（原因在下面论述）；
（4）输入与输出有对应关系，且应有一定的精确度。
由于测控系统中的信号种类极其繁多，为了对各种类型的信号进行检测，传感器就必须尽量将被测信号转变为简单和易于处理与传输的二次信号。这样的要求只有电信号能够满足。因为电信号能较容易地利用电子仪器和计算机进行放大、反馈、滤波、微分、存储、远距离操作等处理。因此传感器作为一种功能模块又可狭义地定义为“将外界的输入信号变换为电信号的一类元件”。
【特别提示】
传感器的定义和内涵是随着科技的发展而演绎的。目前，信息领域处在由电信息时代向光信息时代迈进的进程中，由于光信号比电信号具有更快的传输速度和更大的传输容量及更好的抗干扰性，因此，在光信息时代，传感器的定义也许会发展为将外界的输入信号变换为光信号的一类元件。
1.2.2 传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件、信号转换电路三部分组成，如图1.4所示。
图1.4 传感器的组成框图
（1）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物理量的元件。
（2）转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数（如电阻R，电感L，电容C）或电流、电压等电量。
（3）信号转换电路：将转换元件输出的电路参数接入信号调理电路并将其转换成电量输出。
实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。
有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有信号转换电路。
有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。
包含有信号转换电路的传感器一般称为变换器。因此，在不同的技术领域，传感器又可被可称做检测器、变换器、换能器等。
1.3 传感器的分类
传感器一般是根据物理学、化学、生物学等特性、规律和效应设计而成的。由某一原理设计的传感器可以同时测量多种非电量，而有时一种非电量又可用几种不同的传感器测量，因此传感器的分类方法有很多，一般可按如下几种方法分类。
1）按输入物理量分类
按输入物理量的性质进行分类，如速度传感器、温度传感器、位移传感器等，见表1-1。这种分类方法是按输入物理量命名的。其优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者选用。但是这种分类方法是将原理互不相同的传感器归为一类，很难找出每种传感器在转换机理上有何共性和差异。
表1-1 按输入物理量来分类
2）按工作原理分类
这种分类方法是将物理、生物和化学等学科的原理、规律和效应作为分类依据，如压电式、热电式、电阻式、光电式、电感式等，见表1-2。
这种分类方法的优点是对于传感器的工作原理比较清楚，类别少，利于对传感器进行深入分析和研究。
表1-2 按传感器的原理来分类
3）按物理现象分类
这种分类方法将传感器分为结构型传感器和物性型传感器。所谓结构型传感器是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用某些物理规律来感受（敏感）被测量，并将其转换为电信号从而实现测量的。如电容式压力传感器，必须有按规定参数设计制成的电容元件，在被测压力的作用下电容极板间隙发生变化，从而导致电容值变化，由此实现对压力的测量。早期的传感器都是结构性传感器，一般具有较大的体积、复杂的结构，必须依靠精密设计制作的结构以保证其工作性能。随着新材料、新工艺的发展，结构性传感器在精度、稳定性方面有了很大提高，目前仍在许多传感器应用领域占有很大比例。
物性型传感器是指利用某些功能材料本身所具有的物理特性及效应感应（敏感）被测量，并转换成可用电信号的传感器。如由石英晶体材料制成的压电式压力传感器，就是利用石英晶体材料本身具有的正压电效应而实现对压力测量的。物性型传感器是伴随着半导体材料、陶瓷材料、高分子聚合材料等新材料的发展迅速发展起来的，它具有结构简单、体积小、重量轻、反应灵敏、易于集成化、微型化等优点。
4）按能量的关系分类
根据能量的观点分类，可将传感器分为有源传感器（也称为能量转换型）和无源传感器（也称为能量控制型）。有源传感器直接将非电能量转换为电能量，转换时无须外电源供电，如压电式传感器、热电偶式传感器、磁电感应式传感器。至于无源传感器或称为能量控制型传感器，它本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中能量起控制或调节作用。所以，它们必须有辅助电源，这类传感器有电阻式、电容式、电感式等。
5）按输出的信号的性质分类
按传感器的输出量为模拟量或数字量，分为模拟式传感器和数字式传感器。数字式传感器便于与计算机连接，且抗干扰能力强，是目前传感器发展的趋势之一。
1.4 传感器的发展趋势
传感器未来的发展，突出表现在以下几个方面：一是开发新原理、新材料、新工艺的新型传感器；二是实现传感器的微型化、集成化、多功能化、高精度和智能化；三是多种传感器的集成融合，以及传感器与其他学科的交叉融合，实现无线网络化。
1.4.1 新原理、新材料、新工艺的开发利用
传感器的工作原理是基于各种物理、化学或生物效应和定律的，人们由此进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型传感器，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。
新型传感器的发展离不开新工艺的采用。目前种类繁多、应用广泛的集成传感器就是利用集成电路工艺将半导体敏感元件、测量处理电路集成在一个芯片上制成的性价比高、使用方便的小型化传感器。而利用集成电路技术工艺和微机械加工方法，可将基于各种物理效应的机电敏感元器件和处理电路集成在一个芯片上，从而制成微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）传感器。这种传感器敏感结构的尺寸可达到微米、亚微米级，并可以批量生产，具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高、成本低等优势。国外已形成MEMS产业，如MEMS加速度计、压力传感器已广泛应用于汽车工业。
1.4.2 微型化、智能化、多功能传感器
1.微型化（Micro）
微型化传感器的特征之一就是体积小。集成电路技术、微机械加工技术等新技术新工艺的发展为传感器的集成和微型化提供了可能。采用微机械加工技术制作的敏感元件的尺寸一般为微米级，利用各向异性腐蚀、牺牲层技术和LIGA工艺（即光刻、电铸和注塑），可以制造出层与层之间有很大差别的三维微结构，包括可活动的膜片、悬臂梁、桥以及凹槽、孔隙、锥体等。采用敏感结构和检测电路的单芯片集成技术，能够避免多芯片组装时引脚引线引入的寄生效应，改善了器件的性能，提高了抗干扰能力。微电子和微机械加工技术制造出来的微型传感器由于采用了系统级封装方式，与传统传感器相比，具有体积小、质量轻、成本低、功耗小、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。
例如，典型的加速度传感器包括了质量块、弹性元件、转换元件、测量电路等部分。图1.5所示的压电式加速度传感器体积大、功耗高、稳定性较差，而采用MEMS技术制造出来的微加速度传感器尺寸仅为3mm×3mm×1mm，如图1.6所示。在如此微小的芯片上不仅有传感器，而且包括了信号处理电路。这样的单轴、双轴、三轴加速度计被广泛用于电子消费产品，如智能手机、游戏机，以及汽车安全气囊、ABS制动系统和车轮动态稳定控制系统。
图1.7所示是电容式微加速度传感器的硅微机械结构显微照片及工作原理示意。它实际上是一种差动变极距型电容式传感器。利用硅微机械加工技术在硅片上制作出质量块、弹性元件、电容极板等传感器基本构件。为了增大输出，制作了多组电极群，形成若干个变极距型差动电容器并联的形式。根据结构原理图可知，中间是电容器的动极板，它与质量块连接并一起固定在弹性元件上。上、下两块为固定极板。当x方向有加速度时（单轴），由于质量块惯性的作用使动极板相对上、下定极板产生相对位移，引起极板间距的变化，因而电容器的电容量改变，通过集成在芯片中的放大处理电路，最终输出与加速度成线性关系的电信号。
图1.5 压电式加速度传感器
图1.6 微加速度传感器
图1.7 电容式微加速度传感器的硅微机械结构显微照片及工作原理示意
2.智能化（Smart）
智能化传感器（SmartSensor）是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用领域，如分布式实时探测、网络探测和多信号探测方面颇受欢迎，产生的影响较大。
智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。这一类传感器就像微型机与传感器的综合体一样，其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。如智能化压力传感器的主传感器为压力传感器，用来探测压力参数；辅助传感器为温度传感器和环境压力传感器，用来测定温度和环境压力以实现对测量结果的校正。而其硬件系统除了能够对传感器的弱输出信号进行放大、处理和存储外，还执行与计算机之间的通信联络。
通常情况下，一个通用的检测仪器只能用来探测一种物理量，其中的信号调节是由那些与主探测部件相连接着的模拟电路来完成的。但智能化传感器却能够实现所有的功能，而且精度更高、价格更便宜、处理质量也更好。与传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优点：
（1）智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节，能够对所测的数值及其误差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判断，能够借助于一览表对非线性信号进行线性化处理，借助于软件滤波器滤波数字信号。此外，还能够利用软件实现非线性补偿或其他更复杂的环境补偿，以改进测量精度。
（2）智能化传感器具有自诊断和自校准功能，可以用来检测工作环境。当工作环境临近极限条件时，它将发出告警信号，并根据分析器的输入信号给出相关的诊断信息。当智能化传感器由于某些内部故障而不能正常工作时，它能够借助其内部检测链路找出异常现象或确定发生故障的部件。
（3）智能化传感器能够完成多传感器多参数混合测量，从而进一步拓宽了探测与应用领域，而微处理器的介入使得智能化传感器能够更加方便地对多种信号进行实时处理。此外，智能化传感器灵活的配置功能既能够使相同类型的传感器实现最佳的工作性能，也能够使它们适合于各不相同的工作环境。
（4）智能化传感器既能够很方便地实时处理所探测到的大量数据，也可以根据需要将它们存储起来。存储大量信息的目的主要是以备事后查询，这一类信息包括设备的历史信息以及有关探测分析结果的索引等。
（5）智能化传感器备有一个数字式通信接口，通过此接口可以直接与其所属计算机进行通信联络和交换信息。此外，智能化传感器的信息管理程序也非常简单方便，例如，可以对探测系统进行远距离控制或者在锁定方式下工作，也可以将所测的数据发送给远程用户等。
目前，智能化传感器技术正处于蓬勃发展时期。但智能化传感器多用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量。在今后的发展中，智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。可以预见，新兴的智能化传感器将在各个领域发挥越来越大的作用。
3.多功能（Multi-function）
通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完整而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综合安装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。
概括来讲，多功能传感器系统主要的执行规则和结构模式如下。
（1）多功能传感器系统由若干种功能各不相同的敏感元件组成，可以用来同时测量多种参数。例如，可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起（即将热敏元件和湿敏元件分别配置在同一个传感器承载体上）制造成一种新的传感器，那么，这种新的传感器就能够同时测量温度和湿度。
（2）将若干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中，从而构成一种高度综合化和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件是被综合安装在同一块硅片中的，它们无论何时都工作在同一种条件下，所以很容易对系统误差进行补偿和校正。
（3）借助于同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息。以线圈为例，它所表现出来的电容和电感是各不相同的。
（4）在不同的激励条件下，同一个敏感元件将表现出不同的特征。而在电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下，由若干种敏感元件组成的一个多功能传感器的特征将会是千差万别的。
1.4.3 无线传感器网络
无线传感器网络的主要组成部分就是一个个的传感器节点。这些节点的体积都非常小巧，可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器。
传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器进行协作，实时监测、感知和采集各种环境信息或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。