第3章　传感器原理及应用实例

3.1　概述

在研究自然现象时，仅仅依靠人的五官获取外界信息是远远不够的，因此人们发明了能代替或补充人体五官功能的传感器。最早的传感器出现在1861年，目前传感器已经渗透到了人们日常生活中，如热水器的温控器、空调的温湿度传感器等。此外，传感器也被广泛应用于工农业、医疗卫生、军事国防、环境保护等领域，极大地提高了人类认识世界和改造世界的能力。随着对物理世界的建设与完善、对未知领域与空间的拓展，人们需要信息来源的种类、数量也在不断地增加，这也对信息的获取方式提出了更高的要求。

3.1.1　传感器的定义与分类

1.传感器的定义

国家标准（GB/T 7665—2005）对传感器（Sensor）的定义是：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合传输或检测的电信号的部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要配置信号调理与转换电路对其进行放大、运算、调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，目前传感器的信号调理与转换电路可以封装在传感器内或者与敏感元件一起集成在同一芯片上。

从传感器的输入端来看，传感器要能够感受到指定的被测量，传感器的输出信号应该是适合处理和传输的电信号。因此传感器处于感知与识别系统的最前端，用来获取检测信息。传感器的性能直接影响整个测试系统的性能，对测量精度起着决定性作用。

作为信息获取的重要手段，传感器与通信技术、计算机技术共同构成了信息技术的三大支柱。随着现代科技的进步，特别是微电子机械系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）、超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated Circuits，VLSI）等技术的发展，使得现代传感器走上微型化、智能化和网络化的发展方向，其典型的代表就是无线传感器节点。

2.传感器的分类

传感器是物联网信息采集的第一道环节，也是决定整个物联网性能的关键环节之一。要想正确选用传感器，首先要明确所设计的物联网需要什么样的传感器，其次要挑选满足要求的性价比高的传感器。传感器的种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，如压力可用电容式、电阻式、光纤式等传感器来进行测量。而同一原理的传感器又可测量多种物理量，如电阻式传感器可以测量位移、温度、压力及加速度等物理量。因此，可根据传感器的转换原理、功能、工作原理、用途、输出信号等对其进行分类。

（1）根据转换原理分类。根据传感器转换原理可将其分为物理传感器和化学传感器两大类，生物传感器属于一类特殊的化学传感器。这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的转换关系，有利于专业人员从原理、设计及应用上进行归纳性的分析与研究。

①物理传感器是应用压电、热电、光电、磁电等物理效应，将被测量的微小变化转换成电信号。根据被测量类型的不同，物理传感器可以进一步分为力传感器、热传感器、声传感器、光传感器、电传感器、磁传感器与射线传感器等。物理传感器特点是可靠性好、应用广泛。

②化学传感器是将化学吸附、电化学反应等过程中被测量的微小变化转换成电信号的传感器。按传感方式的不同，化学传感器可分为接触式与非接触式两种类型；按结构形式的不同可分为分离型传感器与组装一体化传感器；按检测对象的不同可以分为气体传感器、离子传感器、湿度传感器等。化学传感器其特点是其内部结构相对复杂，精度受外界因素影响较大，价格偏高。

③生物传感器是由生物敏感元件和信号传导器组成的。生物敏感元件可以是生物体、组织、细胞、酶、核酸或有机物分子，它利用的是不同的生物敏感元件对于光照度、热量、声强度、压力不同的感应特性。例如，对光照度敏感的生物敏感元件能够将它感受到的光照度转化为与之成比例的电信号；对热敏感的生物敏感元件能够将它感受到的热量转化为与之成比例的电信号；对声强度敏感的生物敏感元件能够将它感受到的声强度转化为与之成比例的电信号。生物传感器应用的是生物机理，与传统的化学传感器和分析设备相比具有无可比拟的优势，这些优势表现在高选择性、高灵敏度、高稳定性、低成本，能够在复杂环境中进行在线、快速、连续的检测。

生物计量识别技术是通过比较生物特征来识别不同生物个体的技术，其研究的生物特征，包括脸、指纹、虹膜、语音、体型和个体习惯（如签字）等。其中虹膜是位于眼睛的白色与黑色瞳孔之间的圆环状部分，总体上呈现一种由内向外的放射状结构，由相当复杂的纤维组织构成。虹膜包含了最丰富的纹理信息，包括很多类似于冠状、水晶体、细丝、斑点、射线皱纹和条纹等细节特征结构，这些特征由遗传基因决定，并终生不变。研究表明，没有任何两个虹膜是一样的，虹膜识别是当前应用最为方便和精确的一种识别方法。

（2）根据传感器功能分类。从功能角度可将传感器分为光敏传感器、声敏传感器、气敏传感器、压敏传感器、温敏传感器、流体传感器等，这种分类方法非常直观。

（3）根据用途分类。传感器按照其用途可分为温度传感器、压力传感器、力敏传感器、位置传感器、液面传感器、速度传感器、射线传感器、振动传感器、湿敏传感器、气敏传感器等。这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据测量对象来选择传感器。

（4）根据被测量分类。按照被测量的不同，传感器分为温度、湿度、位移、速度、压力、流量、化学成分等传感器。

（5）根据工作原理分类。按照工作原理传感器可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。

（6）根据输出信号分类。传感器按照其输出信号的标准可分为模拟式传感器和数字式传感器。

（7）根据应用材料分类。按照传感器应用的材料可分成如下三类：

●　按材料的类别分类有金属聚合物和陶瓷混合物传感器。

●　按材料的物理性质分类有导体、半导体、绝缘体和磁性材料传感器。

●　按材料的晶体结构分类有单晶、多晶和非晶材料传感器。

另外，还有其他的一些分类方法，如按检测原理分类、按被测对象分类、按输入与输出是否为线性关系分类，以及按能量传递形式分类等。

3.传感器的选用原则

传感器在原理与结构上千差万别，在品种与型号上名目繁多。在选择传感器时，要遵守以下三条原则：

（1）整体需要原则。传感器的技术指标是作为单元产品或部件给出的，不是检测系统整体目标和实际应用需求的指标。因此，应当遵循整体需要原则，按实际检测系统的整体设计要求来选择传感器，使所选的传感器和检测方法适合具体应用场合。

（2）高可靠性原则。在有多种传感器满足基本技术指标要求的情况下，可将可靠性列为首要选择，尽可能采用元件少的方案，提高系统的可靠性。

（3）高性价比原则。在符合性能要求的同时应注重经济性，除了传感器造价低，维护成本也要低。

在实际选用传感器时，可根据被测量的特点，以及传感器的使用条件（如量程、体积、检测方式、输出信号、来源和价格等）来选用传感器。

在WSN中，传感器的选择除了要考虑基本的灵敏度、线性范围稳定性及精度等静态特性，还要考虑应用方面、综合功耗、可靠性、可维护性、外形尺寸和成本等因素。

3.1.2　传感器的基本性能

传感器的主要性能指标包括如下几个方面：

（1）灵敏度。灵敏度高意味着传感器能感受到被测量的微弱变化量，即被测量有微小的变化时，传感器就会有较大的输出。当灵敏度提高时，传感器输出信号随被测量的变化加大，有利于信号处理。但混入被测量中的干扰信号也会被放大，从而影响测量精度。因此要求传感器应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化与输入量变化的比值，当传感器的输出量和输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性也往往越差。

（2）线性度。传感器的线性范围（模拟量）是指输出与输入成比例的范围，在线性范围内它的输出与输入是线性关系。线性范围越宽，表明传感器的工作量程越大。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地表示实际的特性曲线，特性曲线的线性度（非线性误差）就是衡量这个近似程度的一个性能指标。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后，首先要看其量程是否满足要求。线性传感器的校准曲线的斜率就是静态灵敏度，对于非线性传感器的灵敏度，它的数值是由最小二乘法求出的拟合直线的斜率。

（3）精度。精度是传感器的一个重要性能指标，关系到整个系统的检测精度。传感器精度越高，价格往往越昂贵。

（4）稳定性。传感器的性能不随使用时间而变化的性能称为稳定性。传感器的结构和使用环境是影响传感器稳定性的主要因素，应根据具体的使用环境选择具有较强环境适应能力的传感器，也可以采取适当措施减小环境的影响。

（5）频率响应特性。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，传感器的频率响应特性越好，可测的信号频率范围就越大。在实际应用中传感器的频率响应总有一定的延时，延时越短越好。

（6）漂移。漂移是指在传感器输入量不变的情况下，输出量随着时间变化的现象。当输入量为零时的漂移称为零点漂移。产生漂移的原因有传感器自身结构参数和周围环境（如温度、湿度等）两个方面的因素。

3.1.3　传感器的组成与结构

传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成，如图3.1所示。敏感元件是直接感受被测量，并且输出与被测量具有确定关系的元件。转换元件的功能是将敏感元件的输出转换为电参量。转换电路是将电参量转换成便于测量的电信号，如电压、电流等。实际中的传感器有些很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。

传感器接口技术是非常实用和重要的技术，传感器将各种被测量变成电信号，经过诸如放大、滤波干扰抑制、多路转换等信号检测和预处理电路，将模拟的电信号送A/D转换器后变成数字量，供微处理器处理。多传感器采集接口的原理框图如图3.2所示，如果是单个传感器检测，则可以去掉多路转换开关等相关部分。