對學(xué)科與專業(yè)的認(rèn)識

1、、傳感器的定義傳感器的概念來自“感覺（sensor）” 一詞。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由直接響應(yīng) 于被測量的敏感元件（sensing element）和產(chǎn)生可用輸出信號的轉(zhuǎn)換元件（transducing element）以及相應(yīng)的電子線路所組成。傳感器是測量器件或裝置，這個定義包含以下幾方面的意思：能完成一定的檢測任務(wù)；它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示和控制，這種量可以是 氣、

2、光、磁、電量，也可以是電阻、電容、電感的變化量等；輸出輸入有確定的對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度。由于電學(xué)量（電壓、電流、電阻等）便于測量、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理，所以當(dāng)今的傳感器絕大 多數(shù)都是以電信號輸出的，以至于可以簡單地認(rèn)為，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量或生 物量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件或裝置，或者說是一種把非電量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的器件或 裝置。國際電工委員會把傳感器定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn) 換成可供測量的信號”。德國和俄羅斯學(xué)者認(rèn)為“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，傳感器應(yīng)是由 兩部分組成的，即直接感知被測量信號的敏感元件部分和初始處理信號的電路部

3、分。按照這 種理解，傳感器還包含了信號初始處理的電路部分。關(guān)于傳感器，初期曾出現(xiàn)過許多名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、敏感元件、探頭 等。它們的內(nèi)涵相同或者相似，近來已逐漸趨向統(tǒng)一，即按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用傳感器這一名 稱。（從字面上看）傳感器功用：一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。二、傳感器的組成一般來講傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，但由于傳感器輸出信號較微弱，需要由信號調(diào) 節(jié)與轉(zhuǎn)換電路將其放大或轉(zhuǎn)換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的信號。隨著半導(dǎo)體器件與集 成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路可能安裝在傳感器的殼體里或與敏 感元件一起集成在同一芯片上。因此信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電

4、路以及所需電源都應(yīng)作為傳感器組成 的一部分。傳感器是一個完整的測量裝置（或系統(tǒng)），能把被測非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的有 用電量輸出，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。敏感元件：感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的其它量的元件。如膜片和波紋管，可 以把被測壓力變成位移量。若敏感元件能直接輸出電量（如熱電偶），就相當(dāng)于包含了轉(zhuǎn)換 元件了。還有一些新型傳感器，如壓阻式和諧振式壓力傳感器、差動變壓器式位移傳感器等， 其敏感元件和傳感器就完全是融為一體的。轉(zhuǎn)換元件：又稱變換元件或傳感元件。它可以直接感受被測量（一般為非電量）且輸出與被 測量成確定關(guān)系的電量，如熱電偶和熱敏電阻。這時

5、相當(dāng)于敏感元件與轉(zhuǎn)換元件合為一體的 情況。轉(zhuǎn)換元件也可以不直接感受被測量，而只感受與與被測量成確定關(guān)系的其它非電量。例如，差動變壓器式壓力傳感器，并不直接感受壓力，而只是感受與被測壓力成確定關(guān)系的 銜鐵位移量，然后輸出電量。基本轉(zhuǎn)換電路：也稱信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路或信號調(diào)理電路。它把轉(zhuǎn)換元件輸出的（微弱）電 信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄和控制的有用信號。基本轉(zhuǎn)換電路根據(jù)轉(zhuǎn)換元件的不同有很多種類，常用的電路有電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器和濾波器等。-傳感器根據(jù)使用要求的不同，可以做得很簡單，也可以做得很復(fù)雜；個頭可能很大也可能很 ?。豢梢允菐Х答伒拈]環(huán)系統(tǒng)，也可以是不帶反饋的開環(huán)系統(tǒng)。三、傳感器的分

6、類傳感器的種類繁多。往往同一種被測量可以用不同類型的傳感器來測量，如壓力可用電容式、 電阻式、光纖式等傳感器來進(jìn)行測量；而同一類型的傳感器又可測量多種物理量，如電阻式 傳感器可以測量位移、溫度、壓力及加速度等。因此傳感器有許多種分類方法。其中按輸入 量和工作原理的分類方法應(yīng)用較為普遍。1.按傳感器的基本效應(yīng)分為物理型、化學(xué)型、生物型傳感器三大類根據(jù)傳感器的工作機(jī)理，即感知外界信息所依據(jù)的基本效應(yīng)的學(xué)科屬性，可將傳感器分成三 大類：基于物理效應(yīng)如光、電、聲、磁、熱等效應(yīng)進(jìn)行工作的物理（型）傳感器；基于化學(xué) 效應(yīng)如化學(xué)吸附、離子化學(xué)效應(yīng)等進(jìn)行工作的化學(xué)（型）傳感器；基于酶、抗體、激素等分 子識別功

7、能的生物（型）傳感器。實(shí)際上，物理型下面又分為結(jié)構(gòu)型、物性型。按照工作原理（物理原理）分類：電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等；磁電式傳感器：磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等；壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器；光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝像 式等；氣電式傳感器：電位器式、應(yīng)變式；熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻；波式傳感器：超聲波式、微波式等射線式傳感器：熱輻射式、Y射線式；半導(dǎo)體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；2.按傳感器的構(gòu)成原理，物理（型）傳感器分為結(jié)構(gòu)型與物性型（特性型）兩大類3.根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況（能量關(guān)系），可分為能量控制型傳

8、感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感 器4.按照工作原理（物理原理、作用原理）分類：應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電 式、氣電式等。（這類傳感器以工作原理（物理原理）命名）從學(xué)習(xí)的角度來看，按傳感器的工作原理分類，對理解傳感器的工作原理很有利。5.按照傳感器的用途（按輸入量、被測量）分類：位移、壓力、振動、速度、溫度、粘度 傳感器這種分類方法體現(xiàn)了傳感器的功能、用途，對用戶選擇傳感器有一定的方便之處。6.根據(jù)傳感器輸出信號：模擬量傳感器和數(shù)字量（開關(guān)量）傳感器7.根據(jù)傳感器與被測對象的空間關(guān)系：接觸式傳感器、非接觸式傳感器8.按敏感材料分類：半導(dǎo)體、光纖、陶瓷、高分子材料、復(fù)合材料等9.按與某種高新技術(shù)結(jié)

9、合分類：集成、智能、機(jī)器人、仿生傳感器等四、傳感器與傳感器技術(shù)、傳感技術(shù)根據(jù)定義，傳感器是一種能把特定的被測量（包括物理量、化學(xué)量、生物量等）的信息 按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器和傳感器相關(guān)的技術(shù)，如傳感器設(shè)計(jì)、材料、制造、應(yīng)用 等相關(guān)的技術(shù)得到迅速發(fā)展，逐漸形成了一門新的獨(dú)立學(xué)科一。傳感器技術(shù)的 含義比傳感器更為廣泛，傳感器技術(shù)包括傳感（檢測）原理、傳感器件設(shè)計(jì)制造和開發(fā)應(yīng)用 等全部工程技術(shù)領(lǐng)域，也被稱為傳感器工程學(xué)。五、與傳感器相關(guān)的基本概念1.測量與計(jì)量“測量是科學(xué)進(jìn)步的階梯”“沒有測量，就沒有科學(xué)”從廣義上說，測量(measurement)是

10、通過實(shí)驗(yàn)(的方法對客觀事物)取得定量信息的過程。 在此過程中，把被測之量直接或間接地與一個公認(rèn)其數(shù)值為1的同類量相比較，把后者作為 單位，求得二者的比值。這個比值與單位的乘積，就是被測之量的量值。若以Q表示某一物理量，以Q 表示同類的單位量，則有：Q/Q = m 或 Q = mQ這個式子稱為測量的基本方程。式中m為比較得到的數(shù)值，而被測量的大小由數(shù)字皿與單位Q 組合來表示。由測量所獲得的被測量的值叫測量結(jié)果。測量結(jié)果可用一定的數(shù)值表示，也可以用一條曲線 或某種圖形表示。但無論其表現(xiàn)形式如何，測量結(jié)果應(yīng)包括兩部分：比值和測量單位。更確 切地講，測量結(jié)果還應(yīng)包括誤差部分。計(jì)量：是指實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一、量

11、值準(zhǔn)確可靠的活動。從定義中可以看出，它屬于測量，源于測量，而又嚴(yán)于一般測量，它涉及整個測量領(lǐng)域，并 按法律規(guī)定，對測量起著指導(dǎo)、監(jiān)督、保證的作用。計(jì)量與其它測量一樣，是人們理論聯(lián)系實(shí)際，認(rèn)識自然、改造自然的方法和手段。它是科技、 經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中必不可少的一項(xiàng)重要的技術(shù)基礎(chǔ)。計(jì)量與測試是含義完全不同的兩個概 念。測試是具有試驗(yàn)性質(zhì)的測量，也可理解為測量和試驗(yàn)的綜合。它具有探索、分析、研究 和試驗(yàn)的特征。計(jì)量學(xué)是研究測量的理論和實(shí)踐方法，保證量值統(tǒng)一和準(zhǔn)確的一門應(yīng)用科學(xué)。國際通用計(jì) 量學(xué)基本名詞中，對計(jì)量學(xué)的定義是：“有關(guān)測量的知識領(lǐng)域”，并在注釋中指出：“計(jì) 量學(xué)包括有關(guān)測量理論與實(shí)踐的各個方

12、面，而不論其準(zhǔn)確度如何以及用于什么科技領(lǐng)域”。帶有強(qiáng)制性的技術(shù)上和法學(xué)上的要求，以保證單位和量值的統(tǒng)一和一致的計(jì)量學(xué)稱為法制計(jì) 量學(xué)。中國習(xí)慣上把法制計(jì)量學(xué)方面的實(shí)踐活動簡稱為計(jì)量。由于實(shí)際上不可能對各種量都一一規(guī)定單位并建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，通常在一個單位制中，選定 若干個彼此獨(dú)立的量作為基本量，逐一規(guī)定它們的單位，即基本單位。通過函數(shù)關(guān)系從這組 基本單位導(dǎo)出其他量的單位，即導(dǎo)出單位。目前國際上通用的單位制是國際單位制(簡稱SI)。 它采用下列七個基本單位：長度單位米 (m)；質(zhì)量單位千克(kg)；時間單位 秒(s)；電流單位一一安培(A)；熱力學(xué)溫度單位一一開爾文(K)；物質(zhì)的量的單位摩爾 (m

13、ol)；發(fā)光強(qiáng)度單位一一坎德拉(cd)。2.測量與環(huán)境廣義的測量系統(tǒng)包括測量者、測量對象、儀器系統(tǒng)和測量環(huán)境。測量環(huán)境是指測量過程中人員、對象和儀器系統(tǒng)所處空間的一切物理和化學(xué)條件的總合。它 包括溫度、濕度、力場、電磁場、輻射、化學(xué)氣霧和塵屑，霉菌以及有關(guān)電磁量的精度、范 圍及其變化。忽視測量環(huán)境，常會導(dǎo)致測量誤差過大，甚至產(chǎn)生差錯，有時也可能對人員、測量對象或儀 器系統(tǒng)造成損傷或破壞。環(huán)境對測量的影響包括以下3個方面：環(huán)境對被測對象的影響；環(huán)境對儀器系統(tǒng)的影響；環(huán)境對測量人員的影響。3.測量、測試與檢測在人們的科技實(shí)踐中，對一些事物或復(fù)雜的被測對象往往需要一個反復(fù)試驗(yàn)和測量的過 程，其中涉及

14、眾多的測量項(xiàng)目。每項(xiàng)測量的個別對象又常受環(huán)境及其它測量項(xiàng)目的影響而有 所變化，或本身就處在動態(tài)工作條件之中。因此，簡單的測量往往難以奏效，需要進(jìn)行多次 測量，甚至根據(jù)測量結(jié)果不斷尋找有效的測量方法。這種具有試驗(yàn)性質(zhì)的測量稱為測試，有 時也稱為分析測試是具有試驗(yàn)性質(zhì)的測量。試驗(yàn)是對迄今未知事物的探索性認(rèn)識過程，測量是為了確 定被測對象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程。檢測技術(shù)是以研究檢測與控制系統(tǒng)中信息的提取、轉(zhuǎn)換及處理的理論和技術(shù)為主要內(nèi)容的一 門應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。該學(xué)科的內(nèi)容涉及傳感器技術(shù)、誤差理論、測試計(jì)量技術(shù)、抗干擾技術(shù)以 及電量間的相互轉(zhuǎn)換技術(shù)等。4.基本測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出比值的方法

15、，稱為測量方法。對于測量方法，從不同角度，有不同的分類方法。根據(jù)獲得測量值的方法可分為直接測 量、間接測量和組合測量，根據(jù)測量的精度因素情況可分為等精度測量與非等精度測量，根 據(jù)測量方式可分為偏差式測量、零位法測量與微差法測量，根據(jù)被測量變化快慢可分為靜態(tài) 測量與動態(tài)測量，根據(jù)測量敏感元件是否與被測介質(zhì)接觸可分為接觸測量與非接觸測量，根 據(jù)測量系統(tǒng)是否向被測對象施加能量可分為主動式測量與被動式測量等。直接和間接測量技術(shù)按照測量的實(shí)測對象，測量技術(shù)可分為以下兩種。直接測量技術(shù)：在測量中，無需通過與被測量成函數(shù)關(guān)系的其他量的測量而直接取得被測 量值的測量。如用電壓表直接測量電壓。其測量不確定度主要

16、取決于測量器具的不確定度，在一般測量中 普遍采用。間接測量技術(shù)：在測量中，通過對與被測量成函數(shù)關(guān)系的其他量的測量而取得被測量值的 測量。如通過測量電阻R兩端的電壓V和流經(jīng)電阻R的電流I，然后利用R = V/I的關(guān)系求得電阻值。 其測量不確定度分量的數(shù)目要多一些，一般在被測量不便于直接測量時采用。組合測量技術(shù)：用直接或間接測量法測量一定數(shù)量的某一量值的不同組合，求解這些結(jié)果和被測量組成的方 程組來確定被測量值的測量方法。組合測量是一種特殊的精密測量方法，操作手續(xù)復(fù)雜，花費(fèi)時間長，多用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)或特殊 場合。接觸測量與不接觸測量接觸測量：儀器的測量頭與工件的被測表面直接接觸，并有機(jī)械作用的測力存在

17、。不接觸測量：儀器的測量頭與工件的被測表面之間沒有機(jī)械的測力存在。比較測量：比較法是指被測量與已知的同類度量器在比較器上進(jìn)行比較，從而求得被測量的 一種方法。這種方法用于高準(zhǔn)確度的測量。直接和非直接比較測量技術(shù)按照測量的進(jìn)行方式，測量技術(shù)可分為以下兩種。直接比較測量技術(shù)：在測量中，將被測量與已知其值的同一種量相比較。其測量不確定度 主要取決于標(biāo)準(zhǔn)量值的不確定度和比較器的靈敏度和分辨力，它可克服由于測量裝置的動態(tài) 范圍不夠和頻率響應(yīng)不好所引入的非線性誤差。非直接比較測量技術(shù)：不是將被測量的量值與標(biāo)準(zhǔn)量值相比較的比較測量。微差法、符合 法、補(bǔ)償法、諧振法、衡消法等屬于這一類。在建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的測量中，經(jīng)常采用基本測量技術(shù)，即絕對測量技術(shù)。這是通過對有關(guān)的基 本量的測量來確定被測量值。其測量不確定度一般是通過實(shí)驗(yàn)、分析和計(jì)算得出，精度高，但所需裝置復(fù)雜。測量中的技術(shù)措施- 在測量中，還有一些基本技術(shù)措施對于低電平、高頻率、高精度的測量十分重要。接地：接地不