無線傳感器網絡技術概論課件：無線傳感器網絡傳感技術

3.1.1傳感技術的地位和作用

1．傳感器與智能機器

當今社會進步和發(fā)展的標志就是信息化，人類文明已進入信息時代。人們的社會活動越來越依賴信息化裝備實現對信息資源的開發(fā)、獲取、傳輸與處理。傳感器是獲取自然領域中信息的主要途徑與手段，是現代信息化裝備的中樞神經系統(tǒng)。傳感器是指那

些對被測對象的某一確定的信息具有感受響應與檢測功能，并使之按照一定規(guī)律轉換成與之對應的可輸出信號的元器件或裝置的總稱。傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，一切科學研究和生產過程所要獲取的信息都要通過它轉換為容易傳輸和處理的電信號。

從無線傳感網及物聯網的角度看，傳感技術是衡量一個國家信息化程度的重要標志，傳感技術、計算機技術與通信技術一起被稱為信息技術的三大支柱，如果把計算機比喻為處理和識別信息的“大腦”，把通信系統(tǒng)比喻為傳遞信息的神經系統(tǒng)，那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺器官”。

傳感器是人類在漫長進化過程中逐漸發(fā)明出來的，人類在從事復雜勞動和探尋自然界奧秘的時候，貪逐漸認識到僅靠自身的五個感覺器官接收外界信息已不能滿足需要，必須制作能夠替代和擴展五官功能的工具。自從古埃及人發(fā)明了天平，傳感器便與人類結下了不解之緣。如今歷史車輪已碾進21世紀，人類的部分勞動也已交由機器人完成。在眾多機器人中智能機器人的工作過程完全模仿了人體的活動機理，傳感器將外界信息傳送給相當于人腦的計算機處理，而相當于人體四肢的執(zhí)行機構則按計算機指令進行操作，圖3-1所示為人的身體與機器人的對應關系。

由此可見，在現代工業(yè)生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，以保證產品達到最好的質量?？梢哉f，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現代化生產也就失去了基礎。

圖3-1人的身體與機器人的對應關系2．傳感器與感覺器官

通常，根據傳感器的基本感知功能可將傳感器分為熱敏傳感器、光敏傳感器、氣敏傳感器、力敏傳感器、磁敏傳感器、濕敏傳感器、聲敏傳感器、放射線傳感器、色敏傳感器和味敏傳感器等十大類。具備“感覺器官”的傳感器稱為“電五官”，是人類五官的儀器信息化。光敏傳感器相當于視覺，聲敏傳感器對應聽覺，氣敏傳感器對應嗅覺，化學傳感器則是味覺的延伸，壓敏、溫敏、流體傳感器則相當于觸覺。圖3-2所示為感覺器官與電五官的關系圖。

圖3-2感覺器官與電五官的關系圖

目前，傳感器的性能雖然還達不到人體器官的感知性，但在量化數據、檢測范圍等方面已經完全可以代替人體器官，人類感覺器官與傳感器差異的具體表現如下：

1)眼睛與視覺傳感器

眼睛是人體的視覺器官，可識別物體的材質、方位、形狀、顏色及大小等，但人的視力僅限于可見光范圍，而視覺傳感器還能檢測到紅外線、可見光及紫外線。

紅外線視覺傳感器之所以能在伸手不見五指的黑夜看清物體，是因為溫度超過絕對零度(-273.15℃)的物體都會以紅外線形式向外輻射能量。該能量與物體的溫度、材質、狀態(tài)有關，測出輻射能量便能鑒別物體。紅外線視覺傳感器還能檢測人體血糖濃度(或啤酒渾濁度)，讓散射光照在傳感器前方的手指上，部分特定波長的光線被血液中的葡萄糖吸收而使光譜發(fā)生變化，測出該變化可得到葡萄糖的吸收數據，進而得到血糖濃度等。

視覺CCD傳感器依其光敏元排列方式分為線型和面型，每個光敏元的光生電荷量不僅含有光照度的信息，還含有該單元位置的信息。這種視覺傳感器具有小型、響應快、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，能夠觀察物體的位置、姿態(tài)、尺寸及表面狀況，被廣泛應用于攝像機、掃描儀等設備。

色彩視覺傳感器由紅、綠、藍三色光濾波器和光電器件組成，能看出紅、綠、藍及12種中間色，所以被用于涂料、染料及各種印刷品的色測定、色差管理和色均勻度判別。

雷達及光纖傳感器是真正的“千里眼”，雷達的原理是發(fā)射電波再接收回波，由時間差測定距離。雷達普遍用于找尋目標和測定距離，如微型脈沖雷達就被用作無人駕駛系統(tǒng)的“眼睛”。光纖傳感器采用光波傳遞信息，具有頻帶寬、不受電磁干擾、耐腐蝕和可靠性高的特點，用于檢測各種機械量、過程控制量和電磁量。

2)皮膚與觸覺傳感器

作為人體觸覺器官的皮膚能感受壓力、硬度、形狀、滑動、振動、溫度等刺激，而各種觸覺傳感器同樣能對物體表面的物理性質進行測試。

手指觸覺傳感器(常用在機器手指的表面)是用橡膠膜制成的，中心為一根細導線，中間布滿了細小顆粒。這種顆粒被壓得越厲害，流經導線的電流就越大。手指觸覺傳感器能識別小于1mm的凹凸，達到了人體指尖的靈敏度。

滑覺傳感器利用PVDF的順噪效應或對陣列式觸覺傳感器的圖像分析來檢測作用在機械手上的平行力，借助滑覺傳感器可以控制機械手用最小的力握住物體而不讓其滑動。

人體皮膚感受溫度時只能在-40～80℃范圍內了解其冷熱，否則就會受傷；而溫度傳感器不但測量范圍寬(從絕對零度到核融等離子體溫度)，而且具有人類望塵莫及的靈敏度，紅外溫度傳感器還能進行非接觸測量。

3)耳朵與聽覺傳感器

耳朵是人體的聽覺器官，其機理是耳膜受外界的振動沖擊并將信息送至大腦，耳朵輪廓的復雜形狀使大腦感知聲源的方位，人耳能感知的振動頻率稱為音頻。

麥克風和超聲波傳感器是常見的聽覺傳感器，前者能感知聽到的聲音，后者則能聽到高于20kHz的“聲音”，常用于無

無損探傷。當物體產生應變時，內部以超聲波形式發(fā)出“聲音”，超聲波傳感器將之轉換為電信號進行處理。聽覺傳感器已應用于機械、地震、航空、建筑等行業(yè)。

電容式聽覺傳感器能聽到火焰發(fā)出的“聲音”，其原理是檢測火焰周圍的空氣振動，并與已知的頻率比對，從而判別火焰存在與否。

4)鼻子與嗅覺(氣體)傳感器

鼻子是人體的嗅覺器官，與之對應的是各種嗅覺(氣體)傳感器。人類能感受酒精、丙酮等強烈氣味的氣體，但不能嗅出無色無味的氫、氦、氮、丁醇等氣體。而氣體傳感器不僅可以嗅出氣體的種類，還可嗅出氣體的濃度。例如，催化燃燒時氣體傳感器在吸收了氫氣、一氧化碳、烷、醚、醇、苯、天然氣、沼氣等氣體后，發(fā)生還原反應，放出熱量使元件溫度升高、電阻值改變，變化量取決于氣體的濃度及成分。氣體傳感器在礦井、管道、車庫內被制成各種氣體報警裝置。此外，利用氣體傳感器檢測汽車尾氣的成分，調節(jié)發(fā)動機中空氣與燃料的比例，使燃燒更充分，減少環(huán)境污染。

5)舌頭與味覺傳感器

人體舌頭上的每一個小阜均含有250顆左右味蕾，味蕾的內外側有100mV的電位差。當口腔含有食物時，舌頭表面的活性酶有選擇地跟某些物質起反應引起電位差改變，刺激神經組織而產生味覺。

味覺傳感器是基于模仿機理的。在膜體上附著上生物酶，酶便有選擇地與被檢測物質進行生化反應，然后通過電化學方法將反應產生的電動勢或電流轉換為傳感器的輸出信號進行測量。味覺傳感器常用于在線檢測發(fā)酵過程的pH值，甜度以及檢測肌肉素、尿素、血液中的氨基酸等。

感覺傳感器雖然在某些性能上超過人類，但人體細胞及蛋白質的復雜多樣性使感覺傳感器在更多方面仍然無法與人體五官比擬。然而完全有理由相信，隨著機器人技術的進一步發(fā)展，更多的感覺傳感器的功能將會趕上甚至超過人體五官。3．傳感器的主要作用

傳感技術是關于從自然信源獲取信息，并對之進行處理(變換)和識別的一門多學科交叉的現代科學與工程技術，它涉及傳感器(又稱換能器)，信息處理和識別的規(guī)劃設計、開發(fā)、制/建造、測試、應用及評價改進等活動。

現在傳感技術應用于很多行業(yè)領域，目前傳感技術廣泛用于軍事、國防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計量測試、建筑、家用電器等領域。傳感技術的主要作用有以下四個方面：

(1)在非電量測量方面的作用。很多物理現象及規(guī)律如溫度、壓力、濕度等都是非電量，這些非電量早期都采用非電量方法測量。隨著科學發(fā)展，對測量準確度和測量速度提出新的要求，傳統(tǒng)方法不能滿足測量要求，所以必須采用傳感器電測技術，把非電信息轉換為電量信息進行測量。

(2)在工業(yè)生產及自動化方面的作用。在現代化生產過程中，需用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產過程的各個參量，使設備工作在最佳狀態(tài)或正常狀態(tài)，特別是傳感器與計算機結合，使自動化過程具有更準確、快捷、效率高等優(yōu)點。如果沒有傳感器，現代化生產就失去基礎，工業(yè)化程度將大大降低。

(3)在基礎學科研究方面的作用?，F代科學技術的發(fā)展，介入了許多新的科學領域。從茫茫的宇宙到微觀粒子世界，許多未知的現象和規(guī)律的研究都要依靠大量人類感官無法獲得的信息，故沒有相應的傳感器是不可能達到目的的。

(4)在軍事方面的作用。傳感器技術在軍用電子系統(tǒng)的運用，促進了武器、作戰(zhàn)指揮、控制、監(jiān)視和通信方面的智能化。傳感器在遠方戰(zhàn)場監(jiān)視系統(tǒng)、防空系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、導彈系統(tǒng)等方面都有廣泛的應用，是提高軍事戰(zhàn)斗力的重要因素。3.1.2傳感技術的現狀及發(fā)展趨勢

1．傳感技術的歷史回顧和現狀

現在，傳感技術的地位和作用日益被人們所認識，發(fā)展現代傳感技術是貫徹落實《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》的需要和重要舉措，已經成為搶占科技制高點的必然途徑，是發(fā)展我國傳感器及測量儀器民族工業(yè)的必然選擇，是增強我國在國際貿易中的話語權的重要手段，是增強我國綜合國力的戰(zhàn)略措施。

傳感技術在20世紀的中期問世，是在各國不斷發(fā)展與提高的工業(yè)化浪潮下誕生的。當時傳感技術的發(fā)展遠遠落后于與計算機技術和數字控制技術的發(fā)展，早期的傳感技術多用于國家級項目的科研研發(fā)、各國軍事技術以及航空航天領域的試驗研究。隨著各國機械工業(yè)、電子、計算機、自動化等相關信息化產業(yè)的迅猛發(fā)展，以日本和歐美等西方國家為

代表的傳感器研發(fā)及其相關技術產業(yè)得到快速發(fā)展，并已在民品市場中逐步占有了極大的份額。

我國從20世紀60年代末開始傳感技術的研究與開發(fā)，經過“七五”、“八五”的國家攻關，在傳感器研究開發(fā)、設計、制造、可靠性改進等方面獲得長足的進步，初步形成了傳感器研究、開發(fā)、生產和應用的體系，并在數控機床攻關中取得了一批可喜的、為世界矚目的發(fā)明專利與工況監(jiān)控系統(tǒng)或儀器的成果。但從總體上講，它還不能適應我國經濟與科技的迅速發(fā)展，我國不少傳感器芯片、信號處理和識別系統(tǒng)仍然依賴進口。同時，我國傳感技術產品的市場競爭力優(yōu)勢尚未形成，產品的改進與革新速度慢，生產與應用系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進少。

從21世紀初開始，傳感技術引入基于微電子工藝的MEMS技術，使傳感器向著微型化、集成化、智能化方向發(fā)展。傳感器已成為汽車、制造機器人等工業(yè)領域的必備產品。傳感器制造技術也成為促進手機、家電等消費類電子產品快速發(fā)展的推動力。當今社會已經邁向信息化時代，無線傳感器網絡和物聯網技術的出現使得傳感器技術成為一種與現代科學密切相關的信息獲取的關鍵部件，并有機會尋求更大的突破與飛躍。在國外，傳感技術已廣泛地運用到各國軍事技術、航空航天、檢測技術以及車輛工程等諸多領域。例如，在軍事上，國外激光制導技術迅猛發(fā)展，使導彈發(fā)射的精度和射中目標的準確性大幅度提高；美國在航空航天領域研制出了新型高精度高耐性紅外測溫傳感器，使其在惡劣的環(huán)境中仍能高精度測量出運行中的飛行器各部分溫度；國外的城市交通管理也大多運用電子紅外光電傳感器進行路段事故檢測和故障排解；同時，國外現有汽車中常裝載有新型光電傳感器，如激光防撞雷達、紅外夜視裝置、測量發(fā)動機燃料特性裝置、測量壓力變化裝置及用于導航的光纖陀螺等。在國內，傳感器行業(yè)發(fā)展迅速，傳感器市場近些年一直持續(xù)增長，勢頭良好，傳感器主要應用于工業(yè)制造、汽車產品、電子通訊和專用設備，其中工業(yè)制造和汽車產品達到市場份額的三分之一。傳感器給我國的迅速發(fā)展帶來了無限商機，西門子、霍尼韋爾、凱樂、橫河等傳感器大企業(yè)紛紛進入我國市場，為我國工業(yè)設備制造商和汽車制造業(yè)等傳感器最終消費者帶來了很大便利，但也對國內傳感器行業(yè)施加了很大壓力。國內傳感器產品存在的主要問題：品種少、質量較差；制造工藝技術相對落后；生產企業(yè)不掌握先進的核心制造技術；高性能傳感器的科研成果轉化率較低。

就目前的現狀來看，無論是在國內還是在國外，傳感技術的發(fā)展都決定著人類信息化的發(fā)展進度。傳感器技術已成為當今科技領域的核心和支撐技術。

2．發(fā)展趨勢與特點

人類自21世紀開始全面步入信息時代，從一定意義上講，也就是進入了傳感器時代。當前備受國際關注的物聯網產業(yè)對于傳感器技術的依賴程度尤為突出。溫家寶總理在無錫視察時明確指出，要“盡快建立中國的傳感信息中心”、“在傳感網發(fā)展中，要早一點謀劃未來，早一點攻破核心技術”。由此可見，作為國際競爭戰(zhàn)略的重要標志性產業(yè)，傳感器產業(yè)以其技術含量高、市場前景廣闊等特點備受世界各國關注。傳感器產業(yè)的發(fā)展不僅為

物聯網提供支撐，還將在傳統(tǒng)產業(yè)轉移與技術升級，以及在當前經濟結構調整和轉型中發(fā)揮積極作用。與此同時，物聯網產業(yè)的發(fā)展也為傳感技術提升和產業(yè)發(fā)展提供了巨大市場空間。傳感器變革的方向主要有三個：微型化、智能化和可移動性。在傳感器技術與制造工藝上，美、德、日等工業(yè)發(fā)達國家處于國際市場的領先地位。國內目前技術發(fā)展與創(chuàng)新的重點在材料、結構和性能改進三個方面：敏感材料從液態(tài)向半固態(tài)、固態(tài)方向發(fā)展；結構向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展；性能向檢測量程寬、檢測精度高、抗干擾能力強、性能穩(wěn)定、壽命長久方向發(fā)展。長期以來，國內企業(yè)過于分散，產業(yè)集中度不高，生產工藝裝備相對落后，缺乏技術創(chuàng)新的基礎和動力，均以仿造及二次開發(fā)為主，特別在敏感元件核心技術及生產工藝方面與國外差距較大，

導致產業(yè)化水平不能適應市場快速變化和急劇增長的需求，國際競爭力不強，制約和影響了我國傳感器產業(yè)的正常發(fā)展。

物聯網技術的推進對傳感器技術提出了新的要求，促使產品向MEMS工藝技術、無線數據傳輸網絡技術、新材料、納米、薄膜(含SOI)、陶瓷技術、光纖技術、激光技術、復合傳感器技術等多學科交叉的融合技術方向發(fā)展。從國際整體發(fā)展狀況來看，傳感技術具體有以下四個方面發(fā)展趨勢：

(1)無線網絡化技術應用，能適應野外惡劣的自然環(huán)境與條件，能保持精度高、壽命長、可靠性高和長期穩(wěn)定性好，集防竊取、信息安全、保密性等高等功能于一體的無線網絡化技術。

(2)運用新原理、新結構、新材料，實現微功耗、低成本、高可靠性等參數指標的提升。如薄膜技術、光纖技術、納米技術、人工假鼻、皮膚、人工手腕、髖關節(jié)等技術，動態(tài)模擬與動畫技術，高倍與遠程數據采集和仿真技術，為野外特殊環(huán)境下傳感器配備和提供的微能量獲取與收集技術等。

(3)研發(fā)更高技術和創(chuàng)新類產品，并重視產業(yè)化技術。如地震、颶風等自然災害預報與監(jiān)測類傳感器產品。

(4)拓展市場應用領域。如自然環(huán)境與生活基礎設施類產品開發(fā)和工藝技術研究，復雜狀況的各種產品結構設計。又如，跟蹤沙漠、森林、海洋、大氣等條件變化，研發(fā)應用于橋梁、道路和建筑等的各種無線網絡傳感器。

從成熟角度來看，傳感器產業(yè)化技術呈現出以下主要發(fā)展特征：

(1)重視基礎技術、基礎工藝和共性關鍵技術的研究，保證基礎技術與基礎工藝處于世界領先地位。

(2)重視制造工藝技術與裝備研究與應用，配置優(yōu)良的工藝裝備和檢測儀器，特別是智能化工藝設備，確保了工藝裝備的先進性。

(3)重視新產品和自主知識產權產品的開發(fā)，增強核心競爭力。瞄準全球傳感技術和市場的發(fā)展潮流與戰(zhàn)略前沿，確定研究課題和產品開發(fā)方向。

(4)重視傳感器的可靠性設計、控制與管理，嚴格控制工藝可靠性，有效地提高產品生產成品率。

(5)重視市場競爭，加強市場調查與分析，以快速響應市場。注重市場競爭中的個性化服務，做到響應及時、品質優(yōu)良、性價比高。

(6)重視產品技術標準，熟悉系統(tǒng)信息采集過程中上下游接口連接的各項標準的完整性、統(tǒng)一性、協(xié)調性。

正因為如此，傳感器產品品種繁多，規(guī)格齊全，集成化與模塊化結構性能強，產品內在與外觀質量并重。雖然外形結構類型千變萬化，但是傳感器產品品質、產業(yè)化規(guī)模技術水平始終較高，市場配套與服務能力較強。因此，應不斷把新技術運用和市場競爭推向新的高度，使同類產品不僅具有靈敏度、精度、穩(wěn)定性和可靠性等指標上的競爭優(yōu)勢，在新材料應用、生產制造工藝與產業(yè)化技術水平上也同樣形成明顯的競爭優(yōu)勢。

3.1.3傳感技術與無線傳感器網絡系統(tǒng)

微型計算機的普及、信息處理技術的飛速發(fā)展促使無線傳感網系統(tǒng)的產生。同時，無線傳感器網系統(tǒng)與人們的生活聯系日益緊密，形成了推動獲得信息的傳感技術發(fā)展的動力。無線傳感器網絡系統(tǒng)指的是將紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡，讓所有的物品都與網絡連接在一起，以方便識別和管理，因而又叫“物聯網”。比如，現實中，人們必須通過看、嘗、摸、聞才能形成對某種食物的綜合判斷，但如果把這幾種感知信息上傳至網上，那么即使身在遠方，人們也能隨時了解到這種食物的色香味，這就是傳感網技術的魅力。

所謂無線傳感器網絡，就是指由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內的各類廉價的小型(或微型)集成化傳感器節(jié)點協(xié)作實時感知、監(jiān)測各種環(huán)境或目標對象的信息，然后通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行智能處理，最后通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端，從而真正實現“無處不在”的計算理念。無線傳感網絡綜合了傳感技術、嵌入式計算技術、現代網絡技術、無線通信技術、分布式智能信息處理技術等。傳感器網絡的研究采用系統(tǒng)發(fā)展模式，因而必須將現代的先進微電子技術、微細加工技術、系統(tǒng)芯片SOC設計技術、納米材料技術、現代信息通信技術、計算機網絡技術等融合，以實現其小型化(微型化)、集成化、多功能化、系統(tǒng)化、網絡化，特別是實現傳感器網絡特有的超低功耗系統(tǒng)設計。無線傳感器網絡可以在長期無人值守的狀態(tài)下工作，在軍事國防、工農業(yè)、城市管理、智能交通、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多領域都有重要的科研價值、巨大的實用價值和廣闊的市場前景。

在無線傳感器網絡中，傳感器是信息采集的核心和關鍵。從仿生學觀點來看，如果把計算機看成處理和識別信息的“大腦”，把通信系統(tǒng)看成傳遞信息的“神經系統(tǒng)”的話，那么傳感器就是“感覺器官”。信息的獲取需要依靠各類傳感器，包括各種物理量、化學量或生物量的傳感器。按照信息論的凸性定理，傳感器的功能與品質決定了傳感器系統(tǒng)獲取自然信息的信息量和信息質量，它也是高品質傳感技術系統(tǒng)構造的關鍵。信息處理包括信號的預處理、后置處理、特征提取與選擇等。而識別的主要任務是對經過處理的信息進行辨識與分類。它利用被識別(或診斷)對象與特征信息間的關聯關系模型對輸入的特征信息集進行辨識、分類和判斷。因此，傳感技術是遵循信息論和系統(tǒng)論的，包含了眾多高新

技術，被眾多產業(yè)廣泛采用，也是現代科學技術發(fā)展的基礎條件，應該受到足夠地重視。

綜上所述，微小傳感器技術和節(jié)點間的無線通信能力使得無線傳感器網絡具有廣闊的應用前景。無線傳感器網絡在軍事、環(huán)境、健康、家庭和其他商業(yè)領域都有著廣泛應用，在空間探索和災難拯救等特殊的領域也有其得天獨厚的技術優(yōu)勢。無線傳感器網絡的發(fā)展必定對傳感器提出特殊功能要求，帶動傳感技術的發(fā)展。根據摩爾定律，傳感器將會更加趨于集成化、微型化和智能化，為我們的經濟與社會發(fā)展提供更大的驅動力。3.2傳感器的含義與分類

3.2.1傳感器的含義

傳感器(Transducer/Sensor)的定義：能感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件(SensingElement)是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件(TransducerElement)是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號以及其他某種可用信號的部分。傳感器狹義地定義：能把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件?？梢灶A料，當人類跨入光子時代，光信息成為更便于快速、高效地處理與傳輸的可用信號時，傳感器的概念將隨之發(fā)展成為：傳感器是能把外界信息轉換成光信號輸出的器件。

傳感器的任務就是感知與測量。在人類文明史的歷次產業(yè)革命中，感受、處理外部信息的傳感技術一直扮演著一個重要的角色。在18世紀產業(yè)革命以前，傳感技術由人的感官實現：人觀天象而仕農耕，察火色以冶銅鐵。從18世紀產業(yè)革命以來，特別是在20世紀信息革命中，傳感技術越來越多地由人造感官即工程傳感器來實現。目前，工程傳感器應用廣泛，可以說任何機械電氣系統(tǒng)都離不開它。現代工業(yè)、現代科學探索，特別是現代軍事都要依靠傳感技術。如果一個大國沒有自身傳感技術的不斷發(fā)展，必將處處受制。

現代技術的發(fā)展，創(chuàng)造了多種多樣的工程傳感器。工程傳感器可以輕而易舉地測量人體所無法感知的量，如紫外線、紅外線、超聲波、磁場等。從這個意義上講，工程傳感器超過人的感官能力。有些量雖然人的感官和工程傳感器都能檢測，但工程傳感器測量得更快、更精確。例如，雖然人眼和光傳感器都能檢測可見光進行物體識別與測距，但是人眼的視覺殘留約為0.1s，而光晶體管的響應時間可短至納秒以下；人眼的角分辨率為1'，而光柵測距的精確度可達1"；激光定位的精度在月球距離3×104km范圍內可達10cm以下；工程傳感器可以把人所不能看到的物體通過數據處理變?yōu)橐曈X圖像，CT技術就是一個例子，它把人體的內部形貌用斷層圖像顯示出來，其他的還有遙感技術。

但是，目前工程傳感器在以下幾方面還遠比不上人類的感官：多維信息感知、多方面功能信息的感知功能、對信息變化的微分功能、信息的選擇功能、學習功能、對信息的聯想功能、對模糊量的處理能力以及處理全局和局部關系的能力，這正是今后傳感器智能化的一些發(fā)展方向。隨著信息科學與微電子技術，特別是微型計算機與通信技術的迅猛發(fā)展，傳感器的發(fā)展走上了與微處理器或微型計算機相結合的必由之路，智能(化)傳感器的概念應運而生。傳感器技術則是涉及傳感(檢測)原理、傳感器件設計、傳感器開發(fā)和應用的綜合技術，因此傳感器技術涉及多學科交叉研究。3.2.2傳感器的分類和性能要求

傳感器主要按其工作原理和被測量來分類。傳感器按其工作原理，一般可分為物理型、化學型和生物型三大類；按被測量——輸入信號分類，一般可以分為溫度、壓力、流量、物位、加速度、速度、位移、轉速、力矩、濕度、粘度、濃度等傳感器。傳感器按其工作原理分類便于學習研究，把握本質與共性；而按被測量來分類，能很方便地表示傳感器的功能，便于選用。傳感器的分類，如表3-1所示。

表3-1傳感器的分類分類法類型說明按構成基本效應分物理型、化學型、生物型分別以轉換中的物理效應、化學效應等命名按構成原理分結構型以其轉換元件結構參數特性變化實現信號轉換物性型以其轉換元件物理特性變化實現信號轉換按能量關系分能量轉換型傳感器輸出量直接由被測量能量轉換而得能量控制型傳感器輸出量能量由外電源供給，但受被測輸入量控制按作用原理分應變型、電容型、壓電型、熱電型等以傳感器對信號轉換的作用原理命名按輸入量分位移、壓力、溫度、流址、氣體等以被測量命名(即按用途分類法)按輸出量分模擬型輸出量為模擬信號數字型輸出量為數字信號

物理型傳感器又可分為物性型傳感器和結構型傳感器。物性型傳感器是利用某些功能材料本身所具有的內在特性及效應感受被測量，并轉換成電信號的傳感器。在物性型傳感器中，敏感元件與轉換元件合為一體，一次完成“被測非電量→有用電量”的直接轉換。結構型傳感器是以結構為基礎，利用某些物理規(guī)律來感受被測量，并將其轉換成電信號

的傳感器。這里需要加入轉換元件，實現“被測非電量→有用非電量→有用電量”的間接轉換。

按照敏感元件輸出能量的來源又可以把傳感器分成以下三類：

(1)自源型為僅含有轉換元件的最簡單、最基本的傳感器構成類型。此類型的特點：不需外能源；其轉換元件具有從被測對象直接吸取能量，并轉換成電量的電效應；但其輸出能量較弱。一般包括如熱電偶、壓電器件等。

(2)帶激勵源型是轉換元件外加輔助能源的構成類型。這里的輔助能源起激勵作用，它可以是電源，也可以是磁源。如某些磁電式傳感器和霍爾式傳感器等。此類傳感器的特點是：不需要變換(測量)電路即可有較大的電量輸出。

(3)外源型由利用被測量實現阻抗變化的轉換元件構成，它必須通過外電源經過測量電路在轉換元件上加入電壓或電流，才能獲得電量輸出。這些測量電路又稱為“信號調理與轉換電路”，常用的有電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器和脈沖調寬電路等。

自源型和帶激勵源型傳感器由于其轉換元件起著能量轉換的作用，故稱其為能量轉換型傳感器，外源型傳感器又稱為能量控制型傳感器。能量轉換型傳感器中用到的物理效應：壓電效應、磁致伸縮效應、熱釋電效應、光電動勢效應、光電放射效應、熱電效應、光子滯后效應、熱磁效應、熱電磁效應、電離效應等；能量控制型傳感器中用到的物理效應：應變電阻效應、磁阻效應、熱阻效應、光電阻效應、霍爾效應、約瑟夫遜效應以及阻抗(電阻、電容、電感)幾何尺寸的控制等。應變電阻效應、磁阻效應、熱阻效應、光電阻效應、霍爾效應、約瑟夫遜效應以及阻抗(電阻、電容、電感)幾何尺寸的控制等。

對傳感器的基本性能要求如下：

①足夠的容量——傳感器的工作范圍或量程足夠大；傳感器具有一定的過載能力。

②靈敏度高，精度適當——要求其輸出信號與被測輸入信號成確定關系(通常為線性)，且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應與動態(tài)響應的準確度能滿足要求。

③響應速度快、工作穩(wěn)定、可靠性好。

④適用性和適應性強——體積小、重量輕、動作耗損能量小，對被測對象的狀態(tài)影

響?。粌炔吭肼曅《植灰资芡饨绺蓴_；其輸出力求采用通用或標準形式，以便與系統(tǒng)

對接。

⑤使用經濟——成本低，壽命長，且便于使用、維修和校準。3.3典?型?傳?感?器

3.3.1力敏傳感器

力敏傳感器是用來檢測氣體、固體、液體等物質間相互作用力的傳感器，力敏傳感器常用的敏感材料有半導體、金屬及合成材料。常用的力敏傳感器主要有電阻應變片、硅壓阻式力敏傳感器和電容式力敏傳感器等。其中，硅壓阻式力敏傳感器的性能最好，其優(yōu)點是靈敏度好、精度高，但受溫度影響比較大。

力敏傳感器中的電阻應變片能將機械構件上的變化轉換為電阻的變化，因為導體的電阻與材料的電阻率及它的幾何尺寸(長度和截面積)有關。由于導體在承受機械形變過程中，其電阻率、長度和截面積都會發(fā)生微小的變化，從而導致其電阻發(fā)生變化。

電阻應變片主要有金屬絲式應變片、金屬箔式應變化和半導體應變片。傳感器將四片相同的電阻應變片分別粘貼在彈性平行梁的上下兩表面的適當的位置，梁的一端固定，另一自由端用于加載外力F，力敏傳感器結構示意圖如圖3-3所示。彈性梁受載荷作用而彎曲，梁的上表面受到拉力，梁上面的兩個電阻應變片R1和R2因受拉力而電阻增大；梁的下表面受壓力，R3和R4電阻減小。這樣，通過外力的作用使梁發(fā)生形變進而造成四個電阻的值發(fā)生變化，把應力的變化轉化為電阻的變化。

圖3-3力敏傳感器結構示意圖

應變片的電阻值R1?=?R2?=?R3?=?R4，由應變片組成的全橋測量電路如圖3-4所示。當應變片受到外力作用時，彈性體產生形變，使得粘貼在彈性體上的電阻應變片R1～R4的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，有電壓輸出，輸出的電壓值U與所受到的外力F的大小成正比。即U?=?K?×?F，其中K是力敏傳感器的靈敏度。圖3-4應變片全橋測量電路

利用這種力敏效應可以檢測力的相關參數，可分為幾何學量、運動學量及力學量三部分。其中，幾何學量指的是位移、形變、尺寸等；運動學量是指幾何學量的時間函數，如速度、加速度等；力學量包括質量、力、力矩、壓力、應力等。力敏電阻器的主要參數有：

(1)溫度系數。力敏電阻器的電阻值的變化與溫度有關。溫度變化1℃，電阻值變化的百分數稱為溫度系數。

(2)靈敏度系數。指力敏電阻器形變與電阻值的變化關系，形變與電阻值的變化關系必須滿足?r/r=k?l/l，其中K就是靈敏度系數。

(3)靈敏度溫度系數。當溫度升高時力敏電阻器的靈敏度下降，溫度每升高1℃，靈敏度系數下降的百分比稱為靈敏度溫度系數。

(4)溫度零點漂移。在環(huán)境溫度范圍內，環(huán)境溫度每變化1℃引起的零點輸出變化與額定輸出的百分比稱為溫度零點漂移。

3.3.2磁敏傳感器

磁敏傳感器是將磁場信息轉換成各種有用信號的裝置，它是各種測磁儀器的核心。到目前為止，已形成了十多種常用的測磁方法，研制和生產出了幾十個大類上百種測磁儀器。如圖3-5所示，一般測磁儀器都是由磁敏傳感器(磁敏元件和轉換器)、信號處理電路和讀出電路組成，傳感器決定儀器的基本性能(例如靈敏度、動態(tài)范圍、精確度)，信號處理電路可以實現放大、轉換(例如F/V、A/D等轉換)、補償、校正等功能。

圖3-5一般測磁儀器的組成方塊圖

作為信息載體的磁性材料一直是人們研究的重點。計算機信息存儲、音像信息的記錄，各種物體運動信息(位置、位移、速度、轉速等)，都可以借助磁性體作為信息載體。因而，需要大量各種各樣的磁讀出、寫入和傳感裝置，而這也促使磁敏傳感器逐漸地和測磁儀器分離，形成獨立的磁敏傳感器產品。可以說，任何一臺計算機、一輛汽車、一家工廠離開磁敏傳感器都不能夠正常工作。同時，磁敏傳感器已深入到人們日常生活中，例如收錄機、電視錄像機、空調機、洗衣機等，都大量地使用著磁敏傳感器。典型的磁敏傳感器主要有以下五種：

1．霍爾傳感器

霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾(A.H.Hall，1855—1938年)于1879年在研究金屬的導電機理時發(fā)現的。后來發(fā)現半導體、導電流體等也有這種效應，且半導體的霍爾效應比金屬強得多。之后，人們利用這現象制成各種霍爾元件，并將它廣泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。

霍爾效應從本質上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用引起的偏轉產生的效應。當帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中，這種偏轉就導致在垂直電流和磁場的方向上的正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場，圖

3-6所示為霍爾效應示意圖。

圖3-6霍爾效應示意圖

對于半導體而言，若在x方向通一電流Is，在z方向加磁場B，則在y方向即試樣A、A′電極兩側就開始聚積異號電荷而產生相應的附加電場。電場的指向取決于試樣的電類型。顯然，該電場是阻止載流子繼續(xù)向側面偏移，當載流子所受的由電場EH產生的電場力與洛侖茲力FB相等時，半導體兩側電荷的積累就達到平衡，故在垂直于電流和磁場的方向上產生電勢差，稱為霍爾電壓。如果兩輸出端構成外回路，就會產生霍爾電流。一般地，偏置電流的設定通常由外部的基準電壓源給出；若精度要求高，則基準電壓源均用恒流源取代。目前，多數商用的霍爾傳感器使用砷化銦，具有結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，靈敏度范圍為10-3～1000Gs，工作頻率范圍為0～1?MHz，功耗在0.1～0.2W之間，工作溫度范圍為-100～100℃。一般地，霍爾傳感器工作時需要通過溫度傳感器和運算放大器進行溫度補償。

2．磁阻傳感器

有些材料的阻值在磁場中會發(fā)生變化，通過這些材料制作的傳感器叫做磁阻傳感器。磁阻傳感器主要包括各向異性磁電阻(AnisotropicMagnetoResistance，AMR)傳感器和巨磁電阻(GiantMagnetoResistance，GMR)傳感器。傳感器由長而薄的坡莫合金(鐵鎳合金)制成一維磁阻微電路集成芯片(二維和三維磁阻傳感器可以測量二維或三維磁場)，一般是利用半導體工藝將鐵鎳合金薄膜附著在硅片上，磁阻傳感器及等效電路如圖3-7所示。

圖3-7磁阻傳感器及等效電路

AMR傳感器是利用一些材料的電阻與磁化、電流方向的角度關系制作的傳感器，材料主要為鐵磁介質。AMR傳感器靈敏度范圍為10-2～50Gs，工作頻率范圍為0～1GHz，功耗在0.1～0.5mW之間，工作溫度為-55～200℃。AMR傳感器重量輕、體積小，常應用于地磁場測量、電子羅盤、導航系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)的車輪速度測量。

GMR傳感器電阻的變化量會達到10%以上，有的會達到60%，而AMR傳感器的電阻變化量一般只有百分之幾。GMR傳感器能檢測的磁場范圍為10-3～104Gs。GMR傳感器通常由鐵磁層與抗鐵磁層交替組成的，靈敏度高、能耗和穩(wěn)定性好，可以應用在位移測量、精密機械定位、速度控制、導彈導航等領域。

3．測量線圈磁場計

測量線圈磁場計是基于法拉第電磁感應定律的原理來測量磁場的，線圈通過時變磁場或一個非均勻磁場時，線圈的磁通密度會發(fā)生變化，線圈中會感應出電流，而輸出電壓與導線兩端磁通密度的變化率成正比。測量線圈磁場計的靈敏度與鐵磁芯材料的磁導率、線圈面積、線圈匝數以及磁通密度通過線圈的變化率有關，此類傳感器沒有檢測上限，靈敏度可以通過改變鐵磁芯的方式加以改善，主要應用在環(huán)境較惡劣的場合。測量線圈磁場計只能用來測試時變磁場，不能用于直流磁場的測量。測量線圈磁場計能測量的磁場大于20fT；典型的頻率范圍為1?Hz～1?MHz，頻率上限受制于線圈電感與電阻的比；功耗在1～10?mW之間；線圈的典型尺寸在0.05～1.3?m之間。

4．磁通門傳感器

磁通門傳感器實際上就是利用變壓器的電磁感應效應，通過磁芯將外界磁場調制成偶次諧波感應電動勢，實現對外界環(huán)境磁場測量的。在一根磁性材料的磁芯上，分別繞制兩組三維螺線管線圈，其中一組為激勵線圈，另一組為感應線圈，鐵、鈷、鎳及其合金等均屬于高磁導率磁介質，其磁導率高達104～105，在磁場中它們有極強的聚磁能作用，圖3-8所示為電磁感應示意圖。當一正弦激勵電流流過其中一個線圈時，電流會使鐵磁芯磁化。由于磁滯現象，通過鐵芯的磁通密度會落后于電流產生的磁場強度，所以通過鐵芯的磁通密度的改變可以通過第二個線圈檢測出來，一般磁性材料的磁化曲線如圖3-9所示。其中，Hc表示磁性材料的矯頑力；Hs表示磁性材料的飽和磁場強度；Br表示磁性材料的剩余磁場；Bs表示磁性材料的飽和磁感應強度。

圖3-8電磁感應示意圖圖3-9磁性材料的磁化曲線

上述物理模型可以說明，這種與變壓器相伴生的現象，對于環(huán)境磁場來說就好像是一道“門”，通過這道“門”，環(huán)境磁場被調制成偶次諧波感應電動勢，這種現象稱為磁通門現象。由環(huán)境磁場產生的那部分感應電動勢稱為磁通門信號。磁通門的高穩(wěn)定性、高線性度和高精度，使其成為測量高精度弱磁場的最優(yōu)選擇。它們可以對直流(DC)場進行精確測量，大量應用在磁羅盤導航系統(tǒng)方面，也可以用來檢測潛艇、探礦和測量電流。磁通門的靈敏度范圍為10-2～107nT，分辨率為100pT，響應頻率的上限為10kHz，功耗約100mW。該傳感器具有復雜的磁芯線圈，并且重量大、功耗大，而減小重量和功耗的同時會減小靈敏度和穩(wěn)定性。因此，為了獲得小型化磁通門傳感器必須解決兩個問題：線圈的小型化和磁芯的集成。

5．SQUID磁場計

SQUID磁場計是基于某種材料處于它的超導溫度后電流和磁場之間的顯著反應來測量磁場的。當材料處于超導溫度時，會成為超導體，對電流沒有阻力。磁通密度的磁力線通過一個超導材料制備的線圈會在環(huán)中感應出電流，在沒有任何干擾的情況下，該電流會一直存在。而產生的電流的大小與磁通密度有關，電流的測量是根據約瑟夫森效應進行的。SQUID的靈敏度非常高，適合應用在天文學、地質學和醫(yī)學方面。

目前，SQUID磁場中是低頻(小于1Hz)測量磁場最靈敏的設備，可達fT的數量級，工作時功耗為幾瓦。SQUID磁場中工作在低溫狀態(tài)并且對電磁干擾非常敏感，需要復雜的

基礎設備(液氮和電磁屏蔽等)，所以SQUID的體積和重量都非常大，從而限制了它的應用范圍。

3.3.3光敏傳感器

光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，主要有光電管傳感器、光電倍增管傳感器、光敏電阻傳感器、光敏三極管傳感器、太陽能電池傳感器、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。光敏傳感器的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光敏傳感器不只局限于對光的探測，還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉換為光信號的變化即可。

一般地，光敏傳感器內裝有一個高精度的光電管，當向光電管兩端施加一個反向的固定壓力時，任何光子對它的沖擊都將導致其釋放出電子。光照強度越高，光電管的電流也就越大，電流通過一個電阻時，電阻兩端的電壓被轉換成可被采集器的數模轉換器接收的0～5V電壓，然后采集器以適當的形式把結果保存下來。簡單地說，光敏傳感器就是利用光敏電阻受光線強度影響而阻值發(fā)生變化的原理向主機發(fā)送光線強度的模擬信號的。

1．光敏電阻

光敏電阻是最簡單的光敏傳感器，其工作原理是利用半導體內的光電效應，當有光照射半導體表面時，光子能量被半導體吸收，半導體受激發(fā)產生電子-空穴對，從而提高導電載流子濃度，降低半導體電阻；當入射光消失后，由光子激發(fā)產生的電子-空穴對將復合，半導體阻值也就恢復原值。入射光強，電阻減小；入射光弱，電阻增大，光敏基本原理如圖3-10所示。圖3-10光敏電阻基本原理

在半導體光敏電阻兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體，通常采用涂敷、噴涂、燒結等方法在絕緣襯底上制作。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可加交流電壓，半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子的數目。光敏電阻的光譜范圍從紫外線區(qū)到紅外線區(qū)。光敏電阻具有靈敏度高、體積小、性能穩(wěn)定、價格較低等優(yōu)點。光敏電阻的主要性能參數如下：光敏電阻不受光照時的電阻稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流；受到光照時的電阻稱為亮電阻，此時電流稱為亮電流；暗電阻越大越好，亮電阻越小越好。實際應用中，暗電阻大約在兆歐級，亮電阻大約在幾千歐以下。圖3-11所示為光敏電阻結構、圖形符號。光敏電阻屬半導體光敏器件，除具有靈敏度高、反應速度快、光譜特性及r值一致性好等特點外，在高溫、多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應用于照相機、太陽能庭院燈、草坪燈、驗鈔機、石英鐘、音樂杯、禮品盒、迷你小夜燈、光聲控開關、路燈自動開關以及各種光控玩具、光控燈飾、燈具等光自動開關控制領域。

圖3-11光敏電阻結構、圖形符號

2．光敏二極管

光敏二極管與半導體二極管在結構上是類似的，其管芯是一個具有光敏特征的PN結，PN結具有單向導電性，因此工作時需要加上反向電壓。當光線照射PN結時，可以使PN結中產生電子-空穴對，使少數載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下產生漂移，使反向電流增加。

無光照時，光敏二極管有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時光敏二極管處于截止狀態(tài)。當受到光照時，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，并隨入射光強度的變化而變化。因此，可以利用光照強弱來改變電路中的電流，無光時PN結處于截止狀態(tài)，有光時PN結處于導通狀態(tài)。

3．光敏三極管

光敏三極管分為PNP和NPN兩種。

光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不僅受基極電路和電流控制，還受光輻射控制。

通常，光敏三極管的基極不引出，但一些光敏三極管的基極會引出，用于溫度補償和附加控制等。

光敏三極管的光電特性：當光敏電阻兩極電壓固定不變時，光照度與電阻及電流間的關系稱為光電特性，光電特性曲線如圖3-12所示。

圖3-12光電特性曲線3.3.4溫度傳感器

溫度傳感器是指能感受溫度并將其轉換成可用輸出信號的傳感器，是溫度測量儀表的核心部分，其品種繁多。溫度傳感器按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性可分為熱電阻和熱電偶兩類。

1．接觸式

接觸式溫度傳感器通過接觸物體的傳導或對流達到熱平衡，從而使得傳感器輸出變化的信號可以直接表示為被測對象的溫度，其測量精度一般較高。在一定的測溫范圍內，此類溫度傳感器也可測量物體內部的溫度分布，但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤差。這類傳感器主要是基于熱電阻和熱電偶等兩種熱效應的，主要有鉑電阻、熱敏電阻、熱電偶、PN結型溫度傳感器以及硅半導體溫度傳感器等，溫度傳感器的性能對比如表3-2所示。類傳感器主要是基于熱電阻和熱電偶等兩種熱效應的，主要有鉑電阻、熱敏電阻、熱電偶、PN結型溫度傳感器以及硅半導體溫度傳感器等，溫度傳感器的性能對比如表3-2所示。

表3-2溫度傳感器性能對比

溫度傳感器類型靈敏度溫度系數/℃溫度范圍線性可靠性成本其他熱敏電阻高-4%窄差差低

鉑電阻低0.4%寬好好高

熱電偶低幾mV寬中中高需要參考點，使用不方便PN結型溫度傳感器中-2mV窄好中低分散性硅溫度傳感器較高0.7%較寬好好低

1)熱電偶

熱電偶是指由兩種不同成分的材質導體組成的閉合回路，其基本原理是當導體兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流流過，此時導體兩端就存在電動勢，即為熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(Seebeckeffect)，熱電偶模型如圖3-13所示。兩種不同成分的均質導體A和B為熱電極，溫度較高的一端為工作端t，溫度較低的一端為自由端t0，自由端

通常處于某個恒定的溫度下，此時回路中將產生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。這種現象稱為“熱電效應”，兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”。

圖3-13熱電偶模型

并不是所有材料都能組成熱電偶，一般對熱電偶的電極材料的基本要求如下：

①在測溫范圍內，熱電性質穩(wěn)定，不隨時間而變化，有足夠的物理化學穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；

②電阻溫度系數小，導電率高，比熱??；

③測溫中，產生的熱電動勢要大，并且熱電動勢與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數關系；

④材料復制性好，機械強度高，制造工藝簡單，價格低廉。

根據熱電動勢與溫度的函數關系，可以制成熱電偶分度表。分度表是自由端在溫度0℃的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類：標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電動勢與溫度的關系、允許誤差，并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。我國從1988年起，規(guī)定標準化熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為統(tǒng)一設計型熱電偶。表3-3為常用熱電偶型號、熱電極材料和使用溫度關系表。表3-3常用熱電偶型號、熱電極材料和使用溫度關系表型號熱電極材料使用溫度范圍/℃S鉑銠合金(銠含量10%)/純鉑0～1600R鉑銠合金(銠含量13%)/純鉑0～1600B鉑銠合金(銠含量30%)/鉑銠合金(銠含量6%)0～1800K鎳鉻/鎳硅0～1300T純銅/銅鎳0～350J鐵/銅鎳0～500N鎳鉻硅/鎳硅0～800E鎳鉻/銅鎳0～600

2)熱敏電阻

熱敏電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的。電阻的熱效應即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫熱敏電阻的阻值變化，就可以測量出溫度。目前，熱敏電阻主要有金屬熱敏電阻和半導體熱敏電阻兩類。

金屬熱敏電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關系式表示，即

Rt?=?Rt0[1

+?α?(t?-?t0)](3-1)

式中，Rt為溫度t時的阻值；Rt0為溫度t0(通常t0?=?0℃)時對應電阻值；α為溫度系數。

工業(yè)上常使用金屬熱敏電阻，其電阻會隨溫度變化，大部分金屬導體都有這個性質，但并不是都能用作測溫熱敏電阻，作為熱敏電阻的金屬材料一般要求：盡可能大且穩(wěn)定的溫度系數、電阻率要大(在同樣靈敏度下需要減小傳感器的尺寸)、在使用的溫度范圍內具有穩(wěn)定的化學物理性能、材料的復制性好、電阻值隨溫度變化要有間值函數關系(最好呈線性關系)。目前，實用化的金屬熱敏電阻材料為鉑、銅和鎳。

半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系為

Rt

=?AeB/t(3-2)式中，Rt為溫度為t時的阻值，A、B取決于半導體材料的結構的常數。相比較而言，熱敏電阻的溫度系數更大，常溫下的電阻值更高(通常在數千歐以上)，但熱敏電阻互換性較差，非線性關系強，測溫范圍只有-50～300℃左右，其大量用于家電和汽車的溫度檢測和控制。金屬熱敏電阻一般適用于-200～500℃范圍內的溫度測量，其特點是測量準確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程序控制中的應用極其廣泛。圖3-14為三種熱敏電阻特性曲線。

圖3-14熱敏電阻特性曲線

熱敏電阻是用具有不同溫度系數的半導體材料制成的，主要有正溫度系數(PTC)、負溫度系數(NTC)和臨界溫度系數(CTR)等三種。其中，正溫度系數和臨界溫度系數有居里溫度點，在居里溫度點附近傳感器阻值會隨著溫度變化產生劇烈改變。由于熱敏電阻是一種電阻性器件，任何電流源都會在其上因功率而發(fā)熱。功率等于電流平方與電阻的積，因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱環(huán)境中，將導致熱敏電阻永久性損壞。2．非接觸式

最常用的非接觸式溫度傳感器是基于黑體輻射基本定律的傳感器，輻射測溫法包括亮度法、輻射法和比色法。此類溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。黑體輻射定律是由德國物理學家普朗克(Max

Planck)于1900年所發(fā)現的，它是一個和實驗結果一致的純粹經驗公式，也是公認的物體間熱力傳導基本法則。普朗克提出了能量量子化假設：輻射中心是帶電的線性諧振子，它能夠同周圍的電磁場交換能量，諧振子的能量不連續(xù)，是一個量子能量的整數倍，即

(n?=?1,2,3,…)(3-3)式中，v是諧振子的振動頻率；h是普朗克常數，是量子論中最基本的常數。根據這個假設，可以導出普朗克公式為

·(3-4)

式(3-4)給出了輻射場能量密度按頻

率變化的分布式，其中T是熱力學

溫度，k是玻耳茲曼常數。輻射場

能量密度隨波長變化的分布曲線，

同實驗結果完全一致，如圖3-15

所示。圖3-15輻射場能量密度按波長變化

的分布曲線3.3.5氣敏傳感器

氣敏傳感器的檢測氣體可以分成以下三大類：一是生命保障氣體，主要是氧氣；二是易燃易爆氣體，如H2、CH4、C4H10等可燃性氣體；三是有毒有害氣體，包括CO、NO2、CO2和有機VOC蒸汽等。有毒有害和易燃易爆氣體具有很大的危害性，對人類來說是致命的。氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器，它將氣體種類及其與濃度有關的信息轉換成電信號，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警，還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。目前，氣敏傳感器采用的檢測方法主要有電化學法、半導體法、紅外光學法、聲表面波法、氣相色譜分析法等。各種氣體檢測方法的對比分析如表3-4所示。

表3-4各種氣體檢測方法的對比分析序號檢測方法優(yōu)點缺點1電化學法精度高、響應快、選擇性好成本高、量程小、壽命短2半導體傳感器法響應快，量程寬，壽命長、成本低、操作簡單、易于便攜使用穩(wěn)定性較差、選擇性差、需要加熱、易受環(huán)境干擾3紅外光學法靈敏度較高、無污染、速度快、穩(wěn)定性好、可分多組同時檢測成本高、檢測氣體種類有限4聲表面波法檢測精度高、靈敏度高、分辨率高選擇性差、抗環(huán)境干擾差5MEMS傳感器體積小、功耗低、易于集成工藝技術復雜、存在尺度效應、缺乏相關的工藝標準、制備條件高6氣相色譜法檢測精度高、檢測范圍寬、壽命長成本高、設備昂貴、需要專業(yè)人員操作電化學傳感器主要有固體電解質型、恒電位電解型和伽伐尼型三種類型，圖3-16所示為典型電化學傳感器的模型和內部結構，其膜電極和電解質結構非常適用于有毒性氣體檢測，具有響應速度快、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但缺點是成本高、量程小及壽命短，其特別適合于SO2、CO2和NOQ檢測。

圖3-16典型電化學傳感器的模型和內部結構

紅外光學氣體傳感器是利用近紅外光譜選擇吸收特性原理制成的新型傳感器，根據不同氣體成分具有不同種分子官能基團，以及氣體濃度與吸收強度的關系，確定氣體種類和濃度的變化，它具有穩(wěn)定性好、檢測快的優(yōu)點，適用于濃度范圍大的復雜多組分混合氣體的在線分析，圖3-17為紅外光學氣體傳感器的結構。圖3-17紅外光學氣體傳感器的結構

半導體傳感器主要包括金屬氧化物半導體和導電聚合物，常用的金屬氧化物半導體材料有SnO2、ZnO、WO3、In2O3等，當其吸附某種氣體時會導致該氧化物的電阻變化產生信號。導電聚合物是以有機高分子半導體材料(如吡咯、苯胺、噻吩、吲哚等堿性有機物的聚合物及衍生物)為主，當與氣體反應后通常引起電阻阻值增加產生信號。半導體氧化物傳感器具有響應快、量程寬、成本低、操作簡單、易于便攜使用等優(yōu)點，因而被廣泛應用。特別是隨著MEMS工藝技術的發(fā)展，MEMS在微型化、集成化和低功耗方面的優(yōu)勢，使得半導體傳感器成為了氣體傳感器發(fā)展的方向。圖3-18為半導體傳感器的結構。

圖3-18半導體傳感器的結構3.3.6濕敏傳感器

濕度是表示大氣干濕程度的物理量。在一定溫度、一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕。濕度常用絕對濕度、相對濕度、比較濕度、混合比、飽和差以及露點溫度等物理量來表示。在濕蒸汽中水蒸氣的重量占蒸汽總重量(體積)的百分比，稱為蒸汽的濕度。

絕對濕度(水汽壓)表示空氣中水汽部分的壓強，以百帕(hPa)為單位；相對濕度用空氣中實際水汽壓與當時氣溫下的飽和水汽壓之比，用%rh百分數表示；露點溫度是表示空氣中水汽含量和氣壓不變的條件下冷卻達到飽和時的溫度，以攝氏度(℃)為單位。

濕敏傳感器的制作方式是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，芯片的電特性(電容值、電阻率和電阻值等)會發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。濕敏傳感器主要有電阻式、電容式兩大類。典型的濕度傳感器如下：

1．電容式濕度傳感器

電容式濕度傳感器(也稱濕敏電容)是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。圖3-19所示為高分子電容式濕度傳感器的構造。在高分子膜上各蒸鍍一電極膜片，上方的電極為多孔性電極，易吸收水分，高分子膜吸收水分之后，其介電系數將改變，致使感濕組件的電容量發(fā)生改變。

圖3-19高分子電容式濕度傳感器的構造

電容式濕度傳感器直接感應相對濕度的變化，將濕度的變化轉換為電容量的變化，再將電容量的變化經信號調理電路轉換為標準的電信號，提供給相關控制或監(jiān)測電路。電容式溫度傳感器具有響應快、線性度高、遲滯低以及長期穩(wěn)定性好等特點。

2．電阻式濕度傳感器

電阻式濕度傳感器的制作方式一般是在絕緣物上浸漬吸濕性物質，或者通過蒸發(fā)、涂覆等工藝各制一層金屬、半導體、高分子薄膜和粉末狀顆粒。在濕敏元件的吸濕和脫濕過程中，水分子分解出的離子H+?的傳導狀態(tài)發(fā)生變化，從而使元件的電阻值隨濕度變化而變化。圖3-20所示為電阻式濕度傳感器的構造。

圖3-20電阻式濕度傳感器的構造3.3.7其他傳感器

1．激光傳感器

激光傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器，由激光器、激光檢測器和測量電路組成，其優(yōu)點是能實現無接觸遠距離測量、速度快、精度高、量程大、抗光電干擾能力強等，圖3-21為激光傳感器的原理模型。激光傳感器工作時，先由激光發(fā)射二極管對準目標發(fā)射激光脈沖，經目標反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號，并將其轉化為相應的電信號。

S圖3-21激光傳感器的原理模型

激光傳感器的核心部件是激光器，而激光器關系到傳感器的核心性能。按工作物質，激光器可分為四種。

①固體激光器：它的工作物質是固體。常用的有紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石激光器(即YAG激光器)和釹玻璃激光器等。它們的結構大致相同，特點是小而堅固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達到數十兆瓦。

②氣體激光器：它的工作物質為氣體。現已有各種氣體原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形狀如普通放電管，優(yōu)點是輸出穩(wěn)定、單色性好、壽命長，但功率較小、轉換效率較低。

③液體激光器：可分為螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料激光器，其中最重要的是有機染料激光器，它的最大優(yōu)點是波長連續(xù)可調。

④半導體激光器：較新的一種激光器，其中較成熟的是砷化鎵激光器。其優(yōu)點是效率高、體積小、重量輕、結構簡單，適用于飛機、軍艦、坦克以及步兵隨身攜帶，也可制成測距儀和瞄準器。但其輸出功率較小、定向性較差、受環(huán)境溫度影響較大。

激光傳感器利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現無接觸遠距離測量，其常用于長度、距離、振動、速度和方位等物理量的測量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測。主要功能有四點：

1)激光測長度

精密測量長度是精密機械制造工業(yè)和光學加工工業(yè)的關鍵技術之一。現代長度計量多是利用光波的干涉現象來進行的，其精度主要取決于光的單色性的好壞。激光是最理想的光源，它比以往最好的單色光源(氪-86燈)還純10萬倍。因此，激光測長具有量程大、精度高的優(yōu)點。由光學原理可知單色光的最大可測長度L與波長λ和譜線寬度δ之間的關系是L?=?λ?/?δ。用氪-86燈可測最大長度為38.5cm，對于較長物體就需要分段測量而使其精度降低。若用氦氖氣體激光器，則最大可測幾十千米。一般測量數米之內的長度，其精度可達0.1μm。

2)激光測距離

激光測距離的原理與無線電雷達相同。將激光對準目標發(fā)射出去后，測量它的往返時間，再乘以光速即得到往返距離。由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點，這些特點對測遠距離、判定目標方位、提高接收系統(tǒng)的信噪比、保證測量精度等都很重要，所以激光測距儀日益受到重視。在激光測距儀基礎上發(fā)展起來的激光雷達不僅能測距，還可以測目標方位、運算速度和加速度等。它已成功地用于人造衛(wèi)星的測距和跟蹤，且采用紅寶石激光器的激光雷達的測距范圍為500～2000km，其誤差僅幾米。真尚有科技有限公司的研發(fā)中心研制出的LDM系列測距傳感器，在數千米測量范圍內的測量精度可以達到微米級別。

3)激光測振動

激光測振動是基于多普勒原理測量物體的振動速度的。多普勒原理是指，若波源或接收波的觀察者相對于傳播波的媒質而運動，則觀察者所測到的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動頻率還取決于波源或觀察者的運動速度的大小和方向。所測頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移。在振動方向與運動方向一致時多普勒頻移為

fd?=?v?/?λ(3-5)

式中，v為振動速度，λ為波長。

在激光多普勒振動速度測量儀中，由于光是往返的緣故，fd?=?2v?/?λ。這種測振儀在測量時由光學部分將物體的振動轉換為相應的多普勒頻移，并由光檢測器將此頻移轉換為電信號，再由電路部分作適當處理后送往多普勒信號處理器，最后將多普勒頻移信號變換為與振動速度相對應的電信號，記錄于磁帶。這種測振儀采用波長為6328埃的氦氖激光器，用聲光調制器進行光頻調制，用石英晶體振蕩器加功率放大電路作為聲光調制器的驅動源，用光電倍增管進行光電檢測，用頻率跟蹤器來處理多普勒信號。它的優(yōu)點是使用方便，不需要固定參考系，不影響物體本身的振動，測量頻率范圍寬、精度高、動態(tài)范圍大；缺點是測量過程受其他雜散光的影響較大。

4)激光測速度

激光測速度也是基于多普勒原理的一種激光測速方法，用得較多的是激光多普勒流速計(激光流量計)，它可以測量風洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風速、化學反應中粒子的大小及匯聚速度等。

2．智能傳感器

智能傳感器(IntelligentSensor)是帶有微處理機的、并具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。一般智能機器人的感覺系統(tǒng)是由多個傳感器集合而成的，采集到的信息需要計算機進行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而降低成本。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個優(yōu)點：通過軟件技術可實現高精度的信息采集，且成本低；具有一定的編程自動化能力；功能多樣化。

智能傳感器系統(tǒng)是一門現代綜合技術，是當今世界正在迅速發(fā)展的高新技術，至今還沒有形成規(guī)范化的定義。早期，人們簡單、機械地強調在工藝上將傳感器與微處理器兩者緊密結合，認為“傳感器的敏感元件及其信號調理電路與微處理器集成在一塊芯片上就是智能傳感器”。

1)內涵

關于智能傳感器的中英文稱謂尚未有統(tǒng)一的說法。JohnBrignell和NellWhite認為“IntelligentSensor”是英國人對智能傳感器的稱謂，而“SmartSensor”是美國人對智能傳感器的俗稱。而JohanHHuijsing在“IntegratedSmartSensor”一文中按集成化程度的不同，分別稱智能傳感器為“SmartSensor”、“IntegratedSmartSensor”。對“SmartSensor”的中文譯名有“靈巧傳感器”，也有“智能傳感器”。

如上所述，一個良好的“智能傳感器”是由微處理器驅動的傳感器與儀表套裝而成的，并且具有通信與板載診斷等功能，可為監(jiān)控系統(tǒng)或操作員提供相關信息，以提高工作效率，減少維護成本。智能傳感器集成了傳感器、智能儀表的全部功能，具有高線性度和低溫度漂移特性，能降低系統(tǒng)的復雜性、簡化系統(tǒng)結構，圖3-22所示為智能傳感器的構成框圖。

圖3-22智能傳感器的構成框圖

2)功能

智能傳感器的功能是模擬人的感官和大腦的協(xié)調動作。智能傳感器是結合長期以來測試技術的研究和實際經驗而提出來的，是一個相對獨立的智能單元，它的出現使其對硬件性能的苛刻要求有所降低，且能夠通過軟件使傳感器的性能大幅度提高。智能傳感器可實現的功能如下：

(1)信息存儲和傳輸。隨著智能集散控制系統(tǒng)(SmartDistributedSystem)的飛速發(fā)展，智能單元要求具有通信功能，并能通過通信網絡以數字形式進行雙向通信，這也是智能傳感器關鍵標志之一。智能傳感器通過測試數據傳輸或接收指令來實現各項功能，如增益設置、補償參數設置、內檢參數設置、測試數據輸出等。

(2)自補償和計算功能。多年來，從事傳感器研制的工程技術人員一直為傳感器的溫度漂移和輸出非線性做大量的補償工作，但都沒有從根本上解決問題。而智能傳感器的自補償和計算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補償開辟了新的道路。這樣就可以放寬傳感器加工精密度要求，只要能保證傳感器的重復性好即可。利用微處理器對測試的信號進行軟件計算，再采用多次擬合和差值計算方法對漂移和非線性進行補償，從而獲得較為精確的測量結果。

(3)自檢、自校、自診斷功能。普通傳感器需要定期檢驗和標定，以保證它在正常使用時擁有足夠的準確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現場拆卸送到實驗室或檢驗部門進行。在線測量傳感器出現異常一般不能及時診斷，但若采用智能傳感器則這種情況將大有改觀。首先，智能傳感器具有自診斷功能，能在電源接通時進行自檢，以確定組件有無故障。其次，智能傳感器可以根據使用時