传感器技术综述

传感器技术综述姓名：？？？学号：？？？？？？学院：信息工程与自动化学院专业：？？？班级：？？摘要：传感器是新技术革命的重要技术基础,是测控中测量系统的第一个环节。传感器种类繁多，其原理也多种多样。如今在科研领域、工农业生产以及日常生活中，传感器正发挥着越来越重要的作用。关键词：传感器概念分类应用发展趋势传感器技术是一项当代迅猛发展起来的高新技术，被称为信息产业的三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑的扩展,那么传感器就是人类五官的延伸。在信息化时代，如果没有精度高和性能好的传感器，没有先进的传感器技术，那么各种信息的感知、采集、转换、传输和处理就都无从谈起，信息技术与计算机技术将成为无源之水。因此，世界技术发达国家对于发展传感器技术都十分重视。美国早在80年代就认为世界已经进人传感器时代；日本将传感器技术视为十大技术之首；我国也将传感器技术列入了“九五”国家重点科技攻关项目。一、传感器的基本概念国际电工委员会（IEC）对传感器的定义为：“传感器（transducer/sensor）是测量系统中的一种前置部件，它能够将输入变量转换成可供测量的信号。”具体点说，传感器是能将感受到的物理量、化学量等信息，按照一定规律，转换成便于测量和传输的信号的装置。大部分的传感器最后都是转换成电信号输出，这是由于电信号易于传输和处理。传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加上辅助电源，如图1所示。传感器的功能多种多样，例如可将传感器与人类的感觉类比：光敏传感器——视觉；声敏传感器——听觉；气敏传感器——嗅觉；化学传感器——味觉；压敏、温敏、流体传感器——触觉。在许多方面，传感器都比人的感官功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。因此，传感器能出色地完成工业或科研中各种各样的“感觉”任务，并准确、及时地输出信息。传感器的自身特性会因为外界因素而变化，从而给其实际应用造成较大影响。因此人们针对传感器的工作原理和结构，在不同场合对传感器规定了相应的基本要求，以最大程度优化其性能参数与指标，例如：高灵敏度、无迟滞性、工作寿命长(耐用性)、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)、安全性(传感器应是无污染的)、低成本、小尺寸、重量轻和高强度。2/4二、传感器的分类传感器的种类繁多，所以可用不同的观点对传感器进行分类：根据传感器工作原理，可分类为物理传感器和化学传感器二大类：物理传感器转换时应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的非常微小的变化都能被转换成电信号；化学传感器转换时应用的是化学效应，包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器。大多数传感器都是以物理原理为基础运作的，而化学传感器技术问题比较多，包括可靠性问题、规模生产的可能性、价格问题等，如果解决了这些难题，化学传感器的发展将会有巨大突破。实际上，针对不同的工作情况，依据各种物理效应和工作机理就可以制作出不同功能的传感器。因此，传感器感受的对象可以是固体、液体或气体；而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的；传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触；对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。使用各种功能的传感器可以针对性地应对各类环境条件，满足工作中的不同需求。因此，人们通常根据传感器的用途来为它分类。如图2所示。此外，根据制作材料的不同来给传感器分类的方法也比较普遍——因为在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，就被用来制作传感器的敏感元件，这就是“对症下药”。传感器所用的材料按类别可分为金属、聚合物、陶瓷、混合物；而按材料的物理性质可分为导体、绝缘体、半导体、磁性材料；按材料的晶体结构又可分为单晶体、多晶体、非晶体材料。现在的传感器开发工作就在着重研究材料领域：一方面在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们在传感器技术中得到实际应用；另一方面探索新的材料，结合那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。三、传感器的应用举例传感器技术在现代社会的应用极其广泛，大到月球上的飞行器，小到手中的电视遥控器，几乎每一个功能完整的电子设备中都包含了传感器结构，而且数量众多。现代生活早已离不开传感器技术，而且还会越来越依赖它。3/4以汽车为例，现代汽车技术发展的特征之一就是越来越多的部位采用了自动控制，使用了传感器技术。汽车运行中出现的各种信息，如温度、光亮度、压力、位置、速度、湿度、流量、气体浓度等，都通过各种车用传感器转化成电信号并传输给车载计算机控制系统，然后计算机再输出信号去控制各个装置。各个传感器各司其职，共同参与协调汽车的平稳运行，如图3所示。在过去，汽车传感器只是集中用于发动机上。但随着科技的发展，传感器在汽车上的应用范围不断扩大，现在已参与到汽车电子稳定性控制系统、车道偏离警告系统、盲点探测系统的各个方面。在种类繁多的汽车传感器中，常见的有：进气压力传感——它能根据发动机的负荷状态来测出进气管的绝对压力，为计算机决定喷油器的基本喷油量提供准确的电信号依据；空气流量传感器——它能测出发动机吸入的空气量，作为决定喷油动作的基本信号之一；曲轴位置传感器，它是计算机控制的点火系统中最重要的传感器，能够检测曲轴转角信号和发动机转速信号，并输送给计算机，从而使电控单元可以按气缸的点火顺序发出最佳点火时刻指令；爆震传感器，它负责监测发动机的爆震情况，使得电控单元能够据此调整点火提前角；氧传感器，它能监测排气中的氧浓度，帮助电控单元控制燃油/空气比在最佳值附近。此外，诸如车速传感器、温度传感器、压力传感器、液压传感器等各式功能的传感器就不胜枚举了。在高档轿车中还装有主动巡航控制系统（ACC）、汽车动态控制系统（VDC）等各种安全系统，使得驾驶更加轻松和安全，而这些先进系统的“神经末梢”自然就是各个传感器。因此，我们愉快的生活还得多亏了传感器。四、传感器的发展趋势近年来，随着科学技术的迅猛发展以及相关条件的日趋成熟，传感器技术逐渐受到了更多人的高度重视。据高工物联网产业研究所(GSII)对中国传感器市场的调研数据显示，2010年中国传感器市场的规模达到了402亿元，较2009年增长26.8%。可以说，中国的传感器市场已经逐步被开发出来，在国家相关政策的扶持下，已经逐渐形成了一定的体系，并产生了一众龙头企业，如图4所示。国际上，传感器行业的发展已经进入一个新时代，网络传感器、生物传感器、纳米传感器等更尖端的传感器已进入国内市场，进入我们的生活。根据对国内外传感器技术的研究现状分析以4/4及对传感器各性能参数的理想化要求，现代传感器技术的发展趋势可以从四个方面分析。一是新材料的开发与应用。传感器材料是传感器技术的重要基础,是传感器技术升级的重要支撑。随着材料科学的进步,传感器技术也日臻成熟,其种类越来越多,除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料以外,光导纤维以及超导材料的开发,为传感器的发展提供了物质基础。例如：以硅为基体的许多半导体材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化；半导体光热探测器具有灵敏度高、精度高、非接触性等特点二是实现传感器集成化、智能化。传感器集成化包括两种定义：一是同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，排成1维的线性传感器，CCD图象传感器就属于这种情况；集成化的另一定义是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。今后，随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加集成化、综合化、智能化和系统化。三是实现传感技术硬件系统与元件的微型化，而微型化正是多功能化的基础。所谓多功能化的典例——美国某大学传感器研究发展中心研制的单片硅多维力传感器可以同时测量3个线速度、3个离心加速度和3个角加速度。多功能化不仅可以降低生产成本，减小体积，而且可以有效的提高传感器的稳定性、可靠性等性能指标。四是通过传感器与其它学科的交叉整合，实现无线网络化。无线传感网络将传感器技术、通信技术、计算机技术结合在一起，具有信息采集、传输、处理的能力，是一种全新的信息获取和处理方法。它可以广泛应用于各个领域，具有极大的运用前景。发展传感器技术不仅能给国防建设提供很大的帮助，同时也会惠及到人们生活的各个方面，各个细微之处，让人们享受到更多的方便、欣赏到更多的科技之美。未来的时代舞台上，传感器技术当真是最为闪亮的一位。于是，日本工商界传出了这样一句话——“支配了传感器技术就能够支配新时代”。参考文献：[1]刘迎春《传感器原理、设计与应用》[M]长沙：国防科技大学出版社1989.[2]陈毅静《测控技术与仪器专业导论》[M]北京：北京大学出版社2010.6.[3]唐文彦《传感器》[M]北京：机械工业出版社2007.1.[4]贾伯年，俞朴《传感器技术》[M]南京：东南大学出版社1992.2.