1.1 传感器概述

传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是当今世界极其重要的高科技，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。

信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。

1.1.1 传感器的定义与组成

传感器是接收信号或刺激并反应的器件，以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。如果传感器进一步对此输出信号进行处理，转换成标准统一信号（例如：4～20mA或1～5V；0～10mA或0～5V等）时，此时的传感器一般称为变送器。

国家标准是这样定义传感器的：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。通常由敏感元器件和转换元器件组成。

传感器一般由敏感元器件、转换元器件及转换电路3部分组成，传感器的组成框图如图1-1所示。

1）敏感元器件：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器件。

2）转换元器件：以敏感元器件的输出为输入，把输入转换成电路参数。

3）转换电路：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。

实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元器件（兼作转换元器件）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器件和转换元器件组成，没有转换电路，有些传感器，转换元器件不止一个，要经过若干次转换。

1.1.2 传感器分类

传感器的种类繁多，原理各异，检测对象几乎涉及各种参数，通常一种传感器可以检测多种参数，一种参数又可以用多种传感器测量，所以传感器的分类方法至今尚无统一规定，主要按工作原理、输入信息和应用范围来分类。

1. 按工作原理分类

根据传感器工作原理，可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器3大类。

（1）物理传感器

物理传感器是利用某些变换元器件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器，它又可以分为物性型传感器和结构型传感器。

物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测量直接转换为电量的传感器。例如，热电偶制成的温度传感器，就是利用金属导体材料的温差电动势效应和不同金属导体间的接触电动势效应实现对温度的测量；而利用压电晶体制成的压力传感器则是利用压电材料本身所具有的正压电效应而实现对压力的测量。这类传感器的“敏感体”就是材料本身，无所谓“结构变化”，因而，通常具有响应速度快的特点，而且易于实现小型化、集成化和智能化。

结构型传感器是以结构（如形状、尺寸等）为基础，在待测量作用下，其结构发生变化，利用某些物理规律，获得比例于待测非电量的电信号输出的传感器。例如石油天然气地震勘探中的检波器，属于磁电式传感器。当地面存在地震波机械振动时，线圈相对于磁铁运动而切割磁力线，根据电磁感应定律，线圈中产生感应电动势，且感应电动势的大小与线圈和磁铁间相对运动速度成比例，线圈输出的电信号与地面机械振动的速度变化规律是一致的。这类传感器性能与其结构材料关系不大，仅与其“结构变化”有关。

（2）化学传感器

化学传感器是利用敏感材料与物质间的电化学反应原理，把无机和有机化学成分、浓度等转换成电信号的传感器，如气体传感器、湿度传感器等。

（3）生物传感器

生物传感器是利用材料的生物效应构成的传感器，如酶传感器、微生物传感器、组织传感器及免疫传感器等，以输入量（被测量）命名。这种分类对传感器的应用很方便。

2. 按输入信息分类

传感器按输入量分类有位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器、力传感器、色传感器以及磁传感器等。

3. 按应用范围分类

根据传感器应用范围不同，通常可分为工业用、农业用、民用、科研用、医用、军用、环保用和家用电器用传感器等。若按具体使用场合，还可以分为汽车用、舰艇用、飞机用、宇宙飞船用以及防灾用传感器等。如果根据使用目的的不同，又可分为计测用、监视用、检查用、诊断用、控制用和分析用传感器等。

1.1.3 传感器技术的发展趋势

随着科学技术的发展，传感器技术发展的趋势将是开发新材料与传感器智能化发展相结合。

1. 新材料开发

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。

2. 智能化发展

20世纪80年代发展起来的智能化传感器是微电子技术、微型电子计算机技术与检测技术相结合的产物，具有测量、存储、通信以及控制等特点。

智能化传感器一般主要由主传感器、辅助传感器及微型计算机硬件系统3大部分构成，也就是说，智能化传感器是一种带有微处理器的传感器，它兼有检测判断和信息处理功能。

几十年来，智能化传感器有了很大的发展。近年来，智能化传感器开始同人工智能相结合，创造出各种基于模糊推理、人工神经网络及专家系统等人工智能技术的高度智能传感器，称为软传感器技术。它已经在家用电器方面得到应用，相信未来将会更加成熟。智能化传感器是传感器技术未来发展的主要方向。