傳感器

傳感器

傳 感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他 所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

定義

國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量件并按照一定的規律(數學函數法則)轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。
中國物聯網校企聯盟認為，傳感器的存在和發展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。”
“傳感器”在新韋式大詞典中定義為：“從一個系統接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件”。[1]

主要作用

人們為了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官。
而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現象和規律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。
新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。
在現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態或最佳狀態，并使產品達到最好的質量。因此可以說，沒有眾多的優良的傳感器，現代化生產也就失去了基礎。
在基礎學科研究中，傳感器更具有突出的地位。現代科學技術的發展，進入了許多新領域：例如在宏觀上要觀察上千光年的 茫茫宇宙，微觀上要觀察小到fm的粒子世界，縱向上要觀察長達數十萬年的天體演化，短到 s的瞬間反應。此外，還出現了對深化物質認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超 弱磁場等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難， 而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現，往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發展，往往是一些邊緣學科開發的先驅。
傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。
由此可見，傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發展。相信不久的將來，傳感器技術將會出現一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。
主要功能

常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：
光敏傳感器——視覺
聲敏傳感器——聽覺
氣敏傳感器——嗅覺
化學傳感器——味覺、壓敏、溫敏、
流體傳感器——觸覺
敏感元件的分類：
物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。
化學類，基于化學反應的原理。
生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。
通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類（還有人曾將敏感元件分46類）。
主要特點
傳感器的特點包括：微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化，它不僅促進了傳統產業的改造和更新換代，而且還可能建立新型工業，從而成為21世紀新的經濟增長點。微型化是建立在微電子機械系統（MEMS）技術礎上的，已成功應用在硅器件上做成硅壓力傳感器。
主要分類
按用途分類
壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器。
按原理分類
振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。
按輸出信號為標準分類
模擬傳感器：將被測量
的非電學量轉換成模擬電信號。
數字傳感器：將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號（包括直接和間接轉換）。
膺數字傳感器：將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出（包括直接或間接轉換）。
開關傳感器：當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。
按其制造工藝分類
集成傳感器是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。
通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。
薄膜傳感器則是通過沉積在介質襯底（基板）上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。
厚膜傳感器是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形。
陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝（溶膠、凝膠等）生產。
完成適當的預備性操作之后，已成形的元件在高溫中進行燒結。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。
每種工藝技術都有自己的優點和不足。由于研究、開發和生產所需的資本投入較低，以及傳感器參數的高穩定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。
按測量目分類
物理型傳感器是利用被測量物質的某些物理性質發生明顯變化的特性制成的。
化學型傳感器是利用能把化學物質的成分、濃度等化學量轉化成電學量的敏感元件制成的。
生物型傳感器是利用各種生物或生物物質的特性做成的，用以檢測與識別生物體內化學成分的傳感器。
按其構成分類
基本型傳感器：是一種最基本的單個變換裝置。
組合型傳感器：是由不同單個變換裝置組合而構成的傳感器。
應用型傳感器：是基本型傳感器或組合型傳感器與其他機構組合而構成的傳感器。
按作用形式分類
按作用形式可分為主動型和被動型傳感器。
主動型傳感器又有作用型和反作用型，此種傳感器對被測對象能發出一定探測信號，能檢測探測信號在被測對象中所產生的 變化，或者由探測信號在被測對象中產生某種效應而形成信號。檢測探測信號變化方式的稱為作用型，檢測產生響應而形成信號方式的稱為反作用型。雷達與無線電 頻率范圍探測器是作用型實例，而光聲效應分析裝置與激光分析器是反作用型實例。
被動型傳感器只是接收被測對象本身產生的信號，如紅外輻射溫度計、紅外攝像裝置等。
主要特性
傳感器靜態特性
傳感器的靜態特性是指對靜態的輸入信號，
傳 感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態特性可用一個不含時間變量的代數方 程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有：線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移等。
1、線性度：指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離擬合直線的程度。定義為在全量程范圍內實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。
2、靈敏度：靈敏度是傳感器靜態特性的一個重要指標。其定義為輸出量的增量與引起該增量的相應輸入量增量之比。用S表示靈敏度。
3、遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小（反行程）變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現象成為遲滯。對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。
4、重復性：重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。
5、漂移：傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現象稱為漂移。產生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結構參數；二是周圍環境（如溫度、濕度等）。
6、分辨力：當傳感器的輸入從非零值緩慢增加時，在超過某一增量后輸出發生可觀測的變化，這個輸入增量稱傳感器的分辨力，即最小輸入增量。
7、閾值：當傳感器的輸入從零值開始緩慢增加時，在達到某一值后輸出發生可觀測的變化，這個輸入值稱傳感器的閾值電壓。
傳感器動態特性
所 謂動態特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入 信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入 信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。
傳感器的線性度
通常情況下，傳感器的實際靜態特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。
擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或將與特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。
傳感器的靈敏度
靈敏度是指傳感器在穩態工作情況
下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。
它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系，則靈敏度S是一個常數。否則，它將隨輸入量的變化而變化。
靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應表示為200mV/mm。
當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數。
提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩定性也往往愈差。
傳感器的分辨率
分辨率是指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數值時，傳感器的輸出不會發生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨率時，其輸出才會發生變化。
通常傳感器在滿量程范圍內各點的分辨率并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨率的指標。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。分辨率與傳感器的穩定性有負相相關性。
常見種類
電阻式傳感器
電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。
變頻功率傳感器
變頻功率傳感器通過對輸入的電壓、電流信號進行交流采樣，再將采樣值通過電纜、光纖等傳輸系統與數字量輸入二次儀表相連，數字量輸入二次儀表對電壓、電流的采樣值進行運算，可以獲取電壓有效值、電流有效值、基波電壓、基波電流、諧波電壓、諧波電流、有功功率、基波功率、諧波功率等參數。
稱重傳感器
稱重傳感器是一種能夠將重力轉變為電信號的力→電轉換裝置，是電子衡器的一個關鍵部件。
能夠實現力→電轉換的傳感器有多種，常見的有電阻應變式、電磁力式和電容 式等。電磁力式主要用于電子天平，電容式用于部分電子吊秤，而絕大多數衡器產品所用的還是電阻應變式稱重傳感器。電阻應變式稱重傳感器結構較簡單，準確度 高，適用面廣，且能夠在相對比較差的環境下使用。因此電阻應變式稱重傳感器在衡器中得到了廣泛地運用。電阻應變式傳感器
傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產生機械形變，從而使電阻值隨之發生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類，金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應小等優點。壓阻式傳感器
壓阻式傳感器是根據半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內接成電橋形式。當基片受到外力作用而產生形變時，各電阻值將發生變化，電橋就會產生相應的不平衡輸出。
用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態壓阻式傳感器應用最為普遍。
熱電阻傳感器
熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。
熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關的參數。在溫度檢測精度要求比較高的 場合，這種傳感器比較適用。較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數大、線性好、性能穩定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量 -200℃～+500℃范圍內的溫度。
熱電阻傳感器分類：
1、NTC熱電阻傳感器：
該類傳感器為負溫度系數傳感器，即傳感器阻值隨溫度的升高而減小。
2、PTC熱電阻傳感器：
該類傳感器為正溫度系數傳感器，即傳感器阻值隨溫度的升高而增大。
激光傳感器
利用激光技術進行測量的傳感器。
它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優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。
激光傳感器工作時，先由激光發射二極管對準目標發射激光脈沖。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。
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。激光傳感器常用于長度（ZLS-Px）、距離（LDM4x）、振動（ZLDS10X）、速度（LDM30x）、方位等物理量的測量，還可用于探傷和大氣污染物的監測等。
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，
廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。
霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。
1、線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。
2、開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。
霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化，磁場越 強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低。霍爾電壓值很小，通常只有幾個毫伏，但經集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強的信號。若使霍爾集 成電路起傳感作用，需要用機械的方法來改變磁場強度。下圖所示的方法是用一個轉動的葉輪作為控制磁通量的開關，當葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣 隙中時，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅動軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成電路片用 作用點火正時傳感器。霍爾效應傳感器屬于被動型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點使它能檢測轉速低的運轉情況。
溫度傳感器
1、室溫管溫傳感器：室溫傳感器用于測量室內和室外的環境溫度，
管溫傳感器用于測量蒸發器和 冷凝器的管壁溫度。室溫傳感器和管溫傳感器的形狀不同，但溫度特性基本一致。按溫度特性劃分，美的使用的室溫管溫傳感器有二種類型：1.常數B值為 4100K±3%，基準電阻為25℃對應電阻10KΩ±3%。在0℃和55℃對應電阻公差約為±7%；而0℃以下及55℃以上，對于不同的供應商，電阻公 差會有一定的差別。溫度越高，阻值越小；溫度越低，阻值越大。離25℃越遠，對應電阻公差范圍越大。
2、排氣溫度傳感器：排氣溫度傳感器用于測量壓縮機頂部的排氣溫度，常數B值為3950K±3%,基準電阻為90℃對應電阻5KΩ±3%。
3、模塊溫度傳感器：模塊溫度傳感器用于測量變頻模塊（IGBT或IPM）的溫度，用的感溫頭的型號是602F- 3500F，基準電阻為25℃對應電阻6KΩ±1%。幾個典型溫度的對應阻值分別 是：-10℃→（25.897─28.623）KΩ；0℃→（16.3248─17.7164）KΩ；50℃→（2.3262─2.5153）KΩ；90℃→（0.6671─0.7565）KΩ。
溫度傳感器的種類很多，經常使用的有熱電阻：PT100、PT1000、Cu50、Cu100；熱電偶：B、E、J、K、S等。溫度傳感器不但種類繁多，而且組合形式多樣，應根據不同的場所選用合適的產品。
測溫原理：根據電阻阻值、熱電偶的電勢隨溫度不同發生有規律的變化的原理，我們可以得到所需要測量的溫度值。
無線溫度傳感器
無線溫度傳感器將 控制對象的溫度參數變成電信號,并對接收終端發送無線信號，對系統實行檢測、調節和控制。可直接安裝在一般工業熱電阻、熱電偶的接線盒內，與現場傳感元件 構成一體化結構。通常和無線中繼、接收終端、通信串口、電子計算機等配套使用，這樣不僅節省了補償導線和電纜，而且減少了信號傳遞失真和干擾，從而獲的了 高精度的測量結果。
無線溫度傳感器廣泛應用于化工、冶金、石油、電力、水處理、制藥、食品等自動化行業。例如：高壓電纜上的溫度采集；水下等惡劣環境的溫度采集；運動物體上的溫度采集；不易連線通過的空間傳輸傳感器數據；單純為降低布線成本選用的數據采集方案；沒有交流電源的工作場合的數據測量；便攜式非固定場所數據測量。
智能傳感器
智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協調動作，
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，它的出現對原來硬件性能苛刻要求有所減輕，而靠軟件幫助可以使傳感器的性能大幅度提高。
1、信息存儲和傳輸——隨著全智能集散控制系統（SmartDistributedSystem）的飛速發展，對智 能單元要求具備通信功能，用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 益的設置、補償參數的設置、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作大量的補償工 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，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，利用微處理器對測試的信號通過軟件計算，采用多次擬合和差值計算方法對漂移和非線性進行補償，從而能獲得較精確的測量結果壓力傳感 器。
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。對于在線測量傳感器出現異常則不能及時診斷。采用智能傳感器情況則大有改觀，首先自診斷功能在電源接 通時進行自檢，診斷測試以確定組件有無故障。其次根據使用時間可以在線進行校正，微處理器利用存在EPROM內的計量特性數據進行對比校對。