无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络传感技术

3.1.1传感技术的地位和作用

1．传感器与智能机器

当今社会进步和发展的标志就是信息化，人类文明已进入信息时代。人们的社会活动越来越依赖信息化装备实现对信息资源的开发、获取、传输与处理。传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代信息化装备的中枢神经系统。传感器是指那

些对被测对象的某一确定的信息具有感受响应与检测功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。

从无线传感网及物联网的角度看，传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志，传感技术、计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，如果把计算机比喻为处理和识别信息的“大脑”，把通信系统比喻为传递信息的神经系统，那么传感器就是感知和获取信息的“感觉器官”。

传感器是人类在漫长进化过程中逐渐发明出来的，人类在从事复杂劳动和探寻自然界奥秘的时候，贪逐渐认识到仅靠自身的五个感觉器官接收外界信息已不能满足需要，必须制作能够替代和扩展五官功能的工具。自从古埃及人发明了天平，传感器便与人类结下了不解之缘。如今历史车轮已碾进21世纪，人类的部分劳动也已交由机器人完成。在众多机器人中智能机器人的工作过程完全模仿了人体的活动机理，传感器将外界信息传送给相当于人脑的计算机处理，而相当于人体四肢的执行机构则按计算机指令进行操作，图3-1所示为人的身体与机器人的对应关系。

由此可见，在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，以保证产品达到最好的质量。可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

图3-1人的身体与机器人的对应关系2．传感器与感觉器官

通常，根据传感器的基本感知功能可将传感器分为热敏传感器、光敏传感器、气敏传感器、力敏传感器、磁敏传感器、湿敏传感器、声敏传感器、放射线传感器、色敏传感器和味敏传感器等十大类。具备“感觉器官”的传感器称为“电五官”，是人类五官的仪器信息化。光敏传感器相当于视觉，声敏传感器对应听觉，气敏传感器对应嗅觉，化学传感器则是味觉的延伸，压敏、温敏、流体传感器则相当于触觉。图3-2所示为感觉器官与电五官的关系图。

图3-2感觉器官与电五官的关系图

目前，传感器的性能虽然还达不到人体器官的感知性，但在量化数据、检测范围等方面已经完全可以代替人体器官，人类感觉器官与传感器差异的具体表现如下：

1)眼睛与视觉传感器

眼睛是人体的视觉器官，可识别物体的材质、方位、形状、颜色及大小等，但人的视力仅限于可见光范围，而视觉传感器还能检测到红外线、可见光及紫外线。

红外线视觉传感器之所以能在伸手不见五指的黑夜看清物体，是因为温度超过绝对零度(-273.15℃)的物体都会以红外线形式向外辐射能量。该能量与物体的温度、材质、状态有关，测出辐射能量便能鉴别物体。红外线视觉传感器还能检测人体血糖浓度(或啤酒浑浊度)，让散射光照在传感器前方的手指上，部分特定波长的光线被血液中的葡萄糖吸收而使光谱发生变化，测出该变化可得到葡萄糖的吸收数据，进而得到血糖浓度等。

视觉CCD传感器依其光敏元排列方式分为线型和面型，每个光敏元的光生电荷量不仅含有光照度的信息，还含有该单元位置的信息。这种视觉传感器具有小型、响应快、灵敏度高、稳定性好等优点，能够观察物体的位置、姿态、尺寸及表面状况，被广泛应用于摄像机、扫描仪等设备。

色彩视觉传感器由红、绿、蓝三色光滤波器和光电器件组成，能看出红、绿、蓝及12种中间色，所以被用于涂料、染料及各种印刷品的色测定、色差管理和色均匀度判别。

雷达及光纤传感器是真正的“千里眼”，雷达的原理是发射电波再接收回波，由时间差测定距离。雷达普遍用于找寻目标和测定距离，如微型脉冲雷达就被用作无人驾驶系统的“眼睛”。光纤传感器采用光波传递信息，具有频带宽、不受电磁干扰、耐腐蚀和可靠性高的特点，用于检测各种机械量、过程控制量和电磁量。

2)皮肤与触觉传感器

作为人体触觉器官的皮肤能感受压力、硬度、形状、滑动、振动、温度等刺激，而各种触觉传感器同样能对物体表面的物理性质进行测试。

手指触觉传感器(常用在机器手指的表面)是用橡胶膜制成的，中心为一根细导线，中间布满了细小颗粒。这种颗粒被压得越厉害，流经导线的电流就越大。手指触觉传感器能识别小于1mm的凹凸，达到了人体指尖的灵敏度。

滑觉传感器利用PVDF的顺噪效应或对阵列式触觉传感器的图像分析来检测作用在机械手上的平行力，借助滑觉传感器可以控制机械手用最小的力握住物体而不让其滑动。

人体皮肤感受温度时只能在-40～80℃范围内了解其冷热，否则就会受伤；而温度传感器不但测量范围宽(从绝对零度到核融等离子体温度)，而且具有人类望尘莫及的灵敏度，红外温度传感器还能进行非接触测量。

3)耳朵与听觉传感器

耳朵是人体的听觉器官，其机理是耳膜受外界的振动冲击并将信息送至大脑，耳朵轮廓的复杂形状使大脑感知声源的方位，人耳能感知的振动频率称为音频。

麦克风和超声波传感器是常见的听觉传感器，前者能感知听到的声音，后者则能听到高于20kHz的“声音”，常用于无

无损探伤。当物体产生应变时，内部以超声波形式发出“声音”，超声波传感器将之转换为电信号进行处理。听觉传感器已应用于机械、地震、航空、建筑等行业。

电容式听觉传感器能听到火焰发出的“声音”，其原理是检测火焰周围的空气振动，并与已知的频率比对，从而判别火焰存在与否。

4)鼻子与嗅觉(气体)传感器

鼻子是人体的嗅觉器官，与之对应的是各种嗅觉(气体)传感器。人类能感受酒精、丙酮等强烈气味的气体，但不能嗅出无色无味的氢、氦、氮、丁醇等气体。而气体传感器不仅可以嗅出气体的种类，还可嗅出气体的浓度。例如，催化燃烧时气体传感器在吸收了氢气、一氧化碳、烷、醚、醇、苯、天然气、沼气等气体后，发生还原反应，放出热量使元件温度升高、电阻值改变，变化量取决于气体的浓度及成分。气体传感器在矿井、管道、车库内被制成各种气体报警装置。此外，利用气体传感器检测汽车尾气的成分，调节发动机中空气与燃料的比例，使燃烧更充分，减少环境污染。

5)舌头与味觉传感器

人体舌头上的每一个小阜均含有250颗左右味蕾，味蕾的内外侧有100mV的电位差。当口腔含有食物时，舌头表面的活性酶有选择地跟某些物质起反应引起电位差改变，刺激神经组织而产生味觉。

味觉传感器是基于模仿机理的。在膜体上附着上生物酶，酶便有选择地与被检测物质进行生化反应，然后通过电化学方法将反应产生的电动势或电流转换为传感器的输出信号进行测量。味觉传感器常用于在线检测发酵过程的pH值，甜度以及检测肌肉素、尿素、血液中的氨基酸等。

感觉传感器虽然在某些性能上超过人类，但人体细胞及蛋白质的复杂多样性使感觉传感器在更多方面仍然无法与人体五官比拟。然而完全有理由相信，随着机器人技术的进一步发展，更多的感觉传感器的功能将会赶上甚至超过人体五官。3．传感器的主要作用

传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理(变换)和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器(又称换能器)，信息处理和识别的规划设计、开发、制/建造、测试、应用及评价改进等活动。

现在传感技术应用于很多行业领域，目前传感技术广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域。传感技术的主要作用有以下四个方面：

(1)在非电量测量方面的作用。很多物理现象及规律如温度、压力、湿度等都是非电量，这些非电量早期都采用非电量方法测量。随着科学发展，对测量准确度和测量速度提出新的要求，传统方法不能满足测量要求，所以必须采用传感器电测技术，把非电信息转换为电量信息进行测量。

(2)在工业生产及自动化方面的作用。在现代化生产过程中，需用各种传感器来监视和控制生产过程的各个参量，使设备工作在最佳状态或正常状态，特别是传感器与计算机结合，使自动化过程具有更准确、快捷、效率高等优点。如果没有传感器，现代化生产就失去基础，工业化程度将大大降低。

(3)在基础学科研究方面的作用。现代科学技术的发展，介入了许多新的科学领域。从茫茫的宇宙到微观粒子世界，许多未知的现象和规律的研究都要依靠大量人类感官无法获得的信息，故没有相应的传感器是不可能达到目的的。

(4)在军事方面的作用。传感器技术在军用电子系统的运用，促进了武器、作战指挥、控制、监视和通信方面的智能化。传感器在远方战场监视系统、防空系统、雷达系统、导弹系统等方面都有广泛的应用，是提高军事战斗力的重要因素。3.1.2传感技术的现状及发展趋势

1．传感技术的历史回顾和现状

现在，传感技术的地位和作用日益被人们所认识，发展现代传感技术是贯彻落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的需要和重要举措，已经成为抢占科技制高点的必然途径，是发展我国传感器及测量仪器民族工业的必然选择，是增强我国在国际贸易中的话语权的重要手段，是增强我国综合国力的战略措施。

传感技术在20世纪的中期问世，是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的。当时传感技术的发展远远落后于与计算机技术和数字控制技术的发展，早期的传感技术多用于国家级项目的科研研发、各国军事技术以及航空航天领域的试验研究。随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为

代表的传感器研发及其相关技术产业得到快速发展，并已在民品市场中逐步占有了极大的份额。

我国从20世纪60年代末开始传感技术的研究与开发，经过“七五”、“八五”的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器芯片、信号处理和识别系统仍然依赖进口。同时，我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成，产品的改进与革新速度慢，生产与应用系统的创新与改进少。

从21世纪初开始，传感技术引入基于微电子工艺的MEMS技术，使传感器向着微型化、集成化、智能化方向发展。传感器已成为汽车、制造机器人等工业领域的必备产品。传感器制造技术也成为促进手机、家电等消费类电子产品快速发展的推动力。当今社会已经迈向信息化时代，无线传感器网络和物联网技术的出现使得传感器技术成为一种与现代科学密切相关的信息获取的关键部件，并有机会寻求更大的突破与飞跃。在国外，传感技术已广泛地运用到各国军事技术、航空航天、检测技术以及车辆工程等诸多领域。例如，在军事上，国外激光制导技术迅猛发展，使导弹发射的精度和射中目标的准确性大幅度提高；美国在航空航天领域研制出了新型高精度高耐性红外测温传感器，使其在恶劣的环境中仍能高精度测量出运行中的飞行器各部分温度；国外的城市交通管理也大多运用电子红外光电传感器进行路段事故检测和故障排解；同时，国外现有汽车中常装载有新型光电传感器，如激光防撞雷达、红外夜视装置、测量发动机燃料特性装置、测量压力变化装置及用于导航的光纤陀螺等。在国内，传感器行业发展迅速，传感器市场近些年一直持续增长，势头良好，传感器主要应用于工业制造、汽车产品、电子通讯和专用设备，其中工业制造和汽车产品达到市场份额的三分之一。传感器给我国的迅速发展带来了无限商机，西门子、霍尼韦尔、凯乐、横河等传感器大企业纷纷进入我国市场，为我国工业设备制造商和汽车制造业等传感器最终消费者带来了很大便利，但也对国内传感器行业施加了很大压力。国内传感器产品存在的主要问题：品种少、质量较差；制造工艺技术相对落后；生产企业不掌握先进的核心制造技术；高性能传感器的科研成果转化率较低。

就目前的现状来看，无论是在国内还是在国外，传感技术的发展都决定着人类信息化的发展进度。传感器技术已成为当今科技领域的核心和支撑技术。

2．发展趋势与特点

人类自21世纪开始全面步入信息时代，从一定意义上讲，也就是进入了传感器时代。当前备受国际关注的物联网产业对于传感器技术的依赖程度尤为突出。温家宝总理在无锡视察时明确指出，要“尽快建立中国的传感信息中心”、“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”。由此可见，作为国际竞争战略的重要标志性产业，传感器产业以其技术含量高、市场前景广阔等特点备受世界各国关注。传感器产业的发展不仅为

物联网提供支撑，还将在传统产业转移与技术升级，以及在当前经济结构调整和转型中发挥积极作用。与此同时，物联网产业的发展也为传感技术提升和产业发展提供了巨大市场空间。传感器变革的方向主要有三个：微型化、智能化和可移动性。在传感器技术与制造工艺上，美、德、日等工业发达国家处于国际市场的领先地位。国内目前技术发展与创新的重点在材料、结构和性能改进三个方面：敏感材料从液态向半固态、固态方向发展；结构向小型化、集成化、模块化、智能化方向发展；性能向检测量程宽、检测精度高、抗干扰能力强、性能稳定、寿命长久方向发展。长期以来，国内企业过于分散，产业集中度不高，生产工艺装备相对落后，缺乏技术创新的基础和动力，均以仿造及二次开发为主，特别在敏感元件核心技术及生产工艺方面与国外差距较大，

导致产业化水平不能适应市场快速变化和急剧增长的需求，国际竞争力不强，制约和影响了我国传感器产业的正常发展。

物联网技术的推进对传感器技术提出了新的要求，促使产品向MEMS工艺技术、无线数据传输网络技术、新材料、纳米、薄膜(含SOI)、陶瓷技术、光纤技术、激光技术、复合传感器技术等多学科交叉的融合技术方向发展。从国际整体发展状况来看，传感技术具体有以下四个方面发展趋势：

(1)无线网络化技术应用，能适应野外恶劣的自然环境与条件，能保持精度高、寿命长、可靠性高和长期稳定性好，集防窃取、信息安全、保密性等高等功能于一体的无线网络化技术。

(2)运用新原理、新结构、新材料，实现微功耗、低成本、高可靠性等参数指标的提升。如薄膜技术、光纤技术、纳米技术、人工假鼻、皮肤、人工手腕、髋关节等技术，动态模拟与动画技术，高倍与远程数据采集和仿真技术，为野外特殊环境下传感器配备和提供的微能量获取与收集技术等。

(3)研发更高技术和创新类产品，并重视产业化技术。如地震、飓风等自然灾害预报与监测类传感器产品。

(4)拓展市场应用领域。如自然环境与生活基础设施类产品开发和工艺技术研究，复杂状况的各种产品结构设计。又如，跟踪沙漠、森林、海洋、大气等条件变化，研发应用于桥梁、道路和建筑等的各种无线网络传感器。

从成熟角度来看，传感器产业化技术呈现出以下主要发展特征：

(1)重视基础技术、基础工艺和共性关键技术的研究，保证基础技术与基础工艺处于世界领先地位。

(2)重视制造工艺技术与装备研究与应用，配置优良的工艺装备和检测仪器，特别是智能化工艺设备，确保了工艺装备的先进性。

(3)重视新产品和自主知识产权产品的开发，增强核心竞争力。瞄准全球传感技术和市场的发展潮流与战略前沿，确定研究课题和产品开发方向。

(4)重视传感器的可靠性设计、控制与管理，严格控制工艺可靠性，有效地提高产品生产成品率。

(5)重视市场竞争，加强市场调查与分析，以快速响应市场。注重市场竞争中的个性化服务，做到响应及时、品质优良、性价比高。

(6)重视产品技术标准，熟悉系统信息采集过程中上下游接口连接的各项标准的完整性、统一性、协调性。

正因为如此，传感器产品品种繁多，规格齐全，集成化与模块化结构性能强，产品内在与外观质量并重。虽然外形结构类型千变万化，但是传感器产品品质、产业化规模技术水平始终较高，市场配套与服务能力较强。因此，应不断把新技术运用和市场竞争推向新的高度，使同类产品不仅具有灵敏度、精度、稳定性和可靠性等指标上的竞争优势，在新材料应用、生产制造工艺与产业化技术水平上也同样形成明显的竞争优势。

3.1.3传感技术与无线传感器网络系统

微型计算机的普及、信息处理技术的飞速发展促使无线传感网系统的产生。同时，无线传感器网系统与人们的生活联系日益紧密，形成了推动获得信息的传感技术发展的动力。无线传感器网络系统指的是将红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，让所有的物品都与网络连接在一起，以方便识别和管理，因而又叫“物联网”。比如，现实中，人们必须通过看、尝、摸、闻才能形成对某种食物的综合判断，但如果把这几种感知信息上传至网上，那么即使身在远方，人们也能随时了解到这种食物的色香味，这就是传感网技术的魅力。

所谓无线传感器网络，就是指由大量部署在监测区域内的各类廉价的小型(或微型)集成化传感器节点协作实时感知、监测各种环境或目标对象的信息，然后通过嵌入式系统对信息进行智能处理，最后通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在”的计算理念。无线传感网络综合了传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术、分布式智能信息处理技术等。传感器网络的研究采用系统发展模式，因而必须将现代的先进微电子技术、微细加工技术、系统芯片SOC设计技术、纳米材料技术、现代信息通信技术、计算机网络技术等融合，以实现其小型化(微型化)、集成化、多功能化、系统化、网络化，特别是实现传感器网络特有的超低功耗系统设计。无线传感器网络可以在长期无人值守的状态下工作，在军事国防、工农业、城市管理、智能交通、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值、巨大的实用价值和广阔的市场前景。

在无线传感器网络中，传感器是信息采集的核心和关键。从仿生学观点来看，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。信息的获取需要依靠各类传感器，包括各种物理量、化学量或生物量的传感器。按照信息论的凸性定理，传感器的功能与品质决定了传感器系统获取自然信息的信息量和信息质量，它也是高品质传感技术系统构造的关键。信息处理包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等。而识别的主要任务是对经过处理的信息进行辨识与分类。它利用被识别(或诊断)对象与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨识、分类和判断。因此，传感技术是遵循信息论和系统论的，包含了众多高新

技术，被众多产业广泛采用，也是现代科学技术发展的基础条件，应该受到足够地重视。

综上所述，微小传感器技术和节点间的无线通信能力使得无线传感器网络具有广阔的应用前景。无线传感器网络在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域都有着广泛应用，在空间探索和灾难拯救等特殊的领域也有其得天独厚的技术优势。无线传感器网络的发展必定对传感器提出特殊功能要求，带动传感技术的发展。根据摩尔定律，传感器将会更加趋于集成化、微型化和智能化，为我们的经济与社会发展提供更大的驱动力。3.2传感器的含义与分类

3.2.1传感器的含义

传感器(Transducer/Sensor)的定义：能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件(SensingElement)是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件(TransducerElement)是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号以及其他某种可用信号的部分。传感器狭义地定义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。可以预料，当人类跨入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念将随之发展成为：传感器是能把外界信息转换成光信号输出的器件。

传感器的任务就是感知与测量。在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。在18世纪产业革命以前，传感技术由人的感官实现：人观天象而仕农耕，察火色以冶铜铁。从18世纪产业革命以来，特别是在20世纪信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官即工程传感器来实现。目前，工程传感器应用广泛，可以说任何机械电气系统都离不开它。现代工业、现代科学探索，特别是现代军事都要依靠传感技术。如果一个大国没有自身传感技术的不断发展，必将处处受制。

现代技术的发展，创造了多种多样的工程传感器。工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知的量，如紫外线、红外线、超声波、磁场等。从这个意义上讲，工程传感器超过人的感官能力。有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测，但工程传感器测量得更快、更精确。例如，虽然人眼和光传感器都能检测可见光进行物体识别与测距，但是人眼的视觉残留约为0.1s，而光晶体管的响应时间可短至纳秒以下；人眼的角分辨率为1'，而光栅测距的精确度可达1"；激光定位的精度在月球距离3×104km范围内可达10cm以下；工程传感器可以把人所不能看到的物体通过数据处理变为视觉图像，CT技术就是一个例子，它把人体的内部形貌用断层图像显示出来，其他的还有遥感技术。

但是，目前工程传感器在以下几方面还远比不上人类的感官：多维信息感知、多方面功能信息的感知功能、对信息变化的微分功能、信息的选择功能、学习功能、对信息的联想功能、对模糊量的处理能力以及处理全局和局部关系的能力，这正是今后传感器智能化的一些发展方向。随着信息科学与微电子技术，特别是微型计算机与通信技术的迅猛发展，传感器的发展走上了与微处理器或微型计算机相结合的必由之路，智能(化)传感器的概念应运而生。传感器技术则是涉及传感(检测)原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术，因此传感器技术涉及多学科交叉研究。3.2.2传感器的分类和性能要求

传感器主要按其工作原理和被测量来分类。传感器按其工作原理，一般可分为物理型、化学型和生物型三大类；按被测量——输入信号分类，一般可以分为温度、压力、流量、物位、加速度、速度、位移、转速、力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。传感器按其工作原理分类便于学习研究，把握本质与共性；而按被测量来分类，能很方便地表示传感器的功能，便于选用。传感器的分类，如表3-1所示。

表3-1传感器的分类分类法类型说明按构成基本效应分物理型、化学型、生物型分别以转换中的物理效应、化学效应等命名按构成原理分结构型以其转换元件结构参数特性变化实现信号转换物性型以其转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分能量转换型传感器输出量直接由被测量能量转换而得能量控制型传感器输出量能量由外电源供给，但受被测输入量控制按作用原理分应变型、电容型、压电型、热电型等以传感器对信号转换的作用原理命名按输入量分位移、压力、温度、流址、气体等以被测量命名(即按用途分类法)按输出量分模拟型输出量为模拟信号数字型输出量为数字信号

物理型传感器又可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感受被测量，并转换成电信号的传感器。在物性型传感器中，敏感元件与转换元件合为一体，一次完成“被测非电量→有用电量”的直接转换。结构型传感器是以结构为基础，利用某些物理规律来感受被测量，并将其转换成电信号

的传感器。这里需要加入转换元件，实现“被测非电量→有用非电量→有用电量”的间接转换。

按照敏感元件输出能量的来源又可以把传感器分成以下三类：

(1)自源型为仅含有转换元件的最简单、最基本的传感器构成类型。此类型的特点：不需外能源；其转换元件具有从被测对象直接吸取能量，并转换成电量的电效应；但其输出能量较弱。一般包括如热电偶、压电器件等。

(2)带激励源型是转换元件外加辅助能源的构成类型。这里的辅助能源起激励作用，它可以是电源，也可以是磁源。如某些磁电式传感器和霍尔式传感器等。此类传感器的特点是：不需要变换(测量)电路即可有较大的电量输出。

(3)外源型由利用被测量实现阻抗变化的转换元件构成，它必须通过外电源经过测量电路在转换元件上加入电压或电流，才能获得电量输出。这些测量电路又称为“信号调理与转换电路”，常用的有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器和脉冲调宽电路等。

自源型和带激励源型传感器由于其转换元件起着能量转换的作用，故称其为能量转换型传感器，外源型传感器又称为能量控制型传感器。能量转换型传感器中用到的物理效应：压电效应、磁致伸缩效应、热释电效应、光电动势效应、光电放射效应、热电效应、光子滞后效应、热磁效应、热电磁效应、电离效应等；能量控制型传感器中用到的物理效应：应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电阻效应、霍尔效应、约瑟夫逊效应以及阻抗(电阻、电容、电感)几何尺寸的控制等。应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电阻效应、霍尔效应、约瑟夫逊效应以及阻抗(电阻、电容、电感)几何尺寸的控制等。

对传感器的基本性能要求如下：

①足够的容量——传感器的工作范围或量程足够大；传感器具有一定的过载能力。

②灵敏度高，精度适当——要求其输出信号与被测输入信号成确定关系(通常为线性)，且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。

③响应速度快、工作稳定、可靠性好。

④适用性和适应性强——体积小、重量轻、动作耗损能量小，对被测对象的状态影

响小；内部噪声小而又不易受外界干扰；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统

对接。

⑤使用经济——成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。3.3典 型 传 感 器

3.3.1力敏传感器

力敏传感器是用来检测气体、固体、液体等物质间相互作用力的传感器，力敏传感器常用的敏感材料有半导体、金属及合成材料。常用的力敏传感器主要有电阻应变片、硅压阻式力敏传感器和电容式力敏传感器等。其中，硅压阻式力敏传感器的性能最好，其优点是灵敏度好、精度高，但受温度影响比较大。

力敏传感器中的电阻应变片能将机械构件上的变化转换为电阻的变化，因为导体的电阻与材料的电阻率及它的几何尺寸(长度和截面积)有关。由于导体在承受机械形变过程中，其电阻率、长度和截面积都会发生微小的变化，从而导致其电阻发生变化。

电阻应变片主要有金属丝式应变片、金属箔式应变化和半导体应变片。传感器将四片相同的电阻应变片分别粘贴在弹性平行梁的上下两表面的适当的位置，梁的一端固定，另一自由端用于加载外力F，力敏传感器结构示意图如图3-3所示。弹性梁受载荷作用而弯曲，梁的上表面受到拉力，梁上面的两个电阻应变片R1和R2因受拉力而电阻增大；梁的下表面受压力，R3和R4电阻减小。这样，通过外力的作用使梁发生形变进而造成四个电阻的值发生变化，把应力的变化转化为电阻的变化。

图3-3力敏传感器结构示意图

应变片的电阻值R1 = R2 = R3 = R4，由应变片组成的全桥测量电路如图3-4所示。当应变片受到外力作用时，弹性体产生形变，使得粘贴在弹性体上的电阻应变片R1～R4的阻值发生变化，电桥失去平衡，有电压输出，输出的电压值U与所受到的外力F的大小成正比。即U = K × F，其中K是力敏传感器的灵敏度。图3-4应变片全桥测量电路

利用这种力敏效应可以检测力的相关参数，可分为几何学量、运动学量及力学量三部分。其中，几何学量指的是位移、形变、尺寸等；运动学量是指几何学量的时间函数，如速度、加速度等；力学量包括质量、力、力矩、压力、应力等。力敏电阻器的主要参数有：

(1)温度系数。力敏电阻器的电阻值的变化与温度有关。温度变化1℃，电阻值变化的百分数称为温度系数。

(2)灵敏度系数。指力敏电阻器形变与电阻值的变化关系，形变与电阻值的变化关系必须满足∆r/r=k∆l/l，其中K就是灵敏度系数。

(3)灵敏度温度系数。当温度升高时力敏电阻器的灵敏度下降，温度每升高1℃，灵敏度系数下降的百分比称为灵敏度温度系数。

(4)温度零点漂移。在环境温度范围内，环境温度每变化1℃引起的零点输出变化与额定输出的百分比称为温度零点漂移。

3.3.2磁敏传感器

磁敏传感器是将磁场信息转换成各种有用信号的装置，它是各种测磁仪器的核心。到目前为止，已形成了十多种常用的测磁方法，研制和生产出了几十个大类上百种测磁仪器。如图3-5所示，一般测磁仪器都是由磁敏传感器(磁敏元件和转换器)、信号处理电路和读出电路组成，传感器决定仪器的基本性能(例如灵敏度、动态范围、精确度)，信号处理电路可以实现放大、转换(例如F/V、A/D等转换)、补偿、校正等功能。

图3-5一般测磁仪器的组成方块图

作为信息载体的磁性材料一直是人们研究的重点。计算机信息存储、音像信息的记录，各种物体运动信息(位置、位移、速度、转速等)，都可以借助磁性体作为信息载体。因而，需要大量各种各样的磁读出、写入和传感装置，而这也促使磁敏传感器逐渐地和测磁仪器分离，形成独立的磁敏传感器产品。可以说，任何一台计算机、一辆汽车、一家工厂离开磁敏传感器都不能够正常工作。同时，磁敏传感器已深入到人们日常生活中，例如收录机、电视录像机、空调机、洗衣机等，都大量地使用着磁敏传感器。典型的磁敏传感器主要有以下五种：

1．霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔(A.H.Hall，1855—1938年)于1879年在研究金属的导电机理时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，且半导体的霍尔效应比金属强得多。之后，人们利用这现象制成各种霍尔元件，并将它广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转产生的效应。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上的正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，图

3-6所示为霍尔效应示意图。

图3-6霍尔效应示意图

对于半导体而言，若在x方向通一电流Is，在z方向加磁场B，则在y方向即试样A、A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的电类型。显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的由电场EH产生的电场力与洛仑兹力FB相等时，半导体两侧电荷的积累就达到平衡，故在垂直于电流和磁场的方向上产生电势差，称为霍尔电压。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。目前，多数商用的霍尔传感器使用砷化铟，具有结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，灵敏度范围为10-3～1000Gs，工作频率范围为0～1 MHz，功耗在0.1～0.2W之间，工作温度范围为-100～100℃。一般地，霍尔传感器工作时需要通过温度传感器和运算放大器进行温度补偿。

2．磁阻传感器

有些材料的阻值在磁场中会发生变化，通过这些材料制作的传感器叫做磁阻传感器。磁阻传感器主要包括各向异性磁电阻(AnisotropicMagnetoResistance，AMR)传感器和巨磁电阻(GiantMagnetoResistance，GMR)传感器。传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)，一般是利用半导体工艺将铁镍合金薄膜附着在硅片上，磁阻传感器及等效电路如图3-7所示。

图3-7磁阻传感器及等效电路

AMR传感器是利用一些材料的电阻与磁化、电流方向的角度关系制作的传感器，材料主要为铁磁介质。AMR传感器灵敏度范围为10-2～50Gs，工作频率范围为0～1GHz，功耗在0.1～0.5mW之间，工作温度为-55～200℃。AMR传感器重量轻、体积小，常应用于地磁场测量、电子罗盘、导航系统、ABS系统的车轮速度测量。

GMR传感器电阻的变化量会达到10%以上，有的会达到60%，而AMR传感器的电阻变化量一般只有百分之几。GMR传感器能检测的磁场范围为10-3～104Gs。GMR传感器通常由铁磁层与抗铁磁层交替组成的，灵敏度高、能耗和稳定性好，可以应用在位移测量、精密机械定位、速度控制、导弹导航等领域。

3．测量线圈磁场计

测量线圈磁场计是基于法拉第电磁感应定律的原理来测量磁场的，线圈通过时变磁场或一个非均匀磁场时，线圈的磁通密度会发生变化，线圈中会感应出电流，而输出电压与导线两端磁通密度的变化率成正比。测量线圈磁场计的灵敏度与铁磁芯材料的磁导率、线圈面积、线圈匝数以及磁通密度通过线圈的变化率有关，此类传感器没有检测上限，灵敏度可以通过改变铁磁芯的方式加以改善，主要应用在环境较恶劣的场合。测量线圈磁场计只能用来测试时变磁场，不能用于直流磁场的测量。测量线圈磁场计能测量的磁场大于20fT；典型的频率范围为1 Hz～1 MHz，频率上限受制于线圈电感与电阻的比；功耗在1～10 mW之间；线圈的典型尺寸在0.05～1.3 m之间。

4．磁通门传感器

磁通门传感器实际上就是利用变压器的电磁感应效应，通过磁芯将外界磁场调制成偶次谐波感应电动势，实现对外界环境磁场测量的。在一根磁性材料的磁芯上，分别绕制两组三维螺线管线圈，其中一组为激励线圈，另一组为感应线圈，铁、钴、镍及其合金等均属于高磁导率磁介质，其磁导率高达104～105，在磁场中它们有极强的聚磁能作用，图3-8所示为电磁感应示意图。当一正弦激励电流流过其中一个线圈时，电流会使铁磁芯磁化。由于磁滞现象，通过铁芯的磁通密度会落后于电流产生的磁场强度，所以通过铁芯的磁通密度的改变可以通过第二个线圈检测出来，一般磁性材料的磁化曲线如图3-9所示。其中，Hc表示磁性材料的矫顽力；Hs表示磁性材料的饱和磁场强度；Br表示磁性材料的剩余磁场；Bs表示磁性材料的饱和磁感应强度。

图3-8电磁感应示意图图3-9磁性材料的磁化曲线

上述物理模型可以说明，这种与变压器相伴生的现象，对于环境磁场来说就好像是一道“门”，通过这道“门”，环境磁场被调制成偶次谐波感应电动势，这种现象称为磁通门现象。由环境磁场产生的那部分感应电动势称为磁通门信号。磁通门的高稳定性、高线性度和高精度，使其成为测量高精度弱磁场的最优选择。它们可以对直流(DC)场进行精确测量，大量应用在磁罗盘导航系统方面，也可以用来检测潜艇、探矿和测量电流。磁通门的灵敏度范围为10-2～107nT，分辨率为100pT，响应频率的上限为10kHz，功耗约100mW。该传感器具有复杂的磁芯线圈，并且重量大、功耗大，而减小重量和功耗的同时会减小灵敏度和稳定性。因此，为了获得小型化磁通门传感器必须解决两个问题：线圈的小型化和磁芯的集成。

5．SQUID磁场计

SQUID磁场计是基于某种材料处于它的超导温度后电流和磁场之间的显著反应来测量磁场的。当材料处于超导温度时，会成为超导体，对电流没有阻力。磁通密度的磁力线通过一个超导材料制备的线圈会在环中感应出电流，在没有任何干扰的情况下，该电流会一直存在。而产生的电流的大小与磁通密度有关，电流的测量是根据约瑟夫森效应进行的。SQUID的灵敏度非常高，适合应用在天文学、地质学和医学方面。

目前，SQUID磁场中是低频(小于1Hz)测量磁场最灵敏的设备，可达fT的数量级，工作时功耗为几瓦。SQUID磁场中工作在低温状态并且对电磁干扰非常敏感，需要复杂的

基础设备(液氮和电磁屏蔽等)，所以SQUID的体积和重量都非常大，从而限制了它的应用范围。

3.3.3光敏传感器

光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有光电管传感器、光电倍增管传感器、光敏电阻传感器、光敏三极管传感器、太阳能电池传感器、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。光敏传感器的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光敏传感器不只局限于对光的探测，还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。

一般地，光敏传感器内装有一个高精度的光电管，当向光电管两端施加一个反向的固定压力时，任何光子对它的冲击都将导致其释放出电子。光照强度越高，光电管的电流也就越大，电流通过一个电阻时，电阻两端的电压被转换成可被采集器的数模转换器接收的0～5V电压，然后采集器以适当的形式把结果保存下来。简单地说，光敏传感器就是利用光敏电阻受光线强度影响而阻值发生变化的原理向主机发送光线强度的模拟信号的。

1．光敏电阻

光敏电阻是最简单的光敏传感器，其工作原理是利用半导体内的光电效应，当有光照射半导体表面时，光子能量被半导体吸收，半导体受激发产生电子-空穴对，从而提高导电载流子浓度，降低半导体电阻；当入射光消失后，由光子激发产生的电子-空穴对将复合，半导体阻值也就恢复原值。入射光强，电阻减小；入射光弱，电阻增大，光敏基本原理如图3-10所示。图3-10光敏电阻基本原理

在半导体光敏电阻两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体，通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可加交流电压，半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子的数目。光敏电阻的光谱范围从紫外线区到红外线区。光敏电阻具有灵敏度高、体积小、性能稳定、价格较低等优点。光敏电阻的主要性能参数如下：光敏电阻不受光照时的电阻称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流；受到光照时的电阻称为亮电阻，此时电流称为亮电流；暗电阻越大越好，亮电阻越小越好。实际应用中，暗电阻大约在兆欧级，亮电阻大约在几千欧以下。图3-11所示为光敏电阻结构、图形符号。光敏电阻属半导体光敏器件，除具有灵敏度高、反应速度快、光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机、太阳能庭院灯、草坪灯、验钞机、石英钟、音乐杯、礼品盒、迷你小夜灯、光声控开关、路灯自动开关以及各种光控玩具、光控灯饰、灯具等光自动开关控制领域。

图3-11光敏电阻结构、图形符号

2．光敏二极管

光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，PN结具有单向导电性，因此工作时需要加上反向电压。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子-空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下产生漂移，使反向电流增加。

无光照时，光敏二极管有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管处于截止状态。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，并随入射光强度的变化而变化。因此，可以利用光照强弱来改变电路中的电流，无光时PN结处于截止状态，有光时PN结处于导通状态。

3．光敏三极管

光敏三极管分为PNP和NPN两种。

光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不仅受基极电路和电流控制，还受光辐射控制。

通常，光敏三极管的基极不引出，但一些光敏三极管的基极会引出，用于温度补偿和附加控制等。

光敏三极管的光电特性：当光敏电阻两极电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性，光电特性曲线如图3-12所示。

图3-12光电特性曲线3.3.4温度传感器

温度传感器是指能感受温度并将其转换成可用输出信号的传感器，是温度测量仪表的核心部分，其品种繁多。温度传感器按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性可分为热电阻和热电偶两类。

1．接触式

接触式温度传感器通过接触物体的传导或对流达到热平衡，从而使得传感器输出变化的信号可以直接表示为被测对象的温度，其测量精度一般较高。在一定的测温范围内，此类温度传感器也可测量物体内部的温度分布，但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差。这类传感器主要是基于热电阻和热电偶等两种热效应的，主要有铂电阻、热敏电阻、热电偶、PN结型温度传感器以及硅半导体温度传感器等，温度传感器的性能对比如表3-2所示。类传感器主要是基于热电阻和热电偶等两种热效应的，主要有铂电阻、热敏电阻、热电偶、PN结型温度传感器以及硅半导体温度传感器等，温度传感器的性能对比如表3-2所示。

表3-2温度传感器性能对比

温度传感器类型灵敏度温度系数/℃温度范围线性可靠性成本其他热敏电阻高-4%窄差差低

铂电阻低0.4%宽好好高

热电偶低几mV宽中中高需要参考点，使用不方便PN结型温度传感器中-2mV窄好中低分散性硅温度传感器较高0.7%较宽好好低

1)热电偶

热电偶是指由两种不同成分的材质导体组成的闭合回路，其基本原理是当导体两端存在温度梯度时，回路中就会有电流流过，此时导体两端就存在电动势，即为热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeckeffect)，热电偶模型如图3-13所示。两种不同成分的均质导体A和B为热电极，温度较高的一端为工作端t，温度较低的一端为自由端t0，自由端

通常处于某个恒定的温度下，此时回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”。

图3-13热电偶模型

并不是所有材料都能组成热电偶，一般对热电偶的电极材料的基本要求如下：

①在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；

②电阻温度系数小，导电率高，比热小；

③测温中，产生的热电动势要大，并且热电动势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系；

④材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格低廉。

根据热电动势与温度的函数关系，可以制成热电偶分度表。分度表是自由端在温度0℃的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类：标准热电偶是指国家标准规定了其热电动势与温度的关系、允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。我国从1988年起，规定标准化热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为统一设计型热电偶。表3-3为常用热电偶型号、热电极材料和使用温度关系表。表3-3常用热电偶型号、热电极材料和使用温度关系表型号热电极材料使用温度范围/℃S铂铑合金(铑含量10%)/纯铂0～1600R铂铑合金(铑含量13%)/纯铂0～1600B铂铑合金(铑含量30%)/铂铑合金(铑含量6%)0～1800K镍铬/镍硅0～1300T纯铜/铜镍0～350J铁/铜镍0～500N镍铬硅/镍硅0～800E镍铬/铜镍0～600

2)热敏电阻

热敏电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的。电阻的热效应即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热敏电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前，热敏电阻主要有金属热敏电阻和半导体热敏电阻两类。

金属热敏电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即

Rt = Rt0[1

+ α (t - t0)](3-1)

式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0(通常t0 = 0℃)时对应电阻值；α为温度系数。

工业上常使用金属热敏电阻，其电阻会随温度变化，大部分金属导体都有这个性质，但并不是都能用作测温热敏电阻，作为热敏电阻的金属材料一般要求：尽可能大且稳定的温度系数、电阻率要大(在同样灵敏度下需要减小传感器的尺寸)、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系(最好呈线性关系)。目前，实用化的金属热敏电阻材料为铂、铜和镍。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为

Rt

= AeB/t(3-2)式中，Rt为温度为t时的阻值，A、B取决于半导体材料的结构的常数。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高(通常在数千欧以上)，但热敏电阻互换性较差，非线性关系强，测温范围只有-50～300℃左右，其大量用于家电和汽车的温度检测和控制。金属热敏电阻一般适用于-200～500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程序控制中的应用极其广泛。图3-14为三种热敏电阻特性曲线。

图3-14热敏电阻特性曲线

热敏电阻是用具有不同温度系数的半导体材料制成的，主要有正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)和临界温度系数(CTR)等三种。其中，正温度系数和临界温度系数有居里温度点，在居里温度点附近传感器阻值会随着温度变化产生剧烈改变。由于热敏电阻是一种电阻性器件，任何电流源都会在其上因功率而发热。功率等于电流平方与电阻的积，因此要使用小的电流源。如果热敏电阻暴露在高热环境中，将导致热敏电阻永久性损坏。2．非接触式

最常用的非接触式温度传感器是基于黑体辐射基本定律的传感器，辐射测温法包括亮度法、辐射法和比色法。此类温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速(瞬变)对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。黑体辐射定律是由德国物理学家普朗克(Max

Planck)于1900年所发现的，它是一个和实验结果一致的纯粹经验公式，也是公认的物体间热力传导基本法则。普朗克提出了能量量子化假设：辐射中心是带电的线性谐振子，它能够同周围的电磁场交换能量，谐振子的能量不连续，是一个量子能量的整数倍，即

(n = 1,2,3,…)(3-3)式中，v是谐振子的振动频率；h是普朗克常数，是量子论中最基本的常数。根据这个假设，可以导出普朗克公式为

·(3-4)

式(3-4)给出了辐射场能量密度按频

率变化的分布式，其中T是热力学

温度，k是玻耳兹曼常数。辐射场

能量密度随波长变化的分布曲线，

同实验结果完全一致，如图3-15

所示。图3-15辐射场能量密度按波长变化

的分布曲线3.3.5气敏传感器

气敏传感器的检测气体可以分成以下三大类：一是生命保障气体，主要是氧气；二是易燃易爆气体，如H2、CH4、C4H10等可燃性气体；三是有毒有害气体，包括CO、NO2、CO2和有机VOC蒸汽等。有毒有害和易燃易爆气体具有很大的危害性，对人类来说是致命的。气敏传感器是一种检测特定气体的传感器，它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。目前，气敏传感器采用的检测方法主要有电化学法、半导体法、红外光学法、声表面波法、气相色谱分析法等。各种气体检测方法的对比分析如表3-4所示。

表3-4各种气体检测方法的对比分析序号检测方法优点缺点1电化学法精度高、响应快、选择性好成本高、量程小、寿命短2半导体传感器法响应快，量程宽，寿命长、成本低、操作简单、易于便携使用稳定性较差、选择性差、需要加热、易受环境干扰3红外光学法灵敏度较高、无污染、速度快、稳定性好、可分多组同时检测成本高、检测气体种类有限4声表面波法检测精度高、灵敏度高、分辨率高选择性差、抗环境干扰差5MEMS传感器体积小、功耗低、易于集成工艺技术复杂、存在尺度效应、缺乏相关的工艺标准、制备条件高6气相色谱法检测精度高、检测范围宽、寿命长成本高、设备昂贵、需要专业人员操作电化学传感器主要有固体电解质型、恒电位电解型和伽伐尼型三种类型，图3-16所示为典型电化学传感器的模型和内部结构，其膜电极和电解质结构非常适用于有毒性气体检测，具有响应速度快、精度高、稳定性好等优点，但缺点是成本高、量程小及寿命短，其特别适合于SO2、CO2和NOQ检测。

图3-16典型电化学传感器的模型和内部结构

红外光学气体传感器是利用近红外光谱选择吸收特性原理制成的新型传感器，根据不同气体成分具有不同种分子官能基团，以及气体浓度与吸收强度的关系，确定气体种类和浓度的变化，它具有稳定性好、检测快的优点，适用于浓度范围大的复杂多组分混合气体的在线分析，图3-17为红外光学气体传感器的结构。图3-17红外光学气体传感器的结构

半导体传感器主要包括金属氧化物半导体和导电聚合物，常用的金属氧化物半导体材料有SnO2、ZnO、WO3、In2O3等，当其吸附某种气体时会导致该氧化物的电阻变化产生信号。导电聚合物是以有机高分子半导体材料(如吡咯、苯胺、噻吩、吲哚等碱性有机物的聚合物及衍生物)为主，当与气体反应后通常引起电阻阻值增加产生信号。半导体氧化物传感器具有响应快、量程宽、成本低、操作简单、易于便携使用等优点，因而被广泛应用。特别是随着MEMS工艺技术的发展，MEMS在微型化、集成化和低功耗方面的优势，使得半导体传感器成为了气体传感器发展的方向。图3-18为半导体传感器的结构。

图3-18半导体传感器的结构3.3.6湿敏传感器

湿度是表示大气干湿程度的物理量。在一定温度、一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。湿度常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点温度等物理量来表示。在湿蒸汽中水蒸气的重量占蒸汽总重量(体积)的百分比，称为蒸汽的湿度。

绝对湿度(水汽压)表示空气中水汽部分的压强，以百帕(hPa)为单位；相对湿度用空气中实际水汽压与当时气温下的饱和水汽压之比，用%rh百分数表示；露点温度是表示空气中水汽含量和气压不变的条件下冷却达到饱和时的温度，以摄氏度(℃)为单位。

湿敏传感器的制作方式是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，芯片的电特性(电容值、电阻率和电阻值等)会发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏传感器主要有电阻式、电容式两大类。典型的湿度传感器如下：

1．电容式湿度传感器

电容式湿度传感器(也称湿敏电容)是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。图3-19所示为高分子电容式湿度传感器的构造。在高分子膜上各蒸镀一电极膜片，上方的电极为多孔性电极，易吸收水分，高分子膜吸收水分之后，其介电系数将改变，致使感湿组件的电容量发生改变。

图3-19高分子电容式湿度传感器的构造

电容式湿度传感器直接感应相对湿度的变化，将湿度的变化转换为电容量的变化，再将电容量的变化经信号调理电路转换为标准的电信号，提供给相关控制或监测电路。电容式温度传感器具有响应快、线性度高、迟滞低以及长期稳定性好等特点。

2．电阻式湿度传感器

电阻式湿度传感器的制作方式一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺各制一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒。在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+ 的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度变化而变化。图3-20所示为电阻式湿度传感器的构造。

图3-20电阻式湿度传感器的构造3.3.7其他传感器

1．激光传感器

激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器，由激光器、激光检测器和测量电路组成，其优点是能实现无接触远距离测量、速度快、精度高、量程大、抗光电干扰能力强等，图3-21为激光传感器的原理模型。激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。

S图3-21激光传感器的原理模型

激光传感器的核心部件是激光器，而激光器关系到传感器的核心性能。按工作物质，激光器可分为四种。

①固体激光器：它的工作物质是固体。常用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器(即YAG激光器)和钕玻璃激光器等。它们的结构大致相同，特点是小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到数十兆瓦。

②气体激光器：它的工作物质为气体。现已有各种气体原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形状如普通放电管，优点是输出稳定、单色性好、寿命长，但功率较小、转换效率较低。

③液体激光器：可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中最重要的是有机染料激光器，它的最大优点是波长连续可调。

④半导体激光器：较新的一种激光器，其中较成熟的是砷化镓激光器。其优点是效率高、体积小、重量轻、结构简单，适用于飞机、军舰、坦克以及步兵随身携带，也可制成测距仪和瞄准器。但其输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。

激光传感器利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量，其常用于长度、距离、振动、速度和方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测。主要功能有四点：

1)激光测长度

精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源，它比以往最好的单色光源(氪-86灯)还纯10万倍。因此，激光测长具有量程大、精度高的优点。由光学原理可知单色光的最大可测长度L与波长λ和谱线宽度δ之间的关系是L = λ / δ。用氪-86灯可测最大长度为38.5cm，对于较长物体就需要分段测量而使其精度降低。若用氦氖气体激光器，则最大可测几十千米。一般测量数米之内的长度，其精度可达0.1μm。

2)激光测距离

激光测距离的原理与无线电雷达相同。将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速即得到往返距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些特点对测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都很重要，所以激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距，还可以测目标方位、运算速度和加速度等。它已成功地用于人造卫星的测距和跟踪，且采用红宝石激光器的激光雷达的测距范围为500～2000km，其误差仅几米。真尚有科技有限公司的研发中心研制出的LDM系列测距传感器，在数千米测量范围内的测量精度可以达到微米级别。

3)激光测振动

激光测振动是基于多普勒原理测量物体的振动速度的。多普勒原理是指，若波源或接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动，则观察者所测到的频率不仅取决于波源发出的振动频率还取决于波源或观察者的运动速度的大小和方向。所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移。在振动方向与运动方向一致时多普勒频移为

fd = v / λ(3-5)

式中，v为振动速度，λ为波长。

在激光多普勒振动速度测量仪中，由于光是往返的缘故，fd = 2v / λ。这种测振仪在测量时由光学部分将物体的振动转换为相应的多普勒频移，并由光检测器将此频移转换为电信号，再由电路部分作适当处理后送往多普勒信号处理器，最后将多普勒频移信号变换为与振动速度相对应的电信号，记录于磁带。这种测振仪采用波长为6328埃的氦氖激光器，用声光调制器进行光频调制，用石英晶体振荡器加功率放大电路作为声光调制器的驱动源，用光电倍增管进行光电检测，用频率跟踪器来处理多普勒信号。它的优点是使用方便，不需要固定参考系，不影响物体本身的振动，测量频率范围宽、精度高、动态范围大；缺点是测量过程受其他杂散光的影响较大。

4)激光测速度

激光测速度也是基于多普勒原理的一种激光测速方法，用得较多的是激光多普勒流速计(激光流量计)，它可以测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气风速、化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。

2．智能传感器

智能传感器(IntelligentSensor)是带有微处理机的、并具有信息处理功能的传感器。智能传感器具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。一般智能机器人的感觉系统是由多个传感器集合而成的，采集到的信息需要计算机进行处理，而使用智能传感器就可将信息分散处理，从而降低成本。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。

智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术，至今还没有形成规范化的定义。早期，人们简单、机械地强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合，认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”。

1)内涵

关于智能传感器的中英文称谓尚未有统一的说法。JohnBrignell和NellWhite认为“IntelligentSensor”是英国人对智能传感器的称谓，而“SmartSensor”是美国人对智能传感器的俗称。而JohanHHuijsing在“IntegratedSmartSensor”一文中按集成化程度的不同，分别称智能传感器为“SmartSensor”、“IntegratedSmartSensor”。对“SmartSensor”的中文译名有“灵巧传感器”，也有“智能传感器”。

如上所述，一个良好的“智能传感器”是由微处理器驱动的传感器与仪表套装而成的，并且具有通信与板载诊断等功能，可为监控系统或操作员提供相关信息，以提高工作效率，减少维护成本。智能传感器集成了传感器、智能仪表的全部功能，具有高线性度和低温度漂移特性，能降低系统的复杂性、简化系统结构，图3-22所示为智能传感器的构成框图。

图3-22智能传感器的构成框图

2)功能

智能传感器的功能是模拟人的感官和大脑的协调动作。智能传感器是结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的，是一个相对独立的智能单元，它的出现使其对硬件性能的苛刻要求有所降低，且能够通过软件使传感器的性能大幅度提高。智能传感器可实现的功能如下：

(1)信息存储和传输。随着智能集散控制系统(SmartDistributedSystem)的飞速发展，智能单元要求具有通信功能，并能通过通信网络以数字形式进行双向通信，这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能，如增益设置、补偿参数设置、内检参数设置、测试数据输出等。

(2)自补偿和计算功能。多年来，从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线性做大量的补偿工作，但都没有从根本上解决问题。而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。这样就可以放宽传感器加工精密度要求，只要能保证传感器的重复性好即可。利用微处理器对测试的信号进行软件计算，再采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿，从而获得较为精确的测量结果。

(3)自检、自校、自诊断功能。普通传感器需要定期检验和标定，以保证它在正常使用时拥有足够的准确度，这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行。在线测量传感器出现异常一般不能及时诊断，但若采用智能传感器则这种情况将大有改观。首先，智能传感器具有自诊断功能，能在电源接通时进行自检，以确定组件有无故障。其次，智能传感器可以根据使用时