第1章走進(jìn)傳感器技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域人類已步入以信息技術(shù)為標(biāo)志的高科技時(shí)代，人們的一切社會(huì)活動(dòng)都依賴于各種信息的獲取與運(yùn)用，傳感器作為信息獲取與信息轉(zhuǎn)換的裝置或器件，建立了現(xiàn)實(shí)世界與信息世界的橋梁。傳感器作為整個(gè)檢測系統(tǒng)的感知端，忠實(shí)地履行著自己的職責(zé)——感受規(guī)定的被測量并轉(zhuǎn)換成可用的信息。第1章走進(jìn)傳感器技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域了解人體感觀系統(tǒng)與傳感器的關(guān)系，重新認(rèn)識(shí)常用的電子產(chǎn)品掌握傳感器的定義與組成結(jié)構(gòu)，了解基本的分類方法和命名規(guī)則掌握傳感器的性能指標(biāo)（靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性），能夠合理地選用傳感器掌握傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)方法，能夠進(jìn)行簡單傳感器的靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定了解傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，拓展視野第1章走進(jìn)傳感器技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域1.1人體與傳感器

1.2傳感器的組成與分類

1.3傳感器的性能指標(biāo)

1.4傳感器的標(biāo)定

1.5傳感技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢*1.1人體與傳感器1.1.1眼睛視覺與攝像機(jī)1.1.2耳朵功能與麥克風(fēng)和空間運(yùn)動(dòng)傳感器1.1.3皮膚觸覺與陣列鍵盤和觸摸屏1.1人體與傳感器人類在自然界歷悠久史長河的進(jìn)化進(jìn)程中，逐漸形成了完善的感觀世界的生理系統(tǒng)，其主要包括：視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)（包括平衡系統(tǒng)）、嗅覺系統(tǒng)、味覺系統(tǒng)和觸覺系統(tǒng)，分別對應(yīng)于人類的眼、耳、鼻、舌、皮膚。人體的感觀系統(tǒng)用現(xiàn)代科技術(shù)語可表述為生物傳感器系統(tǒng)。在此將眼睛、耳朵、皮膚的感觀功能實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)代傳感器技術(shù)做關(guān)聯(lián)對比。1.1.1眼睛視覺與攝像機(jī)眼睛是一個(gè)感知光線的器官，是人類感觀中最重要的器官。大腦中大約有80%的知識(shí)和記憶都是通過眼睛獲取的，人們讀書學(xué)習(xí)、看圖賞畫、游覽美景等都要用到眼睛。眼睛能辨別不同顏色、不同亮度的光線，再將這些光線信號(hào)轉(zhuǎn)變成生物電信號(hào)，經(jīng)視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送給大腦，整體構(gòu)成所見物體的圖像。1.1.1眼睛視覺與攝像機(jī)現(xiàn)代高科技數(shù)碼產(chǎn)品：照相手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、監(jiān)控?cái)z像機(jī)等，其結(jié)構(gòu)與工作原理與人類的眼睛有驚人的相似之處。其結(jié)構(gòu)是由鏡頭、光圈、圖像傳感器和處理傳輸電路以及顯示屏等部分構(gòu)成。光電圖像轉(zhuǎn)換器件是圖像傳感器，其結(jié)構(gòu)與工作原理與人體視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞完全類似。1.1.1眼睛視覺與攝像機(jī)圖像傳感器是一種能將感光面上的光像信號(hào)轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的“圖像”電信號(hào)的光電器件，圖像傳感器是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。根據(jù)元件不同分為CCD和CMOS。CCD電荷耦合元件應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS金屬氧化物半導(dǎo)體元件應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中，它的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，售價(jià)也比CCD便宜1/3。1.1.1眼睛視覺與攝像機(jī)目前，高清晰度的圖像傳感器已高達(dá)3600萬像素，用于專業(yè)級(jí)數(shù)碼單反相機(jī)；但與人眼的分辨率相比仍相差幾十倍。因人眼的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)使分辨率得到極大的提升，其有效圖像可達(dá)5.76億像素；預(yù)計(jì)研發(fā)出與人眼分辨率相當(dāng)?shù)膱D像傳感器至少需要20～30年時(shí)間。1.1.2耳朵功能與麥克風(fēng)

和空間運(yùn)動(dòng)傳感器耳朵是人們的聽覺器官和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制與平衡感受器官。耳朵的主要結(jié)構(gòu)可以分為三大部分：外耳、中耳和內(nèi)耳。耳道深處有封閉的薄膜——鼓膜，它是外耳與中耳的分隔膜，也是中耳鼓室的外壁。鼓室是一個(gè)空腔，內(nèi)含人體中最小的骨頭——聽小骨。錘骨、砧骨和鐙骨三塊聽小骨組合成聽骨鏈，一端連接鼓膜，另一端連接到內(nèi)耳的聽覺組織，各部分整體構(gòu)成人體生物聲音信號(hào)傳感器。1.1.2耳朵功能與麥克風(fēng)

和空間運(yùn)動(dòng)傳感器當(dāng)聲音發(fā)出時(shí)，周圍的空氣分子就產(chǎn)生了一連串的振動(dòng)，這些振動(dòng)就是聲波，并從聲源向外傳播。當(dāng)聲音到達(dá)外耳后，通過耳廓的集音作用把聲音傳入外耳道并到達(dá)鼓膜，使鼓膜振動(dòng)。鼓膜振動(dòng)帶動(dòng)聽骨鏈振動(dòng)，鐙骨再帶動(dòng)前庭窗振動(dòng)，引起內(nèi)耳耳蝸管道淋巴液的移動(dòng)，使數(shù)以千計(jì)的聽覺毛細(xì)胞產(chǎn)生生物電信號(hào)，生物電信號(hào)經(jīng)耳蝸神經(jīng)傳導(dǎo)給大腦形成聽覺。

耳朵功能與麥克風(fēng)動(dòng)圈式聲音信號(hào)傳感器——麥克風(fēng)（Microphone）則是根據(jù)耳朵聽覺系統(tǒng)的生理功能設(shè)計(jì)出來的，是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件，也稱話筒或拾音器。動(dòng)圈麥克風(fēng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，因而具有較長的使用壽命；同時(shí)其價(jià)格低廉，被廣泛地應(yīng)用到了各種大眾音響場合，如卡拉OK廳、會(huì)議室、電話機(jī)等，其最佳頻率響應(yīng)為40Hz～16kHz。

耳朵功能與麥克風(fēng)動(dòng)圈麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)是由保護(hù)罩、振動(dòng)膜、永磁鐵和與振動(dòng)膜相聯(lián)的圓形銅線音圈組成。當(dāng)聲波使振動(dòng)膜振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)膜帶動(dòng)音圈在永磁場中前后運(yùn)動(dòng)，使圓形銅線音圈切割磁力線，并在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢——音頻電信號(hào)。即動(dòng)圈麥克風(fēng)完成了把機(jī)械振動(dòng)聲波轉(zhuǎn)換成了音頻電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換功能。

耳朵功能與空間運(yùn)動(dòng)傳感器內(nèi)耳包含了一個(gè)非常重要的器官——前庭器官，位于人的內(nèi)耳，包括橢圓囊、球囊和3個(gè)半規(guī)管，是人體的平衡覺感受器。人們對頭部和身體的移動(dòng)、上下升降以及翻身、例置等運(yùn)動(dòng)的辨別，都依靠平衡覺。

耳朵功能與空間運(yùn)動(dòng)傳感器意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics，簡稱ST）利用微機(jī)械制造技術(shù)和集成電路工藝研制出的LSM330DL傳感器——3D加速度傳感器和3D軸陀螺儀與人體前庭器官的功能完全類似。LSM330DL傳感器（如圖1-5所示）是利用3個(gè)可直線運(yùn)動(dòng)的差動(dòng)電容極片實(shí)現(xiàn)3維的空間平移運(yùn)動(dòng)檢測，利用3個(gè)可旋轉(zhuǎn)的差動(dòng)電容極片實(shí)現(xiàn)3維的空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測。LSM330DL傳感器原理圖LSM330DL傳感器應(yīng)用LSM330DL傳感器廣泛應(yīng)用于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、碰撞識(shí)別和記錄、游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備、振動(dòng)監(jiān)測與補(bǔ)償、自由落體檢測、6維運(yùn)動(dòng)的定位檢測等領(lǐng)域。例如在先進(jìn)的平板iPad電腦中，配置了該系列的加速度傳感器；在高級(jí)轎車如BMW7系中，也搭載了類似的傳感器。1.1.3皮膚觸覺與陣列鍵盤和觸摸屏皮膚覆蓋于人體的表面，是人體的第一大防線。皮膚由三部分組成，由外往里依次為表皮、真皮和皮下組織。觸覺是指分布于全身皮膚上的神經(jīng)細(xì)胞接受來自外界的溫度、濕度、疼痛、壓力、振動(dòng)等方面的感覺，是人類的第五感官，也是最復(fù)雜的感官。

皮膚觸覺與陣列鍵盤和觸摸屏在人體皮膚中，能感覺高于皮膚溫度的接收器是熱敏小體，能感覺接觸和受壓等機(jī)械刺激的感受器是觸覺小體，同時(shí)皮膚還有冷敏小體和痛覺神經(jīng)末梢等感受器。如果用尖銳物品刺激手臂皮膚，就能引起觸覺小體、游離神經(jīng)末梢興奮，產(chǎn)生生物電信號(hào)（壓覺和痛覺）經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸給大腦，從而準(zhǔn)確判斷出尖銳物品刺激的體表位置。因此，觸覺小體、游離神經(jīng)末梢就成為了人體皮膚的觸點(diǎn)位置傳感器。

皮膚觸覺與陣列鍵盤在現(xiàn)代社會(huì)生活中，與人體皮膚的觸點(diǎn)位置傳感器對應(yīng)的事例很多，其中簡單、實(shí)感的典型為電話機(jī)的數(shù)字功能鍵盤。在每個(gè)按鍵下有一個(gè)微動(dòng)開關(guān)（類似于觸覺小體），每個(gè)微動(dòng)開關(guān)與固定分布的電路（類似于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）相連。

皮膚觸覺與觸摸屏觸摸屏是更加類似于皮膚的觸點(diǎn)傳感器，根據(jù)其工作原理可分為不同的類型，其中的數(shù)字電阻觸摸屏則是鍵盤輸入的技術(shù)擴(kuò)展，其廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器設(shè)備的控制面板，如自助信息查詢機(jī)、銀行自助會(huì)員機(jī)、自動(dòng)售票機(jī)等的人機(jī)輸入界面。觀察與思考:

人體感知功能的聯(lián)想在夜晚，眼睛的視桿細(xì)胞可以感受微弱的光線；紅外夜視儀可以顯示周圍環(huán)境的圖像。請以紅外夜視儀為搜索關(guān)鍵詞獲取相關(guān)信息。前庭器官敏感的人乘坐汽車、輪船容易出現(xiàn)暈吐現(xiàn)象，你能構(gòu)想一種交通工具，使他們感受旅途的舒適和愉悅嗎？人體皮膚觸覺能夠感受力的大小，例如用手拿雞蛋和端水杯完全不同，那么機(jī)械手實(shí)現(xiàn)相同功能會(huì)涉及哪些關(guān)鍵因素？拓展提高:

背部觸覺識(shí)字與觸摸屏文字輸入現(xiàn)代仿生技術(shù)通過對生物體功能實(shí)現(xiàn)的研究，提出了許多技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)明，生物體是世界上最精妙復(fù)合傳感器系統(tǒng)，認(rèn)識(shí)自己是認(rèn)識(shí)傳感器技術(shù)領(lǐng)域的前提?，F(xiàn)請2位學(xué)生表演人體背部寫字識(shí)別游戲；再請有觸摸屏手機(jī)的同學(xué)手寫輸入漢字。主題討論二者之間的區(qū)別和聯(lián)系。1.2傳感器的組成與分類1.2.1新科技革命與傳感技術(shù)1.2.2傳感器的定義1.2.3傳感器的組成1.2.4傳感器的分類1.2.5傳感器的命名1.2傳感器的組成與分類在現(xiàn)代高科技社會(huì)的今天，為了更加和諧、舒心地工作和生活，人們對信息的獲取、分析、處理、存儲(chǔ)、傳輸以及綜合應(yīng)用等需求愈加迫切。作為信息獲取和轉(zhuǎn)換的功能器件——傳感器及其檢測技術(shù)與人們類的關(guān)系愈加密切，且與我們形影相隨。1.2.1新科技革命與傳感技術(shù)新科技革命始于20世紀(jì)50年代，是以技術(shù)群落的形式出現(xiàn)，即由信息技術(shù)、生物技術(shù)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、新制造技術(shù)、激光技術(shù)、空間開發(fā)技術(shù)、海洋開發(fā)技術(shù)等多個(gè)技術(shù)群落構(gòu)成。其中：新能原技術(shù)、新材料技術(shù)、信息技術(shù)分別對應(yīng)著人類物質(zhì)活動(dòng)的三要素（物質(zhì)、能量、信息），是整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)；生物技術(shù)、空間開發(fā)技術(shù)、海洋開發(fā)技術(shù)代表著人類發(fā)展的三個(gè)方向：空間、海洋、復(fù)雜性領(lǐng)域（生命系統(tǒng)是最典型最重要的復(fù)雜性領(lǐng)域）；而激光技術(shù)、新制造（加工）技術(shù)作為一種技術(shù)手段廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。1.2.1新科技革命與傳感技術(shù)中國政府在“國家‘十二五’科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”中明確提出了：“大力培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)”，“在節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造、新能源、新材料和新能源汽車等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，集中優(yōu)勢力量進(jìn)行攻關(guān)，為增強(qiáng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的核心競爭力奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)”，這些新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都與傳感檢測技術(shù)密不可分。1.2.1新科技革命與傳感技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的興起促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)群的蓬勃發(fā)展。從物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層次看，主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，以RFID無線射頻識(shí)別為代表的物品識(shí)別技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等應(yīng)用方興未艾，例如：我國人手1張的第二代“中華人民共和國居民身份證”、城市（或校園）一卡通、車載跟蹤射頻識(shí)別卡等，因而RFID和傳感器將是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)感知層的觸角。1.2.1新科技革命與傳感技術(shù)智能建筑及樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)和技術(shù)的最新發(fā)展，包括：樓宇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)（有線及無線局域網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用）；過程控制及其整定；暖通空調(diào)系統(tǒng)(空調(diào)及中央制冷系統(tǒng))的過程控制、優(yōu)化控制及其控制特征；照明控制、安防和門禁控制及消防安全控制系統(tǒng)等，都離不開傳感器技術(shù)的應(yīng)用。1.2.1新科技革命與傳感技術(shù)在軍事方面，復(fù)雜的SoS(SystemofSystems，體系)工程受到了高度的關(guān)注，尤其是在聯(lián)合作戰(zhàn)研究領(lǐng)域，SoS建設(shè)被認(rèn)為是通過眾多作戰(zhàn)平臺(tái)、武器系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和通信交流系統(tǒng)等戰(zhàn)場實(shí)體的協(xié)同運(yùn)作實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)爭目標(biāo)的必要措施，這種系統(tǒng)間協(xié)調(diào)運(yùn)作大大增加了戰(zhàn)場建設(shè)的復(fù)雜性，這一問題也成為戰(zhàn)場指揮官關(guān)注的焦點(diǎn)。1.2.1新科技革命與傳感技術(shù)因此，傳感器技術(shù)構(gòu)成了新科技革命的關(guān)鍵與首要環(huán)節(jié)，已滲透到現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，從尖端的武器裝備、航空航天技術(shù)到機(jī)械設(shè)備、工業(yè)過程控制、交通運(yùn)輸、家用電器、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公設(shè)備及低碳環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域。隨著高科技技術(shù)群的發(fā)展，傳感器技術(shù)的逐漸顯示出自己的重要性，國內(nèi)外高新技術(shù)行業(yè)企業(yè)都十分重視研制開發(fā)與生產(chǎn)各種用途的傳感器。隨著社會(huì)文明的進(jìn)步，傳感器的使用將無處不在，傳感技術(shù)已逐步發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科，在未來的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中將發(fā)揮越來越重要的作用。1.2.2傳感器的定義人類借助感覺器官獲取外界刺激轉(zhuǎn)換為生物電信息，再通過大腦的分析判斷發(fā)出行動(dòng)命令。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類社會(huì)的進(jìn)步，為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)自然和改造自然，僅僅依靠自身的感覺器官顯然是不能滿足需求的，因此出現(xiàn)了各種用途的傳感器，例如：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器等等。1.2.2傳感器的定義顧名思義，傳感器應(yīng)是一種傳遞感覺的器件或裝置。例如：利用不同金屬的熱膨脹系數(shù)差異制造的KSD溫控器廣泛應(yīng)用于：家電產(chǎn)品（如飲水機(jī)、電飯堡、消毒柜、微波爐等）、辦公設(shè)備（覆被機(jī)、熱熔機(jī)、激光打印機(jī)等）以及汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)、座位加熱器等，實(shí)現(xiàn)電器、電機(jī)類產(chǎn)品設(shè)備的溫度控制及過熱保護(hù)功能。1.2.2傳感器的定義KSD溫控器是一種將不同雙金屬圓片作為熱敏感元件，根據(jù)所要控制對象的溫度來決定通斷的開關(guān)；雙金屬片由上層的“高錳合金”片和下層的“殷鋼”片組成。前者的膨脹系數(shù)是后者的幾十倍，分別稱為“主動(dòng)層”和“被動(dòng)層”，在正常溫度下銅片與彈簧片的觸點(diǎn)A與B的觸點(diǎn)是接觸的，整個(gè)電路處在接通狀態(tài)。1.2.2傳感器的定義當(dāng)被控主件的溫度升高所產(chǎn)生的熱量傳遞到雙金屬圓片上時(shí)，主動(dòng)層膨脹的比被動(dòng)層多，雙金屬片向下彎曲，通過小圓柱推動(dòng)彈簧片，溫度升高到一定程度時(shí)，使銅片與彈簧片的觸點(diǎn)A與B斷開，從而控制電路斷開；當(dāng)溫度下降到復(fù)位溫度時(shí)，雙金屬圓片迅速恢復(fù)原狀，使觸點(diǎn)閉合，電路接通。由此達(dá)到接通或斷開電路的目的，實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度的開關(guān)自動(dòng)控制。1.2.2傳感器的定義9700系列溫控開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、家電及電氣設(shè)備，為防止過流、過熱提供有效可靠的安全保護(hù)。溫控開關(guān)9700系列熱保護(hù)器是由導(dǎo)熱金屬外殼、焊有銀合金觸點(diǎn)的雙金屬元件、導(dǎo)電支架、絕緣固定座、靜觸片及耐熱導(dǎo)線等元件組成。電流通過有一定電阻的雙金屬元件，遇非正常工作時(shí)，隨著電流增大或周圍溫度升高至設(shè)定溫度值時(shí)，雙金屬元件向上彎曲，打開觸點(diǎn)，切斷電路。當(dāng)裝置冷卻到安全工作溫度時(shí)，雙金屬元件恢復(fù)常態(tài)，使觸點(diǎn)閉合，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。1.2.2傳感器的定義傳感器是能感受規(guī)定的被測量（輸入信號(hào)），并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)（以電量為主），以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、記錄、顯示和控制等要求的器件或裝置。國際電工委員會(huì)（InternationalElectro-technicalCommittee，IEC）對傳感器的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號(hào)?！?.2.2傳感器的定義我國的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—1987）定義為：傳感器（Transducer/Sensor）是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。并注明：①敏感元件（Sensingelement）是指傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測量的部分。例如雙金屬元件就是溫度敏感元件。②轉(zhuǎn)換元件（Transductionelement）指傳感器中能將敏感元件感受（或響應(yīng)）的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和（或）測量的電信號(hào)部分。例如：觸點(diǎn)的閉合與斷開轉(zhuǎn)換成電路電流的通和斷。③當(dāng)輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱為變送器（Transmitter）。1.2.3傳感器的組成傳感器通常是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路和輔助電源等部分組成。其中：轉(zhuǎn)換電路可將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌陲@示、記錄、處理、控制的有用電信號(hào)，也稱為信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路，可由電橋、電流或電壓放大器、電荷放大器、濾波電路、比較整形電路等組成。輔助電源為傳感器中的元件和電路提供工作能源。1.2.3傳感器的組成在很多情況下，由敏感元件獲得被測量經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)是很弱的，而且混雜了各種干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)。為了便于識(shí)別和后續(xù)處理，必須將電信號(hào)經(jīng)由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路處理成代表被測量特性的波形或幅度信號(hào)，有時(shí)這些電路或其中一部分是和傳感器部件直接組裝在一起的，傳感器引出端輸出成形后的電信號(hào)經(jīng)匹配放大和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并送入微處理器進(jìn)行智能處理。1.2.3傳感器的組成根據(jù)傳感器的轉(zhuǎn)換原理和復(fù)雜程度，敏感元件與轉(zhuǎn)換元件有時(shí)合二為一，例如：用光敏電池成的亮度傳感器、用熱電偶制成的溫度傳感器，它們可直接將感受的被測量直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)；有些傳感器則由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，甚至轉(zhuǎn)換元件不止一個(gè)且要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換，例如：在高精度數(shù)控機(jī)床上使用的由長光柵、發(fā)光二極管、光敏三極管組成的位移傳感器。1.2.3傳感器的組成各種不同的材料或器件所具備的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)和工作機(jī)理可用于制作不同功能的傳感器敏感元件，形成了豐富多彩的傳感器技術(shù)器件和裝置，例如一輛高級(jí)轎車的傳感器就有幾十種之多，分別用以檢測車速、方位、負(fù)載、振動(dòng)、油壓、油量、溫度、燃燒過程等。傳感器可以直接接觸被測量對象，也可以不接觸，其“對象”可以是固體、液體或氣體，而其狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)（即過程）的；對象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過多種方式進(jìn)行檢測。1.2.4傳感器的分類1.按傳感器的檢測量分類按傳感器的檢測量分類可分為：物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器。1）物理量傳感器（physicalquantitytransducer/sensor）物理量傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，如熱脹冷縮變化、壓電效應(yīng)、磁致伸縮、離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)，將被測信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可分為如下7類：力學(xué)量傳感器：壓力傳感器、力矩傳感器、速度和加速度傳感器、流量傳感器、位移和位置傳感器、尺度傳感器、密度和粘度傳感器等。1.2.4傳感器的分類1）物理量傳感器（physicalquantitytransducer/sensor）熱學(xué)量傳感器：熱敏電阻、晶體管溫度傳感器、雙金屬片溫度傳感器、輻射式溫度傳感器和熱釋電式溫度傳感器等。光（學(xué)量）傳感器：數(shù)碼相機(jī)、紅外成像儀、激光測距儀等。磁（學(xué)量）傳感器：醫(yī)學(xué)診斷中廣泛應(yīng)用的核磁共振成像。電學(xué)量傳感器：電流傳感器、電壓傳感器和電場強(qiáng)度傳感器。聲（學(xué)量）傳感器：聲壓傳感器、噪聲傳感器，其典型代表就是話筒麥克風(fēng)。射線傳感器：X射線傳感器、β射線傳感器、γ射線傳感器以及核輻射劑量傳感器。1.2.4傳感器的分類2）化學(xué)量傳感器（chemicalquantitytransducer/sensor）化學(xué)量傳感器是能感受規(guī)定的化學(xué)量并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，其包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器?；瘜W(xué)量傳感器可分為3類：氣體傳感器能感受氣體（組成、分壓）并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。例如：CH4、CO、CO2傳感器等。離子傳感器利用離子選擇電極，將感受的離子轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的離子傳感器。例如：pH值傳感器，K+、Na+離子傳感器等。濕度傳感器能感受氣氛中水蒸氣含量，并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。例如：用濕敏電阻制作的空氣濕度檢測儀。1.2.4傳感器的分類3）生物量傳感器（biologicalquantitytransducer/sensor）生物量傳感器是能感受規(guī)定的生物量并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。其分為生化量傳感器（biochemicalquantitytransducer/sensor）和生理量傳感器（physiologicalquantitytransducer/sensor）。生物量傳感器的絕大部分是由物理量傳感器和化學(xué)量傳感器構(gòu)成，其中，各種生物酶傳感器則是采用專用的生物酶膜作識(shí)別器件實(shí)現(xiàn)生化量的檢測。1.2.4傳感器的分類3）生物量傳感器（biologicalquantitytransducer/sensor）生物芯片（biochip或bio-array）則是代表生化量傳感器的最新高科技水平。生物芯片技術(shù)是利用生物分子間特異相互作用的原理，通過不同方法將生物分子（寡核苷酸、cDNA、genomicDNA、多肽、抗體、抗原等）固著于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、凝膠、尼龍膜等固相遞質(zhì)上形成的生物分子點(diǎn)陣，后與帶熒光標(biāo)記的DNA樣品分子進(jìn)行雜交，通過檢測每個(gè)探針分子的雜交信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)而獲取樣品分子的數(shù)量和序列信息，從而實(shí)現(xiàn)對DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)以及其他生物成分的高通量快速檢測。因此，又稱其為DNA芯片或基因芯片，它們是DNA雜交探針技術(shù)與半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)相結(jié)合的結(jié)晶。生物芯片及其檢測系統(tǒng)1.2.4傳感器的分類2.按傳感器的敏感器件分類大致有如下12類：電容式傳感器（capacitivequantitytransducer/sensor）將被測量變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器。電位器式傳感器（potentiometrictransducer/sensor）利用加激勵(lì)的電阻體上可動(dòng)觸點(diǎn)位置的變化，將被測量變化轉(zhuǎn)換成電壓比變化的傳感器。電阻式傳感器（resistivetransducer/sensor）將被測量變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。電感式傳感器（inductivetransducer/sensor）將被測量變化轉(zhuǎn)換成電感量變化的傳感器。1.2.4傳感器的分類2.按傳感器的敏感器件分類大致有如下12類：電化學(xué)式傳感器（electrochemicaltransducer/sensor）利用溶液中電化學(xué)反應(yīng)，將被測量變化轉(zhuǎn)換成電極電位變化的傳感器。光導(dǎo)式傳感器（photoconductivetransducer/sensor）利用入射到半導(dǎo)體材料上照射量的變化，將被測量變化轉(zhuǎn)換成該材料電阻或電導(dǎo)率的變化的傳感器。光伏式傳感器（photovoltaictransducer/sensor）將被測量變化轉(zhuǎn)換成光生電動(dòng)勢變化的傳感器。光纖傳感器（opticalfibersensor）利用光纖技術(shù)和有關(guān)光學(xué)原理，將感受的被測量轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。1.2.4傳感器的分類2.按傳感器的敏感器件分類大致有如下12類：壓電式傳感器（piezoelectrictransducer/sensor）將被測量變化轉(zhuǎn)換成由于材料受機(jī)械力產(chǎn)生的靜電電荷或電壓變化的傳感器。壓阻式傳感器（piezoresistivetransducer/sensor）將被測量變化轉(zhuǎn)換成由于材料受機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的電阻變化的傳感器?；魻柺絺鞲衅鳎℉alltransducer/sensor）利用霍爾效應(yīng)，將被測量變化轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器?！埠恕齿椛鋫鞲衅鳌瞡uclear〕radiationtransducer/sensor利用〔核〕輻射檢測技術(shù)，將感受的被測量轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。1.2.4傳感器的分類3.其他分類標(biāo)準(zhǔn)1）按數(shù)字和模擬量分類數(shù)字傳感器（digitaltransducer/sensor），輸出信號(hào)為數(shù)字量(或數(shù)字編碼)的傳感器。模擬傳感器（analogtransducer/sensor），輸出信號(hào)為模擬量的傳感器。1.2.4傳感器的分類2）按結(jié)構(gòu)型和材料型分類結(jié)構(gòu)型傳感器（mechanicalstructuretypetransducer/sensor），利用機(jī)械構(gòu)件(如金屬膜片等)的變形或位移檢測被測量的傳感器。如應(yīng)變式、電壓式、電容式、磁電式傳感器。物性型傳感器（physicalpropertytypetransducer/sensor），利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、化學(xué)效應(yīng)檢測被測量的傳感器。利用功能材料的壓電、壓阻、熱敏、濕敏、光敏、磁敏、氣敏等效應(yīng)可把壓力、溫度、濕度、光量、磁場、氣體成分等物理量轉(zhuǎn)換成電量。1.2.4傳感器的分類3）綜合型分類復(fù)合型傳感器（recombinationtypetransducer/sensor），由結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器組合而成的兼有兩者特征的傳感器。集成傳感器（integratedsensor），利用微電子工藝，將敏感元件連同信號(hào)調(diào)理電子線路制作在一塊半導(dǎo)體芯片上的傳感器。多功能傳感器（multi-functiontransducer/sensor），能感受兩個(gè)或兩個(gè)以上被測量并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。智能傳感器（intelligentsensor），對外界信息具有一定的檢測、自診斷、數(shù)據(jù)處理以及自適應(yīng)能力的傳感器。多功能傳感器實(shí)例安裝在汽車4只輪胎上的高靈敏度胎壓、胎溫的感應(yīng)發(fā)射器，實(shí)時(shí)監(jiān)測輪胎的壓力和溫度，數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)無線發(fā)射傳送到安裝在駕駛臺(tái)前的顯示報(bào)警器上，當(dāng)出現(xiàn)胎壓過高或過低、溫度過高或過低的異常情況時(shí)，顯示屏?xí)詣?dòng)顯示并報(bào)警，從而確保汽車行駛的安全。1.2.5傳感器的命名1．傳感器命名法的構(gòu)成一種傳感器產(chǎn)品的名稱是由主題詞加四級(jí)修飾語構(gòu)成。1.2.5傳感器的命名第一部分：主稱為傳感器，用“傳感器”漢語拼音字母“C”標(biāo)記。第二部分：被測量代號(hào)，用“被測量”的一個(gè)或兩個(gè)漢字漢語拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記；當(dāng)這組代號(hào)與該部分的另一個(gè)代號(hào)重復(fù)時(shí)，則用其漢語拼音的第二個(gè)大寫字母作代號(hào)，依此類推。當(dāng)被測量有國際通用標(biāo)志時(shí)，應(yīng)采用國際通用標(biāo)志。當(dāng)被測量為離子、粒子或氣體時(shí)，可用其元素符號(hào)、粒子符號(hào)或分子式加圓括號(hào)“（）”表示。第三部分：轉(zhuǎn)換原理代號(hào)，用“轉(zhuǎn)換原理”的一個(gè)或兩個(gè)漢字漢語拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記；當(dāng)這組代號(hào)與該部分的另一個(gè)代號(hào)重復(fù)時(shí)，則用其漢語拼音的第二個(gè)大寫字母作代號(hào)，依此類推。1.2.5傳感器的命名第四部分：序號(hào)，用阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記。序號(hào)可表征產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。如果傳感器產(chǎn)品的主要性能參數(shù)不改變，僅在局部有改進(jìn)或改動(dòng)時(shí)，其序號(hào)可在原序號(hào)后面順序地加注大寫漢語拼音字母A、B、C……（其中I、U兩個(gè)字母不用）。序號(hào)及其內(nèi)涵可由傳感器生產(chǎn)廠家自行決定。當(dāng)對傳感器的產(chǎn)品名稱命名時(shí)，除第一級(jí)修飾語外，其他各級(jí)可視產(chǎn)品的具體情況任選或省略。在被測量、轉(zhuǎn)換原理、序號(hào)三部分代號(hào)之間須有連字符“-”連接。傳感器命名實(shí)例樂清市邁得豪電氣有限公司生產(chǎn)用于混凝土車設(shè)備正反轉(zhuǎn)雙向霍爾傳感器邯鄲市清勝電子科技有限公司生產(chǎn)的用于環(huán)境、溫室、養(yǎng)殖等測量的大氣壓力傳感器傳感器命名實(shí)例通常，各個(gè)生產(chǎn)行業(yè)、企業(yè)對傳感器的命名會(huì)按照國際慣例及參照相關(guān)規(guī)范建立自己的產(chǎn)品命名規(guī)則。例如：重慶市大正溫度儀表有限公司對自己生產(chǎn)的熱電偶／熱電阻溫度傳感器系列建立了完整的命名規(guī)則。表1-1熱電偶／熱電阻溫度傳感器型號(hào)標(biāo)記表（部分）觀察與思考

生活工作中的傳感器在現(xiàn)代社會(huì)生活工作中，傳感器檢測與控制無處不在。例如：圖書館、商場、銀行的自動(dòng)門，廠房、大樓、酒店的自動(dòng)升降電梯，洗手間的自動(dòng)水龍、自動(dòng)干手器等，都應(yīng)用了傳感器檢測與自動(dòng)控制技術(shù)。請根據(jù)觀察體驗(yàn)，講述其中使用的傳感器類型、名稱及原理。拓展提高

用電位器制作傳感器方案討論傳感器技術(shù)屬交叉學(xué)科，涉及知識(shí)面廣、內(nèi)容豐富，與數(shù)學(xué)（被測量轉(zhuǎn)換模型函數(shù)、校正系數(shù)）、物理（物理現(xiàn)象、定律、效應(yīng)）、化學(xué)（離子、分子、氣體、溶液及相關(guān)反應(yīng)）、電子線路（信號(hào)獲取、放大、整形、模數(shù)轉(zhuǎn)換）、機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理等都有聯(lián)系，要綜合運(yùn)用各方面的理論知識(shí)，才能理解和掌握傳感器技術(shù)。電位器分為旋轉(zhuǎn)式電位器和直線電位器，電位器阻值與旋轉(zhuǎn)角度、滑動(dòng)位置存在對應(yīng)關(guān)系。請分組討論、自由發(fā)言，分析提出用電位器作為敏感元件測量拉力、壓力、位移和角度的原理性方案。1.3傳感器的性能指標(biāo)1.3.1了解傳感器的特性1.3.2傳感器的靜態(tài)特性1.3.3傳感器的動(dòng)態(tài)特性1.3傳感器的性能指標(biāo)傳感器的特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。掌握其性能指標(biāo)，才能正確地選擇、使用、維護(hù)和替換傳感器，對新傳感器的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用具有重要意義。1.3.1了解傳感器的特性傳感器的特性一般是指傳感器輸入與輸出之間的關(guān)系，可用數(shù)學(xué)函數(shù)、坐標(biāo)曲線、圖表等方式表示。因被測量狀態(tài)的不同，傳感器的特性可分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)（即常量或變化極慢的狀態(tài)）時(shí)，傳感器的輸入-輸出特性稱為靜態(tài)特性。當(dāng)被測量隨時(shí)間快速變化時(shí)，傳感器的輸入-輸出響應(yīng)特性稱為動(dòng)態(tài)特性。1.3.1了解傳感器的特性理想情況下，傳感器的輸入與輸出應(yīng)具有確定的對應(yīng)關(guān)系，兩者間最好成線性關(guān)系；而實(shí)際情況下，由于傳感器結(jié)構(gòu)、電子元器件、轉(zhuǎn)換電路以及運(yùn)行環(huán)境因素的影響，使輸入和輸出表現(xiàn)出非線性關(guān)系（或分段近似性關(guān)系）。為了提高測量精度，消除測量控制系統(tǒng)誤差，要求傳感器必須具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，通過轉(zhuǎn)換原理分析為傳感器建立有效合理的數(shù)學(xué)模型，引入用實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算出的校正系數(shù)，得到傳感器的實(shí)際特性。1.3.2傳感器的靜態(tài)特性1．傳感器靜態(tài)特性數(shù)學(xué)模型傳感器的靜態(tài)特性可用數(shù)學(xué)函數(shù)表示，運(yùn)用高等數(shù)學(xué)的方法（傅里葉級(jí)數(shù)）可將各種函數(shù)轉(zhuǎn)化為n次多項(xiàng)式：式中，x為輸入量，y為輸出量；b0為零輸入時(shí)的輸出（也稱零位輸出），b1為傳感器線性項(xiàng)系數(shù)（也稱線性靈敏度），b2

、……、bn

為非線性項(xiàng)系數(shù)，各項(xiàng)系數(shù)不同，決定了傳感器特性曲線的具體形式。1.3.2傳感器的靜態(tài)特性1．傳感器靜態(tài)特性數(shù)學(xué)模型理想情況下，傳感器的靜態(tài)特性函數(shù)中b2

、……、bn非線性項(xiàng)系數(shù)為0，前式可簡化為：這樣，可簡化傳感器的理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算，避免了非線性補(bǔ)償計(jì)算，為傳感器的標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來極大方便，易于測量儀表的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維護(hù)，也提高了測量精度。1.3.2傳感器的靜態(tài)特性1．傳感器靜態(tài)特性數(shù)學(xué)模型例如，便攜式電子彈簧秤是典型的線性函數(shù)傳感器應(yīng)用，利用拉力彈簧的彈性系數(shù)k（b1=k，b0=0）、彈簧伸長量x與拉力F的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)對物品重量的稱量：1.3.2傳感器的靜態(tài)特性1．傳感器靜態(tài)特性數(shù)學(xué)模型拉力彈簧的伸長量x要轉(zhuǎn)換為電信號(hào)才能進(jìn)行后續(xù)處理，為此加入滑動(dòng)直線電位器將伸長量x轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓B接成的測量電路，將物品重量導(dǎo)致的彈簧伸長量x轉(zhuǎn)換為不同的電壓信號(hào)，通過信號(hào)處理電路、顯示電路及模塊直接輸出物品重量值。在此應(yīng)用中，拉力彈簧為敏感元件，滑動(dòng)直線電位器作為轉(zhuǎn)換元件，加上轉(zhuǎn)換電路和處理顯示電路構(gòu)成了1個(gè)傳感器測量系統(tǒng)。1.3.2傳感器的靜態(tài)特性2．傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有測量范圍（或量程）、線性度、靈敏度、分辨力、遲滯和重復(fù)性等，它們是衡量傳感器質(zhì)量和性能重要的指標(biāo)。在傳感器與測量系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)過程中，靜態(tài)特性是首先需要測定的指標(biāo)。1.3.2傳感器的靜態(tài)特性2．傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)1）測量范圍與量程每一種傳感器都有其測量范圍（Measuringrange），是由該傳感器組成的測量系統(tǒng)（或測量儀表）按規(guī)定的精度測量被測量，測量出的最大值稱為測量上限值，用Xmax表示；測量出的最小值稱為測量下限值，用Xmin表示，測量下限值與測量上限值構(gòu)成的測量區(qū)間[Xmin，Xmax]就是測量范圍。傳感器的量程可用測量范圍的大小來表示，即量程（Span）就是傳感器測量測量上限值與測量下限值的代數(shù)差：量程＝測量上限值－測量下限值測量范圍與量程測量下限值Xmin與測量上限值Xmax對應(yīng)的輸出值分別為輸出下限值Ymin和輸出上限值Ymax，則滿量程輸出值記為：1.3.2傳感器的靜態(tài)特性1）測量范圍與量程采用測量下限值和上限值可準(zhǔn)確地表示傳感器的測量范圍，也可計(jì)算出傳感器的量程。例如，用鉑電阻pt100制作的WZPA1-F1溫度傳感器的測量范圍為：-40℃～150℃，其量程為：190℃；腕式電子血壓計(jì)測量范圍為：40mmHg～280mmHg，其量程為：320mmHg。量程可表示出測量范圍的大小，但不能確定測量下限值、上限值和測量范圍。1.3.2傳感器的靜態(tài)特性2）線性度（Linearity）傳感器的線性度是指傳感器的輸入與輸出之間數(shù)值關(guān)系滿足線性的程度，線性度可用線性誤差來表示。即線性度表示為傳感器特性曲線與規(guī)定的擬合直線之間的最大偏差絕對值（記為△Lmax）與傳感器滿量程輸出值YFS之比，記為EL：傳感器的線性度傳感器的線性度是以規(guī)定的擬合直線作為參考直線計(jì)算出來的，采用不同的擬合直線計(jì)算方法可得到不同的線性度指標(biāo)。常用的直線擬合方法有端點(diǎn)直線法、最佳直線法和最小二乘法等；為了提高測量精度，結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)和計(jì)算方法，時(shí)常采用分段擬合直線算法，其△Lmax1和△Lmax2會(huì)遠(yuǎn)小于△Lmax

，使各個(gè)分段的線性度得到較大提高。1.3.2傳感器的靜態(tài)特性3）靈敏度（Sensitivity）靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值，記為Sn。對于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，其表達(dá)式為：

非線性傳感器的靈敏度是一個(gè)變化的量，在特性曲線上表示為傳感器在該測量點(diǎn)的斜率，其表達(dá)式為：傳感器的靈敏度1.3.2傳感器的靜態(tài)特性4）分辨力（Resolution）傳感器的分辨力是指在規(guī)定測量范圍內(nèi)可能檢測出的被測量的最小變化量，是傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。如果輸入量從某一非零值緩慢地變化，當(dāng)輸入變化值未超過某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)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(dāng)輸入量的變化超過分辨力時(shí)，其輸出才會(huì)發(fā)生變化。1.3.2傳感器的靜態(tài)特性4）分辨力（Resolution）在便攜式電子彈簧秤的實(shí)例中，稱量范圍為0～20kg，分辨力為10g，即10.507kg與10.502kg重量的物品，其稱量結(jié)果都是10.50kg。通常傳感器在測量范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標(biāo)。上述指標(biāo)若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。1.3.2傳感器的靜態(tài)特性5）滯后（hysteresis）在傳感器內(nèi)部，由于某些元器件具有儲(chǔ)能效應(yīng)，例如：彈性形變、磁滯現(xiàn)象、極化效應(yīng)等，使得被測量逐漸增加和逐漸減少時(shí)，測量得到的上升曲線和下降曲線出現(xiàn)不重合的情況，使傳感器特性曲線形成環(huán)狀，此種現(xiàn)象稱為滯環(huán)。滯后量是指傳感器在規(guī)定的測量范圍內(nèi)，當(dāng)被測量逐漸增加和逐漸減少時(shí)，輸出中出現(xiàn)的最大差值，也稱為回差。傳感器的滯環(huán)曲線和滯后量通常，習(xí)慣用滯后量與滿量程輸出值之比的百分?jǐn)?shù)表示傳感器的此種特性指標(biāo)，稱為遲滯誤差（記為EH），其表達(dá)式如下：

1.3.2傳感器的靜態(tài)特性6）重復(fù)性（repeatability）重復(fù)性是指傳感器在測量方法、觀測者、測量儀器、地點(diǎn)、使用條件相同的條件下，在短時(shí)期內(nèi)對同一被測量按相同的變化過程進(jìn)行多次連續(xù)測量所得結(jié)果之間的符合程度。如圖所示，畫出了在同一工作條件下測量得出的3條某傳感器特性曲線，反映出傳感器在相同輸入的情況下輸出結(jié)果的不一致性（或稱離散性）。傳感器的測量重復(fù)性實(shí)際應(yīng)用中，重復(fù)性常選用上升曲線的最大離散程度和下降曲線的最大離散程度兩者中的最大值與滿量程輸出值之比的百分?jǐn)?shù)來表示（記為ER），其表達(dá)式如下：1.3.2傳感器的靜態(tài)特性7）長期穩(wěn)定性（longtermstability）長期穩(wěn)定性是指傳感器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)仍保持不超過允許誤差范圍的能力。影響傳感器正常工作的各種因素很多，涉及傳感器穩(wěn)定性的因素也很多，現(xiàn)列出如下3項(xiàng)指標(biāo)：漂移（drift）：在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，被測量保持不變而傳感器輸出出現(xiàn)的變化量。零點(diǎn)漂移（zeroshift）：在規(guī)定的時(shí)間間隔及室內(nèi)條件下傳感器零點(diǎn)輸出時(shí)的變化。熱靈敏度漂移（thermalsensitivityshift）：由于周圍溫度變化而引起的靈敏度漂移。1.3.2傳感器的靜態(tài)特性8）精確度（accuracy）精確度是指傳感器測量出的被測量結(jié)果與實(shí)際值間的一致程度，常用測量誤差的相對值表示。例如圖1-20腕式電子血壓計(jì)實(shí)例的靜態(tài)壓力精確度為：±3mmHg。在實(shí)際工程應(yīng)用中，綜合考慮室溫條件下傳感器的線性度、滯后和重復(fù)性三方面的誤差，計(jì)算出采用傳感器精度E：并按工業(yè)規(guī)定將精度劃分成若干等級(jí)，簡稱精度等級(jí)。其由高到低的等級(jí)順序?yàn)椋?.1級(jí)、0.2級(jí)、0.5級(jí)、1.0級(jí)、1.5級(jí)、2.5級(jí)等。1.3.3傳感器的動(dòng)態(tài)特性1．動(dòng)態(tài)特性（dynamiccharacteristics）動(dòng)態(tài)特性是指傳感器對隨時(shí)間變化的被測量的響應(yīng)特性。在動(dòng)態(tài)（快速變化）的輸入信號(hào)情況下，要求傳感器不僅能精確地測量出信號(hào)的量值大小，而且能反映出信號(hào)的變化過程，即要求傳感器能快速準(zhǔn)確地響應(yīng)和再現(xiàn)被測量的變化。例如，110m欄決賽中世界冠軍劉翔在發(fā)令槍響后0.15ms左右必須發(fā)力起跑，爆發(fā)力由0瞬間到幾倍于體重的最大值，速度由0瞬間達(dá)到5～10m/s；又如，原子彈在爆炸瞬間，大約在二萬分之一秒的時(shí)間內(nèi)爆心會(huì)產(chǎn)生數(shù)千萬度的高溫與幾百萬個(gè)億帕的高壓。傳感器的響應(yīng)特性說明事例劉翔起跑瞬間，助跑器測力并判斷起跑是否違規(guī)。中國第一顆原子彈爆炸，需要測量爆心的瞬間高溫和高壓1.3.3傳感器的動(dòng)態(tài)特性1．動(dòng)態(tài)特性（dynamiccharacteristics）傳感器的動(dòng)態(tài)特性可用輸入—輸出函數(shù)、圖形和頻率特性等來描述，在理論分析和實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，通常從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析，例如采用階躍函數(shù)和正弦函數(shù)來研究其響應(yīng)特性。1.3.3傳感器的動(dòng)態(tài)特性2．動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型1）微分方程傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是指：在隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)作用下，傳感器輸入—輸出量間的函數(shù)關(guān)系，通常稱為響應(yīng)特性。忽略了一些影響不大的非線性和隨機(jī)變量等復(fù)雜因素后，可將傳感器作為線性定常數(shù)系統(tǒng)來考慮，因而其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型可以用線性常系數(shù)微分方程來表示，其通式為：式中，am、am-1、…、a1、a0，bn、bn-1、…、b1、b0分別為與傳感器有關(guān)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。1.3.3傳感器的動(dòng)態(tài)特性2）傳遞函數(shù)對于復(fù)雜傳感器系統(tǒng)模型，求解形如上式的微分方程是非常困難的，為了分析和計(jì)算方便，常用拉普拉斯變換、傅里葉變換等數(shù)學(xué)方法將常系數(shù)線性微分方程變換為代數(shù)式形式來研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)拉普拉斯變換，上式可變?yōu)椋?.3.3傳感器的動(dòng)態(tài)特性2）傳遞函數(shù)如果當(dāng)t≤0時(shí)，y(t)=0，則傳遞函數(shù)H(s)可表示為：從而，就以代數(shù)式的形式表征了系統(tǒng)本身的傳輸、轉(zhuǎn)換特性，而與激勵(lì)及系統(tǒng)初始狀態(tài)無關(guān)。也就是說，傳遞函數(shù)是描述線性定常系統(tǒng)的輸入—輸出關(guān)系的一種函數(shù)，也能表示傳感器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。1.3.3傳感器的動(dòng)態(tài)特性3．傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)1）階躍響應(yīng)特性給傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào)：其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性。傳感器階躍響應(yīng)特性其過程類似于將一個(gè)重物M在t=0時(shí)掛在上端固定的彈簧上，重物M將向下拉伸彈簧到x位置并在x位置上下振動(dòng)，最終穩(wěn)定在x位置處。1.3.3傳感器的動(dòng)態(tài)特性階躍響應(yīng)特性指標(biāo)：（1）上升時(shí)間tr：階躍響應(yīng)曲線由穩(wěn)態(tài)值的10％上升到90％所需要的時(shí)間。（2）峰值時(shí)間tP；階躍響應(yīng)曲線上升到第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間。（3）延遲時(shí)間td；階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50％所需要的時(shí)間。（4）響應(yīng)時(shí)間ts：階躍響應(yīng)曲線逐漸趨于穩(wěn)定，到與穩(wěn)態(tài)值之差小于±5%～±2%所需要的時(shí)間，也稱過渡過程時(shí)間。（5）最大超調(diào)量σp：階躍響應(yīng)曲線偏離階躍曲線的最大值，其值為第一次超過穩(wěn)態(tài)值的峰高，常用百分?jǐn)?shù)表示，可說明傳感器的相對穩(wěn)定性。1.3.3傳感器的動(dòng)態(tài)特性2）頻率響應(yīng)特性給傳感器輸入頻率不同、幅值相同、初相位為零的正弦信號(hào)，其輸出正弦信號(hào)的幅值與頻率的關(guān)系（簡稱幅頻特性）和相位與頻率的關(guān)系（簡稱相頻特性），合稱為傳感器的頻率響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)函數(shù)可從傳遞函數(shù)H(s)推斷得出：將傳遞函數(shù)H(s)由拉普拉斯變換改為傅里葉變換，令s=jω(σ=0)代入H(s)，得H(jω)即為傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)。觀察與思考

電器產(chǎn)品中的傳感器探討傳感器的特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。掌握其性能指標(biāo)，才能正確地選擇、使用、維護(hù)和替換傳感器，對新傳感器的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用具有重要意義。在現(xiàn)代建筑中，升降電梯設(shè)有重量傳感器以保證安全運(yùn)行。請分組討論、自由發(fā)言，講述自己熟悉的電器產(chǎn)品中是否設(shè)有傳感器，起什么作用？拓展提高

傳感器的選用傳感器性能特性及相關(guān)術(shù)語有130條之多，專業(yè)的選用原則有：測量對象與測量環(huán)境選擇因素有量程、安裝位置與空間、接觸或非接觸方式、有線或無線傳輸。靈敏度應(yīng)選擇靈敏度應(yīng)適中的傳感器。靈敏度高，有利于信號(hào)處理；但容易混入噪聲，影響測量精度。頻率響應(yīng)特性根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等）和響應(yīng)特性選擇。在動(dòng)態(tài)測量中，傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號(hào)頻率范圍就寬。拓展提高

傳感器的選用傳感器性能特性及相關(guān)術(shù)語有130條之多，專業(yè)的選用原則有：線性范圍在滿足量程和精度的條件下，可將非線性誤差較小的傳感器近似為線性處理。穩(wěn)定性影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素主要是使用環(huán)境。應(yīng)選擇環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的產(chǎn)品，或采取補(bǔ)償措施，減小環(huán)境的影響。精度在滿足同一測量目的各種傳感器中選擇價(jià)格便宜和結(jié)構(gòu)簡單的傳感器，以減低購買和使用維護(hù)成本。1.4傳感器的標(biāo)定1.4.1傳感器的標(biāo)定1.4.2靜態(tài)標(biāo)定1.4.3動(dòng)態(tài)標(biāo)定1.4傳感器的標(biāo)定為了保證各種被測量量值的一致性和準(zhǔn)確性，很多國家都建立了一系列計(jì)量器具（包括傳感器）檢定的組織、規(guī)程和管理辦法。根據(jù)中華人民共和國計(jì)量法，任何一種傳感器產(chǎn)品在裝配完后都必須按設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行全面嚴(yán)格的性能鑒定；另外，使用一段時(shí)間后或經(jīng)過修理，也必須對主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，以便確保傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到要求。傳感器標(biāo)定就是利用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具對傳感器進(jìn)行定度的過程，從而確立傳感器輸出量和輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系；同時(shí)也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。1.4.1傳感器的標(biāo)定標(biāo)定是指在規(guī)定的條件下，為確定傳感器或測量裝置所指示的量值，利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具產(chǎn)生已知的標(biāo)準(zhǔn)量值輸入，確定其輸出電量與輸入量之間的關(guān)系，同時(shí)也確定出不同使用條件下誤差關(guān)系的過程；為獲得高的標(biāo)定精度，應(yīng)將傳感器及其配用的電纜（尤其像電容式、壓電式傳感器等）、放大器等測試系統(tǒng)一起標(biāo)定。工程測量中傳感器的標(biāo)定，應(yīng)在與其使用條件相似的環(huán)境下進(jìn)行；標(biāo)定時(shí)應(yīng)該按照傳感器規(guī)定的安裝條件進(jìn)行安裝。1.4.1傳感器的標(biāo)定校準(zhǔn)是指傳感器在使用一段時(shí)間后或經(jīng)過修理后，必須對其性能參數(shù)進(jìn)行復(fù)測或必要的調(diào)整、修正，以確保傳感器的測量精度的復(fù)測調(diào)整過程。傳感器標(biāo)定與校準(zhǔn)的本質(zhì)和方法是基本相同的。其方法是利用一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知的被測量（如標(biāo)準(zhǔn)力、壓力、溫度、位移等），并將其作為輸入量，輸入至待標(biāo)定的傳感器中，得到傳感器的輸出量；將輸入量與輸出量作數(shù)據(jù)處理后，得到傳感器的標(biāo)定曲線。根據(jù)系統(tǒng)的用途，輸入可以是靜態(tài)的也可以是動(dòng)態(tài)的。因此傳感器的標(biāo)定有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定二種。BZ9003型應(yīng)變式位移傳感器標(biāo)定臺(tái)BZ9003傳感器標(biāo)定臺(tái)是專為應(yīng)變式位移傳感器設(shè)計(jì)的，其特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，全機(jī)械手動(dòng)操作，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。指數(shù)指標(biāo)：1.量程范圍：0～100mm，最大測量范圍：0～150mm2.測量精度：0.1%3.臺(tái)面尺寸（長×寬×高）：330mm×220mm×130mm1.4.2靜態(tài)標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定主要用于檢驗(yàn)測試傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、滯后、精確度和重復(fù)性等。根據(jù)傳感器的功能，靜態(tài)標(biāo)定首先需要建立靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)，其次要選擇與被標(biāo)定傳感器的精度高一等級(jí)的標(biāo)定用儀器設(shè)備。應(yīng)變式測力傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)在應(yīng)變式測力傳感器靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備系統(tǒng)中，測力機(jī)用來產(chǎn)生大小不同的標(biāo)準(zhǔn)力，高精度穩(wěn)壓電源的輸出電壓經(jīng)精密電阻箱衰減后向傳感器提供穩(wěn)定的電源電壓，其值由數(shù)字電壓表監(jiān)測以滿足傳感器工作電壓需求，傳感器的輸出由高精度數(shù)字電壓表讀出，從而得出傳感器輸入—輸出特性曲線。1.4.2靜態(tài)標(biāo)定傳感器的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：1）被測物理量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，如測力機(jī)、砝碼、恒溫源；2）被測物理量標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)；如標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)長度—量規(guī)等。3）被標(biāo)定傳感器，及其所配接的信號(hào)調(diào)節(jié)器和顯示、記錄器等。所配接的儀器精度應(yīng)是已知的，也作為標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備。1.4.2靜態(tài)標(biāo)定通用標(biāo)定步驟如下：1）將傳感器測量范圍分成若干等間距點(diǎn)；2）根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，輸入量由小到大逐漸變化，并記錄各輸入、輸出值；3）再將輸入值由大到小逐漸降低，同時(shí)記錄各輸入、輸出值；4）重復(fù)上述兩步，對傳感器進(jìn)行正、反行程多次重復(fù)測量，將得到的測量數(shù)據(jù)用表格列出或繪制曲線；5）進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理結(jié)果確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。例如：電子秤標(biāo)定與校準(zhǔn)對某型號(hào)電子秤的標(biāo)定時(shí)，可選擇不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，依次由小到大和由大到小稱量砝碼，記錄電子秤顯示的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過反復(fù)測量后得到多組數(shù)據(jù)；然后進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和線性分析，得出其輸入—輸出函數(shù)和特性曲線；用數(shù)據(jù)處理得到的特性參數(shù)輸入電子秤，可提高電子秤的測量精度。1.4.3動(dòng)態(tài)標(biāo)定一些傳感器除了靜態(tài)特性必須滿足要求外，其動(dòng)態(tài)特性也需要滿足要求。因此在進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)和標(biāo)定后還需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。動(dòng)態(tài)標(biāo)定是檢驗(yàn)測試傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，例如，動(dòng)態(tài)靈敏度、固有頻率和頻響范圍等。振動(dòng)傳感器標(biāo)定系統(tǒng)1.4.3動(dòng)態(tài)標(biāo)定傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定時(shí)，需有一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對它激勵(lì)，常用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)有二類：一是周期函數(shù)，如正弦波等；另一是瞬變函數(shù)，如階躍波等。用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)激勵(lì)后得到傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)分析計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、便可決定其頻率特性，即頻率響應(yīng)函數(shù)、幅頻特性和相頻特性、阻尼和動(dòng)態(tài)靈敏度等。觀察與思考

分析水銀溫度計(jì)或酒精溫度計(jì)的刻度標(biāo)定傳感器產(chǎn)品的性能指標(biāo)必須通過相關(guān)計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)按計(jì)量規(guī)程進(jìn)行的計(jì)量檢定，取得產(chǎn)品合格印、證和《制造計(jì)量器具許可證》，才能銷售和使用。一位資深的傳感器專家曾說：“一種傳感器從研發(fā)到生產(chǎn)應(yīng)用通常需要十幾年時(shí)間。一個(gè)人能成功地研究出1～2種傳感器，就是他一身的最大貢獻(xiàn)！”利用不同材料的熱脹冷縮特性，可以設(shè)計(jì)出不同的溫度測量與控制傳感器。例如，在常溫下使用的水銀溫度計(jì)或酒精溫度計(jì)。請分組討論、自由發(fā)言，講述如何進(jìn)行水銀溫度計(jì)或酒精溫度計(jì)的刻度標(biāo)定？拓展提高

傳感器的標(biāo)定設(shè)備中華人民共和國計(jì)量法實(shí)施細(xì)則明確規(guī)定“國家有計(jì)劃地發(fā)展計(jì)量事業(yè)，用現(xiàn)代計(jì)量技術(shù)裝備各級(jí)計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)，為社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)，……”，并由國家技術(shù)監(jiān)督局、地方技術(shù)監(jiān)督所負(fù)責(zé)實(shí)施。同時(shí)，研發(fā)出各種等級(jí)的力值、長度、壓力、溫度等傳感器標(biāo)定設(shè)備。如圖所示為JXW-I溫度傳感器現(xiàn)場檢測、校準(zhǔn)裝置，用于自動(dòng)檢測、校準(zhǔn)地面和煤礦井下使用的溫度傳感器和壓力儀表，從而提高傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)效率。1.5傳感技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢*1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀1.5.2傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀科技的發(fā)展使人類已經(jīng)置身于信息時(shí)代，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動(dòng)化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一，因此，傳感器技術(shù)的發(fā)展引起了各國的高度重視。日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)（計(jì)算機(jī)、通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和傳感器）之一；美國在軍用、宇航為中心的交通、運(yùn)輸、航空、航天資源及海洋開發(fā)等方面領(lǐng)先；歐盟的在智能化機(jī)器人用傳感器的研制上取得顯著成果；俄羅斯和部分東歐國家對傳感技術(shù)的研究也很重視，甚至分工重點(diǎn)研制。我國的傳感技術(shù)研制開發(fā)工作起步較晚，技術(shù)實(shí)力落后于國外10～15年。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀目前，“國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定”明確提出：“根據(jù)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的特征，立足我國國情和科技、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，現(xiàn)階段重點(diǎn)培育和發(fā)展節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造、新能源、新材料、新能源汽車等產(chǎn)業(yè)。”現(xiàn)在國內(nèi)已有幾百個(gè)單位（包括大專院校）研制和生產(chǎn)敏感元器件與傳感器3000余種，有基于光、聲、磁、熱等效應(yīng)的傳感器，也有基于化學(xué)吸附、化學(xué)反應(yīng)的傳感器。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于傳感器應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，包羅萬象，在此以選擇幾個(gè)典型的、具有代表性的應(yīng)用進(jìn)行闡述。1．壓力傳感器應(yīng)用壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，已成為各類傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性價(jià)比最高的一類傳感器。主要有：1）壓電傳感器2）光纖壓力傳感器3）電容式真空壓力傳感器4）耐高溫壓力傳感器5）硅微機(jī)械加工傳感器6）多維力傳感器1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀1．壓力傳感器應(yīng)用1）壓電傳感器壓電傳感器是利用某些晶體受到壓力的時(shí)候可產(chǎn)生電的效應(yīng)（即極化效應(yīng)）原理研制的壓力傳感器。在各類傳感器中壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定可靠、成本低、便于集成化的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、壓強(qiáng)的測量與控制，如血壓計(jì)、風(fēng)速計(jì)、水速計(jì)、壓力表、電子稱以及自動(dòng)報(bào)警裝置等。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀1．壓力傳感器應(yīng)用2）光纖壓力傳感器光纖壓力傳感器工作原理是利用敏感元件受壓力作用時(shí)的形變與反射光強(qiáng)度相關(guān)的特性，由硅框和金鉻薄膜組成的膜片結(jié)構(gòu)中間夾了一個(gè)硅光纖擋板，在有壓力的情況下，光線通過擋板的過程中會(huì)發(fā)生強(qiáng)度的改變，通過檢測這個(gè)微小的改變量，實(shí)現(xiàn)壓力大小的測量。這種敏感元件已被應(yīng)用與臨床醫(yī)學(xué)，用來測量擴(kuò)張冠狀動(dòng)脈導(dǎo)管氣球內(nèi)的壓力。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀1．壓力傳感器應(yīng)用3）電容式真空壓力傳感器E+H公司的電容式壓力傳感器是由一塊基片和厚度為0.8～2.8mm的氧化鋁(Al2O3)構(gòu)成，其間用一個(gè)自熔焊接圓環(huán)釬焊在一起。該環(huán)具有隔離作用，不需要溫度補(bǔ)償，可以保持長期測量的可靠性和持久的精度。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀1．壓力傳感器應(yīng)用4）耐高溫壓力傳感器新型半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC，俗稱金剛石）的耐熱性好、熱穩(wěn)定性高，在高溫下形變率很高。利用這一特性可制作高溫環(huán)境下使用的振動(dòng)傳感器和加速度傳感器，與其它材料振動(dòng)膜相結(jié)合可作為高溫、耐腐蝕、靈敏度高的壓力傳感器，用于振動(dòng)檢測以及發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力等測量。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀1．壓力傳感器應(yīng)用5）硅微機(jī)械加工傳感器在微機(jī)械加工技術(shù)逐漸完善的今天，硅微機(jī)械傳感器在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越多。而隨著微機(jī)械傳感器的體積越來越小，線度可以達(dá)到1～2mm，可以放置在人體的重要器官中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。Hachol等報(bào)導(dǎo)了一種可以用于測量眼球的眼壓計(jì)，其膜片直徑為1mm。在內(nèi)眼壓為60mmHg時(shí)，靜態(tài)輸出為40mV，靈敏度系數(shù)較高。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀1．壓力傳感器應(yīng)用6）多維力傳感器多維力傳感器廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器人。三維力傳感器能同時(shí)檢測三維空間的三個(gè)力信息（Fx、Fy、Fz），通過它控制系統(tǒng)檢測和控制機(jī)器人手抓取物體的握力，而且還可以檢測抓物體的重量，以及在抓取操作過程中是否有滑動(dòng)、振動(dòng)等。六維力傳感器是智能機(jī)器人重要的傳感器，它能同時(shí)檢測三維空間（笛卡爾坐標(biāo)系）的全力信息，即三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于精密裝配，自動(dòng)磨削、輪廓跟蹤、雙手協(xié)調(diào)、零力示教等作業(yè)中，在航空、航天及機(jī)械加工，汽車等行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀2．汽車傳感器應(yīng)用安全、舒適、無污染、經(jīng)濟(jì)性一直是汽車工業(yè)和用戶追求的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵在于汽車的電子化和智能化，先決條件則是各種信息的及時(shí)獲取，這勢必要求在汽車中大量采用各種傳感器。目前，一般普通汽車大約裝有幾十只到近百只傳感器，而高級(jí)豪華汽車大約使用200～300只傳感器。這些傳感器主要分布在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)和車身控制系統(tǒng)中。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀2．汽車傳感器應(yīng)用1）發(fā)動(dòng)機(jī)控制用傳感器發(fā)動(dòng)機(jī)控制用傳感器有許多種，其中包括溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速和角度傳感器、流量傳感器、位置傳感器、氣體濃度傳感器、爆震傳感器等。溫度傳感器：主要檢測發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度、機(jī)油溫度、催化溫度等。壓力傳感器：主要檢測進(jìn)氣管絕對壓力、真空度、大氣壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)油壓、制動(dòng)器油壓、輪胎壓力等。轉(zhuǎn)速、角度和車速傳感器：主要用于檢測曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀2．汽車傳感器應(yīng)用1）發(fā)動(dòng)機(jī)控制用傳感器氧傳感器：氧傳感器安裝在排氣管內(nèi)，測量排氣管中的含氧量?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)可燃混合氣的濃度，降低排氣污染。流量傳感器：測定進(jìn)氣量和燃油流量以控制空燃比，主要有空氣流量傳感器和燃料流量傳感器。爆震傳感器：用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，通過調(diào)整點(diǎn)火提前角控制和避免發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震。因汽油在即將燃燒而沒有發(fā)生明顯爆燃時(shí)，燃燒速度最快、動(dòng)力性能最好。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀2．汽車傳感器應(yīng)用2）底盤控制用傳感器底盤控制用傳感器是指分布在變速器控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、防抱制動(dòng)系統(tǒng)中的傳感器，在不同系統(tǒng)中作用不同，但工作原理與發(fā)動(dòng)機(jī)中傳感器是相同的，主要有以下幾種形式傳感器：變速器控制傳感器：多用于電控自動(dòng)變速器的控制。懸架系統(tǒng)控制傳感器：主要有車速傳感器、節(jié)氣門開度傳感器、加速度傳感器、車身高度傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀2．汽車傳感器應(yīng)用2）底盤控制用傳感器動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳感器：根據(jù)車速傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等使動(dòng)力轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輕便轉(zhuǎn)向操縱。防抱制動(dòng)傳感器：根據(jù)車輪角速度傳感器，檢測車輪轉(zhuǎn)速，在各車輪的滑移率為20%時(shí)，控制制動(dòng)油壓、改善制動(dòng)性能，確保車輛的操縱性和穩(wěn)定性。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀2．汽車傳感器應(yīng)用3）車身控制用傳感器

車身控制用傳感器主要用于提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等。主要有：用于自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)量傳感器、日照傳感器等；用于安全氣囊系統(tǒng)中的加速度傳感器，如防撞加速度傳感器；用于門鎖控制系統(tǒng)中的車速傳感器、防盜報(bào)警振動(dòng)傳感器等；1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀2．汽車傳感器應(yīng)用3）車身控制用傳感器用于倒車控制系統(tǒng)中的超聲波傳感器或激光傳感器、側(cè)面路面偏距報(bào)警傳感器等；用于保持車距的距離傳感器，如超聲近距離目標(biāo)傳感器和紅外熱成像傳感器；用于消除駕駛員盲區(qū)的圖像傳感器、倒車監(jiān)視圖像傳感器；確定汽車行駛方向的羅盤傳感器、陀螺儀和車速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀3．生物醫(yī)療傳感器應(yīng)用1962年，Clark和Lyons最先提出了生物傳感器的設(shè)想，經(jīng)過50多年的發(fā)展，生物傳感器已成為一個(gè)非常活躍的研究和工程技術(shù)領(lǐng)域，它與生物信息學(xué)、生物芯片、生物控制論、仿生學(xué)、生物計(jì)算機(jī)等學(xué)科一起，處在生命科學(xué)和信息科學(xué)的交叉區(qū)域，在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了高度重視和廣泛應(yīng)用。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀3．生物醫(yī)療傳感器應(yīng)用生物傳感器是將生物活性材料作為敏感元件與作為轉(zhuǎn)換元件各種類型的物理或化學(xué)傳感器組合而成的具有生物識(shí)別功能的組合體。生物活性材料包括生物大分子、細(xì)胞、細(xì)胞器、組織、器官等，以及人工合成的分子印跡聚合物；轉(zhuǎn)換元件有電化學(xué)（電位測定、電導(dǎo)測定、阻抗測定）、光學(xué)（光致發(fā)光、共振表面等離子體）、機(jī)械（杠桿、壓電反應(yīng)）、熱（熱敏電阻）或者電（離子或者酶場效應(yīng)晶體管）等等。例如，1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶（GOD）固定化膜和氧電極組裝在一起，制成了第一種生物傳感器，即葡萄糖酶電極，用于血糖分析；1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀3．生物醫(yī)療傳感器應(yīng)用1）家用保健手掌型血糖分析器采用酶法葡萄糖分析技術(shù)，結(jié)合絲網(wǎng)印刷和微電子技術(shù)制作出檢測電極，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，三者完美地組合研發(fā)出了微型化的血糖分析儀。2）高精度血糖分析儀高精度血糖分析儀是采用固定化酶的生物傳感分析儀。其分析精度可以達(dá)到0.5～2%，比家用保健類生物傳感器幾乎高一個(gè)數(shù)量級(jí)。德國百盛EKF血糖分析儀血糖分析儀優(yōu)利特血糖分析儀1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀3．生物醫(yī)療傳感器應(yīng)用3）用于環(huán)境檢測的生物傳感器用于環(huán)境檢測的微生物傳感器種類很多，包括BOD傳感器和毒物傳感器。1977年Karube等研發(fā)出了能夠測定水質(zhì)的BOD微生物傳感器。這以后，BOD傳感器在日、美、德、瑞典等國到了開發(fā)和初步應(yīng)用。微電腦BOD測定儀微電腦BOD測定儀1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀3．生物醫(yī)療傳感器應(yīng)用4）固定化酶生物傳感分析儀應(yīng)用固定化酶生物傳感器最重要服務(wù)對象包括：臨床、食品分析、發(fā)酵工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、防衛(wèi)安全檢測等領(lǐng)域。中國味精企業(yè)是應(yīng)用酶生物傳感器最早、普及面最廣的行業(yè)，通過快速測定葡萄糖、谷氨酸和L-乳酸等成分的含量，及時(shí)了解發(fā)酵罐中發(fā)酵液成分變化，有效地對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使產(chǎn)量和質(zhì)量不斷地得到提高。因此，生物傳感器被譽(yù)為是發(fā)酵工廠的眼睛，是這個(gè)行業(yè)不可缺少的新檢測工具。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀4．無線網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wirelesssensornetwork，WSN）是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)《商業(yè)周刊》預(yù)測的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)感知、采集、處理和傳輸各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，傳送給需要這些信息的用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛地應(yīng)用于國防軍事、工業(yè)過程控制、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀4．無線網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用1）環(huán)境的監(jiān)測和保護(hù)隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利。例如，英特爾研究實(shí)驗(yàn)室研究人員曾將32個(gè)小型傳感器連進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)，讀取緬因州“大鴨島”上的氣候，用來評價(jià)一種海燕巢的條件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響（在精細(xì)農(nóng)業(yè)中用來監(jiān)測農(nóng)田害蟲、土壤酸堿度和施肥狀況等），監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀4．無線網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用2）醫(yī)療護(hù)理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究、護(hù)理領(lǐng)域也可以大展身手。在病人身上放置用于檢測人體參數(shù)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，可對病人的心率、血壓、心電、心音等生理參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將信息匯總傳送給監(jiān)護(hù)中心，進(jìn)行及時(shí)處理與反饋；利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長期收集被觀察者的人體生理數(shù)據(jù)，對了解人體健康狀況以及研究人體疾病都很有幫助。便攜式心電監(jiān)護(hù)儀1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀4．無線網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用2）醫(yī)療護(hù)理美國羅徹斯特大學(xué)的科學(xué)家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個(gè)智能醫(yī)療房間，來測量居住者的重要體征（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時(shí)的活動(dòng)狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭護(hù)理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在鞋、家具以及家用電器等器具中嵌入半導(dǎo)體傳感器，來幫助老齡人士、殘障人士的家庭生活。英特爾主管預(yù)防性健康保險(xiǎn)研究的董事EricDishman稱：“在開發(fā)家庭用護(hù)理技術(shù)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常有前途的領(lǐng)域?！?.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀4．無線網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用3）軍事領(lǐng)域信息化戰(zhàn)爭要求作戰(zhàn)系統(tǒng)“看得明、反應(yīng)快、打得準(zhǔn)”，誰在信息的獲取、傳輸、處理上占據(jù)優(yōu)勢（取得制信息權(quán)），誰就能掌握戰(zhàn)爭的主動(dòng)權(quán)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、靈活性、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。美國國防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學(xué)進(jìn)行“智能塵?！眰鞲衅骷夹g(shù)的研發(fā)。1.5.1傳感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀4．無線網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用3）軍事領(lǐng)域智能微塵（smartdust）是一個(gè)具有電腦功能的超微型傳感器，體積大小形如沙粒，它由微處理器、無線電收發(fā)裝置和使它們能夠組成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的軟件共同組成。將一些微塵散放在一定范圍內(nèi)，它們就能夠相互定位，收集數(shù)據(jù)并向基站傳遞信息。典型設(shè)想是用飛行器將大量微傳感器結(jié)點(diǎn)散布在戰(zhàn)場的廣闊地域，這些結(jié)點(diǎn)自組成網(wǎng)，將戰(zhàn)場信息邊收集、邊傳輸、邊融合，為各參戰(zhàn)單位提供“各取所需”的情報(bào)服務(wù)。1.5.2傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢國內(nèi)外傳感技術(shù)發(fā)展的總途徑是：采用新技術(shù)、新工藝、新材料，探索新理論，向著高精度、高可靠性、小型化、集成化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。高精度：為提高測量控制精度，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力測量希望優(yōu)于0.1％，超精加工“在線”檢測精度要求高于0.1μm。我國已研制出精度優(yōu)于0.05％的傳感器，英國壓阻式傳感器的精度已達(dá)到0.04％，美國傳感器的精度已達(dá)到0.02％。1.5.2傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢小型化：目前市場對小型傳感器的需求越來越大，小型傳感器可以工作在極端惡劣的環(huán)境下，并且只需要很少的保養(yǎng)和維護(hù)，對周圍的環(huán)境影響也很小。例如，美國Entran公司生產(chǎn)的量程為2～500PSI的微型壓力傳感器，直徑僅為1.27mm，可以放置在人體的血管中而不會(huì)對血液的流通產(chǎn)生大的影響。集成化：將敏感元件與轉(zhuǎn)換電路、放大電路、溫度補(bǔ)償電路等集成在同一芯片上，以縮小體積、增強(qiáng)抗干擾能力，或?qū)⒍鄠€(gè)傳感器集成以構(gòu)成一維、二維陣列式傳感器，成為集成智能化傳感器。集成智能化傳感器在過程控制和工廠自動(dòng)化中已被廣泛應(yīng)用，以提高操作速度和效率。1.5.2傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)字化：傳感器輸出帶有與計(jì)算機(jī)兼容的數(shù)字接口，可對其進(jìn)行地址編碼并直接讀取數(shù)字信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。智能化：傳感器與單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成智能傳感器系統(tǒng)，以提高精度、擴(kuò)大功能，如：自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)校準(zhǔn)靈敏度和零點(diǎn)漂移，對輸出特性線性化處理，增加狀態(tài)識(shí)別、自診斷功能等。例如：電子血壓計(jì)，智能水、電、煤氣、熱量表。1.5.2傳感技術(shù)的