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傳感器的定義 

信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開發(fā)方面有相應(yīng)的進(jìn)展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來越明顯。 

guang義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。電工委員會(huì)（IEC:International Electrotechnical Committee）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)”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬或數(shù)字）能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測量信號(hào)輸入的第壹道關(guān)口。

傳感器系統(tǒng)的原則框圖示于圖1-1，進(jìn)入傳感器的信號(hào)幅度是很小的，而且混雜有干擾信號(hào)和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號(hào)整形成具有jia特性的波形，有時(shí)還需要將信號(hào)線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號(hào)隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸入到微處理器。

傳感器的分類方法很多．主要有如下幾種：

（1）按被測量分類，可分為力學(xué)量、光學(xué)量、磁學(xué)量、幾何學(xué)量、運(yùn)動(dòng)學(xué)量、流速與流量、液面、熱學(xué)量、化學(xué)量、生物量傳感器等。這種分類有利于選擇傳感器、應(yīng)用傳感器

（2）按照工作原理分類，可分為電阻式、電容式、電感式，光電式，光柵式、熱電式、壓電式、紅外、光纖、超聲波、激光傳感器等。這種分類有利于研究、設(shè)計(jì)傳感器，有利于對(duì)傳感器的工作原理進(jìn)行闡述。

（3）按敏感材料不同分為半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、石英傳感器、光導(dǎo)纖推傳感器、金屬傳感器、有機(jī)材料傳感器、高分子材料傳感器等。這種分類法可分出很多種類。

（4）按照傳感器輸出量的性質(zhì)分為摸擬傳感器、數(shù)字傳感器。其中數(shù)字傳感器便干與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，且坑干擾性較強(qiáng)，例如脈沖盤式角度數(shù)字傳感器、光柵傳感器等。傳感器數(shù)字化是今后的發(fā)展趨勢。

（5）按應(yīng)用場合不同分為工業(yè)用，農(nóng)用、軍用、醫(yī)用、科研用、環(huán)保用和家電用傳感器等。若按具體便用場合，還可分為汽車用、船艦用、飛機(jī)用、宇宙飛船用、防災(zāi)用傳感器等。

（6）根據(jù)使用目的的不同，又可分為計(jì)測用、監(jiān)視用，位查用、診斷用，控制用和分析用傳感器等。

主要特點(diǎn)傳感器的特點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和更新?lián)Q代，而且還可能建立新型工業(yè)，從而成為21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。微型化是建立在微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)基礎(chǔ)上的，已成功應(yīng)用在硅器件上做成硅壓力傳感器。

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(xué)傳感器——味覺

壓敏、溫敏、 傳感器（圖1）

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(yīng)。

化學(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。

生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識(shí)別功能。

通常據(jù)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類（還有人曾將敏感元件分46類）。

1）光纖傳感器

光纖傳感器技術(shù)是隨著光導(dǎo)纖維實(shí)用化和光通信技術(shù)的發(fā)展而形成的一門嶄新的技術(shù)。光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有許多特點(diǎn)，如靈敏度高?？闺姶鸥蓴_能力強(qiáng)，耐腐蝕，絕緣性好，結(jié)構(gòu)簡單，體積小。耗電少，光路有可撓曲性，以及便于實(shí)現(xiàn)遙測等。

光纖傳感器一般分為兩大類，一類是利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器。稱為功能型傳感器;另一類是光纖僅僅起傳輸光波的作用，必須在光纖端面或中間加裝其他敏感元件才能構(gòu)成傳感器，稱為傳光型傳感器。無論哪種傳感器，其工作原理都是利用被測量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對(duì)已調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測，從而得到被測量。

光纖傳感器可以測量多種物理量。目前已經(jīng)實(shí)用的光纖傳感器可測量的物理量達(dá)70多種，因此光纖傳感器具有廣闊的發(fā)展前景。

2）紅外傳感器

紅外傳感器是將輻射能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器，又稱為紅外探測器。常見的紅外探測器有兩大類，熱探測器和光子探m器。熱探測器是利用人射紅外輻射引起探測器的敏感元件的沮度變化，進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過測量有關(guān)物理參數(shù)的變化來確定紅外探測器吸收的紅外輻射。熱探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，可以在室沮下工作，使用方便。但是，熱探測器響應(yīng)時(shí)間長，靈敏度較低，一般用于紅外輻射變化緩慢的場合。如光譜儀、測溫儀、紅外攝像等。光子紅外探測器是利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下，產(chǎn)生光子效應(yīng)，使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，通過測電學(xué)性質(zhì)的變化，可以確定紅外輻射的強(qiáng)弱。光子探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)頻率高。但一般需在低溫下_L作，探測波段較窄，一般用于側(cè)溫儀、航空掃描儀、熱像儀等。紅外傳感器廣泛用于測溫、成像、成分分析、無損檢測等方面，特別是在軍事上的應(yīng)用更為廣泛，如紅外偵察、紅外雷達(dá)、紅外通信、紅外對(duì)抗等。

3）氣敏傳感器

氣敏傳感器是指能將被側(cè)氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電量輸出的裝置。氣敏傳感器的性能必須滿足下列條件：

（1）能夠檢淵易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準(zhǔn)設(shè)定濃度。并能及時(shí)給出報(bào)薯、顯示與控制信號(hào);

（2）對(duì)被側(cè)氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感;

（3）長期穩(wěn)定性好、重復(fù)性好

（4）動(dòng)態(tài)特性好、響應(yīng)迅速;

（5）使用、維護(hù)方便，價(jià)格便宜等。

4）生物傳感器

生物傳感器是利用生物或生物物質(zhì)做成的、用以檢測與識(shí)別生物體內(nèi)的化學(xué)成分的傳感器。生物或生物物質(zhì)是指酶、微生物、抗體等，被側(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)人生物敏感膜，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)（物理、化學(xué)反應(yīng)），通過變換器將其轉(zhuǎn)換成可定量、可傳輸、處理的電信號(hào)。按照所用生物活性物質(zhì)的不同，生物傳感器包括酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、生物組織傳感器等。酶傳感器具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已實(shí)用化的商品達(dá)200種以上，但由于酶的提煉工序復(fù)雜，因而造價(jià)高，性能也不太穩(wěn)定。微生物傳感器與酶傳感器相比，價(jià)格便宜，性能穩(wěn)定，它的缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間較長（數(shù)分鐘），選擇性差，目前微生物傳感器已成功應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)學(xué)中，如測定水污染程度、診斷尿毒癥和搪尿病等。免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)，目前已研制成功的免疫傳感器達(dá)兒十種以上。生物組織傳感器制作簡便，工作壽命長，在許多情況下可取代酶傳感器，但在實(shí)用化中還存在選擇性差、動(dòng)植物材料不易保存等問題。目前生物傳感器的開發(fā)與應(yīng)用正向著多功能化、集成化的方向發(fā)展。半導(dǎo)體生物傳感器是將半導(dǎo)體技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，為生物傳感器的多功能化、小型化、微型化提供了重要的途徑。

5）機(jī)器人傳感器

機(jī)器人傳感器是一種能將機(jī)器人目標(biāo)物特性（或參量）變換為電量輸出的裝置，機(jī)器人通過傳感器實(shí)現(xiàn)類似于人類的知覺作用。機(jī)器人傳感器分為內(nèi)部檢測

傳感器和外界檢測傳感器兩大類。內(nèi)部檢測傳感器是在機(jī)器人中用來感知它自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機(jī)器人自身行動(dòng)的傳感器。它通常由位置、加速度、速度及JR力傳感器組成。外界檢測傳感器是機(jī)器人用以感受周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征信息的傳感器。從而使機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外界槍側(cè)傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、嗅覺、味覺等傳感器。機(jī)器人傳感器是機(jī)器人研究中必*重要課題，需要有更多的、性能更好的、功能更強(qiáng)的、集成度更高的傳感器來推動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展。

6）智能傳感器

智能傳感器是一種帶有微處理機(jī)的，兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。本書第9章將對(duì)這種傳感器進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.數(shù)字傳感器

數(shù)字式傳感器是指能把被測（模擬）量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字徽輸出的傳感器。數(shù)字式傳感器是檢測技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳感器技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)重要方向。

數(shù)字式傳感器可分為三類：一是直接以數(shù)宇量形式輸出的傳感器，如編碼器可以將位移鰭直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。二是以脈沖形式愉出的傳感器。如增量編碼器、光柵、磁柵和感應(yīng)同步器可以將位移量轉(zhuǎn)換成一系列計(jì)數(shù)脈沖，再由計(jì)數(shù)系統(tǒng)

所計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)來反映被側(cè)量的值;三是以頻率形式輸出的傳感器，能把被測量換成與之相對(duì)應(yīng)的、且便于處理的頻率輸出，因此也叫做頻率式傳感器。數(shù)字式傳感器在機(jī)床數(shù)控、自動(dòng)化和計(jì)量、檢測技術(shù)中得到日益廣泛的應(yīng)用。

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