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论文

姓名王思然

学号103522055

专业电子信息科学与技术

10特色实验班

一、研究课题题目：

传感器技术

二、摘要：

在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心的，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。

在工程科学与技术领域里，可以认为：

传感器是人体“五官”的工程模拟物。

当前，我国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。

我国在传感器生产产业化过程中，应该兼顾引进国外和自主创新两方面。

在引进国外先进技术中，可以提高自己的技术，同时也满足了国内市场的需求，形成了传感器生产产业规模。

发现新效应，开发新材料、新功能；研研究生物感官、开发仿生传感器等为主要寻求传感器技术发展的新途径。

正文：

一、传感器的定义

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：

“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

二、传感器的作用

能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，他是实现自动检测和自动控制的首要环节。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：

例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。

许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。

一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

世界各国都十分重视这一领域的发展。

相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

三、传感器的分类

表1、传感器的分类

分类法

类型

说明

按基本效应分

物理型、化学型、生物型等

分别以转换中的物理效应化学效应等命名

按传感机理分

结构型（机械式、感应式等）

以敏感元件结构参数变化实现信号转换

物性型（压电、热电、光电等）

以敏感元件物性效应实现

按能量关系分

能量转换型（自源型）

传感器输出量能量直接由被测能量转换而定

能量控制型（外源型）

传感器输出能量由外源供给，但受被测输入量控制

按作用原理分

应变式、电容式、压电式等

以传感器对信号转换的作用原理命名

按功能性质分

力敏、热敏、光敏等

以被测量的敏感性质命名

按功能材料分

固态、光纤、膜、气体等

以敏感功能材料的名称或类别命名

按输入量分

位移、压力、温度等

以被测量命名（按用途分类法）

按输出量分

模拟式，数字式

输出量为模拟信号或数字信号

四．传感器的应用

1、压力传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。

某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。

科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。

其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。

由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。

而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。

磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。

实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。

它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。

也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。

除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。

2、光传感器（主要在汽车中的应用及走向）

从便携式消费类市场（智能电话、PDA、台式计、便携式音乐播放器等等）到消费类电视机市场（TFT-LCD、等离子、尾部投影、CRT等等），再到医疗、工业及汽车市场，光传感器可谓无所不在位移传感器。

在汽车环境中，主要的应用如下：

车载娱乐/导航/DVD系统背光控制，以便在所有的环境光条件下都可以显示出理想的背光亮度；后座娱乐用显示器背光控制；仪表组背光控制（速度计/转速计）；自动后视镜亮度控制（通常要求两个传感器，一个是前向的，一个是后向的）；自动前大灯和雨水感应控制（专用，根据需求进行变化）；后视相机控制（专用，根据需求进行变化）称重传感器。

光传感器在提供更舒适的显示质量方面已经成为最有效的解决方案之一，它具有与人眼相似的特性，这对于汽车应用而言至关重要，因为这些应用要求在所有环境光条件下都能达到完全的背光效果。

例如，在白天，用户需要最大的亮度来实现最佳的可见度，但是这种亮度在对于夜间条件而言则是过亮的，因此带有良好光谱响应（良好的IR衰减）的光传感器、适当的动态范围和整体的良好输出信号调节可以很容易地自动完成这些应用。

现在终端用户可以设置几个阈值水平（如低、中、亮光），或能够随意地动态地改变传感器的背光亮度压力传感器这也适用于汽车后视镜亮度控制，当镜子变暗和/或变亮时需要智能的亮度管理，可以通过环境光传感器来完成角度传感器。

采用小型封装的光传感器多种多样，而且价格合理。

数十年来，无源器件一直活跃市场，随着光敏电阻、光电二极管及光电晶体管等变得越来越普通和便宜，它们被从夜间照明灯到数码相机的众多消费产品广泛采用。

而登场不久的集成器件把一个光电晶体管或光电二极管与电流放大器集成起来，以实现片上校准、过滤和更高的分辨率。

当分辨率较高时，低光能力、电源抑制等功能发挥作用，这类器件正在扩大环境光传感器的应用范围和有效性。

最简单的光传感器是光敏电阻，可以通过两个终端之间的通道来对其鉴别。

低端版本使用CdS（硫化镉）制造，而比较昂贵的类型则使用GaAs制造。

GaAs的能带隙较小，使其能够吸收红外光中的低能光子，使电子跃迁到传导带。

参考元件的数据显示，其照度范围是1~100lux，但具有各种阻值。

光传感器在便携产品上的应用ISL29001能达到15bit的分辨率。

光传感器的应用对象非常普遍。

有些应用利用光学探测的反射光来对位置进行感应，其中包括条形码阅读器、激光打印机和自动聚焦显微镜。

数码相机、手机和笔记本电脑等便携电子产品等应用则利用光传感器来测量环境光量。

我们将进一步讨论上述的第二类应用。

笔记本电脑中的环境光传感器，用于调整屏幕的背光，使之达到看着舒适的水平。

背光的舒适范围取决于房间的光线情况，可想而知，屏幕的亮度需要随着环境光线亮度增加，而在光线较弱的情况下，为了看着舒服和延长电池寿命，屏幕亮度则需要下降。

在笔记本电脑设计中，环境光传感器通常挨着扬声器，而不是在其上面，机器在扬声器的位置有一个开口，光线可以进入内部。

这些音频端口通常覆盖着网状物，以保护扬声器，由于这种保护，光线被阻断，这使得可测量到的光量减少，因此需要采用具有良好的暗光精度的解决方案。

为了获得低光条件下所需的精度，最好选择具有ADC的集成式光电二极管。

同时，采用高通滤波器可以把电源噪声降至最低水平，防止其耦合进入背光照明。

另一个普遍应用是手机中的环境光感应。

在这种应用中，每节省一个毫安，都意味着电池寿命延长和客户满意度的增加。

利用光传感器调节背光照明，电池寿命至少延长6倍（假定在没有光传感器反馈时背光保持在全功率状态）。

3、生物传感器

（1）原材料及代谢产物的测定

微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测定，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。

测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。

在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单胞菌（Psoudomonasfluorescens）代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进行检测，可以估计葡萄糖的浓度。

这种微生物电极和葡萄糖酶电极型相比，测定结果是类似的，而微生物电极灵敏度高，重复实用性好，而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。

当乙酸用作碳源进行微生物培养时，乙酸含量高于某一浓度会抑制微生物的生长，因此需要在线测定。

（2）微生物细胞总数的测定

在发酵控制方面，一直需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。

人们发现在阳极表面，细菌可以直接被氧化并产生电流。

这种电化学系统已应用于细胞数目的测定，其结果与传统的菌斑计数法测细胞数是相同的。

（3）代谢试验的鉴定

传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据微生物在某种培养基上的生长情况进行的。

这些实验方法需要较长的培养时间和专门的技术。

微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸活性进行测定。

用氧电极可以直接测量微生物的呼吸活性。

因此，可以用微生物传感器来测定微生物的代谢特征。

这个系统已用于微生物的简单鉴定、微生物培养基的选择、微生物酶活性的测定、废水中可被生物降解的物质估计、用于废水处理的微生物选择、活性污泥的同化作用试验、生物降解物的确定、微生物的保存方法选择等。

4、传感器的前景

近几年，传感器技术发展迅速，探测精度提高、制作成本降低、芯片体积减小，大大促进了物联网产业的快速扩张。

物联网将发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，产业规模将比互联网大30倍。

传感器是物联网整个链条需求总量最大和最基础的环节，预计2014年市场规模将达到1200亿元。

航空领域对传感器需求增大，将成公司增长新动力。

现在军用飞机面临的作战任务日益复杂、威胁密度加大、作战环境日益恶劣，使得军用飞机要具备的作战功能越来越多、性能越来越高，因此要求的传感器种类也在逐步增加。

根据预测，未来十年军用飞机传感器的市场规模将达到1000亿元。

从世界范围看，产业链整合是传感器企业规模扩张的一个重要手段，以Vishay测量集团为例，其充分利用国际资本平台对行业进行整合，最后成为全球应变电测领域龙头企业。

应变式传感器应用前景广泛，出口将成公司增长亮点。

应变式传感器是应用最广泛、技术最成熟的一种传感器，占衡器行业市场份额90%以上，在工业自动控制的测力传感器中占比为14%以上。