物联网中的传感器

物联网中的传感器

3.1传感器简介

3.1.1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件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。

因为电信号具有高精度、高灵敏度，可测量的控制范围宽、便于传输、放大及反馈并连续可测、可遥测、可储存等许多优点，所以一定意义上可以把传感器归纳为一种能感受外界信息（力、热、声、光、磁、气体、湿度等），并按一定的规律将其转换成易处理的电信号的装置。

3.1.2传感器的基本特性

从传感器本身的作用可知，传感器是直接与被测对象发生联系的部分，是信号输入的窗口，可提供原始信息，检测的准确与否完全与一定范围内反应被测量的精确程度有关。于是，它必须具备一定的基本特性，了解和掌握基本特性是正确选择和使用传感器的基本条件。 传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间的关系，一般分为静态特性和动态特性两大类。当被测量不随时间变化或随时间变化很缓慢（静态信号）时，即反应静态特性，可以用一系列静态参数来描述当被测量随时间变化很快（动态信号时的特性）时，即反应动态特性，可以用一系列动态参数来描述。

1. 静态特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。这时输入量和输出量都和时间无关，所以传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程来表示：

y =a 0+a1x+a2x2+a3x3+⋯+an xn （3-1）

上式中a 0为零位输出，a 1为线性常数，a 2、a 3、⋯、a n 为非线性待定系数，它们都可以由实际的测量数据进行标定。

实际中以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。由多次测量的结果分析可知、任何传感器的输出与输入的关系不会完全符合所要求的特征线性或非线性关系，衡量传感器的静态特性必须用一些重要指标来确定，表征传感器静态特性的主要参数有：测量范围、线性度、灵敏度、迟滞、重复性等。

（1）测量范围（Y FS ）

每一个传感器都有一定的测量范围，如果在超过了这个范围内进行测量，会带来很大的测量误差，甚至将其损坏。一般测量范围确定在一定的线性区域或保证一定寿命的范围内。

实际应用时，为保证测量的准确性和延长传感器的寿命，所选传感器的测量范围应大于实际的测量范围。

（2）线性度（δf ）

通常为了标定和数据处理的方便，总希望得到线性的关系，即采用各种方法（如硬件或

软件的补偿）进行线性化处理，这样就使得输出不可能丝毫不差的反应被测量的变化，总存在一定线性或非线性的误差（如图1所示）。线性度就是用来表示实际曲线与拟合直线接近程度的一个性能指标。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值∆Y max 与满量程输出值Y FS 之比，即

δf =±∆Y max

Y FS ×100% （3-2）

（3）迟滞（δH ）

在相同的工作条件下进行全测量范围测量时，传感器在输入量由小到大（正行程）

及输入量由大到小（反行程）变化期间其输出特性曲线不重合的现象成为迟滞（如图

2所示）。用全量程范围校准时同一输入量的正反行程中输出的最大偏差量∆H max 与

满量程输出值Y FS 之比表示，即

δH =±∆H max

Y FS ×100% （3-3）

迟滞反映了传感器的材料参数的恢复快慢、机械结构和制造工艺的缺陷等。

图1 线性度 图2 迟滞

（4）灵敏度（S ）

灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的变化（∆Y ）与引起

该变化的相应输入量变化（∆X ）之比，即：

S =∆X =dX （3-4）

可以看出，灵敏度的量纲是输出量与输入量的量纲之比。对于线性传感器来讲，其校准时输出/输入特性直线的斜率就是灵敏度。对于非线性传感器来讲，灵敏度随输入量的变化而变化。一般来讲，S 提高时测量容易，精度提高，但是测量的范围变窄，稳定性变差，应根据具体的情况择优选择。

（5）重复性（δK ）

重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续工作多次时，所得曲线

间的不一致程度（如图3表示），它反映校准数据的离散程度和输入随机误差。定义为正行程和反行程中最大重复性偏差∆R max 与满量程输出值Y FS 之比表示，即

δK =±∆R max

Y FS ∆Y dY X ×100% （3-5）

或用同一输入量N 次测量的标准偏差σ 与满量程输出值Y FS 之比表示。标准差表示为

σ= N （Y i −Y ）

N −1 （3-6）

为测量值的算术平均值；N 为测量的次数。 其中Y

（6）分辨力与分辨率

分辨力是描述传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。如果输入量缓慢地变化并且

输入变化值未超过某一范围时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的（如图4表示）。只有当输入量的变化超过此范围时，其输出才会发生变化。人们将用满量程中使输出阶跃变化的输入量中最大的可分辨范围称为传感器的分辨力；将分辨力与满量程输出值Y FS 的比值成为分辨率，即

分辨率=∆X max

Y FS ×100% （3-7）

Y

X

图3 重复性偏差示意图 图4 分辨力

（7）温度稳定性

将传感器的输入量设定在某个值，测量出相应的输出值，使环境温度上升或下降一定间

隔，输出值会发生变化，说明传感器具有温度不稳定性。一般用温度系数来描述温度引起的误差，表示为

αT =Y 2−Y 1

Y FS ∆T ×100% （3-8）

式中Y 2、Y 1分别为温度T 2、T 1时的输出值，∆T =T 2−T 1。

（8）漂移

传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）

（9）静态误差

静态误差指传感器在满量程内，任一点输出值相对于理论值的可能偏离程度。

（10）阈值

阈值指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小输入量值，即零点附近的分辨能力。

取决于传感 器噪声的大小。

2. 动态特性

所谓动态特性，是指传感器的输入量变化时，它的输出量的响应特性。一般应使输出量

随时间的变化与输入量随时间的变化相近，否则输出量就不能反映输入量的值，测量变得没有意义。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它

对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

（1）阶跃响应

当输入为阶跃函数时，如图5（a ）所示，则传感器的响应函数Y （t ）分为两个响应过

程，一个是从初始状态到接近终态之间的过程，即动态过程（又称为过渡过程），t 趋于无穷时，输出基本稳定，成为稳定过程，如图5（b ）所示。即

t =0，X t =0 （3-9） t >0，X t =A

t =0，Y t =0

（3-10）

t >0，Y t ↑，过渡区域

t →∞，Y t =B

（a ）输入曲线 （b ）输出曲线

图5 传感器的动态特性

过渡过程中有如下特性参数：

1时间常数τ，是指输出量从0上升到稳态Y （∞）的63%所需的时间。 ○

2上升时间t r ，是指输出值从最终稳定值的Y （∞）的10%上升到90%所需的时间。它○

表示传感器的响应速度，t r 小时，表明传感器对输入的响应速度快。

3响应时间t s ，从输入量开始到输出值进入稳定值允许误差范围内所需的时间，也表○

示响应速度。

4震荡次数N ，是输出量在稳态值Y （∞）上下摆动的次数，N 越小，表明稳定性越好。 ○

5稳态误差e，是响应的实际值Y （∞）与期望值之差，它反映稳态的精确程度。 ○

（2）频率响应

1零阶传感器的数学模型 ○

如果一个传感器的输入量随时间的变化为X t ，其输出量随时间的变化Y t 是输入量的

b 0 a 0倍，则输出与输入的关系可以表示为

a 0Y t =b 0X t （3-11）

式中a 0和b 0是传感器的常数，b 0 a 0成为静态灵敏度。实际中，滑变电阻器的输出电压U （t ）与触头距边界的距离X t 成正比，可以将具有这种关系的传感器成为零阶传感器。

○2一阶传感器的数学模型

如果传感器电路中含有一个储能元件，输出量Y t 与输入量X t 的关系可以表示为：

a1dY （t ）dt +a 0Y t =b 0X t （3-12）

式中a 1、a 0和b 0是传感器的常数，b 0 a 0成为静态灵敏度。实际中，热电偶热所测量介质的温度T 1（t ）随介质温度T （t ）的关系满足上式。

○3n 阶传感器系统的数学模型

对于线性系统的传感器，可以用常系数线性微分方程表示

d n Y （t ）d n −1Y （t ）d m X （t ）d m −1X （t ）a n +a n −1+⋯+a 0Y t =b m +b m −1+⋯+b 0X t （3-13）

式中a n 、a n −1、⋯、a 1、a 0，b n 、b n −1、⋯、b 1、b 0均为传感器的常数，可以通过n 次试验来确定。将上式进行拉氏变换，可以得到Y s 和X s 的方程如下：

a n S n +a n −1S n −1+⋯+a 1S +a 0 Y S = b m S m +b m −1S m −1+⋯+m 1S +b 0 X S

（3-14）

由上式可以得到输入量和输出量之间的拉氏传递函数H S 为：

Y b m S m +b m −1S m −1+⋯+b 1S +b 0H S = S = n n −110

（3-15）

若输入信号为正弦波X t =sin(ωt) 时，用j ω代替上式中的S ，则可以得到传感器的输

出与输入之比与频率的关系，即频率传递函数H j ω 为：

Y b m (jω) m +b m −1(jω) m −1+⋯+b 1j ω+b 0H j ω = j ω = n n −110

（3-16）

将X t =Ae j ωt 和Y t =Be j ωt 带入上式，得：

Y Be j(ωt+φ) B j φb m (jω) m +b m −1(jω) m −1+⋯+b 1j ω+b 0H j ω = j ω ==e = n n −110

（3-17）

频率传递函数的模 H j ω 为输出与输入的幅值之比B A ，它与角频率ω的关系被称为幅频特性，输出与输入信号的相位之差与频率的关系φ(ω) 成为相频特性。

3.1.3传感器的基本应用

传感器基本上都应用在测量与控制系统中，而且都是其中的关键部件。它在测量系统中执行测量的功能，并将测定“量或性质”的值显示出来；在控制系统中将测量到的量或性质的信息进行分析，用于控制以达到预期的目的。

1. 在测量系统中的应用

基本的电子测量系统由传感器、信号调节、显示系统和电源等组成。其中信号调节部分

可使用阻抗匹配器、多级放大器、数模转换器等；显示部分可使用模拟或数字表、纸带记录仪、字符打印机、示波器等。如一环境有两个或多个被测信号，则需要相同数量、相同种类的传感器，也需要各自的信号调节处理并显示输出。若只用一显示器，系统中加一手动开关或自动定时分档器。

（a ） 基本测量框图

（b ）多路测量系统

图6 电子测量系统

2. 在控制系统中的应用

按控制方式将控制系统分为开环和闭环两种控制系统，将传感器测量出来的数据经信号

调节器后显示出来，由操作员分析判断、控制(如提高温度、减小压力、截止流动、装填容器或改变速度 等等) 的系统为开环控制系统。若传感器测量的数据经信号调节器后送入比较器，与参考数据比较，若二者之差超过一定的范围会输出一个信号可自动启动执行器，对被 测量系统进行自动控制，这种控制系统成为闭环控制系统。

3. 传感器的应用领域

在工农业、国防、航空、航天、医疗卫生和生物工程等各领域，会遇到各种物理量、化

学量和生物量，对它们 的测量与控制都有十分重要的意义。

（1）传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。若没有它对原始的各种参数进行

精确、可靠的测量，无论是信号转换、处理，还是最佳数据的现实与控制，都将

成为一句空话。

（2）传感器技术是构成现代信息技术系统的主要内容之一。信息系统包括三个主要的

组成部分：感受外界各种刺激并及时做出反应的传感器技术，也就是信息的获取

技术；传送信息的传输技术，也就是通信技术；处理信息的技术，也就是计算机

技术。他们可以相互促进，但是不能相互替代，在现代信息系统中都起着各自的

重要作用。

（3）传感器是是航空、航天和航海事业不可缺少的器件。在现代飞行器上装备着种类

繁多的显示与控制系统，而传感器首当其冲对反应飞行器的参数、姿态和工作状

态的各种量加以检测、以便操作者进行正确的操作。

（4）传感器是是机器人的重要组成部件。在工业机器人的控制系统中，要完成检测功

能、操作与驱动功能及比较与判断功能等，必须借助于传感器。

（5）传感器技术在生物医学方面也显露出广阔的前景。它能将人体各种生理信息转化

成工程上已测定的量，从而正确的显示出人体的生理信息，如心电图、B 超、胃

镜、血压器及CT 等等。

（6）传感器已渗透到人们日常生活的各方面。如家电中温度、湿度的测控，音响系统、

电视机和电风扇的遥控，煤气和液化气的泄露报警，路灯的声控等都离不开传感器。

总之，传感器在整个科学技术及人类生活中都扮演着重要的角色。

3.1.4传感器的发展

随着智能高新技术特别是计算机的不断更新和发展，传感器技术也应发展，应采用更高

新的技术、新工艺开发新材料，探测新规律，研究用途更广性能更高的新型传感器--现代传感器技术。

目前，新型传感器的性能应具备以下条件。

1. 高精度，且数值化。

欲对某一参数进行精确的控制，首先必须要求测量的精度高。

2. 智能化。

由于问题越复杂，管理控制的机制越来越复杂化，要求传感器必须实现智能化。

3. 微型化，集成化。

实际军事要求导弹的体积越小越好，种类繁多的传感器必须集于一身，加之有放大器、

补偿电路和信号处理的电路等更要求小型化，必须通过集成化得以实现。

3.2传感器分类

传感器的分类目前尚无统一规定，传感器本身又种类繁多，原理各异，检测对象

五花八门，给分类工作带来一定的困难，通常可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应) ；它们的用途；它们的输出信号

类型以及制作它们的材料和工艺等。

3.2.1传感器根据工作原理分类

根据传感器工作原理分类可分为物理传感器和化学传感器二大类。

1. 物理传感器：

在传感器中，物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应、磁致伸缩现象、离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某些物理效应，把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号的装置。其输出的信号和输入的信号有确定的关系。

主要的物理传感器有：光电式传感器、压电传感器、压阻式传感器、电磁式传感器、热

电式传感器、光导纤维传感器等。

（1）光电式传感器:它基于光电效应的传感器。在受到可见光照射后即产生光电效应，将光

信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、

干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重

要敏感器件。光电测量时不与被测对象直接接触，属于非接触式测量。光束的质量又

近似为零, 在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。因此在许多应用场合，

光电式传感器比其他传感器有明显的优越性。其缺点是在某些应用方面，光学器件和

电子器件价格较贵，并且对测量 的环境条件要求较高。

基于外光电效应的光电敏感器件有光电管和光电倍增管。基于光电导效应的有光

敏电阻。基于势垒效应的有光电二极管和光电三极管。基于侧向光电效应的有反转光敏二极管。光电式传感器还可按信号形式分为：

①拟式光电传感器；

②数字式光电传感器（转速传感器、光栅式传感器、数字式传感器）。光电式传感器还有光纤传感器、固体图像传感器等。

（2）压电传感器：它是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效

应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。压电材料 它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。

（3）阻式传感器：它是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶

硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。

（4）电磁式传感器：它将被测量在导体中感生的磁通量变化，转换成输出信号变化的传感

器。

（5）热电式传感器：它是将温度变化转换为电量变化的装置。它是利用某些材料或元件的

性能随温度变化的特性来进行测量的。例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。把温度变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶；把温度变化转换为电阻值的热电式传感器称为热电阻。

（6）光导纤维传感器（简称光线传感器）：它是20世纪七十年代迅速发展起来的一种新型

传感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。 光纤传感器较传统的传感器相比有许多持点：灵敏度高；结构简单；体积小；耗

电量少；耐腐蚀；绝缘性好；光路可弯曲；便于实现远调。

光纤传感器技术是一门多学科性科学，它涉及知识面广泛，如纤维光学、光电技

术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型计算机应用等。

从传感器的机理上来说，光纤传感器可分为：振幅型（强度型）和相位型（干涉型）两种。

①振幅型传感器：

原理：待测的物理扰动与光纤连接的光纤敏感元件相互作用，直接调制光强。 优点：这类传感器的优点是结构简单、具有与光纤技术的相容性，信号检测也比较

容易，但是灵敏度较低。

②相位型传感器：

原理：在一段单模光纤中传输的相干光，因待测物理场的作用，产生了相位调制。 优点：理论上，相位型传感器的灵敏度要比现有的传感器高出几个数量级，并可通

过改变光纤上的涂层来改变其传感的物理量。

缺点：结构复杂，检测也需要复杂的手段。另外需要研制对某种物理量敏感的特种

光纤。

2. 化学传感器：

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量

的微小变化也将转换成电信号。 化学传感器是对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。对比于人的感觉器官，化学传感器大体对应于人的嗅觉和味觉器官。但并不是单纯的人器官的模拟，还能感受人的器官不能感受的某些物质，如H 2、CO 。化学传感器必须具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能（接受器功能）和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换器功能）。

（1）按传感方式，化学传感器可分为接触式与非接触式化学传感器。

化学传感器的结构形式有两种：

一种是分离型传感器。如离子传感器，液膜或固体膜具有接受器功能，膜完成电

信号的 转换功能，接受和转换部位是分离的，有利于对每种功能分别进行优化；是利用离子选择电极，将感受的离子量转换成可用输出信号的传感器。离子传感器的作用：离子传感器用于测量水溶液样本中选定离子的浓度。离子传感器用于测量水溶液样本中选定离子的浓度。可测量的离子包括：硝酸盐离子 (NO3) 、氯离子 (Cl)、钙离子 (Ca) 以及铵离子 (NH4) 。离子传感器是离子识别。即利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性地结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电流的改变。离子选择性电极(ISE)是常见的离子传感器。

离子传感器技术的进步取决于敏感膜与换能器，因此离子传感器的分类通常是根据敏感膜的种类和换能器的类型来划分：

①据敏感膜的种类划分：玻璃膜式离子传感器、液态膜式高于传感器、固态膜式 离子传感器、以离子传感器为基本体的隔膜式传感器。

②根据换能器的类型划分：电极型离子传感器、场效应晶体管型离子传感器、光导传感型离子传感器、声表面波型离子传感器。

另一种是组装一体化传感器。如半导体气体传感器，分子俘获功能与电流转换功

能在同一部位进行，有利于化学传感器的微型化。

（2）按检测对象，化学传感器分为：气体传感器、湿度传感器、离子传感器和生物传感器。

气体传感器的传感元件多为氧化物半导体，有时在其中加入微量贵金属作增敏剂，增加对气体的活化作用。对于电子给予性的还原性气体如氢、一氧化碳、烃等，用N 型半导体，对接受电子性的氧化性气体如氧，用P 型半导体。将半导体以膜状固定于绝缘基片或多孔烧结体上做成传感元件。

①气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。

气体传感器又分为：半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、晶体振荡式气体传感器和电化学式气体传感器。

②湿度传感器能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号，是测定气氛中水气含量的传感器，又分为电解质式、高分子式、陶瓷式和半导体式湿度传感器。

③离子传感器是对离子具有选择响应的离子选择性电极。它基于对离子选择性响应的膜产生的膜电位。离子传感器的感应膜有玻璃膜、溶有活性物质的液体膜及高分子膜，使用较多是聚氯乙烯膜（见离子选择性电极）。

④生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。生物传感器的优点是对生物物质具有分子结构的选择功能。生物传感器主要有下面三种分类命名方式：

Ⅰ．根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器，微生物传感

器，细胞传感器，组织传感器和免疫传感器。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。

Ⅱ．根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极，传感器，半导体生物传感器，光生物传感器，热生物传感器，压电晶体生物传感器等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。

Ⅲ．以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲合型生物传感器。 三种分类方法之间实际互相交叉使用。

化学传感器在矿产资源的探测、气象观测和遥测、工业自动化、医学上远距离诊断和实时监测、农业上生鲜保存和鱼群探测、防盗、安全报警和节能等各方面都有重要的应用。

有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

3.2.2传感器按照用途分类

传感器按其所在的应用领域和用途可分为：压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器、24GHz 雷达传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。

1．力敏和压力敏传感器：

力敏和压力敏传感器是支撑工业过程自动化的四大传感器之一。它应用广泛、影响面宽，不仅可以测量力和压力，还可以测量负荷、加速度、扭矩等其他物理量。现代利用半导体材料的压阻效应和弹性与集成电路工艺，研制出了半导体力敏和压力敏传感器，使这类传感器有了长足进步，而且半导体压力传感器正向集成化和智能化方向发展。下面以电阻应变计为例简要介绍一种力敏和压力敏传感器。

金属应变计是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感器。其原理是利用金属导体受外力作用时发生机械形变，导致其阻值大小发生变化的现象，这称为金属的电阻应变效应。金属导线的电阻表示为

l R =ρ （3-18） s

式中ρ为导线的电阻率; l 为电阻的长度；s 为导线截面的面积。当其受外力F 拉伸时，l 增加，s 减小使得R 值增加，反之亦然。

图7为金属应变片的典型结构。主要由四个部分组成：一是金属电阻丝，它是应变片的转换元件；二是基底和覆盖层，基底是将应变传递到敏感栅的中间介质并起到电阻丝与试件之间的绝缘作用，覆盖层起着保护敏感栅的作用；三是粘结剂，它将电阻丝与基底粘贴在一起；四是引出线，作为连接测量的导线。

覆盖层

图7 电阻应变片的典型结构

图7中应变片就是回线式应变片，它是将电阻丝绕制成栅粘在绝缘基片上制成。其特

点是制作简单，性能稳定，价格便宜。

2．位置传感器：

目前在应用中，位置传感器分为两种。一种传感器通过磁性开关来检测气动活塞的位置，

并输出二进制信号。另一种是用于机器人系统的高度精密定位传感器，它能够进行一个或多

个轴的控制，并对高速的位置信号有很强的处理能力。下面介绍以霍尔元件为基础的一种位

置传感器。

霍尔位置传感器是一种检测物体位置的磁场传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可

在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔位置传感器以霍尔效应原理为其工作基础。霍尔位置

传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频

率高（可达1MHZ ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

其原理可简述如下，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B ，在薄

片的横向两侧会出现一个电压U H ，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在1879

年发现的。U H 称为霍尔电势。

N

S

图8霍尔位置传感器结构示意图

如图8，在磁场强度相同而极性相反的两个磁铁气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控

制电流I 恒定不变时，霍尔电势U H 与磁感应强度B 成正比。若磁场在一定范围内沿x 方向

变化梯度dB/dx为一常数，则当霍尔元件沿x 方向移动时，U H 的变化为

dU H dB =R H •I •=K （3-19） dx dx

式中K 为位置传感器输出灵敏度。

将（3-19）式积分后得

U H =KX (3-20)

上式说明霍尔电势U H 与位移量成线性关系，其极性反映了元件位移的方向。磁场梯度

越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。

3. 液面传感器：

将存于各种容器内的液体表面称为液面，在生产实践中，常常需要对液面的高度进行监

控，这就需要液面传感器来实现。液面传感器分为两类：一类为接触式，包括单法兰静压/

双法兰差压液面传感器，浮球式液面传感器，磁性液面传感器，投入式液面传感器，电动内

浮球液面传感器，电动浮筒液面传感器，电容式液面传感器，磁致伸缩液面传感器，侍服液

面传感器等。第二类为非接触式，分为超声波液面传感器，雷达液面传感器等。下面以超声

波液面传感器。

超声波液面传感器利用声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由

声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。 由于采用非接触的测量，

被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。

图9 超声波液面传感器示意图

其原理如图9，超声波由超声波发生器发出，经历t 时间后返回，容器高度为L ，则液

面高度D 可表示为 D =L —c t （3-21） 2

式中c 为超声波的速度。

4. 速度传感器加速度传感器：

速度传感器是能感受被测速度并转换成可用输出信号的传感器，包括线速度和角速度，

与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器，我们都统称为速度传感器。而加速度传感

器就是能够检测物体的加速度并转换成输出信号的传感器，加速度传感器有电容式、压阻式、

压电式等形式。

电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而

改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度

传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；

但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传

感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实

际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且

成本也比压电式加速度传感器高得多。

压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与

加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电

式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力

自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压

电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计

和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致

性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率

的信号。

应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动态模型

仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵

活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，到

直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率

范围也可从直流信号到具有刚度高，测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设

计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵

活性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加

速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大，实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价

格方面，大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力，但对特殊使用的敏感芯

体制造成本将远高于压电型加速度传感器。

5. 射线辐射传感器：

射线辐射传感器是用来检测X 射线、红外线、紫外线、电磁辐射、核辐射等的传感器，

可以将射线和辐射的各种参数转换为输出信号。比如红外辐射传感器，红外辐射技术是近年

来发展起来的一门新兴技术学科。它在各个领域中，特别是在科学研究、军事工程和医学方

面起着极其重要的作用。如红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。红外辐射技术的重要工

具就是红外辐射传感器，它是遥感技术、空间科学的敏感部件。能将红外辐射量的变化转换

为电量变化的装置称为红外传感器或叫红外探测器。

6. 热敏传感器：

热敏传感器是利用导体或半导体的电阻率ρ随温度而变化这一物理现象来测量温度的

传感器。如今又出现了基于半导体PN 结的电流电压与温度有关的特性的热敏传感器。这类

传感器具有输出线性好、测量精度高等特点, 传感驱动电路、信号处理电路等都与温度传感

部分集成在一起, 因而封装后的组件体积非常小, 使用方便, 价格便宜, 故在测温技术中越来

越得到广泛应用。

7. 振动传感器：

振动传感器是指能感受机械运动振动的参量(振动速度、频率，加速度等) 并转换成可用

输出信号的传感器。振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要

测的机械量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变

换的机械量，最后由机电变换部分再将变换为电量。因此一个传感器的工作性能是由机械接

收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。

由于传感器内部机电变换原理的不同，输出的电量也各不相同。有的是将机械量的变化

变换为电动势、电荷的变化，有的是将机械振动量的变化变换为电阻、电感等电参量的变化。

一般说来，这些电量并不能直接被后续的显示、记录、分析仪器所接受。因此针对不同机电

变换原理的传感器，必须附以专配的测量线路。测量线路的作用是将传感器的输出电量最后

变为后续显示、分析仪器所能接受的一般电压信号。

一般来说，振动传感器在机械接收原理方面，只有相对式、惯性式两种，但在机电变换

方面，由于变换方法和性质不同，其种类繁多，应用范围也极其广泛。在现代振动测量中所

用的传感器，已不是传统概念上独立的机械测量装置，它仅是整个测量系统中的一个环节，

且与后续的电子线路紧密相关。因此，振动传感器按其功能可有以下几种分类方法：

按机械接收原理分：相对式、惯性式；

按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式；

按所测机械量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振 传感器、扭矩传感器。

以上三种分类法中的传感器是相容的。

8. 湿敏传感器：

湿度及对湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着

极其重要的作用，这就需要有对湿度进行测量和监测的湿敏传感器。

对湿度有反应的材料非常多且原理各不相同，按照原理分类就非常繁多，通常湿敏传感

器是按照结构分类的，可分为电阻式、电容式和其它方式三大类，下面简要介绍电阻式湿敏

传感器。

它是利用电导率与湿度的关系制成电阻型湿度传感器，其中多孔陶瓷材料的种类最多。

高分子电阻型湿敏传感器的主要材料为高分子固体电解质材料，如高氯酸锂-聚氯化乙烯

Nafion 膜、四乙基硅烷的等离子共聚膜等等，具有感湿灵敏度高，线性度好，响应时间短，

制作工艺简单，成本低等优点。

9. 磁敏传感器：

磁敏传感器是一种将磁学量信号转换成电信号的器件或装置。今年来，磁敏传感器的应

用日益扩大，地位越来越重要，按其结构主要分为体型和结型两大类。前者的代表有霍尔传

感器，体型的霍尔传感器，其主要材料InSb(锑化铟) 、InAs （砷化铟）、Ge （锗）、Si 、GaAs

等和磁敏电阻InSb 、InAs 。后者的代表有磁敏二极管、磁敏晶体管等，他们都是利用半导

体材料内部的载流子随磁场改变运动方向这一特性制成的一种磁传感器，应用范围可分为模

拟用途和数字用途。另外还有利用电磁感应原理制备的电式传感器。

10. 气敏传感器：

用于检测气体气氛的传感器是气敏传感器。对于不同气体的检测有不同的方法，目前主

要的方法有：利用半导体气体器件检测的电气法；使用电极和电解液对气体进行检测的化学

法；利用气体对光折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。利用这些检测方法的物理效

应、化学效应等机理研制出了很多气体传感器，从构成气体传感器材料的形态上通常将它们

划分为干式和湿式两大类，凡利用固体感测气体的均为干式气体传感器，利用水溶液或电解

质与电极感知气体的均为湿式气体传感器。

11. 真空传感器：

真空传感器是能感受真空度并能转换成可用输出信号的传感器。其工作原理是介质的压

力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发

生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。

12. 生物传感器：

生物传感器是用生物物质(如酶、蛋白质、DNA 、抗体、抗原、生物膜、微生物、细胞等)

作为识别元件，将生化反应转变成可定量的物理、化学信号，从而能够进行生命物质和化学

物质检测和监控的传感器。

生物传感器对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生

物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）

与适当的理化换能 结构器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装

置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。 对生物物质敏感并将

其浓度转换为电信号进行检测的仪器。生物传感器具有接受器与转换器的功能。

除此之外还有用于监测能耗的能耗传感器和用于检测雷达波的雷达传感器，在这里不做

详细介绍。

3.2.3传感器按照其输出信号为标准分类

传感器按其输出信号的标准可分为：模拟传感器、数字传感器、膺数字传感器、开关传

感器。

1. 模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。模拟量传感器发出的是连续信号，

用电压、电流、电阻等表示被测参数的大小。比如温度传感器、压力传感器等都是常见的模

拟量传感器 。在控制系统中，一个常见的术语就是模拟量和开关量。 不论输入还是输出，

一个参数要么是模拟量，要么是开关量。

模拟量----控制系统量的大小是一个在一定范围内变化的连续数值，比如温度，从0-100

度，压力从0-10MPA ，从1-5米，电动阀门的开度从0-100%，等等，这些量都是模拟量。

开关量----该物理量只有两种状态，如开关的导通和断开的状态，继电器的闭合和打开，

电磁阀的通和断，等等。

对控制系统来说，由于CPU 是二进制的，数据的每位有“0”和“1”两种状态，因此，

开关量只要用CPU 内部的一位即可表示，比如，用“0”表示开，用“1”表示关。而模拟

量则根据精度，通常需要8位到16为才能表示一个模拟量。

最常见的模拟量是12位的，即精度为2-12，最高精度约为万分之二点五。当然，在实

际的控制系统中，模拟量的精度还要受模拟/数字转换器和仪表的精度限制，通常不可能达

到这么高。

2. 数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换) 。数字传

感器是指将传统的模拟式传感器经过加装或改造A/D转换模块，使之输出信号为数字量(或

数字编码) 的传感器，主要包括：放大器、A/D转换器、微处理器（CPU ）、存储器、通讯接

口电路等。

在微处理器和传感器变得越来越便宜的今天，全自动或半自动（通过人工指令进行高层

次操作，自动处理低层次操作）系统可以包含更多智能性功能，能从其环境中获得并处理更

多不同的参数。尤其是MEMS （微型机电系统）技术，它使数字传感器的体积非常微小并且

能耗与成本也很低。

3. 膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间

接转换) 。膺数字信号传感器就是有点接近于数字信号的传感器，说概括一点的话，其实现

在的接近开关，光电开关等都是，因为其都可以将信号以脉冲的方式提供给控制器，也就是

可以作为数字式的型号来用。

膺数字信号传感器的代表就有旋转编码器，如增量型旋转编码器，旋转一圈输出固定的

脉冲数，如1000脉冲的，则转1圈输出1000脉冲，通过这个功能，可以进行测量长度，

速度等。

4. 开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定

的低电平或高电平信号。如接近开关它就是利用电磁感应原理来工作的，与金属物体接触时，

磁场作用让电路起振。开关管接通（或关断），接近开关只工作在0、1两种状态；电感式接

近开关由于其具有体积小，重复定位精度高，使用寿命长，抗干扰性能好，可靠性高，防尘，

防油，乃振动等特点，被广泛用于各种自动化生产线，机电一体化设备及石油、化工、军工、

科研等多种行业。

3.2.4传感器按照其材料为标准分类

在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的

那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏

感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：

1. 按照其所用材料的类别分：金属聚合物传感器，陶瓷混合物传感器。

金属聚合物传感器如导电聚合物生物传感器，它主要是用导电聚合物为载体或包覆材

料固定生物活性成分（酶、抗原、抗体、微生物等），并以此作为敏感元件，再与适当

的信号转换和检测装置结合而成的器件。导电聚合物材料的出现为传感器的设计制作引

发了新的思路，特别是在生物传感器和气体传感器方面具有广阔的应用前景。开发和利

用导电聚合物的优异特性并使之实用化是导电聚合物传感器今后的研究主流。

2. 按材料的物理性质分：导体、绝缘体、半导体、磁性材料 。

3. 按材料的晶体结构分：单晶、多晶、非晶材料。

与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：

①在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际

使用。

②探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。

③在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具 体

实施。

现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传

感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。

3.2.5传感器按照其制造工艺分类

传感器按照其制造工艺可分为：集成传感器 ，薄膜传感器， 厚膜传感器 ，陶瓷传感

器等。

1. 集成传感器：它是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初

步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

2. 薄膜传感器：它是通过沉积在介质衬底(基板) 上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混

合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

由于自动化的蓬勃发展和现代数字电路对操作进行控制的容量增加, 各种传感器在电

子设备中变得愈来愈重要了。虽然厚膜传感器至今还没有大规模应用, 但是在不久的将来,

厚膜传感器一定能满足对敏感器的较大量的需要。

3. 陶瓷传感器：它是采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等) 生产。陶瓷

是一种包含三种物相（单晶相、玻璃相、气相）的多相系统。陶瓷传感器采用标准的陶瓷

工艺或其某种变种工艺（溶胶-凝胶等）生产，完成适当的预备性操作之后，已成形的元

件在高温中进行烧结。其工作过程主要是作用在陶瓷基片和测量膜片上的差压引起电容极

板间电容值的变化并由位于陶瓷基片上的电极进行检测。

如陶瓷压力传感器它的抗腐蚀没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，

使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥) ，

由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正

比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以

和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传

感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

3.2.6传感器根据测量目的不同分类

根据传感器测量目的是不同可分为：物理型传感器、化学型传感器、生物型传感器

1. 物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的。

2. 化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的。

3. 生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成 分的传感器。

3.3物联网中的传感器

3.3.1传感器和物联网

传感器技术作为现代科技的前沿技术，同计算机技术与通信技术组成现代信息技术的三

大基础，也为当代物联网的发展铺平了道路。传感器更是物联网在工业领域应用的关键。

根据GB ／T7665—2005“传感器通用术语”国家标准，传感器的定义为：能感受规定的

被测量，并按照一定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。

敏感元件指传感器中能直接感受(或响应) 被测量的有源或无源元件。按被测量可分为力敏、

热敏、光敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏、射线敏、生物敏、光纤敏等大类。

传感器节点。传感器节点通常有三部分组成：传统意义上的传感器、微处理器、网络接

口。根据不同要求，这二部分可采用不同芯片的组合，也可以是单片式的。首先由传感器将

被测物理量转换为电信号，通过A ／D 转化为数字信号，经微处理器数据处理(滤波、校准)

后，由网络接口模块完成与网络的数据交换。

智能传感器(intelligent sensor ，smart sensor) 这一慨念是由国外引进的，通常定义

为：带有微处理器，具有信息处理功能的传感器。这里的“处理功能”主要包括：自检测、

自修正、自保护功能。如自动采集数据、自检验、自处理、自动存贮和记忆；自校零、白校

正、自标定、自补偿、自寻故障、自修正、判断、决策、思维功能；能根据输入信息进行判

断和制定决策、通过软件控制作出多种决定；双向通信、标准化数字输出或符号输出功能。

物联网(the internet of things) 尚无统一定义，根据有关资料，比较能接受的定义是：

通过信息传感设备(器) ，按照约定的协议，把任何物品与网络连接，实现信息的智能化管理

与监控的一种网络。

物联网的特征是，连网中的每一物品均可寻址、可控制、可通信。

物联网的核心基础仍是互联网，是互联网的延伸和拓展。互联网是全球性的，物联网往

往是行业性的或区域性的。有人认为与其说物联网是网络，不如说物联网是业务或应用。

物联网的支撑技术主要包括：传感技术(传感器技术、RFID 技术、感知／识别技术) 、计算 机技术(云计算) 、通信技术(低功耗高带宽无线通信技术、移动通信技术) 、网络技术(无 线数传网络、WSN 技术) 、电源技术等。

3.3.2物联网对传感器的特性要求

为了满足物联网大规模、低成本、无人值守、环境复杂、电池供电等外界环境条件，智能传感器需满足以下条件：

微型化：物联网的特点要求传感器微型化。要求传感器的特征尺为µm级或nm 级，重量g 或mg 级，体积为mm 级。为此传感器必须采取先进的设计理念，最佳的工艺路线，最优的封装技术，新的敏感材料等手段。

低成本：低成本是物联网大规模应用的前提。在传感器设计时采用低成本设计方法，提高传感器成品率，突破产业化生产技术，实现产业化生产。

低功耗：因物联网是靠电池长期供电，为节约能源，传感器必须采用低功耗供电。采用低功耗设计原则，在技术上采用太阳能、光能、生物能作位传感器电源。

抗干扰：能抗电磁辐射、雷电、强磁场、高湿、障碍物等恶劣环境。

灵活性：传惑器节点在物联网中应用时，节点通过一系列的软硬件标准，能实现面向应用的灵活编程要求。

传感器是物联网的重要组成之一。传感器是物联网系统组成中不可或缺的、重要的关键组成部分。

传感器的性能决定物联网性能。传感器是物联网中获得信息的唯一手段和途径。传感器采集信息的准确、可靠、实时将直接影响到控制节点对信息的处理与传输。传感器的特性、可靠性，安时性、抗干扰性等性能。对物联网应用系统的性能起到举足轻重的作用。 传感器升级提升了网络升级。传感器技术的升级换代将提升网络的升级换代。

当信息采集用第一代模拟传感器时，产生第一代传感器网络；当信息采集仍用第一代模拟传感器．控制站之间采用数字通信，产生第二代传感器网络；当信息采集采用第二代数字传感器或第三代智能传感器时，控制和通信采用全数字化技术，则产生第三代传感器网络；当信息采集采用第四代网络化智能传感器时．则产生物联网。 3

3.3.3传感器技术发展阶段及智能传感器演变过程

传感器技术发展大致分三个阶段。

第一阶段：结构型传感器。20世纪70年代之前，这类传感器是利用物理学中的某些定 律构成的，传感器特性与它的结构材料没有多大关联，主要利用材料结构参数的变化来转换 或感受信号。如用金属膜片制成的压力传感器，利用物理学中的胡克定律，利用金属膜片结 构参数t 一片厚、h 一波高、r 半径等变化检测压力。

第二阶段：物性型传感器。20世纪70年代之后至21世纪初，这类传感器是利用物质 法则构成的，主要利用材料的物性参数的变化来转换或感受信号。如利用硅材料的压阻效应， 制作扩散硅压力传感器；利用硅的霍尔效应，制作硅霍尔磁敏器件；利用硅材的光敏特性， 制作硅光敏器„„。在这一阶段传感器技术得到了蓬勃发展，促进了传感器的广泛应用，也 推动了传感器上下游行业的技术进步。

第三阶段：智能型传感器。这类传感器正在发展过程中，它是利用材料制备工艺的进步， 与计算机技术和通信技术相结合，具有信息处理功能的传感器。物联网需用的传感器正是第

四代智能网络化传感器。

智能传感器演变过程：

80年代，将信号处理电路(滤波、放大、调零) 与传感器设计在一起，输出4～20mA 电流或1～5V 电压的模拟量输出，我们称之为“第一代”一“模拟传感器”。

80年代末到90年代中后期，将单片微处理器嵌入传感器中，实现温补、修正、校准， 同时由A ／D 变换器将模拟信号转换为数字信号。这种类型的传感器不但有硬件，还可通过软 件对信号进行简单处理，输出为数字信号。我们称之为“第二代”一“数字传感器”。

“现场总线”概念提出后，对传感器的设计提出了新要求，要求实现全数字、开放式的 双向通信，测量和控制信息的交换在底层上主要是通过现场总线来完成，数据交换主要是通 过]ntranet等网络来实现，传感器设计上软件占主要地位，通过软件将传感器内部各个敏 感单元或与外部的智能传感器单元联系在一起。我们称之为“第三代”一“智能传感器”。 进入21世纪后，由于MEMS 技术、低能耗的模拟和数字电路技术、低能耗的无线射频(RF) 技术、传感器技术的发展，使得开发小体积、低成本、低功耗的微传感器成为可能。这种微 传感器一般装备有：一个用于感知外界环境物理量的敏感元件(如压力、温度、湿度、光、 声、磁等) ，

一个用于处理敏感元件采集信息的计算模块，一个用于通信的无线电收发模块，一个为 微传感器的各种操作提供能量的电源模块。我们称之为“第四代”一“智能网络化传感器”。

3.3.4传感器产业特点

传感器产业特点是：

基础面广，依附性强。传感技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺技术、工艺装 备、检测技术等。敏感机理千差万别，敏感材料多种多样，工艺技术层出不穷，工艺装备各 有千秋，检测技术大相径庭。没有上述五块基石支持，传感技术发展难以为继。

技术密集，攻关难度大。传感技术是多学科、多技术的综合，特别是智能传感器，除涉 及传感本身技术外(如MEMS 技术) ，还涉及IC 技术、计算机技术、无线通信技术等，在制 备智能传感器过程，必须考虑这些技术的相融性、多样性、综合性和边缘性。某些关键技术 的解决涉及数学、力学、材料学、工艺学、电子学、信息学、控制论等多种学科。 产品规格多，形成规模难。传感器有3大系列，12大类，60小类，20000多种规格， 做几个传感器样品容易，但要形成规模难，获得经济效益就更难，这里除市场问题外，关键 从样品到产品到商品有产业化市场、产业化技术，产业化装备，产业化投资等一系列问题。 产业分割，应用分散。国内传感器产业分属各个部门，有电子系统、机械系统、国防系 统、高校、中科院、地方部门等，很难集中优势，形成合力，甚至形成利益壁垒。传感器技 术基本属丁应用技术，主要靠应用来拉动，而应用又分属各个行业，如白控、石化、炼油、 发电等行业，因此用拉动GDP 的增长来衡量时，传感器在国民经济中的地位很难显现，。 投资密集，投资强度高。传感器在产品研发过程中需资金投入外，更主要在_T艺装备和 测试设备方面的投资，对工艺线的厂房要求也很高，造价昂贵，特别是在实现传感器产业化 规模生产时，其投资强度往往是产品研发强度的10—50倍，甚至100倍。

市场全球化，竞争激烈。在国内，中、高档传感器市场儿乎均被国外控制，国外某些著 名公司几乎都在国内设立生产企业和销售代理，国内企业在销售、成本方面的优势日趋下降， 随着国外公司销售渠道的建立和产品价格下降，中、低档传感器产品市场被国外企业控制趋 势日益明显。国内传感器市场开发越广，对国外传感器的依存度越高，中国在物联网发展、 应用过程中，必须牢牢把握发展有自主知识产权的，有中国特色的中、高档传感器。

3.3.5传感器行业国内外状况

国外状况：

全球传感器品种、规格、门类繁多，据不完全统计有3大系列，12大类，60小类，6000 余品种，20000余种规格。全球大约有40个国家，5000余家从事传感器的研发和生产。2008 年全球传感器总销售额超过500亿美元，2010年将增至600美元以上，从2005年到2008 年，世界传感器市场的年增长率略有下降，为4．9％。世界非军用传感器市场，1998年为 325美元，从1998至2008平均增长率为9％。

近年来，国外硅基压力传感器产品正逐步向高精度、高稳定性、高可靠性、网络化、智 能化、集成化方向发展；其主流技术是微机械和微电子相结合的MEMS 工艺、新材料应用技 术、高精度补偿技术和高可靠性设计技术；发展方向是小型化、智能化、网络化。国外典型 代表产品包括：

①精密微机电体加工工艺的高精度硅电容差压传感器及变送器：日本富士公司(FUJl)： ②微机电加工工艺的硅谐振式压力传感器及变送器：日本横河电机公司(YOKOGAWA)； ③精密机械加工工艺的金属电容差压传感器及变送器：美国埃默生过程管理公司(AME) 所属罗斯蒙特公司(Rosemount)。

④微机电加工工艺的扩散硅压阻式压力传感器及变送器：美国通用公司(GE)所属德鲁 克(DERUK)公司；美国精良公司(MEAS)；德国西门子公司(SIEMENS)；德国恩德斯豪斯公 司(E+H)；瑞士凯乐公司(KELLER)。

国内状况：

我国传感技术的发展始于50年代初，70年代研制生产了一批新型敏感元件和传感器， 80年代“敏感元件和传感器”列入国家攻关计划，87年国家科委制定了《传感器技术发展 政策》自皮书，90年代国家实施“八五、九五传感技术研究”国家科技攻关计划，十五重 点为传感器产业化技术研究，十一五对某些产品入选国家科委863计划。2009年，中国传 感器市场总规模为327亿人民币，市场容量约29亿只，2005～2009销售增幅为39％。

3.3.6传感技术发展趋势

系统化：不把传感器或传感技术作为一种单独器件或技术考虑，而是按照信息论和系统论要求，应用工程研究方法，强调传感器和传感技术发展的系统性和协同性。将传感器置于信息识别和处理技术的一个重要组成部分，将传感技术与计算机技术、通信技术协同发展。必须系统地考虑传感技术、计算技术、通信技术之间的独立性、相融性、依存性。而物联网中所用的智能网络化传感器正是这种发展趋势的重要标志之一。

创新化：主要包括利用新原理、新效应、新技术。工程应用和科技发展迫切需要的各种新型传感器和传感技术系统。如利用纳米技术，制作纳米传感器，与传统传感器相比，尺寸减小、精度提高、性能大大改善，为传感器的制作提供了许多新方法。利用纳米技术制作的传感器，是站在原子尺度上，极大地丰富了传感器理论，提高了传感器制作水平，拓宽了传感器应朋领域。利用餐子效应研制具有敏感某种被测量的量子传感器，像共振隧道二极管、量子阱激光器、餐子干涉部件等，具有高速(比电子敏感器件快1000倍) 、低耗(能耗比电子敏感器件低1000倍) 、高效、高集成度、高效益等优点。如美国科学家找到一种特殊溶液，使膜蛋白结构在该溶液长期维持稳定，从而成功地找到了大规模制造嗅觉传感器的新方法。 利用新材料开发新型传感器。如利用纳米材料，制作的Pd 纳米H 传感器、金纳米聚合 物传感器、碳纳米聚合物传感器、电阻应变式纳米压力传感器，利用纳米材料的巨磁阻效应， 2

科学家们己经研制出各种纳米磁敏传感器。日本科学家研制出能快速识别流感病毒的纳米传 感器。俄罗斯科学家用普通蘑菇作材料，研制出专门用于探测空气中有毒成份一酚的高灵敏 度传感器。

研发独种用途、特种环境、特殊工艺的传感器。如在高温、高压、耐腐蚀、强辐射等环 环境下的传感器。Epson Toyocom公司研制出的精度为±lOPa ，分辨率为0．1Pa 的高性能小 型水晶绝对压力传感器，其体积为12．5ml 、重量为15g 。

制备工艺创新。如MEMS ／NEMS 制备工艺的多样性，硅体加工工艺、表面牺牲层工艺、低 温低应力键合工艺、深刻蚀Liga 工艺、MEMS ／NEMS 封装工艺、MEMS ／NEMS 与IC 融合工艺。 工艺创新会给传感器研发带来新的生命和活力。

微型化：自动化领域和工业应用之需要，要求传感器本身的体积越小越好。传感器的微型性是指敏感无件的特征尺寸为m m →μm →nm 类传感器。这类传感器具有尺寸上的微型性和性能上的优越性，要素上的集成性和用途上的多样性，功能上的系统性和结构上的复合性。传感器的微型性决不仅仅是特征尺寸的缩微或减小，而是一种有新机理、新结构、新作用和新功能的高科技微型系统。其制备工艺涉及MEMS 技术、IC 技术、激光技术、精密超细加工技术等。如美国国家实验室，研制出能检测5．5毫微微克物质的硅微机械传感器，敏感单元是只有2u m 长、50nm 厚的硅悬臂梁。日本东京大学，研制成功可安装在蜻蜒等昆重翅膀上分析翅膀动作的微型风速传感器，每个传感器尺寸为1．5mm* 3．Omm ，采用长0．5mm 、厚1 u m的悬臂梁压电结构。ACMI R&D实验室研制出全球最小的CMOS 数字影像传感器，尺寸只有1mm 。

集成化：指进行硬件和软件两方面的集成。包括单传感器集成，如单传感器阵列集成；多传感器集成，将多个功能相同、相近、或不同的敏感元件集成为一维或二维传感器，即在同一芯片上，集成不同敏感元件，检测不同性质参数，实现敏感元件的多功能化：传感系统硬件集成，将敏感元件与调理电路、补偿电路集成在同一芯片上，使传感器由一单信号检测功能扩展到兼有检测、放大、运算、补偿功能；传感系统硬软件集成，将敏感元件、微处理器、通信模块集成在同一芯片上，使传感器具有智能功能。

智能化：智能传感器（intelligent sensor ）是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，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由多个传感器集合而成，采集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，而且成本低；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”。

关于智能传感器的中、英文称谓，目前也尚未统一。John Brignell和Nell White认为“Intelligent Sensor ”是英国人对智能传感器的称谓， 而“Smart Sensor ” 是美国人对智能传感器的俗称。 而Johan H.Huijsing 在“Integrated Smart Sensor ”一文中按集成化程度的不同，分别称为“Smart Sensor ”、 “Integrated Smart Sensor ”。 对“Smart Sensor ”的中文译名有译为“灵巧传感器”的， 也有译为“智能传感器”的。《智能传感器系统》书上的定义：“传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器(系统) ”；模糊传感器也是一种智能传感器(系统) ，将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器(系统) 的一种方式。

传感器的智能性是指传感器具有记忆、存储、思维、判断、自诊等人工智能。其输出不

再是单一的模拟信号，而是经过微处理器后的数字信号，甚至具有执行控制功能，技术发展表明：数字信号处理器(DSP)将推动众多新型下一代传感器产品的发展。美国圣何塞的Accenture 实验室，研究出一种叫“智能尘埃”的传感器。该传感器极其微小，能测温度、湿度、光等参数，该传感器中嵌入了微处理器、软件代码、和无线通信系统，可以喷洒到树上或其他物体上，当检测到异常时，能发出信号，对所在地区进行监测。Honeywell 推出的LGl237是一种智能型绝压传感器，测量范围0．5～1000Pa ，使用寿命25年，使用温度一55～125℃，准确度优于±0．03％／FS 。

无源化：传感器多为非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往用电池或太阳能供电，研制微功耗的无源传感器是必然的发展方向，既节省能源，又能提高系统寿命。德国研制出一种传感器，能把所通过的流体(液体或气体) 的能量自动转换成电力，即该传感器能自行“发电”，产生的电力在微瓦或毫瓦级，能够满足循环运行传感器能源需要。该传感器转换电力的过程在固定容腔里进行，媒介流体通过容腔时，由于附壁效应，流体是贴着管壁流动的，持续流动会产生周期性压力波动，由回馈部件传导到压电导陶瓷，由压电陶瓷最终把流体的能源转换成电力。日本精工仪器推出的最大耗电电流仅6uA 的CMOS 温度传感器。英国Perpetuum 与澳大利亚CAP —XX 开发出了无需电池即可驱动的无线传感器终端，该终端配备有将振动转换为能量的微型发电机和双层电容器，可将安装地点的振动作为能量使用，发电剩余的电力储存在双层电容器中。

产业化：加速形成传感器从研发到产业生产的模式，揭示传感器产业规律。解决产业过程中的技术难点，分析传感器的应用技术和解决路径，正确处理传感器高性能和性能以及价格中的辩证关系，产业化是传感器真正走出象牙塔的关键步骤。

参考文献

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[7]中国汽车工程师之家( http://www.cartech8.com ) .