现代传感技术与应用

第1章传感器概述

1.1传感器的基本概念

1.1.1传感器的定义

1.1.2传感器的组成

1.1.3传感器的分类

1.1.4传感器的发展历程

1.2传感器的特性

1.2.1传感器的静态特性

1.2.2传感器的动态特性

1.3传感器的技术指标及改善途径

1.3.1传感器的技术指标

1.3.2改善传感器性能的途径

1.4微纳传感器及其加工技术

1.4.1微纳传感器

1.4.2微纳加工技术

本章小结

思考题和习题

第2章电阻式传感器

2.1概述

2.2金属应变式传感器

2.2.1金属应变式传感器的工作原理……31

2.2.2金属应变片的结构与特性…

2.2.3金属应变片的电路设计

2.2.4金属应变片的温度误差及补偿……35

2.2.5金属应变式传感器的应用

2.3半导体固态压阻式传感器

2.3.1半导体固态压阻式传感器的工作原理

2.3.2半导体固态压阻式传感器的结构与特性

2.3.3半导体固态压阻式传感器的电路设计

2.3.4半导体固态压阻式传感器的温度误差及补偿

2.3.5半导体固态压阻式传感器的应用

2.4微纳电阻式传感器

2.4.1微纳电阻式传感器的基本结构与工艺

2.4.2微纳电阻式传感器的应用

本章小结

思考题和习题

第3章电感式传感器

3.1概述

3.2自感式传感器

3.2.1自感式传感器的工作原理

3.2.2自感式传感器的分类与特性

3.2.3自感式传感器的电路设计

3.2.4自感式传感器的误差因素

3.2.5自感式传感器的应用……

3.3差动变压器式传感器…

3.3.1差动变压器式传感器的工作原理

3.3.2差动变压器式传感器的电路设计

3.3.3差动变压器式传感器的应用………67

3.4电涡流式传感器

3.4.1电涡流式传感器的工作原理

3.4.2电涡流式传感器的结构与特性……72

3.4.3电涡流式传感器的电路设计………76

3.4.4电涡流式传感器的误差因素………78

3.4.5电涡流式传感器的应用

3.5微纳电感式传感器

本章小结

……

9.3.3超声波传感器的应用

9.4表面声波传感器

9.4.1表面声波传感器的工作原理

9.4.2表面声波传感器的应用

9.5体声波传感器

9.5.1体声波传感器的工作原理

9.5.2体声波传感器的应用

9.6微纳声波传感器

9.6.1微纳声波传感器的结构和工艺 …243

9.6.2微纳声波传感器的应用

本章小结

思考题和习题

第10章智能传感器

10.1概述

10.2智能传感器的工作原理

10. 3智能传感器的功能与特点

10.4智能传感器的组成与实现

10.5智能传感器的应用

10.6智能传感器未来的应用前景

本章小结

思考题和习题

第11章传感器的发展趋势

11.1概述·

11.2传感器的多样化

11.3传感器的集成化

11.4传感器的网络化

11.5传感器的微型化

本章小结

思考题和习题

参考文献

1.1传感器的基本概念

在人类历史的发展过程中，一直伴随着感知、思考、完善自己以及改造世界的进程。传感器是人类感知世间万物的基本工具之一，它是人类五官的升级版，可以使物体“活起来”。不管是在产品生产还是在产品应用过程中，传感器都能通过“感受”相关的数据来控制系统的正常高效运行。

1.1.1传感器的定义

2005年7月29日，我国发布了国家标准《传感器通用术语》（GB/T7665-2005），将传感器(transducer/sensor)定义为能感受被测量并按照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。通俗地讲，传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律转换成电信号或其他所需形式的信号，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。我们可以从以下几个方面来理解传感器的定义。

(1)传感器是测量装置，以测量为最终目的。例如，三峡水利枢纽工程中的发电机组是将机械能转换为电能的装置，它为我国经济发展提供电力能源支撑，但其主要目的不是用于测量，所以发电机组仅作为发电设备时，不能称其为传感器。然而，当利用发电量的大小来测定水流量和流速时，发电机组就具备测量功能，可以将其称为发电机水流检测传感器。

(2)传感器的输入量是某种被测量，这个被测量指的是非电量，可能是物理量(如位移、压力、加速度等），可能是化学量（如物质的量、酸碱度、浓度等），也可能是生物量(如生物电、细胞分泌物等）或者其他非电量。

(3）传感器的输出量是某种可用信号，这种信号要便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电、磁等信号。在微电子技术迅猛发展的时代背景下，电信号是最易于处理和便于传输的信号，如电压、电流、电阻、电容、电感、频率等，所以也常将传感技术称为“非电量电测技术”。

(4）传感器输入与输出量之间的转换必须遵循客观规律，同时两者之间应有确定的对应关系和一定的精确程度。传感器具有能量信息的转换功能是因为其工作机理是基于各种物理、化学和生物效应（如热辐射现象、光电效应、霍尔效应、多普勒效应），并受相应的定律（如法拉第电磁感应定律等）和法则所支配的。就本书所述的范围，传感器的工作机理所依据的基本定律概括起来主要有以下四种类型。

①守恒定律：包括能量、动量和电荷量等物理量的守恒定律。

②统计法则：把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。这些法则常常与传感器的工作状态有关，是分析某些传感器的理论基础。

③场的定律：包括动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，一般由物理方程式给出，这些方程式可作为许多传感器工作的数学模型，例如利用静电场定律制成的电容式传感器，利用电磁场的感应定律制成的电感式传感器等。

④物质定律：表示各种物质本身内在性质的定律，例如胡克定律、欧姆定律等。这些定律通常以该物质所固有的物理常数加以描述，这些常数的大小决定了传感器的主要性能。例如，利用半导体物质法则（包括压阻、热阻、光阻、湿阻等效应）可分别制成压敏、热敏、光敏、湿敏传感器，利用压电晶体物质法则(压电效应）可制成压电式传感器。

1.1.2传感器的组成

根据传感器的定义可知，传感器的基本组成包括敏感元件和转换元件两个部分，它们分别完成检测和转换两个基本功能。然而仅由敏感元件和转换元件所组成的传感器通常输出信号较弱，往往还需要转换电路将输出信号放大并转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。因此，传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三个部分组成。

(1）敏感元件(sensing element)：传感器中能直接感受或响应被测量的部分。敏感元件可以按输入的物理量来命名，如热敏、光敏、压敏、磁敏、气敏、湿敏元件等。图1-1所示为某一测力传感器的结构示意图，弹簧一端固定，另一端与电位器的电刷相连，电位器接入电路。这里的弹簧就是敏感元件，当作用在砝码上的被测力F发生变化时，弹簧被压缩或者伸长，测力传感器输出相应的位移量。

(2）转换元件(transducing element)：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的部分。在图1-1中，转换元件是电位器，通过电刷的移动，将输入的位移量转换成电阻值的变化。大多数传感器都具有独立的转换元件，比如应变式压力传感器利用弹性膜片(敏感元件)将被测压力转换成膜片的变形，应变片(转换元件)将膜片的变形量转换成电阻值的变化，从而实现非电量的电测量。但也有一些传感器的敏感元件能够直接输出电信号，这种传感器的敏感元件同时兼作转换元件，例如热电偶能将温度变化直接转换为热电势输出。

（3)转换电路(conversion circuit)：传感器中将电参量转换成便于测量的电量的部分。

由于传感器转换元件输出的电信号一般较弱，而且存在各种误差，再加上对诸如电阻、电感、电容等电参量难以直接显示、记录、处理和控制，因此需要将电参量进一步变换成可直接利用的电信号，如电压、电流等信号。转换电路的选择视转换元件的类型而定，经常采用的有电桥电路、放大电路、脉宽调制电路、振荡回路、阻抗变换电路等。另外，很多传感器的转换元件和转换电路需要外接辅助电源才能正常工作，如图1-2所示。

本书主要介绍各类传感器的机理及应用实例。全书共11章，首先简述传感器的基本概念、特性、技术指标及改善途径、发展历程、微纳传感器及其加工技术等内容；然后阐述电阻式、电感式、电容式、磁电式、压电式、光电式、热电式、声波和智能传感器的工作原理、结构、特性、电路设计及应用等内容；最后介绍传感器的发展趋势。