传感器的分类及发展趋势

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

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。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。

1 传感器的定义与组成

我国国家标准(GB7665－87)中说，传感器(Transducer/Sensor)的定义是：\"能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置\"。我们的定义是：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。

实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量， 两种不同的金属材料,一端联接在一起，放在被测温度 中，另一端为参考，温度为 , 则在回路中将产生一个与温度 、 有关的电动势，从而进行温度测量。有些传感器由敏感元件和转换元件组成度，

有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。

敏感元件与转换元件在结构上常是装在一起的，而转换电路为了减小外界的影响也希望和它们装有一起，不过由于空间的或者其它原因，转换电路常装入电箱中。尽管如此，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电量信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。

2 传感器的分类

首先，按传感器的工作机理，可分为物理型、化学型、生物型等。 其次，按构成原理，可分为结构型与物性型两大类。

在物理型传感器中，作为传感器工作物理基础的基本定律有场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律等。

结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器来说，这些方程式也就是许多

传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。

物性型传感器是利用物质定律构成的，如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。例如，光电管就是物性型传感器，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。 此外，也有基于守恒定律和统计定律的传感器，但为数较少。

第三，根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。能量控制型传感器，在信息变化过程中，其能量需要外电源供给。如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。能量转换型传感器，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。 第四，按照物理原理分类，可分为

1.电参量式传感器。包括电阻式、电感式、电容式等三个基本型式。 2.磁电式传感器。包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等。 3.压电式传感器。

4.光电式传感器。包括一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、 摄象式等。 5.气电式传感器。 6.热电式传感器。

7.波式传感器。包括超声波式、微波式等。 8.射线式传感器。 9.半导体式传感器。 10.其它原理的传感器等。

有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式，如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。

第五，可以按照传感器的用途来分类，例如位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等等。

另外，根据传感器输出是模拟信号还是数字信号，可分为模拟传感器和数字传感器；根据转换过程可逆与否，可分为双向传感器和单向传感器等。

各种传感器，由于原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不可能相同。但是有些一般要求，却基本上是共同的，这就是：①可靠性；②静态精度；③动态性能；④量程；⑤抗干扰能力；⑥通用性；⑦轮廓尺寸；⑧成本；⑨能耗；⑩对被测对象的影响等。

可靠性、静态精度、动态性能、量程的要求是不言而喻的。传感器是通过检测功能来达到各种技术目的的，很多传感器要在动态条件下工作，精度不够、动态性能不好或出现故障，整个工作就无法进行。所以传感器的工作可靠性、静态精度和动态性能是最基本的要求。

3 传感器的发展趋势

3.1 传感器改善性能的途径

纵观几十年来的传感技术领域的发展，不外乎分为两个方面：一是提高与改善传感器的技术性能，二是寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。为传感器的性能，可采用下列技术途径： 1、差动技术

差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。 嘉兴中宝检测设备有限公司 2、平均技术

在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为式中 ——传感单元数。

可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。光栅、磁栅、容栅、感应同步器等传感器，由于其本身的工作原理决定有多个传感单元参与工作，可取得明显的误差平均效应的效果。这也是这一类传感器固有的优点。另外，误差平均效应对某些工艺性缺陷造成的误差同样起到弥补作用。在懂得这种道理之后，设计时在结构允许情况下，适当增多传感单元数，可收到很好的效果。 3、补偿与修正技术

补偿与修正技术在传感器中得到了广泛的应用。这种技术的运用大致是针对下列两种情况。一种是针对传感器本身特性的，另一种是针对传感器的工作条件或外界环境的。 对于传感器特性，可以找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。

针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。 4.屏蔽、隔离与干扰抑制

传感器大都要在现场工作的，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能的。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法归纳起来有二：一是减小传感器对影响因素的灵敏度；二是降低外界因素对传感器实际作用的烈度。

对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。 5、稳定性处理

传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期鉴定的场合。造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。为了提高传感器性能的稳定性，应该对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如结构材料的时效处理、冰冷处理、永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理，电气元件的老化筛选等。

在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件，后续电路的关键元器件进行老化处理。

3.2传感器的发展动向

新型传感器，大致应包括：①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器等诸方面。它们之间是互相联系的。传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。其中利用量子力学诸效

应研制的低灵敏阈传感器，用来检测微弱的信号，是发展新动向之一。 1.半导体敏感材料

半导体敏感材料在传感器技术中具有较大的技术优势，在今后相当长时间内仍占主导地位。半导体硅在力敏、热敏、光敏、磁敏、气敏、离子敏及其它敏感元件，具有广泛用途。 硅材料可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅最简单，非晶硅最复杂。单晶硅内的原子处处规则排列，整个晶体内有1个固定晶向；多晶硅是由许多单晶颗粒构成，每一单晶颗粒内的原子处处规则排列，单晶颗粒之间以界面相分离，且各单晶颗粒晶向不同，故整个多晶硅并无固定的晶向。非晶硅又叫，即无序型硅或无定型硅。从宏观看，原子排列无序的，即远程无序。但从微观看，原子排列也绝非完全无序，即近程有序，特别是能够用来制造传感器的非晶硅中都含有微晶，微晶尺寸一般为左右，这种非晶硅又叫微晶硅。非晶硅中微晶粒子的大小及其分布对其性能有重要影响。用这3种材料都可制成压力传感器，这些压力传感器大致可分为4种形式，即压阻式、电容式、式和薄膜式。目前压力传感器仍以单晶硅为主，但有向多晶和非晶硅的薄膜方向发展的趋势。 2.陶瓷材料

陶瓷敏感材料在敏感技术中具有较大的技术潜力。陶瓷材料可分为很多种。具有电功能的陶瓷又叫电子陶瓷。电子陶瓷可分为绝缘陶瓷、压电陶瓷、介电陶瓷、热电陶瓷、光电陶瓷和半导体陶瓷。这些陶瓷在工业测量方面都有广泛的应用。其中以压电陶瓷、半导体陶瓷应用最为广泛。陶瓷敏感材料的发展趋势是继续探索新材料，发展新品种，向高稳定性、高精度、长寿命和小型化、薄膜化、集成化和多功能化方向发展。

半导体陶瓷是传感器应用常要材料，其尤以热敏、湿敏、气敏、电压敏最为突出。热敏陶瓷的主要发展方向是高温陶瓷，湿敏材料的主要发展方向是不需要加热清洗的材料。气敏陶瓷的主要发展方向是不使用催化剂的低温材料和高温材料，如r-可不用触媒，而特别是在高温下检测氧气更有独到之处。电压敏陶瓷材料的发展方向是低压用材料和高压用材料。陶瓷敏感材料在使用时的结构形式也是各种各样的。以陶瓷湿敏传感器为例，可以是体型结构、厚膜型结构、薄膜结构或涂覆型结构等。 3.磁性材料

不少传感器采用磁性材料。目前磁性材料正向非晶化、薄膜化方向发展。非晶磁性材料具有导磁率高、矫顽力小、电阻率高、耐腐蚀、硬度大等特点，因而将获得越来越广泛的应用。由于非晶体不具有磁的各向同性，因而是一种高导磁率和低损耗的材料，很容易获得旋转磁场，而且在各个方向都可得到高灵敏度的磁场，故可用来制作磁力计或磁通敏感元件，也可利用应力一磁效应制得高灵敏度的应力传感器，基于磁致伸缩效应的力敏元件也得到发

展。由于这类材料灵敏度比坡莫合金高几倍，这就可大大降低涡流损耗，从而获得优良的磁特性，这对高频更为可贵。利用这一特点，可以制造出用磁性晶体很难获得的快速响应型传感器。合成物可以在任意高于居里温度下产生，这就使得发展快速响应的温度传感器成为可能。

3.3 集成化、多功能化与智能化

传感器集成化包括两种定义，一是同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，排成1维的为线性传感器，CCD图象传感器就属于这种情况。集成化的另一个定义是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。

随着集成化技术的发展，各类混合集成和单片集成式压力传感器相继出现，有的已经成为商品。集成化压力传感器有压阻式、电容式、等类型，其中压阻式集成化传感器发展快、应用广。自从压阻效应发现后，有人把4个力敏电阻构成的全桥做在硅膜上，就成为一个集成化压力传感器。国内在80年代就研制出了把压敏电阻、电桥、电压放大器和温度补偿电路集成在一起的单块压力传感器，其性能与国外同类产品相当。由于采用了集成工艺，将压敏部分和集成电路分为几个芯片，然后混合集成为一体。提高了输出性能及可靠性，有较强的抗干扰能力，完全消除了二次仪表带来的误差。

传感器的多功能化也是其发展方向之一。多功能化不仅可以降低生产成本，减小体积，而且可以有效的提高传感器的稳定性、可靠性等性能指标。

把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。由上还可以看出，集成化对固态传感器带来了许多新的机会，同时它也是多功能化的基础。

传感器与微处理机相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、以及“思维”等人工智能，就称之为传感器的智能化。借助于半导体集成化技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成智能传感器。可以说智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现将取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，可以肯定地说，是传感器重要的方向之一。