什么是传感器技术？
传感器是一种能够感知被测信息的检测装置，能够将感知到的信息按照一定的规则转换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。
这是实现自动检测和自动控制的第一步。
“传感器”定义为:
从一个系统接收电力并通常以另一种形式发送到另一个系统的设备。
根据这个定义，传感器的功能就是将一种能量转换成另一种能量，所以很多学者也用“换能器-换能器”来指代“传感器-传感器”。
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功能
传感器的功能经常与人类的五种感觉器官相比较:
光敏传感器-视觉声音敏感传感器-听觉
气体传感器-嗅觉化学传感器-味觉
压力敏感，温度敏感和流体传感器-触摸。
敏感部件的分类:
①物理学，以力、热、光、电、磁、谐等物理效应为基础。
②化学，基于化学反应原理。
(3)生物学，以酶、抗体、激素等分子识别功能为基础。
一般按其基本传感功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、辐射敏元件、色敏元件、味敏元件等十大类(有人曾将敏感元件分为46类)。
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分类
传感器可以从不同的角度进行分类: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、制造它们的材料和工艺等。
根据传感器的工作原理，可分为物理传感器和化学传感器:
传感器工作原理分类物理传感器应用物理效应，如压电效应、磁致伸缩现象、电离、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都会转换成电信号。
化学传感器包括以化学吸附、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会转化为电信号。
有些传感器既不能归类为物理传感器，也不能归类为化学传感器。
大多数传感器根据物理原理工作。
化学传感器有很多技术问题，比如可靠性、大规模生产的可能性、价格等等。解决这些问题后，化学传感器的应用将会大大增加。
下表列出了常见传感器的应用领域和工作原理。
1.传感器根据其用途进行分类。
压力和力传感器、位置传感器。
液位传感器能耗传感器
速度传感器加速度传感器
x射线辐射传感器热传感器
24GHz雷达传感器
2.传感器根据其原理进行分类。
振动传感器湿度传感器
磁性传感器气体传感器
真空传感器、生物传感器等。
3.传感器根据其输出信号进行分类。
模拟传感器-将测量的非电量转换成模拟电信号。
数字传感器-将测量的非电量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。
伪数字传感器——将被测信号量转换成频率信号或短周期信号输出(包括直接或间接转换)。
开关传感器-当测量信号达到某一阈值时，传感器相应地输出设定的低电平或高电平信号。
4.传感器根据其材料进行分类。
在外界因素的影响下，所有的物质都会做出相应的、特征性的反应。
其中，对外界作用最敏感的那些材料，即具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。
从应用材料的角度来看，传感器可以分为以下几类:
(1)根据所用材料的类别。
金属聚合物陶瓷混合物
(2)根据材料的物理性质:导体绝缘体半导体磁性材料。
(3)根据材料的晶体结构:
单晶多晶非晶材料
与采用新材料密切相关的传感器开发工作可归纳为以下三个方向:
(1)在已知材料中探索新的现象、效应和反应，然后在传感器技术中实用化。
(2)探索新材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。
(3)在研究新材料的基础上探索新现象、新效应、新反应，并在传感器技术中实现。
现代传感器制造业的进步取决于传感器技术中使用的新材料和敏感元件的开发强度。
传感器发展的基本趋势与半导体和介电材料的应用密切相关。
表1.2给出了一些可用于传感器技术并能转换能量形式的材料。
5.传感器根据其制造过程进行分类。
集成传感器薄膜传感器厚膜传感器陶瓷传感器
集成传感器通过生产硅基半导体集成电路的标准技术制造。
通常，用于测量信号的初步处理的一些电路也集成在同一芯片上。
薄膜传感器由沉积在介电基板(衬底)上的相应敏感材料的薄膜形成。
当使用混合工艺时，电路的一部分也可以在该衬底上制造。
厚膜传感器是通过在通常由Al2O3制成的陶瓷基板上涂覆相应材料的浆料，然后对其进行热处理以形成厚膜而制成的。
陶瓷传感器通过标准陶瓷技术或一些变体技术(溶胶-凝胶等)生产。).
在适当的准备操作完成后，成型的部件在高温下烧结。
厚膜和陶瓷传感器有许多共同的特性。在某些方面，厚膜工艺可以被认为是陶瓷工艺的变体。
每种技术都有自己的优缺点。
由于研发和生产所需的资金投入低，传感器参数稳定性高，采用陶瓷和厚膜传感器更为合理。
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6.传感器根据测量目的进行分类。
物理传感器是利用被测物质的某些物理性质发生了明显变化的特性制成的。
化学传感器由敏感元件组成，可以将化学物质的成分、浓度等化学量转化为电学量。
生物传感器是利用各种生物或生物物质的特性来检测和识别生物体内化学成分的传感器。
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特点
传感器的静态特性
传感器的静态特性是指对于静态输入信号，传感器的输出与输入之间的关系。
由于输入和输出与时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可以用一个没有时间变量的代数方程来描述，或者用输入为横坐标，对应的输出为纵坐标绘制的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数是线性度、灵敏度、滞后、可重复性和漂移。
(1)线性度:指传感器输出与输入的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。
它被定义为实际特性曲线和拟合直线之间的最大偏差与满量程范围内满量程输出值的比值。
(2)灵敏度:灵敏度是传感器静态特性的重要指标。
它被定义为产出增量与引起该增量的相应投入增量之比。
用s表示灵敏度。
(3)迟滞:在输入量由小变大(正行程)和输入量由大变小(反行程)的过程中，传感器的输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。
对于同一个输入信号，传感器的前后行程输出信号大小不相等，这种差异称为迟滞差。
(4)重复性:重复性是指传感器的输入连续多次同向变化时，所得到的特性曲线不一致的程度。
(5)漂移:传感器的漂移是指在输入不变的情况下，传感器的输出随时间变化，称为漂移。
漂移的原因有两个:一个是传感器本身的结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等。).
传感器动态特性
所谓动态特性，是指传感器在其输入发生变化时，其输出的特性。
在实际工作中，传感器的动态特性往往用它对一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很容易通过实验获得，其对标准输入信号的响应与其对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，后者往往可以通过知道前者来推断。
最常用的标准输入信号是阶跃信号和正弦信号，因此传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
传感器的线性度
通常情况下，传感器的实际静态特性输出是曲线而不是直线。
在实际工作中，为了使仪器有一个统一的刻度读数，常常用一条拟合直线来近似表示实际的特性曲线，而线性度(非线性误差)就是这种近似的一个性能指标。
选择拟合直线的方法有很多。
比如连接零输入和满量程输出点的理论直线作为拟合直线；或者将特性曲线上各点偏差平方和最小的理论直线作为拟合直线，称为最小二乘拟合直线。
以下是几种拟合方法的示意图。
理论拟合、过零旋转拟合、端点连接拟合
传感器的灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态工作条件下输出变化△y与输入变化△x的比值。
它是输出-输入特性曲线的斜率。
如果传感器的输出和输入之间存在线性关系，则灵敏度S是常数。
否则会随着输入的变化而变化。
敏感度的维度是输出和输入的维度之比。
例如，当位移传感器的位移变化1mm，输出电压变化200mV时，其灵敏度应表示为200 mv/mm。
当传感器的输出和输入的尺寸相同时，灵敏度可以理解为放大倍数。
提高灵敏度，获得更高的测量精度。
但是灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性越差。
传感器的分辨率
分辨率是指传感器感受被测最小变化的能力。
也就是说，如果输入量从非零值缓慢变化。
当输入变化值不超过某个值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器无法分辨这个输入的变化。
只有当输入的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。
通常情况下，传感器各点的分辨率在满量程范围内是不一样的，所以往往以能使输出在满量程范围内步进变化的输入量的最大变化值作为衡量分辨率的指标。
如果将上述指标表示为满量程的百分比，则称为分辨率。
分辨率与传感器的稳定性呈负相关。
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24GHz雷达传感器
24GHz雷达传感器通过发射和接收频率约为24.125GHz的微波来感知物体。
24GHZ雷达传感器
存在，测量物体的移动速度、静止距离、角度等。采用平面微带技术，体积小。
集成度高，传感灵敏，无接触。
24GHz雷达传感器是一种能将微波回波信号转换成电信号的装卸装置，是雷达测速仪、水位计、汽车ACC辅助巡航系统、自动门传感器等的核心芯片。
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电阻式传感器
电阻传感器是将测量的位移、变形、力、加速度、湿度、温度等物理量转换成电阻值的器件。
主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻传感器件。
称重传感器
称重传感器是将重力转换成电信号的力电转换装置，是电子衡器的关键部件。
实现力电转换的传感器有很多种，如电阻应变式、电磁力式、电容式等。
电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，大部分衡器使用电阻应变式称重传感器。
本发明具有结构简单、精度高、应用广泛的优点，可在相对恶劣的环境中使用。
因此，电阻应变式称重传感器在称重仪器中得到了广泛的应用。
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应变式传感器
传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械变形，使电阻值随之变化。
电阻应变计有两种:金属和半导体。金属应变片分为丝式、箔式和膜式。
半导体应变片具有灵敏度高(通常是丝和箔的几十倍)、横向效应小等优点。
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压阻传感器
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应，在半导体材料衬底上制作扩散电阻的器件。
它的衬底可以直接用作测量传感器，扩散电阻以桥的形式连接在衬底中。
当基板受到外力变形时，电阻值会发生变化，电桥会产生相应的不平衡输出。
用作压阻传感器的衬底(或膜片)主要是硅晶片和锗晶片。以硅片为敏感材料的硅压阻传感器越来越受到人们的关注，尤其是用于测量压力和速度的固态压阻传感器应用最为广泛。
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热阻传感器
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度升高而增大的特性。
热电阻大多由纯金属材料制成。目前，铂和铜是应用最广泛的材料。此外，镍、锰和铑等材料已被用于制造热电阻。
热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化的特性来测量温度以及与温度相关的参数。
这种传感器适用于温度检测精度较高的场合。
目前广泛使用的铂、铜、镍等热电阻材料具有电阻温度系数大、线性度好、性能稳定、温度范围宽、易于加工等特点。
用于测量-200℃ ~+500℃范围内的温度。
热电阻传感器的分类:
1.NTC热电阻传感器:
这种传感器是负温度系数传感器，即传感器的电阻随着温度的升高而降低。
2.PTC热电阻传感器:
这种传感器是正温度系数传感器，即传感器电阻随着温度的升高而增大。
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激光传感器
使用激光技术测量的传感器。
它由激光器、激光探测器和测量电路组成。
激光传感器是一种新型的测量仪器，具有非接触式远距离测量、速度快、精度高、测量范围大、抗光电干扰能力强等优点。
激光传感器工作时，激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。
激光被目标反射后向四面八方散射。
部分散射光返回到传感器接收器，并在被光学系统接收后成像在雪崩光电二极管上。
雪崩光电二极管是一种具有内部放大功能的光学传感器，因此可以探测到极其微弱的光信号，并将其转换成相应的电信号。
利用激光的高方向性、高单色性和高亮度的特点，可以实现非接触式的远距离测量。
激光传感器常用于测量长度(ZLS-Px)、距离(LDM4x)、振动(ZLDS10X)、速度(LDM30x)、方位等物理量，也可用于探伤和空气污染物的监测。
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温度传感器
1.室温管温度传感器:
室温传感器用于测量室内外环境温度，管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。
室温传感器和管温传感器的形状不同，但温度特性基本相同。
根据温度特性，美国目前使用的室温管温度传感器有两种:1。常数B值为4100k±3% %，参考电阻在25℃时为10Kω±3%。
温度越高，电阻越小；温度越低，电阻越大。
离25℃越远，相应电阻的耐受范围越大；在0℃和55℃时，相应的电阻容差约为7%；但在0℃以下和55℃以上，不同供应商的电阻容差会有所不同。
温度越高，电阻越小；温度越低，电阻越大。
离25℃越远，对应电阻的耐受范围越大。
2.排气温度传感器:
排气温度传感器用于测量压缩机顶部的排气温度。常数b值为3950K±3%，参考电阻为90℃，对应5kω±3%的电阻。
3.模块温度传感器:模块温度传感器用于测量变频模块(IGBT或IPM)的温度。目前使用的温度传感器型号为602F-3500F，25℃时参考电阻为6kω1%。
几种典型温度对应的电阻值为-10 ℃→( 25.897-28.623)kω；0 ℃→( 16.3248─17.7164)kω；50 ℃→( 2.3262─2.5153)kω；90 ℃→( 0.6671─0.7565)Kω.
温度传感器有很多种，常用的有热电阻:PT100、PT1000、Cu50、Cu 100；；热电偶:B、E、J、K、S等。
温度传感器不仅种类繁多，而且组合多样。要根据不同的地方选择合适的产品。
测温原理:根据电阻的阻值和热电偶的电位随温度不同而有规律变化的原理，可以得到我们需要测量的温度值。
(由空中旅行网暖通专家提供)
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光敏传感器
光敏传感器是最常见的传感器之一，它有很多种，主要包括:光电池、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、太阳能电池、红外传感器、紫外传感器、光纤光电传感器、颜色传感器、CCD和CMOS图像传感器。
其敏感波长在可见光波长附近，包括红外波长和紫外波长。
光学传感器不仅仅局限于检测光，还可以作为检测元件组成其他传感器检测很多非电量，只要把这些非电量转换成光信号的变化。
光学传感器是目前最丰富、应用最广泛的传感器之一，在自动控制和非电量测量技术中起着非常重要的作用。
最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子撞击关节时会产生电流。
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湿度传感器信息
聚合物电容式湿度传感器通常是在玻璃、陶瓷、硅等材料的绝缘基底上通过丝网印刷或真空镀膜的方法制作，然后将湿敏胶通过浸渍或其他方法涂在电极上制成电容元件。
在不同相对湿度的大气环境中，由于湿敏膜吸收水分子，湿度传感器的电容发生有规律的变化，这是湿度传感器的基本机理。
聚合物电容元件的温度特性受温度影响，不仅聚合物作为介质的介电常数ε和吸附水分子的介电常数ε，而且元件的几何尺寸也受热膨胀系数的影响。
根据德拜理论，液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。
水分子的ε在T=5℃时为78.36，在T=20℃时为79.63。
有机物ε与温度的关系因材料而异，并不完全遵循正比关系。
在某些温度区域，ε随T的增加而增加，而在某些温度区域，ε随T的增加而减少。
在聚合物湿敏电容元件的湿敏机理分析中，大部分文献认为聚合物的介电常数较小，如聚酰亚胺的介电常数在低湿度下为3.0-3.8。
而水分子介电常数是聚合物ε的几十倍。
因此，吸湿后吸水非均质层的介电常数由于水分子的偶极距而大大提高，这是由多相介质的复合介电常数的可加性决定的。
由于ε的变化，湿敏电容元件的电容c与相对湿度成正比。
在设计和制造过程中很难建立湿度感测特性的全湿范围线性。
作为电容器，聚合物介质膜的厚度d和平板电容器的有效面积s也与温度有关。
温度变化引起的介质几何形状的变化会影响C值。
聚合物的平均热膨胀系数可以达到数量级。
比如硝化纤维素的平均热膨胀系数是108x10-5/℃。
随着温度的升高，介质膜厚度d增加，对c有负贡献；然而，湿敏膜的膨胀增加了介质对水的吸附，这是对c的积极贡献。
可以看出，湿敏电容的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围内，温漂是不同的。它在不同的温度区域具有不同的温度系数；不同的湿敏材料具有不同的温度特性。
总之，高分子湿度传感器的温度系数不是一个常数，而是一个变量。
因此，通常情况下，传感器制造商可以在-10-60摄氏度范围内对传感器进行线性化处理，以减少温度对湿敏元件的影响。
优质产品主要使用聚酰胺树脂，产品结构总结如下:在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸镀金电极，然后喷涂湿敏介质材料形式的平面湿敏薄膜(如上所述)，再在薄膜上蒸镀金电极。
湿度传感器的电容与相对湿度成正比，线性度约为2%。
虽然测湿性能还可以，但是耐温性和耐腐蚀性不太理想。在工业领域，使用寿命、耐温性、稳定性和耐腐蚀性都需要进一步提高。
陶瓷湿度传感器是近年来大力发展的一种新型传感器。
优点是耐高温、湿度滞后、响应速度快、体积小，便于大批量生产。但由于多孔材料，对灰尘影响大，日常维护频繁，经常需要电加热清洗，容易影响产品质量和湿度，在低湿高温环境下线性度差，特别是使用寿命短，长期可靠性差，是这类湿度传感器亟待解决的问题。
目前，在湿敏元件的开发和研究中，电阻式湿度传感器应该是最适合湿度控制的。其代表产品氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性、使用寿命长等诸多重要优点。氯化锂湿度传感器有50多年的生产和研究历史，有多种产品类型和制造方法，都应用了氯化锂湿敏液体的优点，尤其是稳定性最强。
氯化锂湿敏器件属于电解质湿敏材料。在众多湿敏材料中，氯化锂电解质湿敏液体最先引起人们的关注，并被用于制造湿敏器件。氯化锂电解质湿敏液体的等效电导随着溶液浓度的增加而减小。
电解质溶于水，以降低水表面的水蒸气压力。
氯化锂湿度传感器的基片结构分为柱状和敷料状，以氯化锂聚乙烯醇涂层为主要成分的感湿液和金电极是氯化锂湿度传感器的三个组成部分。
多年来，产品制造不断改进，产品性能不断提高。氯化锂湿度传感器特有的长期稳定性是其他湿敏材料不可替代的，也是湿度传感器最重要的性能。
在产品生产过程中，湿敏混合物的制备和工艺的严格控制是保持和发挥这一特性的关键。
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磁滞特性
滞后特性表示传感器的输出-输入特性曲线在正向(增加输入)和反向(减少输入)冲程之间不一致的程度，通常表示为两条曲线之间的最大差值△MAX和满量程输出f s的百分比。
传感器内部组件的能量吸收会导致滞后现象。
界面传感器
Veidemyuller传感器/执行器接口产品可以通过添加相应的总线协议适配器直接连接到现场总线。
可以支持Profibus-DP、CANopen、DeviceNet、Interbus和ASi现场总线协议。
无源传感器/执行器接口产品(SAI)
防护等级达到IP68，可以不加防护直接安装。
节省安装材料、时间和空间。
提供4.6.8路分配器，每个分配器具有3针、4针和5针结构(提供单向和双向信号)。
有带配线的覆盖型(标准型)和电缆预制型。
可单独提供带金属外壳的产品，适用于食品行业。
信号和电源指示。
主动传感器/执行器接口产品(SAI)
SAI产品可以通过添加相应的总线协议适配器直接连接到现场总线。
可以支持Profibus-DP、CANopen、DeviceNet、Interbus和ASi现场总线协议。
提供两种防护等级的产品:IP67(母线连接方式为环形接头连接)和IP68(母线连接方式为自组装)。
提供8DI、8DO、8DI/4DO、16DI、8DI/8DO五种输入输出产品。
传感器的发展趋势
采用新原理和开发新传感器
大力发展物理传感器(因为有些结构传感器达不到要求)
传感器集成
多功能传感器
智能传感器(智能传感器)
研究生物感官，开发仿生传感器。
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工作流程示例
给传感器提供15V电源，激励电路中的晶振产生400Hz的方波，经过TDA2030功率放大器产生交流激励电源，由静止的初级线圈通过能量环变压器T1传输到旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上整流滤波电路得到5V DC电源，作为运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589和双通道运算放大器AD822组成的高精度稳压电源产生4.5V的精密DC电源，既作为电桥电源，又作为放大器和V/F转换器的工作电源。
当弹性轴扭转时，应变电桥检测到的mV级应变信号被仪表放大器AD620放大成1.5V 1V的强信号，再由V/F转换器LM131转换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传输到静止的次级线圈。经壳体上的信号处理电路滤波整形后，可获得与弹性轴承上的扭矩成正比的频率信号。信号为TTL电平，可提供给专用二次仪表或频率计显示或直接送至计算机处理。
由于旋转变压器的动、静环之间的间隙只有十分之几毫米，传感器轴的上部密封在金属外壳内，形成有效的屏蔽，具有很强的抗干扰能力。