一、傳感器的定義
　　信息處理技術(shù)取得的進(jìn)展以及微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展都需要在傳感器的開(kāi)發(fā)方面有相應(yīng)的進(jìn)展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測(cè)量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強(qiáng)作為信息采集系統(tǒng)的前端單元傳感器的作用越來(lái)越重要。傳感器已成為自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件作為系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)組成其重要性變得越來(lái)越明顯。
　　最廣義地來(lái)說(shuō)傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個(gè)組成部分它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。 
　　傳感器系統(tǒng)的原則框圖示于圖1-1進(jìn)入傳感器的信號(hào)幅度是很小的而且混雜有干擾信號(hào)和噪聲。為了方便隨后的處理過(guò)程首先要將信號(hào)整形成具有最佳特性的波形有時(shí)還需要將信號(hào)線性化該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號(hào)隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸入到微處理器。
　　德國(guó)和俄羅斯學(xué)者認(rèn)為傳感器應(yīng)是由二部分組成的，即直接感知被測(cè)量信號(hào)的敏感元件部分和初始處理信號(hào)的電路部分。按這種理解傳感器還包含了信號(hào)成形器的電路部分。 
　　傳感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器，里氏硬度計(jì)維修傳感器把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量。有兩類傳感器：有源的和無(wú)源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉(zhuǎn)變成另一種不需要外接的能源或激勵(lì)源(參閱圖1-2(a))。 
有源(a)和無(wú)源(b)傳感器的信號(hào)流程
　　無(wú)源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵(lì)能
傳感器承擔(dān)將某個(gè)對(duì)象或過(guò)程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。其“對(duì)象”可以是固體、液體或氣體而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的也可以是動(dòng)態(tài)(即過(guò)程)的。對(duì)象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過(guò)多種方式檢測(cè)。對(duì)象的特性可以是物理性質(zhì)的也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照其工作原理傳感器將對(duì)象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測(cè)定的電學(xué)量然后將此電信號(hào)分離出來(lái)送入傳感器系統(tǒng)加以評(píng)測(cè)或標(biāo)示。 
　　各種物理效應(yīng)和工作機(jī)理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被測(cè)量對(duì)象也可以不接觸。用于傳感器的工作機(jī)制和效應(yīng)類型不斷增加其包含的處理過(guò)程日益完善。
　　常將傳感器的功能與人類5大感覺(jué)器官相比擬： 
　　光敏傳感器——視覺(jué)? 聲敏傳感器——聽(tīng)覺(jué)
　　氣敏傳感器——嗅覺(jué) ?化學(xué)傳感器——味覺(jué) 
　　壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺(jué)
　　與當(dāng)代的傳感器相比人類的感覺(jué)能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺(jué)功能優(yōu)越例如人類沒(méi)有能力感知紫外或紅外線輻射感覺(jué)不到電磁場(chǎng)、無(wú)色無(wú)味的氣體等。
　　對(duì)傳感器設(shè)定了許多技術(shù)要求有一些是對(duì)所有類型傳感器都適用的也有只對(duì)特定類型傳感器適用的特殊要求。針對(duì)傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)合均需要的基本要求是： 
　　高靈敏度　　抗干擾的穩(wěn)定性(對(duì)噪聲不敏感) 　　線性　　容易調(diào)節(jié)(校準(zhǔn)簡(jiǎn)易) 
　　高精度　　高可靠性 　　無(wú)遲滯性　　工作壽命長(zhǎng)(耐用性) 
　　可重復(fù)性　　抗老化 　　高響應(yīng)速率　　抗環(huán)境影響(熱、振動(dòng)、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力 
　　選擇性　　安全性(傳感器應(yīng)是無(wú)污染的) 　　互換性　　低成本 
　　寬測(cè)量范圍　　小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度 　　寬工作溫度范圍 
　　二、傳感器的分類
　　可以用不同的觀點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng))；它們的用途；它們的輸出信號(hào)類型以及制作它們的材料和工藝等。
　　根據(jù)傳感器工作原理可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類
傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)諸如壓電效應(yīng)磁致伸縮現(xiàn)象離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
　　化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
　　有些傳感器既不能劃分到物理類也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的。化學(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多例如可靠性問(wèn)題規(guī)模生產(chǎn)的可能性價(jià)格問(wèn)題等解決了這類難題化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長(zhǎng)。 
　　常見(jiàn)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和工作原理列于表1.1。 
　　按照其用途傳感器可分類為： 
　　壓力敏和力敏傳感器 ?位置傳感器 
　　液面?zhèn)鞲衅??能耗傳感器 
　　速度傳感器 ?熱敏傳感器 
　　加速度傳感器 ?射線輻射傳感器 
　　振動(dòng)傳感器? 濕敏傳感器 
　　磁敏傳感器? 氣敏傳感器 
　　真空度傳感器? 生物傳感器等。? 
　　以其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為： 
　　模擬傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。? 
　　數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。? 
　　膺數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。? 
　　開(kāi)關(guān)傳感器——當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。
? 
　　在外界因素的作用下所有材料都會(huì)作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對(duì)外界作用最敏感的材料即那些具有功能特性的材料被用來(lái)制作傳感器的敏感元件。從所應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列幾類： 
　　(1)按照其所用材料的類別分? 
　　金屬? 聚合物? 陶瓷? 混合物? 
　　(2)按材料的物理性質(zhì)分? ? 導(dǎo)體? 絕緣體? 半導(dǎo)體? 磁性材料? 
　　(3)按材料的晶體結(jié)構(gòu)分? 
　　單晶? 多晶? 非晶材料? 
　　與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開(kāi)發(fā)工作可以歸納為下述三個(gè)方向：? 
　　(1)在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實(shí)際使用。? 
　　(2)探索新的材料應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來(lái)改進(jìn)傳感器技術(shù)。? 
　　(3)在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)并在傳感器技術(shù)中加以具體實(shí)施。?
　　現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度。傳感器開(kāi)發(fā)的基本趨勢(shì)是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。表1.2中給出了一些可用于傳感器技術(shù)的、能夠轉(zhuǎn)換能量形式的材料。? 
　　按照其制造工藝可以將傳感器區(qū)分為： 
　　集成傳感器?薄膜傳感器?厚膜傳感器?陶瓷傳感器 
　　集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。? 
　　薄膜傳感器則是通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí)同樣可將部分電路制造在此基板上。? 
　　厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料涂覆在陶瓷基片上制成的基片通常是Al2O3制成的然后進(jìn)行熱處理使厚膜成形。 
　　陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。? 
　　完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性在某些方面可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。?
每種工藝技術(shù)都有自已的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。