传感器及其应用综述

传感器及其应用综述

1.传感器技术的发展趋势

人体为从外界获取信息，必须借助于感觉器官，但是单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

当今世界已进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

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。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

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。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

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。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

2.传感器的定义与组成、分类及基本特征。

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。

这一定义包含了以下几方面的意思：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。

关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的内涵相同或相似，所以近来已逐渐趋向统一，大都使用传感器这一名称了。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的内涵相同或相似，所以近来已逐渐趋向统一，大都使用传感器这一名称了。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。

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。

①敏感元件指能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。是传感器中能直接感受被测量的部分。它是传感器的重要组成部分，下一环节是转换元件。

②转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。能敏锐地感受某种物理、化学、生物的信息并将其转变为电信息的特种电子元件。有些传感器，它的敏感元件与转化元件合并在一起。例如半导体气体、湿度、温度和压力传感器等。不同的传感器，它的敏感元件是不同的。例如应变式压力传感器，它的敏感元件是一个弹性膜片。

③上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。

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，如热电偶就是这样。

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，压电式加速度传感器，其中质量块是敏感元件，压电片（块）是转换元件。因转换元件的输出已是电量，无需转换电路。

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，不过由于空间的限制或者其它原因，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。

传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类十分繁多。为了很好地掌握它、应用它，需要有一个科学的分类方法。

下面将目前广泛采用的分类方法作一简单介绍。

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。在某些系统中或设备上往往装上许多传感器，若有一个传感器失灵，会影响全局。

3.传感器技术的发展现状

我国电子信息业在上世纪八十年代第一次腾飞后，随着国民经济信息化进程的加快，之后又进入持续快速发展的新时期。这个时期电子信息产业的主要特征表现为：一是正在从单一的制造业转变为物质生产与知识生产，装备制造与系统集成，硬件制造与软件制造，工业生产与信息服务相结合的现代信息产业；二是产业结构，产品结构，企业结构，运行机制，管理模式等方面发生了深刻变化；三是我国信息产业成为国民经济的支柱产业和先导产业，是新世纪的战略产业，为国民经济和社会信息化建设提供主要技术和物质支撑。

传感器技术及其产业的特点是：基础、应用两头依附；技术、投资两个密集；产品、产业两大分散。基础、应用两头依附，是指传感器技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术这四块基石。敏感机理千差万别，敏感材料多种多样，工艺设备各不相同，计测技术大相径庭，没有上述四块基石的支撑，传感器技术难以为继。

应用依附是指传感器技术基本上属于应用技术，其市场开发多依赖于检测装置和自动控制系统的应用，才能真正体现出它的高附加效益并形成现实市场。也即发展传感器技术要以市场为导向，实行需求牵引。技术、投资两个密集技术密集是指传感器在研制和制造过程中技术的多样性、边缘性、综合性和技艺性。它是多种高技术的集合产物。由于技术密集也自然要求人才密集。投资密集是指研究开发和生产某一种传感器产品要求一定的投资强度，尤

其是在工程化研究以及建立规模经济生产线时，更要求较大的投资。增加投资和正确的投资

方向是提高传感器产业水平的主要条件之一，也是企事业决策者谋求最佳经济效益的重要手

段。产品、产业两大分散，产品结构和产业结构的两大分散是指传感器产品门类品种繁多，

生产、研究单位分布在除地方外有12个部委（电子、机械、科学院、航空航天、教委、冶金、

船舶、铁道、轻工、化工、煤炭等），其应用渗透到各个产业部门，它的发展既是各产业发

展的推动力。只有按照市场需求，不断调整产业结构和产品结构，才能实现传感器产业的全

面、协调、持续发展。

在国家的支持下，“八五”以来，我国的传感器技术及其产业取得了长足进步。

在学术交流方面，1989年10月由敏感元器件与传感器分会发起主办的“STC“89首届全国

敏感元件与传感器学术会议”已延续至今，固定每两年召开一次，每逢活动不但国内学者、

企业家云集且有不少其它国家的人士参加。目前，其论值组织机构为：“全国敏感元件与传

感器学术团体联合组织委员会”。

4.光电式传感器的工作原理、测量电路、应用。

理论基础——光电效应

光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指在光照射下，电子

逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光

电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应，大

多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属于内

光电效应类传感器。

● 外光电效应

光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大，电子

会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。

根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v 为光波

频率，h 为普朗克常数)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子

能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：

式中，m 为电子质量,v 为电子逸出的初速度,w 为逸出功。

由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hv>w 。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为式 中，c 为光速，w 为逸出功。

● 内光电效应

当光照射到半导体表面时,由于半导体中的电子吸收了光子的能量,使电子从半导体表面

逸出至周围空间的现象叫外光电效应。利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄

像管的光阴极等。半导体材料的价带与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg 。一般情况下,

价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果通过某

种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中,形成载流子,增加导电性。光照就

是一种激励方式。当入射光的能量hν≥Eg （ Eg 为带隙间隔)时,价带中的电子就会吸收光子

w hv -=2mv 21w hc K =λ

的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子——空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果分析,要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光的极限能量,即Eλ=hν0=Eg,其中ν0是低频限(即极限频率ν0=Egh)。这个关系也可以用长波限表示,即λ0=hcEg 。入射光的频率大于ν0或波长小于λ0时,才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小,不能使电子由价带跃迁到导带时,有可能使电子吸收光能后,在一个能带内的亚能级结构间(即图1中每个能带的细线间)跃迁。

光电器件及其特性

● 光敏电阻

1)光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

2)光敏电阻的伏安特性测量

图1 光敏电阻伏安特性测试电路

（1）按原理图1连接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH -VC3直流恒压源提供。

（2）通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U 为+2V 、+ 4V 、+6V 、+8V 、+10V 时5个光电流数据，即Ω=K U I R ph 00.1,同时算出此时光敏电阻的阻值ph

R p I U U R -=。以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行5～6次不同光强实验数据测量。

在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电压的增大二增大，并且，光强越大，其增长越快。

● 光敏二极管

1）光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN 结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN 结时，可以使PN 结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

2）光敏二极管的伏安特性测量

图2 光敏二极管特性测试电路

（1）按原理图2接好实验线路，将光电二极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH -VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V （可调）。

（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的反偏电压与产生的光电流的关系数据，其中光电流：Ω=K U I R ph 00.1(l.00KΩ为取样电阻R ），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。

光电二极管的在一定光强下，其光电流保持一定值，并不随光电压得增大而增大。

光敏三极管

1） 光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极

电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。

2）

图3 光敏三极管特性测试实验

（1）按原理图3接好实验线路，将光敏三极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH -VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V （可调）。

（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定光照条件下，测出加在光敏三极管的偏置电压U CE 与产生的光电流I C 的关系数据。其中光电流

Ω

=K U I R C 00.1(l.00KΩ为取样电阻R ）。 在较弱光强下，光明三极管的光电流并不随光电压变化，随着光强的增大，其光电流在一定范围内随着电压的增大二增大，而后保持一定值不变。

硅光电池

1） 硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一

个大面积的PN 结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN 结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN 结面积要比二极管的PN 结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。

2） 硅光电池的伏安特性测量

图4 硅光电池特性测试电路

（1）实验线路见图4，电阻箱调到0Ω。

（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出硅光电池的开路电压U oc 和短路电流I S ，其中短路电流为Ω

=00.10R S U I （取样电阻R 为10.00Ω），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。

在光强一定时，硅光电池的光电流随着光电压的增大先保持不变，后逐渐减小，且减小速度越来越快。

光电传感器的应用

光敏电阻可用于进行光的测量和光的控制，测量方面主要是用于测量光强，控制方面最常见的就是路灯控制和楼道感应灯的控制，在电路接通的状态下，路灯会随着周围光强的变化而变化，楼道中的灯白天不亮晚上亮也利用了光敏电阻的对光的感应特点。光敏电阻还被应用于海上导航，通常海上的浮标用的就是光敏电阻作为航道灯的开关，到晚上光敏电阻阻值变小，接通控制电路，将灯打开；白天光敏电阻增大将控制电路断开，关掉电灯。

光敏管大体有开关作用，环境光检测作用，各种光线接收作用。在太阳能自动跟踪控制中，做光电检测用，接受太阳光，校正方位。光敏二级管被应用于收音机、电视、电脑等设备中，比如用LED 发光二极光替代液晶显示器背后的光源，能达到节能且稳定的作用。光敏三极管可用来控制开关的状态，其主要原因是三极管对光照强度十分敏感，可以根据根据光照强弱来控制电流大小，从而在继电器的配合下控制开关的通断状态，实现自动化控制。由于光敏管对光的敏感性很高，还可用于测量温度，因为不同温度的物体辐射的光不同，以此可以间接测量温度。此外，光敏三极管还可用于传输信号，如光藕合器，光耦合器亦称光电隔离器，简称光耦，光耦合器以光为媒介传输电信号，它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。另外，红光光敏管可用于测量红外线，这一点可用来做夜视仪。 硅光电池在日常生活中也是十分常见的，因为它能将光能转变为电能，像一些太阳能发电板和太阳能电池中就有硅光电池，被广泛用于卫星、太阳能发电、太阳能热水器以及手机等。

光电传感器的用途很多很广，还有一些等待我们去发现。比如我们经常抱怨阳光下看不清手机和电脑，我们可以利用光敏器件来改变手机和电脑的屏幕亮度，从而更能看清楚，。还有我们的空调，可以通过检测红外线自动调至人的舒适温度，当温度过低或过高就开启调节装置，若在人体舒适范围左右则可关闭调节装置，从而节省能源。我们还可以穿一件有硅光电池板的衣服，衣服内有温度调节装置，由硅光电池提供能源，调节温度。