传感器与检测技术项目教程模块一

学习单元一 传感器与自动测控系统
传感器的发展趋势是微型化、数字化、智能化、多功能 化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新 换代，而且可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增 长点。总体上看，传感器技术是涉及能量转换原理，材料选 择和制造，器件设计、开发和应用等的多项综合技术。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极其广 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，几乎每个现代化项目都离不开各 种各样的传感器。
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在基础学科研究中，传感器更具有其突出的地位。随着现代科学技术 的发展，传感器进入了许多新领域。例如，在宏观上要观察上千光年的茫 茫宇宙，微观上要观察小到飞米（fm，1 fm=10-15m）的粒子世界；纵向 上要观察长达数十万年的天体演化，短到飞秒（fs，1 fs=10-15 s，光在真 空中1 fs仅走0.3 μm）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、超弱磁场等。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。
本模块重点介绍传感器的定义、分类、特性及标定和 校准，使读者对传感器技术有一个基本的认识和了解。
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世界是由物质组成的，表征物质特性或其运动形式的参数很 多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。人类为了认 识物质，需要对物质特性进行测量，测量中大多是针对非电量的 测量，如力、位移、温度等。由于非电量不能直接使用一般电工 仪表和电子仪器测量，电信号则易于直接用电子仪器测量和传输 ，因此常常将非电量转换成有对应关系的电量，如电流和电压， 然后进行测量。实现这种转换技术的器件即为传感器。自动检测 和自动控制系统处理的大都是电量，需要通过传感器对非电量的 原始信息进行精确可靠的捕获并转换为电量。
光敏传感器——视觉； 声敏传感器——听觉； 气敏传感器——嗅觉； 化学传感器——味觉； 压敏、温敏、流体传感器——触觉。
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目前，最新的技术已经实现了意念的 感知和传递。2014年2月，美国科学家完 成了“阿凡达猴子实验”，实现了两只猴 子之间的意念传递。通过一只猴子的意念 控制另一只猴子的行为，即意念的测控（ 感知、传递、控制）。
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由此可见，传感器技术在发展经 济、推动社会进步方面的作用是十分重 要与明显的。世界各国都十分重视这一 领域的发展。相信在不久的将来，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。
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一、 传感器概述
传感器的作用是将被测非电物理量转换成与其有一定关系 的电信号，它获得的信息准确与否，直接关系到整个系统的精 确度。中华人民共和国国家标准《传感器通用术语》（GB/T 7665—2005 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。敏感元件是指传感器中能直接感 受或响应被测量的部分；转换元件是指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。
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传感器的组成框图如图1-1所示。
图1-1 传感器的组成框图
பைடு நூலகம்
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传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将其按一定 规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、 处理、存储、显示、记录和控制等要求。中国物联网校企联盟认为：传 感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢 变得活了起来。根据传感器的敏感元件进行分类，可将传感器分为物理 类（基于力、热、光、电、磁和声等物理效应）、化学类（基于化学反 应的原理）和生物类（基于酶、抗体和激素等分子识别功能）；根据传 感器的基本感知功能可将其分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏 元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和 味敏元件等十几大类。
生物电传感器等—意念。
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新技术革命的到来，使世界开始进入信息时代。在利用信 息的过程中，首先要解决的问题就是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，没有众多的 优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
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人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉 器官；而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然 现象和规律，以及生产活动中就远远不够了。为 了适应这种情况就需要传感器。因此，传感器是 人类五官的延伸，又称之为“电五官”。人们常 将传感器的功能与人类五大感觉器官相比拟：
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模块一 传感器技术基础
学习单元一 传感器与自动测控系统 学习单元二 传感器的分类 学习单元三 传感器的命名、代号和图形符号 学习单元四 传感器的特性 学习单元五 传感器的标定与校准 学习单元六 改善传感器性能的主要技术途径 学习单元七 传感器的发展趋势
模块一 传感器技术基础
模块导读
人类已经进入科学技术空前发展的信息社会，计算机、 移动通信、机器人、自动控制技术及单片机嵌入系统迅速 发展，尤其是物联网技术的突起，都迫切需要种类繁多的 传感器。传感器是系统的“电五官”，负责信息的感知和 采集，并将这些信息转化为能被系统处理的信号。 在现代 信息科学的三大支柱技术中，传感器技术居于首位。