浅谈传感器技术与应用

浅谈传感器技术与应用

李天成

 身份证号：320683199810168614  陕西西安  710038

摘要：随着科技的发展，传感器可以很好地表征物质的特性及运动形式，充当为计算机、自动化设备之间的机电接口。本文简要介绍了传感器的性能指标，传感器材料与制造技术及传感器的分类与选用，希望对读者理解传感器技术与应用提供参考。

关键词：传感器；应用

引言：传感器是将非电量转化为与非电量有一定关系的电量的转换器件。其以敏感材料的电、磁、热、光、力等物理量及生物学中各类机理，综合个基础学科及计算机与通信技术，支撑起信息产业的蓬勃发展。

1  传感器性能指标

局限于工艺和成本，一个传感器的性能指标不一定全面，当主要的性能指标满足的时候，次要的性能指标可以做出让步。传感器的基本的参数指标包括量程指标、灵敏度指标、精度指标、动态性能指标等。其中，量程指标包含量程范围、过载能力等。灵敏度指标包含灵敏度、满量程输出、分辨力和输入输出阻抗。精度指标包含误差、重复性、线性、滞后、灵敏度误差、阈值、稳定性及漂移等。动态性能指标含有固有频率、阻尼系数、频率范围、频率特性、时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、衰减率、稳态误差、临界速度及临界频率等。

2  传感器材料与制造

制造传感器材料有包含单晶硅、多晶硅、非晶体硅、硅蓝宝石及化合物半导体等半导体材料，具有耐热、耐腐蚀、光电、压电特性的陶瓷材料，材质极轻、各向异性、抗弯强度很大的石英材料，压电耦合领域前途无量的金属氧化物及灵敏稳定的合金材料，体积小、抗干扰、耐腐蚀的无机材料，导电性强的有机材料，可用于识别酶、微生物的生化材料，可用于电、声和机-电的传感器的高分子敏感材料，以及采用多层结构，在一定区域内能够产生量子效应，可以进行超精密测量的合成材料。传感器部件及子系统可采用半导体、微机械、集成光学、纳米、LIGA、激光等加工技术，系统可采用键合、接线、基地及硅加工等加工技术。

3  传感器的分类与选用

3.1 温度传感器

温度表征着物体的冷热程度。总的来说，接触式的温度传感器耐用，标准化程度高，线性度好，非接触式的响应快但是标定困难。对温度及与温度有关的参量进行检测的传感器包含热电偶、热电阻、热敏电阻等。将温度的变化转换为电动势的变化是热电偶的突出特点，热电阻将温度转换为电阻的变化，而集成温度传感器更是可以将温度转为电压、电流的变化。热电偶和金属热电阻的测量范围很宽，高温测量也可以使用。相较而言，热敏电阻及集成温度传感器的测量范围较小，测量温度的上限低得多，但结构相对简单，性能更加可靠。

3.2 力传感器

力在物理学中虽十分常见但至关重要。有很多的传感器能够实现力与电的转化，电阻应变片可以将应力变化转换为电阻的变化，结合电桥电路可得出最终的应力变化值。压电效应在压电传感器中得到应用，压力变化转为电荷变化，再经过放大器的变化得到最后的压力值。电容式压力传感器通过变机距、变面积和介电常数等检测外力，电感式传感器分为自感式和互感式，变化的电感量将侧面反映出压力或者位移。而由弹性体把转矩换为角位移的转矩传感器，输出的电信号来自于角位移的变化量。

3.3 光电传感器

以光电效应为基础，将光信号转为电信号的传感器成为光传感器。基于其反应快、重量轻、功耗低、集成化程度高等优势，光电传感器广泛用于通信、宇航、军事、自动控制等关键环节。

可见光和近红外线光传感器技术发展很快。光纤通信系统、仪器仪表、雷达、自然光检测、光位检测等系统广泛采用CdS、Si、Ge等光传感器,含PIN和APD两类结构类型的近红外光传感器也已成为重点开发的对象。PIN型传感器为发挥其高速、低噪的优势，往往结合放大器构成PIN+FET光传感器。APD基于其内部放大功能，可充分简化光接收机，构成高速、高探测、集成化程度高的光传感器。而色彩传感器及CCD图像传感器等可采集色彩、图像等更加丰富的信息。

3.4 磁传感器

磁传感器可以将磁信号转换为电信号。由于半导体材料中自由电子或者空穴会随着磁场改变其运动方向，磁传感器便依据这一特性制成。磁传感器按照体型可分为由InSb、InAs、Ge、Si制成的霍尔传感器和InSb、InAs制成的磁敏电阻。按按照结型可分为由Ge、Si制成的磁敏二极管和磁敏晶体管。霍尔传感器中，霍尔集成电路可制电罗盘测量地球磁场，也可结合环形铁芯制成大电流传感器。各类无刷电机、接近开关、高斯计等非接触测量量都可由霍尔传感器测量。磁阻元件、磁敏二极管、磁敏晶体管也是磁传感器。磁阻元件类似于霍尔原件，与材料性质和形状有一定的关系。

3.5 环境量检测传感器

气体传感器通过检测空气的一些特定成分，在防灾预警、环境监测、自动控制、医疗卫生、工业制造等领域得到普遍应用。湿度传感器在测量和控制湿度方面应用广泛，农业、纺织业、电子业、造纸业、运输业等产业及各工业区域的湿度调节都少不了它的身影。声电传感器可以将电能转换为声音信号，基于电磁感应原理，利用扬声器、传声器、蜂鸣器、压电陶瓷片等材料，完成声电转换。在超声清洗、金属探伤、厚度检测等领域体现出经济高效、便于使用的特点。

结语：当今时代，各类新型传感器层出不穷。新型的传感器结合日新月异的科学技术、新材料、新的微机械加工技术、更加智能的传感元件推动了仪表工业及自动化技术的蓬勃发展。高性能、高集成度、强扩展性的虚拟仪器及能够完成参数计算、时间检测、目标监测、目标跟踪的传感器网络飞速发展，带来了更多的机遇与挑战。

参考文献：

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[2]裴蓓. 传感器与自动检测技术[M]. 高等教育出版社, 2004.

[3]潘轶洋. 施耐德传感器技术问答(一)[J]. 电世界, 2014.

[4]检测技术与传感器(第二章检测技术与传感器基础02)[EB/OL].https://www.docin.com/p-1324635363.html，2022-10-14.

[5]检测技术及传感器 S06检测技术知识课件[EB/OL].https://www.doc88.com/p-73373158936896.html，2022-10-14.