傳感器及其一般特性

傳感器及傳感器的一般特性cdl目錄1.1傳感器基本概念1.2傳感器與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系2.1傳感器的組成和分類(lèi)2.2傳感器技術(shù)特點(diǎn)2.3傳感器發(fā)展趨勢(shì)2.4無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)2.5無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)3.1傳感器的數(shù)學(xué)模型和特性3.2傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)1.1傳感器基本概念什么是傳感器？通常能將把被測(cè)物理量、化學(xué)量或者生物量轉(zhuǎn)化為與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出的裝置稱(chēng)為傳感器?？梢詮囊韵氯矫胬斫猓孩?傳感器的作用—體現(xiàn)在測(cè)量上，傳感器的目的即是獲取被測(cè)量；②.傳感器的工作原理—體現(xiàn)在敏感元件上，其能感受或者響應(yīng)被測(cè)量，是傳感器技術(shù)的核心；③.傳感器的輸出信號(hào)形式—體現(xiàn)在電信號(hào)上，非電量轉(zhuǎn)化為電量，微弱電信號(hào)轉(zhuǎn)化為可用電信號(hào)；傳感器由于應(yīng)用場(chǎng)合和領(lǐng)域不同，也叫做變換器、換能器、轉(zhuǎn)換器、變送器、發(fā)送器或者探測(cè)器。1.2傳感器與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系物聯(lián)網(wǎng)英文名稱(chēng)：TheInternet

ofThings.我的簡(jiǎn)單理解：萬(wàn)物互聯(lián)，感知世界。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)全面感知的基礎(chǔ)，傳感器可用于高溫、高壓、輻射等惡劣環(huán)境，以及微弱磁、離子、射線(xiàn)等人類(lèi)無(wú)法親身感知的信息；傳感器人類(lèi)感官光敏傳感器視覺(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)傳感器是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中需求量最大和最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)之一。傳感器—電五官2.1傳感器的組成和分類(lèi)敏感元件：直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量有確定關(guān)系的物理量；轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換為電路參量；測(cè)量電路：將轉(zhuǎn)換元件的電路參量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)一般都很微弱，一般要配以測(cè)量電路、輔助電源，測(cè)量電路一般為放大補(bǔ)償電路（運(yùn)放電路）；并不是所有的傳感器都能明顯區(qū)分出敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，二者可能合一，如熱電偶，被測(cè)量的溫度變化可直接由其轉(zhuǎn)換成微弱電勢(shì)。敏感元件轉(zhuǎn)換元件測(cè)量電路輔助電源被測(cè)量電信號(hào)傳感器組成：2.1傳感器的組成和分類(lèi)傳感器分類(lèi)：傳感器分類(lèi)方法繁多，這里介紹按照被測(cè)量分類(lèi)：

物理量傳感器

力學(xué)量壓力傳感器、力傳感器、力矩傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、流量傳感器、位移傳感器、位置傳感器、尺度傳感器、密度傳感器、粘度傳感器、硬度傳感器、濁度傳感器熱學(xué)量溫度傳感器、熱流傳感器、熱導(dǎo)率傳感器光學(xué)量可見(jiàn)光傳感器、紅外光傳感器、紫外光傳感器、照度傳感器、色度傳感器、圖像傳感器、亮度傳感器磁學(xué)量磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器、磁通傳感器電學(xué)量電流傳感器、電壓傳感器、電場(chǎng)強(qiáng)度傳感器聲學(xué)量聲壓傳感器、噪聲傳感器、超聲波傳感器、聲表面波傳感器射線(xiàn)x射線(xiàn)傳感器、β射線(xiàn)傳感器、γ射線(xiàn)傳感器、輻射劑量傳感器化學(xué)量傳感器離子傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器、PH值傳感器生理量傳感器生物量體壓傳感器、脈搏傳感器、心音傳感器、體溫傳感器、血流傳感器、呼吸傳感器、血容量傳感器、體電圖傳感器生化量酶式傳感器、免疫血型傳感器、微生物型傳感器、血?dú)鈧鞲衅?、血液電解質(zhì)2.1傳感器的組成和分類(lèi)傳感器分類(lèi)：按敏感材料分類(lèi)：1、半導(dǎo)體傳感器（硅、鍺、硒等,以硅、鍺應(yīng)用最廣）；2、陶瓷傳感器；3、光導(dǎo)纖維傳感器；4、金屬傳感器；按能量分類(lèi)：1、無(wú)源傳感器（能量控制型傳感器，僅對(duì)傳感器中的能量起到控制或調(diào)節(jié)作用，不可直接轉(zhuǎn)換能量形式）；2、有源傳感器（將一種能量直接轉(zhuǎn)換為另一種能量，一般是將非電量轉(zhuǎn)換為電量）；按應(yīng)用范圍分類(lèi)：工業(yè)、民用、醫(yī)用、軍用等。2.2傳感器的技術(shù)特點(diǎn)傳感器技術(shù)包括：研究、設(shè)計(jì)、試制、生產(chǎn)、檢測(cè)、應(yīng)用等；技術(shù)特點(diǎn)：1.內(nèi)容離散、涉及多個(gè)學(xué)科；

涉及物理、化學(xué)、生物、機(jī)械、材料、電子、通信等多個(gè)學(xué)科；2.種類(lèi)繁多，彼此相互獨(dú)立；

被測(cè)參數(shù)之間相互獨(dú)立，熱工量（溫度、壓力、流量、物位等），電工量（電壓、電流、功率等），機(jī)械量（力、力矩、位移、速度、加速度、角速度、轉(zhuǎn)角、振動(dòng)等），化學(xué)量（氧、氫、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等），物理量（光、磁、聲、射線(xiàn)等），生物量（血壓、心率、肌肉張力等）、狀態(tài)量（開(kāi)關(guān)、二維三維圖形等）；3.知識(shí)密集，學(xué)科邊緣性強(qiáng)；

結(jié)合了物理學(xué)、化學(xué)、生物工程、精密機(jī)械、微電子學(xué)、材料科學(xué)、微細(xì)加工、試驗(yàn)測(cè)量等；

學(xué)科中一旦有新發(fā)現(xiàn)，可迅速應(yīng)用于傳感器，具有學(xué)科邊緣性；2.2傳感器的技術(shù)特點(diǎn)4.技術(shù)復(fù)雜，工藝要求高；

涉及到集成技術(shù)、薄膜技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、微細(xì)納米加工、粘合技術(shù)、高密封技術(shù)、特種加工技術(shù)、多功能化和智能技術(shù)等；

工藝上主要體現(xiàn)在尺寸、精度、量程等參數(shù)，提高了制造工藝要求；5.性能穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；高可靠、穩(wěn)定、高重復(fù)性、低遲滯、寬量程、快響應(yīng)；

耐高低溫、高壓、抗干擾、耐腐蝕、防爆、安裝維護(hù)便利6.應(yīng)用廣泛、要求千差萬(wàn)別；

航天、航空、兵器、船舶、機(jī)械、電子、化工、醫(yī)療、生物工程等皆有需求；

有的要求通用性強(qiáng)，有的要求專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，有的要求高精度；2015年工博會(huì)上我看到一款測(cè)量心率及人體姿態(tài)的穿戴傳感器，因走醫(yī)療路線(xiàn)，其很大一部分成本耗費(fèi)在了材料（耐汗?jié)n腐蝕，無(wú)毒無(wú)污染）和醫(yī)療應(yīng)用許可申請(qǐng)上；2.3發(fā)展趨勢(shì)1.發(fā)現(xiàn)新原理；

與行業(yè)最前沿，也可能比較邊緣的技術(shù)有關(guān)系，可多關(guān)注相關(guān)學(xué)科最新的科研動(dòng)態(tài)；2.開(kāi)發(fā)新材料；

傳感器領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的新材料包括半導(dǎo)體硅材料、石英晶體材料、功能陶瓷材料、光纖、高分子聚合物等；3.采用新工藝；

主要體現(xiàn)在微機(jī)械加工工藝；

①.平面電子加工工藝，如光刻、擴(kuò)散、沉積、氧化；

②.選擇性三維刻蝕技術(shù)；

③.固相鍵合工藝，如SI-SI鍵合，實(shí)現(xiàn)硅一體化結(jié)構(gòu)；

④.機(jī)械切割工藝，如分離切斷技術(shù)，避免損傷；

⑤.整體封裝工藝，將傳感器封裝于一個(gè)密閉腔體，隔離外界干擾；一、傳感器新原理、新材料、新工藝的發(fā)展趨勢(shì)2.3發(fā)展趨勢(shì)1.傳感器微型化；

體積小、重量輕、尺寸為微納米級(jí)；2.傳感器多功能；

是指能檢測(cè)兩種及以上的被測(cè)量；

例如使用特殊陶瓷將溫度和濕度敏感元件集成在一起，構(gòu)成溫濕度傳感器，美國(guó)honeywell研制的ST-3000智能壓力傳感器，在3*4*0.2mm的基片上采用半導(dǎo)體工藝，將靜壓、差壓、溫度三種敏感元件與處理系統(tǒng)集成，可測(cè)量三種被測(cè)量；3.集成化；

包含傳感器與集成電路（IC）的集成制造技術(shù)，以及多參量的集成制造技術(shù)，縮小了傳感器的體積，提高了抗干擾能力。二、傳感器微型化、多功能、集成化的趨勢(shì)此外傳感器還有智能化、多融合、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)2.4無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)/衛(wèi)星匯聚節(jié)點(diǎn)管理節(jié)點(diǎn)用戶(hù)檢測(cè)區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)既具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端功能，即可以進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理，還具有路由器的功能，對(duì)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理，協(xié)同完成一些任務(wù)；

匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較強(qiáng)，既連接傳感器網(wǎng)絡(luò)，又與外部網(wǎng)絡(luò)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種通信協(xié)議棧之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，匯聚節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)帶有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是一個(gè)單獨(dú)的通信模塊；

管理節(jié)點(diǎn)一般為普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用戶(hù)通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置、管理，發(fā)布檢測(cè)任務(wù)、收集數(shù)據(jù)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等。2.5無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

1.自組織、無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)；

沒(méi)有控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等（對(duì)等網(wǎng)絡(luò)），節(jié)點(diǎn)能夠隨時(shí)加入和撤離網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性；2.動(dòng)態(tài)性、多跳網(wǎng)絡(luò)；

節(jié)點(diǎn)可能死亡，也可能產(chǎn)生新的節(jié)點(diǎn)，所以網(wǎng)絡(luò)要具有可調(diào)性和重構(gòu)性；由于移動(dòng)終端的發(fā)射功率和覆蓋范圍有限，所以與覆蓋范圍之外的終端進(jìn)行通信，需要借助中間節(jié)點(diǎn)，多跳路由是由普通節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成，而非專(zhuān)門(mén)路由；3.硬件資源有限；

每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是信息的發(fā)起者，作為中間節(jié)點(diǎn)時(shí)又是轉(zhuǎn)發(fā)者，傳統(tǒng)的Internet協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)太大，需新的簡(jiǎn)單有效的通信協(xié)議；4.能量受限；

如何在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要課題之一；

2.5無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

5.大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)；

為了減少測(cè)量盲區(qū)，提高精確度，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)非常密集，因此需要大規(guī)模、冗余的嵌入式設(shè)備協(xié)同工作；

6.以數(shù)據(jù)為中心；

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要關(guān)心某個(gè)區(qū)域的參數(shù)指標(biāo)，而不是某個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)；7.無(wú)人值守；

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，每個(gè)接地需要自帶或者自主產(chǎn)生電能；8.易受物理環(huán)境影響；

無(wú)線(xiàn)傳感器隨著環(huán)境的變化而變化，因此