無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概論課件：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)

3.1.1傳感技術(shù)的地位和作用

1．傳感器與智能機(jī)器

當(dāng)今社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展的標(biāo)志就是信息化，人類文明已進(jìn)入信息時(shí)代。人們的社會(huì)活動(dòng)越來越依賴信息化裝備實(shí)現(xiàn)對(duì)信息資源的開發(fā)、獲取、傳輸與處理。傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段，是現(xiàn)代信息化裝備的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。傳感器是指那

些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受響應(yīng)與檢測(cè)功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的可輸出信號(hào)的元器件或裝置的總稱。傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程所要獲取的信息都要通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸和處理的電信號(hào)。

從無線傳感網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的角度看，傳感技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家信息化程度的重要標(biāo)志，傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱，如果把計(jì)算機(jī)比喻為處理和識(shí)別信息的“大腦”，把通信系統(tǒng)比喻為傳遞信息的神經(jīng)系統(tǒng)，那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺器官”。

傳感器是人類在漫長(zhǎng)進(jìn)化過程中逐漸發(fā)明出來的，人類在從事復(fù)雜勞動(dòng)和探尋自然界奧秘的時(shí)候，貪逐漸認(rèn)識(shí)到僅靠自身的五個(gè)感覺器官接收外界信息已不能滿足需要，必須制作能夠替代和擴(kuò)展五官功能的工具。自從古埃及人發(fā)明了天平，傳感器便與人類結(jié)下了不解之緣。如今歷史車輪已碾進(jìn)21世紀(jì)，人類的部分勞動(dòng)也已交由機(jī)器人完成。在眾多機(jī)器人中智能機(jī)器人的工作過程完全模仿了人體的活動(dòng)機(jī)理，傳感器將外界信息傳送給相當(dāng)于人腦的計(jì)算機(jī)處理，而相當(dāng)于人體四肢的執(zhí)行機(jī)構(gòu)則按計(jì)算機(jī)指令進(jìn)行操作，圖3-1所示為人的身體與機(jī)器人的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由此可見，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，以保證產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。

圖3-1人的身體與機(jī)器人的對(duì)應(yīng)關(guān)系2．傳感器與感覺器官

通常，根據(jù)傳感器的基本感知功能可將傳感器分為熱敏傳感器、光敏傳感器、氣敏傳感器、力敏傳感器、磁敏傳感器、濕敏傳感器、聲敏傳感器、放射線傳感器、色敏傳感器和味敏傳感器等十大類。具備“感覺器官”的傳感器稱為“電五官”，是人類五官的儀器信息化。光敏傳感器相當(dāng)于視覺，聲敏傳感器對(duì)應(yīng)聽覺，氣敏傳感器對(duì)應(yīng)嗅覺，化學(xué)傳感器則是味覺的延伸，壓敏、溫敏、流體傳感器則相當(dāng)于觸覺。圖3-2所示為感覺器官與電五官的關(guān)系圖。

圖3-2感覺器官與電五官的關(guān)系圖

目前，傳感器的性能雖然還達(dá)不到人體器官的感知性，但在量化數(shù)據(jù)、檢測(cè)范圍等方面已經(jīng)完全可以代替人體器官，人類感覺器官與傳感器差異的具體表現(xiàn)如下：

1)眼睛與視覺傳感器

眼睛是人體的視覺器官，可識(shí)別物體的材質(zhì)、方位、形狀、顏色及大小等，但人的視力僅限于可見光范圍，而視覺傳感器還能檢測(cè)到紅外線、可見光及紫外線。

紅外線視覺傳感器之所以能在伸手不見五指的黑夜看清物體，是因?yàn)闇囟瘸^絕對(duì)零度(-273.15℃)的物體都會(huì)以紅外線形式向外輻射能量。該能量與物體的溫度、材質(zhì)、狀態(tài)有關(guān)，測(cè)出輻射能量便能鑒別物體。紅外線視覺傳感器還能檢測(cè)人體血糖濃度(或啤酒渾濁度)，讓散射光照在傳感器前方的手指上，部分特定波長(zhǎng)的光線被血液中的葡萄糖吸收而使光譜發(fā)生變化，測(cè)出該變化可得到葡萄糖的吸收數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到血糖濃度等。

視覺CCD傳感器依其光敏元排列方式分為線型和面型，每個(gè)光敏元的光生電荷量不僅含有光照度的信息，還含有該單元位置的信息。這種視覺傳感器具有小型、響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠觀察物體的位置、姿態(tài)、尺寸及表面狀況，被廣泛應(yīng)用于攝像機(jī)、掃描儀等設(shè)備。

色彩視覺傳感器由紅、綠、藍(lán)三色光濾波器和光電器件組成，能看出紅、綠、藍(lán)及12種中間色，所以被用于涂料、染料及各種印刷品的色測(cè)定、色差管理和色均勻度判別。

雷達(dá)及光纖傳感器是真正的“千里眼”，雷達(dá)的原理是發(fā)射電波再接收回波，由時(shí)間差測(cè)定距離。雷達(dá)普遍用于找尋目標(biāo)和測(cè)定距離，如微型脈沖雷達(dá)就被用作無人駕駛系統(tǒng)的“眼睛”。光纖傳感器采用光波傳遞信息，具有頻帶寬、不受電磁干擾、耐腐蝕和可靠性高的特點(diǎn)，用于檢測(cè)各種機(jī)械量、過程控制量和電磁量。

2)皮膚與觸覺傳感器

作為人體觸覺器官的皮膚能感受壓力、硬度、形狀、滑動(dòng)、振動(dòng)、溫度等刺激，而各種觸覺傳感器同樣能對(duì)物體表面的物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。

手指觸覺傳感器(常用在機(jī)器手指的表面)是用橡膠膜制成的，中心為一根細(xì)導(dǎo)線，中間布滿了細(xì)小顆粒。這種顆粒被壓得越厲害，流經(jīng)導(dǎo)線的電流就越大。手指觸覺傳感器能識(shí)別小于1mm的凹凸，達(dá)到了人體指尖的靈敏度。

滑覺傳感器利用PVDF的順噪效應(yīng)或?qū)﹃嚵惺接|覺傳感器的圖像分析來檢測(cè)作用在機(jī)械手上的平行力，借助滑覺傳感器可以控制機(jī)械手用最小的力握住物體而不讓其滑動(dòng)。

人體皮膚感受溫度時(shí)只能在-40～80℃范圍內(nèi)了解其冷熱，否則就會(huì)受傷；而溫度傳感器不但測(cè)量范圍寬(從絕對(duì)零度到核融等離子體溫度)，而且具有人類望塵莫及的靈敏度，紅外溫度傳感器還能進(jìn)行非接觸測(cè)量。

3)耳朵與聽覺傳感器

耳朵是人體的聽覺器官，其機(jī)理是耳膜受外界的振動(dòng)沖擊并將信息送至大腦，耳朵輪廓的復(fù)雜形狀使大腦感知聲源的方位，人耳能感知的振動(dòng)頻率稱為音頻。

麥克風(fēng)和超聲波傳感器是常見的聽覺傳感器，前者能感知聽到的聲音，后者則能聽到高于20kHz的“聲音”，常用于無

無損探傷。當(dāng)物體產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，內(nèi)部以超聲波形式發(fā)出“聲音”，超聲波傳感器將之轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理。聽覺傳感器已應(yīng)用于機(jī)械、地震、航空、建筑等行業(yè)。

電容式聽覺傳感器能聽到火焰發(fā)出的“聲音”，其原理是檢測(cè)火焰周圍的空氣振動(dòng)，并與已知的頻率比對(duì)，從而判別火焰存在與否。

4)鼻子與嗅覺(氣體)傳感器

鼻子是人體的嗅覺器官，與之對(duì)應(yīng)的是各種嗅覺(氣體)傳感器。人類能感受酒精、丙酮等強(qiáng)烈氣味的氣體，但不能嗅出無色無味的氫、氦、氮、丁醇等氣體。而氣體傳感器不僅可以嗅出氣體的種類，還可嗅出氣體的濃度。例如，催化燃燒時(shí)氣體傳感器在吸收了氫氣、一氧化碳、烷、醚、醇、苯、天然氣、沼氣等氣體后，發(fā)生還原反應(yīng)，放出熱量使元件溫度升高、電阻值改變，變化量取決于氣體的濃度及成分。氣體傳感器在礦井、管道、車庫內(nèi)被制成各種氣體報(bào)警裝置。此外，利用氣體傳感器檢測(cè)汽車尾氣的成分，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)中空氣與燃料的比例，使燃燒更充分，減少環(huán)境污染。

5)舌頭與味覺傳感器

人體舌頭上的每一個(gè)小阜均含有250顆左右味蕾，味蕾的內(nèi)外側(cè)有100mV的電位差。當(dāng)口腔含有食物時(shí)，舌頭表面的活性酶有選擇地跟某些物質(zhì)起反應(yīng)引起電位差改變，刺激神經(jīng)組織而產(chǎn)生味覺。

味覺傳感器是基于模仿機(jī)理的。在膜體上附著上生物酶，酶便有選擇地與被檢測(cè)物質(zhì)進(jìn)行生化反應(yīng)，然后通過電化學(xué)方法將反應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)或電流轉(zhuǎn)換為傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。味覺傳感器常用于在線檢測(cè)發(fā)酵過程的pH值，甜度以及檢測(cè)肌肉素、尿素、血液中的氨基酸等。

感覺傳感器雖然在某些性能上超過人類，但人體細(xì)胞及蛋白質(zhì)的復(fù)雜多樣性使感覺傳感器在更多方面仍然無法與人體五官比擬。然而完全有理由相信，隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，更多的感覺傳感器的功能將會(huì)趕上甚至超過人體五官。3．傳感器的主要作用

傳感技術(shù)是關(guān)于從自然信源獲取信息，并對(duì)之進(jìn)行處理(變換)和識(shí)別的一門多學(xué)科交叉的現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)，它涉及傳感器(又稱換能器)，信息處理和識(shí)別的規(guī)劃設(shè)計(jì)、開發(fā)、制/建造、測(cè)試、應(yīng)用及評(píng)價(jià)改進(jìn)等活動(dòng)。

現(xiàn)在傳感技術(shù)應(yīng)用于很多行業(yè)領(lǐng)域，目前傳感技術(shù)廣泛用于軍事、國(guó)防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計(jì)量測(cè)試、建筑、家用電器等領(lǐng)域。傳感技術(shù)的主要作用有以下四個(gè)方面：

(1)在非電量測(cè)量方面的作用。很多物理現(xiàn)象及規(guī)律如溫度、壓力、濕度等都是非電量，這些非電量早期都采用非電量方法測(cè)量。隨著科學(xué)發(fā)展，對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量速度提出新的要求，傳統(tǒng)方法不能滿足測(cè)量要求，所以必須采用傳感器電測(cè)技術(shù)，把非電信息轉(zhuǎn)換為電量信息進(jìn)行測(cè)量。

(2)在工業(yè)生產(chǎn)及自動(dòng)化方面的作用。在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中，需用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程的各個(gè)參量，使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)或正常狀態(tài)，特別是傳感器與計(jì)算機(jī)結(jié)合，使自動(dòng)化過程具有更準(zhǔn)確、快捷、效率高等優(yōu)點(diǎn)。如果沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去基礎(chǔ)，工業(yè)化程度將大大降低。

(3)在基礎(chǔ)學(xué)科研究方面的作用?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，介入了許多新的科學(xué)領(lǐng)域。從茫茫的宇宙到微觀粒子世界，許多未知的現(xiàn)象和規(guī)律的研究都要依靠大量人類感官無法獲得的信息，故沒有相應(yīng)的傳感器是不可能達(dá)到目的的。

(4)在軍事方面的作用。傳感器技術(shù)在軍用電子系統(tǒng)的運(yùn)用，促進(jìn)了武器、作戰(zhàn)指揮、控制、監(jiān)視和通信方面的智能化。傳感器在遠(yuǎn)方戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)、防空系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)彈系統(tǒng)等方面都有廣泛的應(yīng)用，是提高軍事戰(zhàn)斗力的重要因素。3.1.2傳感技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1．傳感技術(shù)的歷史回顧和現(xiàn)狀

現(xiàn)在，傳感技術(shù)的地位和作用日益被人們所認(rèn)識(shí)，發(fā)展現(xiàn)代傳感技術(shù)是貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》的需要和重要舉措，已經(jīng)成為搶占科技制高點(diǎn)的必然途徑，是發(fā)展我國(guó)傳感器及測(cè)量?jī)x器民族工業(yè)的必然選擇，是增強(qiáng)我國(guó)在國(guó)際貿(mào)易中的話語權(quán)的重要手段，是增強(qiáng)我國(guó)綜合國(guó)力的戰(zhàn)略措施。

傳感技術(shù)在20世紀(jì)的中期問世，是在各國(guó)不斷發(fā)展與提高的工業(yè)化浪潮下誕生的。當(dāng)時(shí)傳感技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于與計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，早期的傳感技術(shù)多用于國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的科研研發(fā)、各國(guó)軍事技術(shù)以及航空航天領(lǐng)域的試驗(yàn)研究。隨著各國(guó)機(jī)械工業(yè)、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等相關(guān)信息化產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，以日本和歐美等西方國(guó)家為

代表的傳感器研發(fā)及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，并已在民品市場(chǎng)中逐步占有了極大的份額。

我國(guó)從20世紀(jì)60年代末開始傳感技術(shù)的研究與開發(fā)，經(jīng)過“七五”、“八五”的國(guó)家攻關(guān)，在傳感器研究開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、可靠性改進(jìn)等方面獲得長(zhǎng)足的進(jìn)步，初步形成了傳感器研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的體系，并在數(shù)控機(jī)床攻關(guān)中取得了一批可喜的、為世界矚目的發(fā)明專利與工況監(jiān)控系統(tǒng)或儀器的成果。但從總體上講，它還不能適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的迅速發(fā)展，我國(guó)不少傳感器芯片、信號(hào)處理和識(shí)別系統(tǒng)仍然依賴進(jìn)口。同時(shí)，我國(guó)傳感技術(shù)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)尚未形成，產(chǎn)品的改進(jìn)與革新速度慢，生產(chǎn)與應(yīng)用系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進(jìn)少。

從21世紀(jì)初開始，傳感技術(shù)引入基于微電子工藝的MEMS技術(shù)，使傳感器向著微型化、集成化、智能化方向發(fā)展。傳感器已成為汽車、制造機(jī)器人等工業(yè)領(lǐng)域的必備產(chǎn)品。傳感器制造技術(shù)也成為促進(jìn)手機(jī)、家電等消費(fèi)類電子產(chǎn)品快速發(fā)展的推動(dòng)力。當(dāng)今社會(huì)已經(jīng)邁向信息化時(shí)代，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)使得傳感器技術(shù)成為一種與現(xiàn)代科學(xué)密切相關(guān)的信息獲取的關(guān)鍵部件，并有機(jī)會(huì)尋求更大的突破與飛躍。在國(guó)外，傳感技術(shù)已廣泛地運(yùn)用到各國(guó)軍事技術(shù)、航空航天、檢測(cè)技術(shù)以及車輛工程等諸多領(lǐng)域。例如，在軍事上，國(guó)外激光制導(dǎo)技術(shù)迅猛發(fā)展，使導(dǎo)彈發(fā)射的精度和射中目標(biāo)的準(zhǔn)確性大幅度提高；美國(guó)在航空航天領(lǐng)域研制出了新型高精度高耐性紅外測(cè)溫傳感器，使其在惡劣的環(huán)境中仍能高精度測(cè)量出運(yùn)行中的飛行器各部分溫度；國(guó)外的城市交通管理也大多運(yùn)用電子紅外光電傳感器進(jìn)行路段事故檢測(cè)和故障排解；同時(shí)，國(guó)外現(xiàn)有汽車中常裝載有新型光電傳感器，如激光防撞雷達(dá)、紅外夜視裝置、測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃料特性裝置、測(cè)量壓力變化裝置及用于導(dǎo)航的光纖陀螺等。在國(guó)內(nèi)，傳感器行業(yè)發(fā)展迅速，傳感器市場(chǎng)近些年一直持續(xù)增長(zhǎng)，勢(shì)頭良好，傳感器主要應(yīng)用于工業(yè)制造、汽車產(chǎn)品、電子通訊和專用設(shè)備，其中工業(yè)制造和汽車產(chǎn)品達(dá)到市場(chǎng)份額的三分之一。傳感器給我國(guó)的迅速發(fā)展帶來了無限商機(jī)，西門子、霍尼韋爾、凱樂、橫河等傳感器大企業(yè)紛紛進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，為我國(guó)工業(yè)設(shè)備制造商和汽車制造業(yè)等傳感器最終消費(fèi)者帶來了很大便利，但也對(duì)國(guó)內(nèi)傳感器行業(yè)施加了很大壓力。國(guó)內(nèi)傳感器產(chǎn)品存在的主要問題：品種少、質(zhì)量較差；制造工藝技術(shù)相對(duì)落后；生產(chǎn)企業(yè)不掌握先進(jìn)的核心制造技術(shù)；高性能傳感器的科研成果轉(zhuǎn)化率較低。

就目前的現(xiàn)狀來看，無論是在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)外，傳感技術(shù)的發(fā)展都決定著人類信息化的發(fā)展進(jìn)度。傳感器技術(shù)已成為當(dāng)今科技領(lǐng)域的核心和支撐技術(shù)。

2．發(fā)展趨勢(shì)與特點(diǎn)

人類自21世紀(jì)開始全面步入信息時(shí)代，從一定意義上講，也就是進(jìn)入了傳感器時(shí)代。當(dāng)前備受國(guó)際關(guān)注的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)對(duì)于傳感器技術(shù)的依賴程度尤為突出。溫家寶總理在無錫視察時(shí)明確指出，要“盡快建立中國(guó)的傳感信息中心”、“在傳感網(wǎng)發(fā)展中，要早一點(diǎn)謀劃未來，早一點(diǎn)攻破核心技術(shù)”。由此可見，作為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略的重要標(biāo)志性產(chǎn)業(yè)，傳感器產(chǎn)業(yè)以其技術(shù)含量高、市場(chǎng)前景廣闊等特點(diǎn)備受世界各國(guó)關(guān)注。傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅為

物聯(lián)網(wǎng)提供支撐，還將在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移與技術(shù)升級(jí)，以及在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型中發(fā)揮積極作用。與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也為傳感技術(shù)提升和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了巨大市場(chǎng)空間。傳感器變革的方向主要有三個(gè)：微型化、智能化和可移動(dòng)性。在傳感器技術(shù)與制造工藝上，美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家處于國(guó)際市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。國(guó)內(nèi)目前技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的重點(diǎn)在材料、結(jié)構(gòu)和性能改進(jìn)三個(gè)方面：敏感材料從液態(tài)向半固態(tài)、固態(tài)方向發(fā)展；結(jié)構(gòu)向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展；性能向檢測(cè)量程寬、檢測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)久方向發(fā)展。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)企業(yè)過于分散，產(chǎn)業(yè)集中度不高，生產(chǎn)工藝裝備相對(duì)落后，缺乏技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)和動(dòng)力，均以仿造及二次開發(fā)為主，特別在敏感元件核心技術(shù)及生產(chǎn)工藝方面與國(guó)外差距較大，

導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化水平不能適應(yīng)市場(chǎng)快速變化和急劇增長(zhǎng)的需求，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，制約和影響了我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推進(jìn)對(duì)傳感器技術(shù)提出了新的要求，促使產(chǎn)品向MEMS工藝技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新材料、納米、薄膜(含SOI)、陶瓷技術(shù)、光纖技術(shù)、激光技術(shù)、復(fù)合傳感器技術(shù)等多學(xué)科交叉的融合技術(shù)方向發(fā)展。從國(guó)際整體發(fā)展?fàn)顩r來看，傳感技術(shù)具體有以下四個(gè)方面發(fā)展趨勢(shì)：

(1)無線網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)應(yīng)用，能適應(yīng)野外惡劣的自然環(huán)境與條件，能保持精度高、壽命長(zhǎng)、可靠性高和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，集防竊取、信息安全、保密性等高等功能于一體的無線網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)。

(2)運(yùn)用新原理、新結(jié)構(gòu)、新材料，實(shí)現(xiàn)微功耗、低成本、高可靠性等參數(shù)指標(biāo)的提升。如薄膜技術(shù)、光纖技術(shù)、納米技術(shù)、人工假鼻、皮膚、人工手腕、髖關(guān)節(jié)等技術(shù)，動(dòng)態(tài)模擬與動(dòng)畫技術(shù)，高倍與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和仿真技術(shù)，為野外特殊環(huán)境下傳感器配備和提供的微能量獲取與收集技術(shù)等。

(3)研發(fā)更高技術(shù)和創(chuàng)新類產(chǎn)品，并重視產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。如地震、颶風(fēng)等自然災(zāi)害預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)類傳感器產(chǎn)品。

(4)拓展市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。如自然環(huán)境與生活基礎(chǔ)設(shè)施類產(chǎn)品開發(fā)和工藝技術(shù)研究，復(fù)雜狀況的各種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。又如，跟蹤沙漠、森林、海洋、大氣等條件變化，研發(fā)應(yīng)用于橋梁、道路和建筑等的各種無線網(wǎng)絡(luò)傳感器。

從成熟角度來看，傳感器產(chǎn)業(yè)化技術(shù)呈現(xiàn)出以下主要發(fā)展特征：

(1)重視基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)工藝和共性關(guān)鍵技術(shù)的研究，保證基礎(chǔ)技術(shù)與基礎(chǔ)工藝處于世界領(lǐng)先地位。

(2)重視制造工藝技術(shù)與裝備研究與應(yīng)用，配置優(yōu)良的工藝裝備和檢測(cè)儀器，特別是智能化工藝設(shè)備，確保了工藝裝備的先進(jìn)性。

(3)重視新產(chǎn)品和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的開發(fā)，增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。瞄準(zhǔn)全球傳感技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展潮流與戰(zhàn)略前沿，確定研究課題和產(chǎn)品開發(fā)方向。

(4)重視傳感器的可靠性設(shè)計(jì)、控制與管理，嚴(yán)格控制工藝可靠性，有效地提高產(chǎn)品生產(chǎn)成品率。

(5)重視市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，加強(qiáng)市場(chǎng)調(diào)查與分析，以快速響應(yīng)市場(chǎng)。注重市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的個(gè)性化服務(wù)，做到響應(yīng)及時(shí)、品質(zhì)優(yōu)良、性價(jià)比高。

(6)重視產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，熟悉系統(tǒng)信息采集過程中上下游接口連接的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的完整性、統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性。

正因?yàn)槿绱耍瑐鞲衅鳟a(chǎn)品品種繁多，規(guī)格齊全，集成化與模塊化結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)，產(chǎn)品內(nèi)在與外觀質(zhì)量并重。雖然外形結(jié)構(gòu)類型千變?nèi)f化，但是傳感器產(chǎn)品品質(zhì)、產(chǎn)業(yè)化規(guī)模技術(shù)水平始終較高，市場(chǎng)配套與服務(wù)能力較強(qiáng)。因此，應(yīng)不斷把新技術(shù)運(yùn)用和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)推向新的高度，使同類產(chǎn)品不僅具有靈敏度、精度、穩(wěn)定性和可靠性等指標(biāo)上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在新材料應(yīng)用、生產(chǎn)制造工藝與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平上也同樣形成明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

3.1.3傳感技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

微型計(jì)算機(jī)的普及、信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展促使無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的產(chǎn)生。同時(shí)，無線傳感器網(wǎng)系統(tǒng)與人們的生活聯(lián)系日益緊密，形成了推動(dòng)獲得信息的傳感技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)指的是將紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，以方便識(shí)別和管理，因而又叫“物聯(lián)網(wǎng)”。比如，現(xiàn)實(shí)中，人們必須通過看、嘗、摸、聞才能形成對(duì)某種食物的綜合判斷，但如果把這幾種感知信息上傳至網(wǎng)上，那么即使身在遠(yuǎn)方，人們也能隨時(shí)了解到這種食物的色香味，這就是傳感網(wǎng)技術(shù)的魅力。

所謂無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，就是指由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的各類廉價(jià)的小型(或微型)集成化傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測(cè)各種環(huán)境或目標(biāo)對(duì)象的信息，然后通過嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行智能處理，最后通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端，從而真正實(shí)現(xiàn)“無處不在”的計(jì)算理念。無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式智能信息處理技術(shù)等。傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究采用系統(tǒng)發(fā)展模式，因而必須將現(xiàn)代的先進(jìn)微電子技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、系統(tǒng)芯片SOC設(shè)計(jì)技術(shù)、納米材料技術(shù)、現(xiàn)代信息通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等融合，以實(shí)現(xiàn)其小型化(微型化)、集成化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，特別是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的超低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在長(zhǎng)期無人值守的狀態(tài)下工作，在軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、智能交通、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都有重要的科研價(jià)值、巨大的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器是信息采集的核心和關(guān)鍵。從仿生學(xué)觀點(diǎn)來看，如果把計(jì)算機(jī)看成處理和識(shí)別信息的“大腦”，把通信系統(tǒng)看成傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”的話，那么傳感器就是“感覺器官”。信息的獲取需要依靠各類傳感器，包括各種物理量、化學(xué)量或生物量的傳感器。按照信息論的凸性定理，傳感器的功能與品質(zhì)決定了傳感器系統(tǒng)獲取自然信息的信息量和信息質(zhì)量，它也是高品質(zhì)傳感技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)造的關(guān)鍵。信息處理包括信號(hào)的預(yù)處理、后置處理、特征提取與選擇等。而識(shí)別的主要任務(wù)是對(duì)經(jīng)過處理的信息進(jìn)行辨識(shí)與分類。它利用被識(shí)別(或診斷)對(duì)象與特征信息間的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型對(duì)輸入的特征信息集進(jìn)行辨識(shí)、分類和判斷。因此，傳感技術(shù)是遵循信息論和系統(tǒng)論的，包含了眾多高新

技術(shù)，被眾多產(chǎn)業(yè)廣泛采用，也是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)條件，應(yīng)該受到足夠地重視。

綜上所述，微小傳感器技術(shù)和節(jié)點(diǎn)間的無線通信能力使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、環(huán)境、健康、家庭和其他商業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，在空間探索和災(zāi)難拯救等特殊的領(lǐng)域也有其得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展必定對(duì)傳感器提出特殊功能要求，帶動(dòng)傳感技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)摩爾定律，傳感器將會(huì)更加趨于集成化、微型化和智能化，為我們的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展提供更大的驅(qū)動(dòng)力。3.2傳感器的含義與分類

3.2.1傳感器的含義

傳感器(Transducer/Sensor)的定義：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件(SensingElement)是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件(TransducerElement)是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)以及其他某種可用信號(hào)的部分。傳感器狹義地定義：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件?？梢灶A(yù)料，當(dāng)人類跨入光子時(shí)代，光信息成為更便于快速、高效地處理與傳輸?shù)目捎眯盘?hào)時(shí)，傳感器的概念將隨之發(fā)展成為：傳感器是能把外界信息轉(zhuǎn)換成光信號(hào)輸出的器件。

傳感器的任務(wù)就是感知與測(cè)量。在人類文明史的歷次產(chǎn)業(yè)革命中，感受、處理外部信息的傳感技術(shù)一直扮演著一個(gè)重要的角色。在18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命以前，傳感技術(shù)由人的感官實(shí)現(xiàn)：人觀天象而仕農(nóng)耕，察火色以冶銅鐵。從18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命以來，特別是在20世紀(jì)信息革命中，傳感技術(shù)越來越多地由人造感官即工程傳感器來實(shí)現(xiàn)。目前，工程傳感器應(yīng)用廣泛，可以說任何機(jī)械電氣系統(tǒng)都離不開它?，F(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代科學(xué)探索，特別是現(xiàn)代軍事都要依靠傳感技術(shù)。如果一個(gè)大國(guó)沒有自身傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，必將處處受制。

現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)造了多種多樣的工程傳感器。工程傳感器可以輕而易舉地測(cè)量人體所無法感知的量，如紫外線、紅外線、超聲波、磁場(chǎng)等。從這個(gè)意義上講，工程傳感器超過人的感官能力。有些量雖然人的感官和工程傳感器都能檢測(cè)，但工程傳感器測(cè)量得更快、更精確。例如，雖然人眼和光傳感器都能檢測(cè)可見光進(jìn)行物體識(shí)別與測(cè)距，但是人眼的視覺殘留約為0.1s，而光晶體管的響應(yīng)時(shí)間可短至納秒以下；人眼的角分辨率為1'，而光柵測(cè)距的精確度可達(dá)1"；激光定位的精度在月球距離3×104km范圍內(nèi)可達(dá)10cm以下；工程傳感器可以把人所不能看到的物體通過數(shù)據(jù)處理變?yōu)橐曈X圖像，CT技術(shù)就是一個(gè)例子，它把人體的內(nèi)部形貌用斷層圖像顯示出來，其他的還有遙感技術(shù)。

但是，目前工程傳感器在以下幾方面還遠(yuǎn)比不上人類的感官：多維信息感知、多方面功能信息的感知功能、對(duì)信息變化的微分功能、信息的選擇功能、學(xué)習(xí)功能、對(duì)信息的聯(lián)想功能、對(duì)模糊量的處理能力以及處理全局和局部關(guān)系的能力，這正是今后傳感器智能化的一些發(fā)展方向。隨著信息科學(xué)與微電子技術(shù)，特別是微型計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳感器的發(fā)展走上了與微處理器或微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合的必由之路，智能(化)傳感器的概念應(yīng)運(yùn)而生。傳感器技術(shù)則是涉及傳感(檢測(cè))原理、傳感器件設(shè)計(jì)、傳感器開發(fā)和應(yīng)用的綜合技術(shù)，因此傳感器技術(shù)涉及多學(xué)科交叉研究。3.2.2傳感器的分類和性能要求

傳感器主要按其工作原理和被測(cè)量來分類。傳感器按其工作原理，一般可分為物理型、化學(xué)型和生物型三大類；按被測(cè)量——輸入信號(hào)分類，一般可以分為溫度、壓力、流量、物位、加速度、速度、位移、轉(zhuǎn)速、力矩、濕度、粘度、濃度等傳感器。傳感器按其工作原理分類便于學(xué)習(xí)研究，把握本質(zhì)與共性；而按被測(cè)量來分類，能很方便地表示傳感器的功能，便于選用。傳感器的分類，如表3-1所示。

表3-1傳感器的分類分類法類型說明按構(gòu)成基本效應(yīng)分物理型、化學(xué)型、生物型分別以轉(zhuǎn)換中的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等命名按構(gòu)成原理分結(jié)構(gòu)型以其轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)參數(shù)特性變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換物性型以其轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換按能量關(guān)系分能量轉(zhuǎn)換型傳感器輸出量直接由被測(cè)量能量轉(zhuǎn)換而得能量控制型傳感器輸出量能量由外電源供給，但受被測(cè)輸入量控制按作用原理分應(yīng)變型、電容型、壓電型、熱電型等以傳感器對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的作用原理命名按輸入量分位移、壓力、溫度、流址、氣體等以被測(cè)量命名(即按用途分類法)按輸出量分模擬型輸出量為模擬信號(hào)數(shù)字型輸出量為數(shù)字信號(hào)

物理型傳感器又可分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器。物性型傳感器是利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)感受被測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。在物性型傳感器中，敏感元件與轉(zhuǎn)換元件合為一體，一次完成“被測(cè)非電量→有用電量”的直接轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)型傳感器是以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用某些物理規(guī)律來感受被測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

的傳感器。這里需要加入轉(zhuǎn)換元件，實(shí)現(xiàn)“被測(cè)非電量→有用非電量→有用電量”的間接轉(zhuǎn)換。

按照敏感元件輸出能量的來源又可以把傳感器分成以下三類：

(1)自源型為僅含有轉(zhuǎn)換元件的最簡(jiǎn)單、最基本的傳感器構(gòu)成類型。此類型的特點(diǎn)：不需外能源；其轉(zhuǎn)換元件具有從被測(cè)對(duì)象直接吸取能量，并轉(zhuǎn)換成電量的電效應(yīng)；但其輸出能量較弱。一般包括如熱電偶、壓電器件等。

(2)帶激勵(lì)源型是轉(zhuǎn)換元件外加輔助能源的構(gòu)成類型。這里的輔助能源起激勵(lì)作用，它可以是電源，也可以是磁源。如某些磁電式傳感器和霍爾式傳感器等。此類傳感器的特點(diǎn)是：不需要變換(測(cè)量)電路即可有較大的電量輸出。

(3)外源型由利用被測(cè)量實(shí)現(xiàn)阻抗變化的轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成，它必須通過外電源經(jīng)過測(cè)量電路在轉(zhuǎn)換元件上加入電壓或電流，才能獲得電量輸出。這些測(cè)量電路又稱為“信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路”，常用的有電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器和脈沖調(diào)寬電路等。

自源型和帶激勵(lì)源型傳感器由于其轉(zhuǎn)換元件起著能量轉(zhuǎn)換的作用，故稱其為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，外源型傳感器又稱為能量控制型傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器中用到的物理效應(yīng)：壓電效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、光電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)、光電放射效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光子滯后效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、熱電磁效應(yīng)、電離效應(yīng)等；能量控制型傳感器中用到的物理效應(yīng)：應(yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、光電阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、約瑟夫遜效應(yīng)以及阻抗(電阻、電容、電感)幾何尺寸的控制等。應(yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、光電阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、約瑟夫遜效應(yīng)以及阻抗(電阻、電容、電感)幾何尺寸的控制等。

對(duì)傳感器的基本性能要求如下：

①足夠的容量——傳感器的工作范圍或量程足夠大；傳感器具有一定的過載能力。

②靈敏度高，精度適當(dāng)——要求其輸出信號(hào)與被測(cè)輸入信號(hào)成確定關(guān)系(通常為線性)，且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求。

③響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定、可靠性好。

④適用性和適應(yīng)性強(qiáng)——體積小、重量輕、動(dòng)作耗損能量小，對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)影

響??；內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾；其輸出力求采用通用或標(biāo)準(zhǔn)形式，以便與系統(tǒng)

對(duì)接。

⑤使用經(jīng)濟(jì)——成本低，壽命長(zhǎng)，且便于使用、維修和校準(zhǔn)。3.3典?型?傳?感?器

3.3.1力敏傳感器

力敏傳感器是用來檢測(cè)氣體、固體、液體等物質(zhì)間相互作用力的傳感器，力敏傳感器常用的敏感材料有半導(dǎo)體、金屬及合成材料。常用的力敏傳感器主要有電阻應(yīng)變片、硅壓阻式力敏傳感器和電容式力敏傳感器等。其中，硅壓阻式力敏傳感器的性能最好，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度好、精度高，但受溫度影響比較大。

力敏傳感器中的電阻應(yīng)變片能將機(jī)械構(gòu)件上的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，因?yàn)閷?dǎo)體的電阻與材料的電阻率及它的幾何尺寸(長(zhǎng)度和截面積)有關(guān)。由于導(dǎo)體在承受機(jī)械形變過程中，其電阻率、長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生微小的變化，從而導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化。

電阻應(yīng)變片主要有金屬絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變化和半導(dǎo)體應(yīng)變片。傳感器將四片相同的電阻應(yīng)變片分別粘貼在彈性平行梁的上下兩表面的適當(dāng)?shù)奈恢?，梁的一端固定，另一自由端用于加載外力F，力敏傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-3所示。彈性梁受載荷作用而彎曲，梁的上表面受到拉力，梁上面的兩個(gè)電阻應(yīng)變片R1和R2因受拉力而電阻增大；梁的下表面受壓力，R3和R4電阻減小。這樣，通過外力的作用使梁發(fā)生形變進(jìn)而造成四個(gè)電阻的值發(fā)生變化，把應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。

圖3-3力敏傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

應(yīng)變片的電阻值R1?=?R2?=?R3?=?R4，由應(yīng)變片組成的全橋測(cè)量電路如圖3-4所示。當(dāng)應(yīng)變片受到外力作用時(shí)，彈性體產(chǎn)生形變，使得粘貼在彈性體上的電阻應(yīng)變片R1～R4的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，有電壓輸出，輸出的電壓值U與所受到的外力F的大小成正比。即U?=?K?×?F，其中K是力敏傳感器的靈敏度。圖3-4應(yīng)變片全橋測(cè)量電路

利用這種力敏效應(yīng)可以檢測(cè)力的相關(guān)參數(shù)，可分為幾何學(xué)量、運(yùn)動(dòng)學(xué)量及力學(xué)量三部分。其中，幾何學(xué)量指的是位移、形變、尺寸等；運(yùn)動(dòng)學(xué)量是指幾何學(xué)量的時(shí)間函數(shù)，如速度、加速度等；力學(xué)量包括質(zhì)量、力、力矩、壓力、應(yīng)力等。力敏電阻器的主要參數(shù)有：

(1)溫度系數(shù)。力敏電阻器的電阻值的變化與溫度有關(guān)。溫度變化1℃，電阻值變化的百分?jǐn)?shù)稱為溫度系數(shù)。

(2)靈敏度系數(shù)。指力敏電阻器形變與電阻值的變化關(guān)系，形變與電阻值的變化關(guān)系必須滿足?r/r=k?l/l，其中K就是靈敏度系數(shù)。

(3)靈敏度溫度系數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)力敏電阻器的靈敏度下降，溫度每升高1℃，靈敏度系數(shù)下降的百分比稱為靈敏度溫度系數(shù)。

(4)溫度零點(diǎn)漂移。在環(huán)境溫度范圍內(nèi)，環(huán)境溫度每變化1℃引起的零點(diǎn)輸出變化與額定輸出的百分比稱為溫度零點(diǎn)漂移。

3.3.2磁敏傳感器

磁敏傳感器是將磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換成各種有用信號(hào)的裝置，它是各種測(cè)磁儀器的核心。到目前為止，已形成了十多種常用的測(cè)磁方法，研制和生產(chǎn)出了幾十個(gè)大類上百種測(cè)磁儀器。如圖3-5所示，一般測(cè)磁儀器都是由磁敏傳感器(磁敏元件和轉(zhuǎn)換器)、信號(hào)處理電路和讀出電路組成，傳感器決定儀器的基本性能(例如靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、精確度)，信號(hào)處理電路可以實(shí)現(xiàn)放大、轉(zhuǎn)換(例如F/V、A/D等轉(zhuǎn)換)、補(bǔ)償、校正等功能。

圖3-5一般測(cè)磁儀器的組成方塊圖

作為信息載體的磁性材料一直是人們研究的重點(diǎn)。計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)、音像信息的記錄，各種物體運(yùn)動(dòng)信息(位置、位移、速度、轉(zhuǎn)速等)，都可以借助磁性體作為信息載體。因而，需要大量各種各樣的磁讀出、寫入和傳感裝置，而這也促使磁敏傳感器逐漸地和測(cè)磁儀器分離，形成獨(dú)立的磁敏傳感器產(chǎn)品。可以說，任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一輛汽車、一家工廠離開磁敏傳感器都不能夠正常工作。同時(shí)，磁敏傳感器已深入到人們?nèi)粘Ｉ钪?，例如收錄機(jī)、電視錄像機(jī)、空調(diào)機(jī)、洗衣機(jī)等，都大量地使用著磁敏傳感器。典型的磁敏傳感器主要有以下五種：

1．霍爾傳感器

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall，1855—1938年)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，且半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多。之后，人們利用這現(xiàn)象制成各種霍爾元件，并將它廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面。

霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的效應(yīng)。當(dāng)帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上的正負(fù)電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)，圖

3-6所示為霍爾效應(yīng)示意圖。

圖3-6霍爾效應(yīng)示意圖

對(duì)于半導(dǎo)體而言，若在x方向通一電流Is，在z方向加磁場(chǎng)B，則在y方向即試樣A、A′電極兩側(cè)就開始聚積異號(hào)電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場(chǎng)。電場(chǎng)的指向取決于試樣的電類型。顯然，該電場(chǎng)是阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)載流子所受的由電場(chǎng)EH產(chǎn)生的電場(chǎng)力與洛侖茲力FB相等時(shí)，半導(dǎo)體兩側(cè)電荷的積累就達(dá)到平衡，故在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生電勢(shì)差，稱為霍爾電壓。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會(huì)產(chǎn)生霍爾電流。一般地，偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準(zhǔn)電壓源給出；若精度要求高，則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。目前，多數(shù)商用的霍爾傳感器使用砷化銦，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，靈敏度范圍為10-3～1000Gs，工作頻率范圍為0～1?MHz，功耗在0.1～0.2W之間，工作溫度范圍為-100～100℃。一般地，霍爾傳感器工作時(shí)需要通過溫度傳感器和運(yùn)算放大器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2．磁阻傳感器

有些材料的阻值在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生變化，通過這些材料制作的傳感器叫做磁阻傳感器。磁阻傳感器主要包括各向異性磁電阻(AnisotropicMagnetoResistance，AMR)傳感器和巨磁電阻(GiantMagnetoResistance，GMR)傳感器。傳感器由長(zhǎng)而薄的坡莫合金(鐵鎳合金)制成一維磁阻微電路集成芯片(二維和三維磁阻傳感器可以測(cè)量二維或三維磁場(chǎng))，一般是利用半導(dǎo)體工藝將鐵鎳合金薄膜附著在硅片上，磁阻傳感器及等效電路如圖3-7所示。

圖3-7磁阻傳感器及等效電路

AMR傳感器是利用一些材料的電阻與磁化、電流方向的角度關(guān)系制作的傳感器，材料主要為鐵磁介質(zhì)。AMR傳感器靈敏度范圍為10-2～50Gs，工作頻率范圍為0～1GHz，功耗在0.1～0.5mW之間，工作溫度為-55～200℃。AMR傳感器重量輕、體積小，常應(yīng)用于地磁場(chǎng)測(cè)量、電子羅盤、導(dǎo)航系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)的車輪速度測(cè)量。

GMR傳感器電阻的變化量會(huì)達(dá)到10%以上，有的會(huì)達(dá)到60%，而AMR傳感器的電阻變化量一般只有百分之幾。GMR傳感器能檢測(cè)的磁場(chǎng)范圍為10-3～104Gs。GMR傳感器通常由鐵磁層與抗鐵磁層交替組成的，靈敏度高、能耗和穩(wěn)定性好，可以應(yīng)用在位移測(cè)量、精密機(jī)械定位、速度控制、導(dǎo)彈導(dǎo)航等領(lǐng)域。

3．測(cè)量線圈磁場(chǎng)計(jì)

測(cè)量線圈磁場(chǎng)計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的原理來測(cè)量磁場(chǎng)的，線圈通過時(shí)變磁場(chǎng)或一個(gè)非均勻磁場(chǎng)時(shí)，線圈的磁通密度會(huì)發(fā)生變化，線圈中會(huì)感應(yīng)出電流，而輸出電壓與導(dǎo)線兩端磁通密度的變化率成正比。測(cè)量線圈磁場(chǎng)計(jì)的靈敏度與鐵磁芯材料的磁導(dǎo)率、線圈面積、線圈匝數(shù)以及磁通密度通過線圈的變化率有關(guān)，此類傳感器沒有檢測(cè)上限，靈敏度可以通過改變鐵磁芯的方式加以改善，主要應(yīng)用在環(huán)境較惡劣的場(chǎng)合。測(cè)量線圈磁場(chǎng)計(jì)只能用來測(cè)試時(shí)變磁場(chǎng)，不能用于直流磁場(chǎng)的測(cè)量。測(cè)量線圈磁場(chǎng)計(jì)能測(cè)量的磁場(chǎng)大于20fT；典型的頻率范圍為1?Hz～1?MHz，頻率上限受制于線圈電感與電阻的比；功耗在1～10?mW之間；線圈的典型尺寸在0.05～1.3?m之間。

4．磁通門傳感器

磁通門傳感器實(shí)際上就是利用變壓器的電磁感應(yīng)效應(yīng)，通過磁芯將外界磁場(chǎng)調(diào)制成偶次諧波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境磁場(chǎng)測(cè)量的。在一根磁性材料的磁芯上，分別繞制兩組三維螺線管線圈，其中一組為激勵(lì)線圈，另一組為感應(yīng)線圈，鐵、鈷、鎳及其合金等均屬于高磁導(dǎo)率磁介質(zhì)，其磁導(dǎo)率高達(dá)104～105，在磁場(chǎng)中它們有極強(qiáng)的聚磁能作用，圖3-8所示為電磁感應(yīng)示意圖。當(dāng)一正弦激勵(lì)電流流過其中一個(gè)線圈時(shí)，電流會(huì)使鐵磁芯磁化。由于磁滯現(xiàn)象，通過鐵芯的磁通密度會(huì)落后于電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，所以通過鐵芯的磁通密度的改變可以通過第二個(gè)線圈檢測(cè)出來，一般磁性材料的磁化曲線如圖3-9所示。其中，Hc表示磁性材料的矯頑力；Hs表示磁性材料的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度；Br表示磁性材料的剩余磁場(chǎng)；Bs表示磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖3-8電磁感應(yīng)示意圖圖3-9磁性材料的磁化曲線

上述物理模型可以說明，這種與變壓器相伴生的現(xiàn)象，對(duì)于環(huán)境磁場(chǎng)來說就好像是一道“門”，通過這道“門”，環(huán)境磁場(chǎng)被調(diào)制成偶次諧波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為磁通門現(xiàn)象。由環(huán)境磁場(chǎng)產(chǎn)生的那部分感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為磁通門信號(hào)。磁通門的高穩(wěn)定性、高線性度和高精度，使其成為測(cè)量高精度弱磁場(chǎng)的最優(yōu)選擇。它們可以對(duì)直流(DC)場(chǎng)進(jìn)行精確測(cè)量，大量應(yīng)用在磁羅盤導(dǎo)航系統(tǒng)方面，也可以用來檢測(cè)潛艇、探礦和測(cè)量電流。磁通門的靈敏度范圍為10-2～107nT，分辨率為100pT，響應(yīng)頻率的上限為10kHz，功耗約100mW。該傳感器具有復(fù)雜的磁芯線圈，并且重量大、功耗大，而減小重量和功耗的同時(shí)會(huì)減小靈敏度和穩(wěn)定性。因此，為了獲得小型化磁通門傳感器必須解決兩個(gè)問題：線圈的小型化和磁芯的集成。

5．SQUID磁場(chǎng)計(jì)

SQUID磁場(chǎng)計(jì)是基于某種材料處于它的超導(dǎo)溫度后電流和磁場(chǎng)之間的顯著反應(yīng)來測(cè)量磁場(chǎng)的。當(dāng)材料處于超導(dǎo)溫度時(shí)，會(huì)成為超導(dǎo)體，對(duì)電流沒有阻力。磁通密度的磁力線通過一個(gè)超導(dǎo)材料制備的線圈會(huì)在環(huán)中感應(yīng)出電流，在沒有任何干擾的情況下，該電流會(huì)一直存在。而產(chǎn)生的電流的大小與磁通密度有關(guān)，電流的測(cè)量是根據(jù)約瑟夫森效應(yīng)進(jìn)行的。SQUID的靈敏度非常高，適合應(yīng)用在天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)和醫(yī)學(xué)方面。

目前，SQUID磁場(chǎng)中是低頻(小于1Hz)測(cè)量磁場(chǎng)最靈敏的設(shè)備，可達(dá)fT的數(shù)量級(jí)，工作時(shí)功耗為幾瓦。SQUID磁場(chǎng)中工作在低溫狀態(tài)并且對(duì)電磁干擾非常敏感，需要復(fù)雜的

基礎(chǔ)設(shè)備(液氮和電磁屏蔽等)，所以SQUID的體積和重量都非常大，從而限制了它的應(yīng)用范圍。

3.3.3光敏傳感器

光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，主要有光電管傳感器、光電倍增管傳感器、光敏電阻傳感器、光敏三極管傳感器、太陽能電池傳感器、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。光敏傳感器的敏感波長(zhǎng)在可見光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。光敏傳感器不只局限于對(duì)光的探測(cè)，還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。

一般地，光敏傳感器內(nèi)裝有一個(gè)高精度的光電管，當(dāng)向光電管兩端施加一個(gè)反向的固定壓力時(shí)，任何光子對(duì)它的沖擊都將導(dǎo)致其釋放出電子。光照強(qiáng)度越高，光電管的電流也就越大，電流通過一個(gè)電阻時(shí)，電阻兩端的電壓被轉(zhuǎn)換成可被采集器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收的0～5V電壓，然后采集器以適當(dāng)?shù)男问桨呀Y(jié)果保存下來。簡(jiǎn)單地說，光敏傳感器就是利用光敏電阻受光線強(qiáng)度影響而阻值發(fā)生變化的原理向主機(jī)發(fā)送光線強(qiáng)度的模擬信號(hào)的。

1．光敏電阻

光敏電阻是最簡(jiǎn)單的光敏傳感器，其工作原理是利用半導(dǎo)體內(nèi)的光電效應(yīng)，當(dāng)有光照射半導(dǎo)體表面時(shí)，光子能量被半導(dǎo)體吸收，半導(dǎo)體受激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而提高導(dǎo)電載流子濃度，降低半導(dǎo)體電阻；當(dāng)入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)將復(fù)合，半導(dǎo)體阻值也就恢復(fù)原值。入射光強(qiáng)，電阻減小；入射光弱，電阻增大，光敏基本原理如圖3-10所示。圖3-10光敏電阻基本原理

在半導(dǎo)體光敏電阻兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體，通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可加交流電壓，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子的數(shù)目。光敏電阻的光譜范圍從紫外線區(qū)到紅外線區(qū)。光敏電阻具有靈敏度高、體積小、性能穩(wěn)定、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)。光敏電阻的主要性能參數(shù)如下：光敏電阻不受光照時(shí)的電阻稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流稱為暗電流；受到光照時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)電流稱為亮電流；暗電阻越大越好，亮電阻越小越好。實(shí)際應(yīng)用中，暗電阻大約在兆歐級(jí)，亮電阻大約在幾千歐以下。圖3-11所示為光敏電阻結(jié)構(gòu)、圖形符號(hào)。光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，除具有靈敏度高、反應(yīng)速度快、光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫、多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)、太陽能庭院燈、草坪燈、驗(yàn)鈔機(jī)、石英鐘、音樂杯、禮品盒、迷你小夜燈、光聲控開關(guān)、路燈自動(dòng)開關(guān)以及各種光控玩具、光控?zé)麸?、燈具等光自?dòng)開關(guān)控制領(lǐng)域。

圖3-11光敏電阻結(jié)構(gòu)、圖形符號(hào)

2．光敏二極管

光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的，其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，因此工作時(shí)需要加上反向電壓。當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下產(chǎn)生漂移，使反向電流增加。

無光照時(shí)，光敏二極管有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時(shí)光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)受到光照時(shí)，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，并隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。因此，可以利用光照強(qiáng)弱來改變電路中的電流，無光時(shí)PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，有光時(shí)PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

3．光敏三極管

光敏三極管分為PNP和NPN兩種。

光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不僅受基極電路和電流控制，還受光輻射控制。

通常，光敏三極管的基極不引出，但一些光敏三極管的基極會(huì)引出，用于溫度補(bǔ)償和附加控制等。

光敏三極管的光電特性：當(dāng)光敏電阻兩極電壓固定不變時(shí)，光照度與電阻及電流間的關(guān)系稱為光電特性，光電特性曲線如圖3-12所示。

圖3-12光電特性曲線3.3.4溫度傳感器

溫度傳感器是指能感受溫度并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分，其品種繁多。溫度傳感器按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性可分為熱電阻和熱電偶兩類。

1．接觸式

接觸式溫度傳感器通過接觸物體的傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使得傳感器輸出變化的信號(hào)可以直接表示為被測(cè)對(duì)象的溫度，其測(cè)量精度一般較高。在一定的測(cè)溫范圍內(nèi)，此類溫度傳感器也可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)體、小目標(biāo)或熱容量很小的對(duì)象則會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。這類傳感器主要是基于熱電阻和熱電偶等兩種熱效應(yīng)的，主要有鉑電阻、熱敏電阻、熱電偶、PN結(jié)型溫度傳感器以及硅半導(dǎo)體溫度傳感器等，溫度傳感器的性能對(duì)比如表3-2所示。類傳感器主要是基于熱電阻和熱電偶等兩種熱效應(yīng)的，主要有鉑電阻、熱敏電阻、熱電偶、PN結(jié)型溫度傳感器以及硅半導(dǎo)體溫度傳感器等，溫度傳感器的性能對(duì)比如表3-2所示。

表3-2溫度傳感器性能對(duì)比

溫度傳感器類型靈敏度溫度系數(shù)/℃溫度范圍線性可靠性成本其他熱敏電阻高-4%窄差差低

鉑電阻低0.4%寬好好高

熱電偶低幾mV寬中中高需要參考點(diǎn)，使用不方便PN結(jié)型溫度傳感器中-2mV窄好中低分散性硅溫度傳感器較高0.7%較寬好好低

1)熱電偶

熱電偶是指由兩種不同成分的材質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，其基本原理是當(dāng)導(dǎo)體兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流流過，此時(shí)導(dǎo)體兩端就存在電動(dòng)勢(shì)，即為熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeckeffect)，熱電偶模型如圖3-13所示。兩種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體A和B為熱電極，溫度較高的一端為工作端t，溫度較低的一端為自由端t0，自由端

通常處于某個(gè)恒定的溫度下，此時(shí)回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”，兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”。

圖3-13熱電偶模型

并不是所有材料都能組成熱電偶，一般對(duì)熱電偶的電極材料的基本要求如下：

①在測(cè)溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間而變化，有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；

②電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱小；

③測(cè)溫中，產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)要大，并且熱電動(dòng)勢(shì)與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數(shù)關(guān)系；

④材料復(fù)制性好，機(jī)械強(qiáng)度高，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。

根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，可以制成熱電偶分度表。分度表是自由端在溫度0℃的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類：標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差，并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。我國(guó)從1988年起，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。表3-3為常用熱電偶型號(hào)、熱電極材料和使用溫度關(guān)系表。表3-3常用熱電偶型號(hào)、熱電極材料和使用溫度關(guān)系表型號(hào)熱電極材料使用溫度范圍/℃S鉑銠合金(銠含量10%)/純鉑0～1600R鉑銠合金(銠含量13%)/純鉑0～1600B鉑銠合金(銠含量30%)/鉑銠合金(銠含量6%)0～1800K鎳鉻/鎳硅0～1300T純銅/銅鎳0～350J鐵/銅鎳0～500N鎳鉻硅/鎳硅0～800E鎳鉻/銅鎳0～600

2)熱敏電阻

熱敏電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的。電阻的熱效應(yīng)即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測(cè)量出感溫?zé)崦綦娮璧淖柚底兓?，就可以測(cè)量出溫度。目前，熱敏電阻主要有金屬熱敏電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。

金屬熱敏電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即

Rt?=?Rt0[1

+?α?(t?-?t0)](3-1)

式中，Rt為溫度t時(shí)的阻值；Rt0為溫度t0(通常t0?=?0℃)時(shí)對(duì)應(yīng)電阻值；α為溫度系數(shù)。

工業(yè)上常使用金屬熱敏電阻，其電阻會(huì)隨溫度變化，大部分金屬導(dǎo)體都有這個(gè)性質(zhì)，但并不是都能用作測(cè)溫?zé)崦綦娮?，作為熱敏電阻的金屬材料一般要求：盡可能大且穩(wěn)定的溫度系數(shù)、電阻率要大(在同樣靈敏度下需要減小傳感器的尺寸)、在使用的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學(xué)物理性能、材料的復(fù)制性好、電阻值隨溫度變化要有間值函數(shù)關(guān)系(最好呈線性關(guān)系)。目前，實(shí)用化的金屬熱敏電阻材料為鉑、銅和鎳。

半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為

Rt

=?AeB/t(3-2)式中，Rt為溫度為t時(shí)的阻值，A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高(通常在數(shù)千歐以上)，但熱敏電阻互換性較差，非線性關(guān)系強(qiáng)，測(cè)溫范圍只有-50～300℃左右，其大量用于家電和汽車的溫度檢測(cè)和控制。金屬熱敏電阻一般適用于-200～500℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，其特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程序控制中的應(yīng)用極其廣泛。圖3-14為三種熱敏電阻特性曲線。

圖3-14熱敏電阻特性曲線

熱敏電阻是用具有不同溫度系數(shù)的半導(dǎo)體材料制成的，主要有正溫度系數(shù)(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)(NTC)和臨界溫度系數(shù)(CTR)等三種。其中，正溫度系數(shù)和臨界溫度系數(shù)有居里溫度點(diǎn)，在居里溫度點(diǎn)附近傳感器阻值會(huì)隨著溫度變化產(chǎn)生劇烈改變。由于熱敏電阻是一種電阻性器件，任何電流源都會(huì)在其上因功率而發(fā)熱。功率等于電流平方與電阻的積，因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱環(huán)境中，將導(dǎo)致熱敏電阻永久性損壞。2．非接觸式

最常用的非接觸式溫度傳感器是基于黑體輻射基本定律的傳感器，輻射測(cè)溫法包括亮度法、輻射法和比色法。此類溫度傳感器的敏感元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸，可用來測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)對(duì)象的表面溫度，也可用于測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布。黑體輻射定律是由德國(guó)物理學(xué)家普朗克(Max

Planck)于1900年所發(fā)現(xiàn)的，它是一個(gè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的純粹經(jīng)驗(yàn)公式，也是公認(rèn)的物體間熱力傳導(dǎo)基本法則。普朗克提出了能量量子化假設(shè)：輻射中心是帶電的線性諧振子，它能夠同周圍的電磁場(chǎng)交換能量，諧振子的能量不連續(xù)，是一個(gè)量子能量的整數(shù)倍，即

(n?=?1,2,3,…)(3-3)式中，v是諧振子的振動(dòng)頻率；h是普朗克常數(shù)，是量子論中最基本的常數(shù)。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，可以導(dǎo)出普朗克公式為

·(3-4)

式(3-4)給出了輻射場(chǎng)能量密度按頻

率變化的分布式，其中T是熱力學(xué)

溫度，k是玻耳茲曼常數(shù)。輻射場(chǎng)

能量密度隨波長(zhǎng)變化的分布曲線，

同實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致，如圖3-15

所示。圖3-15輻射場(chǎng)能量密度按波長(zhǎng)變化

的分布曲線3.3.5氣敏傳感器

氣敏傳感器的檢測(cè)氣體可以分成以下三大類：一是生命保障氣體，主要是氧氣；二是易燃易爆氣體，如H2、CH4、C4H10等可燃性氣體；三是有毒有害氣體，包括CO、NO2、CO2和有機(jī)VOC蒸汽等。有毒有害和易燃易爆氣體具有很大的危害性，對(duì)人類來說是致命的。氣敏傳感器是一種檢測(cè)特定氣體的傳感器，它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警，還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。目前，氣敏傳感器采用的檢測(cè)方法主要有電化學(xué)法、半導(dǎo)體法、紅外光學(xué)法、聲表面波法、氣相色譜分析法等。各種氣體檢測(cè)方法的對(duì)比分析如表3-4所示。

表3-4各種氣體檢測(cè)方法的對(duì)比分析序號(hào)檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1電化學(xué)法精度高、響應(yīng)快、選擇性好成本高、量程小、壽命短2半導(dǎo)體傳感器法響應(yīng)快，量程寬，壽命長(zhǎng)、成本低、操作簡(jiǎn)單、易于便攜使用穩(wěn)定性較差、選擇性差、需要加熱、易受環(huán)境干擾3紅外光學(xué)法靈敏度較高、無污染、速度快、穩(wěn)定性好、可分多組同時(shí)檢測(cè)成本高、檢測(cè)氣體種類有限4聲表面波法檢測(cè)精度高、靈敏度高、分辨率高選擇性差、抗環(huán)境干擾差5MEMS傳感器體積小、功耗低、易于集成工藝技術(shù)復(fù)雜、存在尺度效應(yīng)、缺乏相關(guān)的工藝標(biāo)準(zhǔn)、制備條件高6氣相色譜法檢測(cè)精度高、檢測(cè)范圍寬、壽命長(zhǎng)成本高、設(shè)備昂貴、需要專業(yè)人員操作電化學(xué)傳感器主要有固體電解質(zhì)型、恒電位電解型和伽伐尼型三種類型，圖3-16所示為典型電化學(xué)傳感器的模型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其膜電極和電解質(zhì)結(jié)構(gòu)非常適用于有毒性氣體檢測(cè)，具有響應(yīng)速度快、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是成本高、量程小及壽命短，其特別適合于SO2、CO2和NOQ檢測(cè)。

圖3-16典型電化學(xué)傳感器的模型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

紅外光學(xué)氣體傳感器是利用近紅外光譜選擇吸收特性原理制成的新型傳感器，根據(jù)不同氣體成分具有不同種分子官能基團(tuán)，以及氣體濃度與吸收強(qiáng)度的關(guān)系，確定氣體種類和濃度的變化，它具有穩(wěn)定性好、檢測(cè)快的優(yōu)點(diǎn)，適用于濃度范圍大的復(fù)雜多組分混合氣體的在線分析，圖3-17為紅外光學(xué)氣體傳感器的結(jié)構(gòu)。圖3-17紅外光學(xué)氣體傳感器的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體傳感器主要包括金屬氧化物半導(dǎo)體和導(dǎo)電聚合物，常用的金屬氧化物半導(dǎo)體材料有SnO2、ZnO、WO3、In2O3等，當(dāng)其吸附某種氣體時(shí)會(huì)導(dǎo)致該氧化物的電阻變化產(chǎn)生信號(hào)。導(dǎo)電聚合物是以有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料(如吡咯、苯胺、噻吩、吲哚等堿性有機(jī)物的聚合物及衍生物)為主，當(dāng)與氣體反應(yīng)后通常引起電阻阻值增加產(chǎn)生信號(hào)。半導(dǎo)體氧化物傳感器具有響應(yīng)快、量程寬、成本低、操作簡(jiǎn)單、易于便攜使用等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用。特別是隨著MEMS工藝技術(shù)的發(fā)展，MEMS在微型化、集成化和低功耗方面的優(yōu)勢(shì)，使得半導(dǎo)體傳感器成為了氣體傳感器發(fā)展的方向。圖3-18為半導(dǎo)體傳感器的結(jié)構(gòu)。

圖3-18半導(dǎo)體傳感器的結(jié)構(gòu)3.3.6濕敏傳感器

濕度是表示大氣干濕程度的物理量。在一定溫度、一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕。濕度常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、比較濕度、混合比、飽和差以及露點(diǎn)溫度等物理量來表示。在濕蒸汽中水蒸氣的重量占蒸汽總重量(體積)的百分比，稱為蒸汽的濕度。

絕對(duì)濕度(水汽壓)表示空氣中水汽部分的壓強(qiáng)，以百帕(hPa)為單位；相對(duì)濕度用空氣中實(shí)際水汽壓與當(dāng)時(shí)氣溫下的飽和水汽壓之比，用%rh百分?jǐn)?shù)表示；露點(diǎn)溫度是表示空氣中水汽含量和氣壓不變的條件下冷卻達(dá)到飽和時(shí)的溫度，以攝氏度(℃)為單位。

濕敏傳感器的制作方式是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，芯片的電特性(電容值、電阻率和電阻值等)會(huì)發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。濕敏傳感器主要有電阻式、電容式兩大類。典型的濕度傳感器如下：

1．電容式濕度傳感器

電容式濕度傳感器(也稱濕敏電容)是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。圖3-19所示為高分子電容式濕度傳感器的構(gòu)造。在高分子膜上各蒸鍍一電極膜片，上方的電極為多孔性電極，易吸收水分，高分子膜吸收水分之后，其介電系數(shù)將改變，致使感濕組件的電容量發(fā)生改變。

圖3-19高分子電容式濕度傳感器的構(gòu)造

電容式濕度傳感器直接感應(yīng)相對(duì)濕度的變化，將濕度的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再將電容量的變化經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，提供給相關(guān)控制或監(jiān)測(cè)電路。電容式溫度傳感器具有響應(yīng)快、線性度高、遲滯低以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

2．電阻式濕度傳感器

電阻式濕度傳感器的制作方式一般是在絕緣物上浸漬吸濕性物質(zhì)，或者通過蒸發(fā)、涂覆等工藝各制一層金屬、半導(dǎo)體、高分子薄膜和粉末狀顆粒。在濕敏元件的吸濕和脫濕過程中，水分子分解出的離子H+?的傳導(dǎo)狀態(tài)發(fā)生變化，從而使元件的電阻值隨濕度變化而變化。圖3-20所示為電阻式濕度傳感器的構(gòu)造。

圖3-20電阻式濕度傳感器的構(gòu)造3.3.7其他傳感器

1．激光傳感器

激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成，其優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量、速度快、精度高、量程大、抗光電干擾能力強(qiáng)等，圖3-21為激光傳感器的原理模型。激光傳感器工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。

S圖3-21激光傳感器的原理模型

激光傳感器的核心部件是激光器，而激光器關(guān)系到傳感器的核心性能。按工作物質(zhì)，激光器可分為四種。

①固體激光器：它的工作物質(zhì)是固體。常用的有紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石激光器(即YAG激光器)和釹玻璃激光器等。它們的結(jié)構(gòu)大致相同，特點(diǎn)是小而堅(jiān)固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達(dá)到數(shù)十兆瓦。

②氣體激光器：它的工作物質(zhì)為氣體。現(xiàn)已有各種氣體原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形狀如普通放電管，優(yōu)點(diǎn)是輸出穩(wěn)定、單色性好、壽命長(zhǎng)，但功率較小、轉(zhuǎn)換效率較低。

③液體激光器：可分為螯合物激光器、無機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中最重要的是有機(jī)染料激光器，它的最大優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)。

④半導(dǎo)體激光器：較新的一種激光器，其中較成熟的是砷化鎵激光器。其優(yōu)點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于飛機(jī)、軍艦、坦克以及步兵隨身攜帶，也可制成測(cè)距儀和瞄準(zhǔn)器。但其輸出功率較小、定向性較差、受環(huán)境溫度影響較大。

激光傳感器利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，其常用于長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度和方位等物理量的測(cè)量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測(cè)。主要功能有四點(diǎn)：

1)激光測(cè)長(zhǎng)度

精密測(cè)量長(zhǎng)度是精密機(jī)械制造工業(yè)和光學(xué)加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)代長(zhǎng)度計(jì)量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來進(jìn)行的，其精度主要取決于光的單色性的好壞。激光是最理想的光源，它比以往最好的單色光源(氪-86燈)還純10萬倍。因此，激光測(cè)長(zhǎng)具有量程大、精度高的優(yōu)點(diǎn)。由光學(xué)原理可知單色光的最大可測(cè)長(zhǎng)度L與波長(zhǎng)λ和譜線寬度δ之間的關(guān)系是L?=?λ?/?δ。用氪-86燈可測(cè)最大長(zhǎng)度為38.5cm，對(duì)于較長(zhǎng)物體就需要分段測(cè)量而使其精度降低。若用氦氖氣體激光器，則最大可測(cè)幾十千米。一般測(cè)量數(shù)米之內(nèi)的長(zhǎng)度，其精度可達(dá)0.1μm。

2)激光測(cè)距離

激光測(cè)距離的原理與無線電雷達(dá)相同。將激光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射出去后，測(cè)量它的往返時(shí)間，再乘以光速即得到往返距離。由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點(diǎn)，這些特點(diǎn)對(duì)測(cè)遠(yuǎn)距離、判定目標(biāo)方位、提高接收系統(tǒng)的信噪比、保證測(cè)量精度等都很重要，所以激光測(cè)距儀日益受到重視。在激光測(cè)距儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的激光雷達(dá)不僅能測(cè)距，還可以測(cè)目標(biāo)方位、運(yùn)算速度和加速度等。它已成功地用于人造衛(wèi)星的測(cè)距和跟蹤，且采用紅寶石激光器的激光雷達(dá)的測(cè)距范圍為500～2000km，其誤差僅幾米。真尚有科技有限公司的研發(fā)中心研制出的LDM系列測(cè)距傳感器，在數(shù)千米測(cè)量范圍內(nèi)的測(cè)量精度可以達(dá)到微米級(jí)別。

3)激光測(cè)振動(dòng)

激光測(cè)振動(dòng)是基于多普勒原理測(cè)量物體的振動(dòng)速度的。多普勒原理是指，若波源或接收波的觀察者相對(duì)于傳播波的媒質(zhì)而運(yùn)動(dòng)，則觀察者所測(cè)到的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動(dòng)頻率還取決于波源或觀察者的運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向。所測(cè)頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移。在振動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)多普勒頻移為

fd?=?v?/?λ(3-5)

式中，v為振動(dòng)速度，λ為波長(zhǎng)。

在激光多普勒振動(dòng)速度測(cè)量?jī)x中，由于光是往返的緣故，fd?=?2v?/?λ。這種測(cè)振儀在測(cè)量時(shí)由光學(xué)部分將物體的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的多普勒頻移，并由光檢測(cè)器將此頻移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由電路部分作適當(dāng)處理后送往多普勒信號(hào)處理器，最后將多普勒頻移信號(hào)變換為與振動(dòng)速度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，記錄于磁帶。這種測(cè)振儀采用波長(zhǎng)為6328埃的氦氖激光器，用聲光調(diào)制器進(jìn)行光頻調(diào)制，用石英晶體振蕩器加功率放大電路作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)源，用光電倍增管進(jìn)行光電檢測(cè)，用頻率跟蹤器來處理多普勒信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，不需要固定參考系，不影響物體本身的振動(dòng)，測(cè)量頻率范圍寬、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大；缺點(diǎn)是測(cè)量過程受其他雜散光的影響較大。

4)激光測(cè)速度

激光測(cè)速度也是基于多普勒原理的一種激光測(cè)速方法，用得較多的是激光多普勒流速計(jì)(激光流量計(jì))，它可以測(cè)量風(fēng)洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風(fēng)速、化學(xué)反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。

2．智能傳感器

智能傳感器(IntelligentSensor)是帶有微處理機(jī)的、并具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。一般智能機(jī)器人的感覺系統(tǒng)是由多個(gè)傳感器集合而成的，采集到的信息需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而降低成本。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：通過軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的信息采集，且成本低；具有一定的編程自動(dòng)化能力；功能多樣化。

智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，至今還沒有形成規(guī)范化的定義。早期，人們簡(jiǎn)單、機(jī)械地強(qiáng)調(diào)在工藝上將傳感器與微處理器兩者緊密結(jié)合，認(rèn)為“傳感器的敏感元件及其信號(hào)調(diào)理電路與微處理器集成在一塊芯片上就是智能傳感器”。

1)內(nèi)涵

關(guān)于智能傳感器的中英文稱謂尚未有統(tǒng)一的說法。JohnBrignell和NellWhite認(rèn)為“IntelligentSensor”是英國(guó)人對(duì)智能傳感器的稱謂，而“SmartSensor”是美國(guó)人對(duì)智能傳感器的俗稱。而JohanHHuijsing在“IntegratedSmartSensor”一文中按集成化程度的不同，分別稱智能傳感器為“SmartSensor”、“IntegratedSmartSensor”。對(duì)“SmartSensor”的中文譯名有“靈巧傳感器”，也有“智能傳感器”。

如上所述，一個(gè)良好的“智能傳感器”是由微處理器驅(qū)動(dòng)的傳感器與儀表套裝而成的，并且具有通信與板載診斷等功能，可為監(jiān)控系統(tǒng)或操作員提供相關(guān)信息，以提高工作效率，減少維護(hù)成本。智能傳感器集成了傳感器、智能儀表的全部功能，具有高線性度和低溫度漂移特性，能降低系統(tǒng)的復(fù)雜性、簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖3-22所示為智能傳感器的構(gòu)成框圖。

圖3-22智能傳感器的構(gòu)成框圖

2)功能

智能傳感器的功能是模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動(dòng)作。智能傳感器是結(jié)合長(zhǎng)期以來測(cè)試技術(shù)的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而提出來的，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的智能單元，它的出現(xiàn)使其對(duì)硬件性能的苛刻要求有所降低，且能夠通過軟件使傳感器的性能大幅度提高。智能傳感器可實(shí)現(xiàn)的功能如下：

(1)信息存儲(chǔ)和傳輸。隨著智能集散控制系統(tǒng)(SmartDistributedSystem)的飛速發(fā)展，智能單元要求具有通信功能，并能通過通信網(wǎng)絡(luò)以數(shù)字形式進(jìn)行雙向通信，這也是智能傳感器關(guān)鍵標(biāo)志之一。智能傳感器通過測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸或接收指令來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，如增益設(shè)置、補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置、內(nèi)檢參數(shù)設(shè)置、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出等。

(2)自補(bǔ)償和計(jì)算功能。多年來，從事傳感器研制的工程技術(shù)人員一直為傳感器的溫度漂移和輸出非線性做大量的補(bǔ)償工作，但都沒有從根本上解決問題。而智能傳感器的自補(bǔ)償和計(jì)算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補(bǔ)償開辟了新的道路。這樣就可以放寬傳感器加工精密度要求，只要能保證傳感器的重復(fù)性好即可。利用微處理器對(duì)測(cè)試的信號(hào)進(jìn)行軟件計(jì)算，再采用多次擬合和差值計(jì)算方法對(duì)漂移和非線性進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得較為精確的測(cè)量結(jié)果。

(3)自檢、自校、自診斷功能。普通傳感器需要定期檢驗(yàn)和標(biāo)定，以保證它在正常使用時(shí)擁有足夠的準(zhǔn)確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場(chǎng)拆卸送到實(shí)驗(yàn)室或檢驗(yàn)部門進(jìn)行。在線測(cè)量傳感器出現(xiàn)異常一般不能及時(shí)診斷，但若采用智能傳感器則這種情況將大有改觀。首先，智能傳感器具有自診斷功能，能在電源接通時(shí)進(jìn)行自檢，以確定組件有無故障。其次，智能傳感器可以根據(jù)使用時(shí)