传感器在生活中的应用引言传感器就是能感受外界信号刺激，将被测量信息传出的装置，一般由敏感元件和转换元件组成。

随着社会日益进步，机械制造类传感器行业也有了很大发展，随着各行各业发展传感器行业也迎来了新的机遇。

传感器产品的门类品种繁多，用于流程工业的主要有：温度传感器、压力传感器、重量传感器、流量传感器、液位传感器、氧敏传感器,各种力敏传感器、气敏传感器、分析仪表等，用于机械工业的还有：开关类的接近/定位传感器、安全门开关等安全传感器、旋转编码器、视觉传感器、速度传感器、加速度传感器等。

目前国内传感器共分10大类，24小类，6000个品种。

而国内品种更多，如美国约有17000种传感器，所以我国发展传感器品种的领域很宽广。

中国传感器的市场近几年一直持续增长，增长速度超过15%，2003年销售额为186亿元，同比增长32.9%；而世界非军用传感器市场1998年为325亿美元，平均增长率为9%，预计2008年将增加到506亿美元。

2003年中国传感器应用四大领域为工业及汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品专用设备，其中工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。

由于改革开放，我国巨大的市场，引来了各国厂商如西门子、横河、霍尼韦尔、欧姆龙、邦纳等公司，这为最终用户和工业设备制造厂带来了很大的便利，而国内传感器和检测仪表生产虽有发展，但这远不能跟上形势的要求。

各国传感器生产和研发的规模在不断扩大，美国约有1300家生产和开发传感器的厂家，100多个研究院所和院校，日本有800家厂商。

我国近年建立了传感器技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室等研发基地，初步建立了敏感元件和传感器产业，2000年总产量超过13亿只，目前我国已有1688家从事传感器的生产和研发的企业，其中从事MEMS研制生产的已有50多家，到“十五”末期，敏感元件和传感器年总产量已达到20亿只。

我国在参与国际传感器市场竞争方面也走出了新路子，如沈阳仪表科学研究院的“传感器国家研究中心”，已向美国出口力敏传感器芯片40万只。

传感器技术包括敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术四个方面，约有30多种技术。

随着微电子技术的发展，传感器技术发展很快，我国研发的力量尚需大量投入，特别要加强具有自主知识产权的传感器的开发、科研成果的转化及传感器生产产业化问题，在我国更是迫在眉睫的问题，在批量生产情况下，控制传感器产品性能(主要是稳定性、可靠性)，使之合格率很高，就需要有先进的制造工艺和自动化水平很高的工艺设备，我国应在开发专用工艺设备上下功夫，解决传感器生产产业化的“瓶颈”问题；在传感器的应用上，特别是新型传感器的应用上，还没大力推广，改革开放创造了有利条件，各种工业设备应用了先进的传感器，这扩大了传感器市场，也使我国新型传感器生产产业化有了动力。

我国在传感器生产产业化过程中，应该兼顾引进国外技术和自主创新两方面。

在引进国外先进技术中，可以提高自己的技术，同时也满足了国内市场的需求，形成了传感器生产产业规模。

如横河公司最近发布的EJX多变量变送器，就是个可以考虑引进技术的例子，它精度高(0.025%)、智能化程度高，采用现场总线技术，由于能把质量流量、介质压力及导管堵塞、诊断、蒸气伴热诊断和孔板磨损情况等多种变量和信息经现场总线传输给中央控制室；对保证生产和提供设备维护信息、保证安全运行都很有利，这种新型变送器的发展，配合了自动化系统管控一体化的变革，只有信息源头能力强了，信息丰富了，才能使信息化更好促进生产力发展。

另外，它有广阔的市场，因为它在石油化工、冶金、电力等多个行业均用量很大。

第1章传感器的工作原理1.1传感器的定义传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。

国际电工委员会(IEC:International Electro technical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。

按照Gospel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。

传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。

传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。

有两类：有源的和无源的。

有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。

1.2传感器的原理结构1、在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着：(1)能源环形变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。

图1 其他传感器2、在传感器的外壳上固定着：(1)激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3)信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路。

1.3传感器的工作原理首先向传感器提供±15V电源,激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波,经过功率放大器即产生交流激磁功率电源,通过能源环形变压器从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈。

由基准电源与双运放组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源。

当弹性轴受扭时,应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器放大成1.5v±1v的强信号,再通过V/F转换器变换成频率信号,通过信号环形变压器从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈,再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。

由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙,加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内,形成有效的屏蔽,因此具有很强的抗干扰能力。

图2 传感器原理图第2章传感器的组成与分类2.1 传感器的组成传感器的种类繁多，其工作原理、性能特点和应用领域各不相同，所以结构、组成差异很大。

但总的来说，传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路组成，有时还加上辅助电源，如图3所示。

图3 传感器组成框图1) 敏感元件敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

敏感元件是传感器的核心，也是研究、设计和制作传感器的关键。

如图3所示是一气体压力传感器的示意图。

膜盒2的下半部与壳体1固定，上半部通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入测量电路5。

这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力ap相通，内部感受被测压力p。

当p变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。

图4 气体压力传感器2) 转换元件转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部分。

在图4中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。

需要指出的是，并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两部分，有的传感器转换元件不止一个，需要经过若干次的转换；有的则是二者合二为一。

3) 测量电路测量电路又称转换电路或信号调理电路，它的作用是将转换元件输出的电信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。

测量电路的类型视传感器的工作原理和转换元件的类型而定，一般有电桥电路、阻抗变换电路、振荡电路等。

2.2 传感器的分类可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。

大多数传感器是以物理原理为基础运作的。

化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

1)按照其用途，传感器可分类为：压力敏和力敏传感器——位置传感器液面传感器——能耗传感器速度传感器——热敏传感器加速度传感器——射线辐射传感器振动传感器——湿敏传感器磁敏传感器——气敏传感器真空度传感器——生物传感器等。

2)以其输出信号为标准可将传感器分为：模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。

开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。

它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。

从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：(1)按照其所用材料的类别分金属聚合物陶瓷混合物(2)按材料的物理性质分导体绝缘体半导体磁性材料(3)按材料的晶体结构分单晶多晶非晶材料3) 与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。

(2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。

(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。

现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。

传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。

4) 按照其制造工艺，可以将传感器区分为：集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器(1)集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。

通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

(2)薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。

使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

(3)厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

(4)陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。

完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。

厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。

每种工艺技术都有自己的优点和不足。