现代传感器介绍
引言
• 传感器技术是仿生学的一部分，向大自然以及人类自身学习是仿生学永恒 的主题，也是仿生传感技术的发展方向。传感器技术正式问世是在 20 世 纪中期，其大体经历结构型传感器、固体传感器、智能传感器三个历程。 传感器作为各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件，已经 成为各个应用领域中不可缺少的重要技术工具。传感器技术与通信技术和 计算机技术已成为现代信息技术的三大支柱，是信息产业的重要基础。
智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息 处理功能有机地融合在一起。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。 智能传感器就是一个最小的微机系统，其中作为控制核心的微处理器通常采用 单片机，其基本结构框图如图示。
无人机上搭载的摄像设备就集成了可 见光和红外传感器，满足战场需要。
三、超导微波传感器
微波是波长为1m1mm的电磁波。微波相对于光波和红外线等电磁波具有下列 特点：遇到各种障碍物易于反射；②传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等的 影响很小；③介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例。以上特点构成了微 波检测的基础。超导微波检测的原理如下：
二、超导可见光传感器
超导可见光传感器多用超导陶瓷材料制成。若将绝缘薄膜夹置于两不同超 导陶瓷之间，即使不加电压也会有电流从超导陶瓷1流向超导陶瓷2。该现 象称为约瑟夫逊效应，该结构称为约瑟夫逊结。 若有光子入射，则在约瑟夫逊结中的电流也将发生变化。因此，通过测量 电流变化，可以检测光信号大小，这就是可见光超导传感器工作原理。
膜表面吸 附抗体
膜带电状 态变化
1、2室内的电 极产生电位差
红外传感器
红外传感器是将红外辐射能量转换为电量的一种传感器。红外辐射（红外线） 是一种人眼看不见的光线，波长范围大致在0.76～100μm。任何温度高于热力学 零度（-273.15℃）的物体都会辐射红外线 。 在民用工程领域的应 近年来，红外技术在军 与其他探测技术相比，红外探测技术有 事领域和民用工程上， 用主要是： 如下主要优点： 都得到了广泛应用。军 (1) 在气象预报、地 (1) 环境适应性好，在夜间和恶劣气象条 事领域的应用主要包括： 貌学、环境监测、遥 件下的工作能力优于可见光； (1) 侦查、搜索和预警； 感资源调查等领域的 应用； (2) 被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰； (2) 探测和跟踪； (2) 在地下矿井测温 (3) 全天候前视和夜视； (3) 靠目标和背景之间各部分的温度和发 和测气中的应用； (4) 武器瞄准； 射率形成的红外辐射差进行探测，因而 (3) 红外热像仪在电 (5) 红外制导导弹； 识别伪装目标的能力优于可见光； 力、消防、石化以及 (6) 红外成像相机； (4) 红外系统的体积小、质量轻、功耗低。 (7) 水下探潜、探雷技术。医疗和森林火灾顶报 中的应用。
• 被分析物扩散进入固定化生物敏感膜，经分子识别，发 生生物学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器或物 理换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经检测放大 器放大并输出，便可知道待测物浓度。
换 化学量或 物理量变化 能 器 可定量加工 的电信号
待分析物
生 物 敏 感 膜
生物传感器的应用
生物传感器的应用
红外传感器的外形
激光仅用于瞄准
红外传感器的应用
集成IC 温度测量
红外线辐射温度计 用于食品温度测量
红外温度检测分析仪
红外制冷故障诊断
利用红色激光瞄准被测 物（电控柜、天花板内 的布线层）
超声波传感器
• 机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为 20HZ～20KHZ，即为声波，超出此频率范围的声音，即20HZ以下的声音称为次声 波，20KHZ以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100HZ～8KHZ。 • 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强 • 声波频率的界限划分
免疫传感器
• 基本原理是免疫反应。利用固定化抗体（或抗原）膜 与相应的抗原（或抗体）的特异反应，使得生物敏感 膜的电位发生变化。 • 抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反 应强烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上 进行固定化，由于蛋白质为双极性电解质，（正负电 极极性随ＰＨ值而变）所以抗原固定化膜具有表面电 荷。其膜电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的 变化，可测知抗体的附量。 3室注入含有 抗体的盐水 抗体与固定化抗原 膜上的抗原相结合
胞等)作为生物敏感基元，对目标被测物具有高度选择性的检测器。它通 过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应，然 后将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来，从而得出被测物的浓 度。
是由固定化的生物敏感材料作识别元件与适当的理化换能器及
信号放大装置构成的分析工具或系统。
生物传感器的原理
红外传感器的应用
温度的测量方法可分为接触式测温和非接触式测温两类，测温传感器种类繁多红外测温是一 种比较先进的测温方法，主要特点是： (1) 红外测温是远距离和非接触测温，特别适合于运动物体、带电体、高温及高压物体的温度 测量。 (2) 红外测温反应速度快，它不需要与物体达到热平衡的过程，只要接收到目标的红外辐射 即可定温。反应时间一般都在毫秒级甚至微秒级。 (3) 红外测温灵敏度高，因为物体的辐射能量与温度的四次方成正比。物体温度微小的变化， 就会引起辐射能量较大的变化，红外探测器即可迅速地检测出来。 (4) 红外测温准确度较高，由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出 的温度比较真实。测量准确度可达到0.1℃，甚至更小。 (5) 红外测温范围广泛，可测摄氏零下几十度到零上几千度的温度范围。红外温度测量方法， 几乎可以应用于所有温度测量场合。
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超声波测量液位和物位原理
在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波 的往返时间，就可测得液体的液面。
多普勒效应
前进方向的 频率升高!
如果波源和观察者 之间有相对运动，那么 观察者接收到的频率和 波源的频率就不相同了， 这种现象叫做多普勒效 应。测出f 就可得到运 动速度。
超声波多普勒测量车速
• 蝙蝠能发出和 听见超声波。
超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。
超声波加湿器
超声波雾化器
2017/7/24
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超声波传感器的应用
超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时， 能产生明显的反射和折射现 探鱼器
2017/7/24
B ≠0
Is
B=0 超导环
超导磁场传感器原理图
磁超导型核磁共振仪
智能传感器
智能传感器的定义 目前，关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。英国人将智能传感器 称 为 “ Intelligent Sensor” ； 美 国 人 则 习 惯 于 把 智 能 传 感 器 称 作 “ Smart Sensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传感器”。 所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。
光纤传感器的应用
当光纤发出的光穿 过标志孔时，若无反 射，说明电路板方向 放置正确。
光纤耦 合器 标志孔
传输光纤 出射光纤
电路板标志检测
遮断型光纤光电开关
光纤传感器在医学上的应用
• 光纤内窥镜
• 光学纤维胃镜
光纤传感器在工业上的应用
光纤温度传感器
生物传感器
生物传感器(biosensor)：以生物活性单元(如酶、抗体、核酸、细
光纤结构
光纤通常由纤芯、包层、保护 套及组成。 • 纤芯是由玻璃、石英或塑料等 材料制成的圆柱体，直径约为 5～150mm。 • 包层的材料也是玻璃或塑料等， 直径为100－200um。但纤芯的 折射率N1稍大于包层的折射率 N2。 • 保护套起保护光纤的作用。较 长的光纤又称为光缆。
•
光纤的传光原理
红外光子传感器的工作原理是基于光电效应。 其主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频 率高。但红外光子传感器一般需在低温下才能 工作，故需要配备液氦、液氮制冷设备。此外， 光子传感器有确定的响应波长范围，探测波段 较窄。 红外热传感器的工作是利用辐射热效应。探测器 件接收辐射能后引起温度升高，再由接触型测温元 件测量温度改变量，从而输出电信号。与光子传感 器相比，热传感器的探测率比光子传感器的峰值探 测率低，响应速度也慢得多。但热传感器光谱响应 宽而且平坦，响应范围可扩展到整个红外区域，并 且在常温下就能工作，使用方便，应用仍相当广泛。
传感器的能量转换过程
敏感元件 敏感元件 转换器件
电学量
转换电路
目录
• 一、光纤传感器 • 二、生物传感器 • 三、超声波传感器 • 四、红外线传感器 五、微波传感器 六、智能传感器 七、超导传感器
光纤传感器
• 光纤——光导纤维，是由石英、 玻璃、塑料等光折射率高的介 质材料制成的极细的纤维，是 一种理想的光传输线路。 • 光 纤 传 感 器 （ FIBER OPTIC SENSOR ， FOS ）兴起于 20 世纪 70 年代，是一类较新的光敏器 件，它是利用被测量对光纤内 传输的光波进行调制，使光波 的一些参数，如强度、频率、 波长、相位、偏振态等特性产 生变化来工作。可以测量位移、 加速度、压力、温度、磁、声、 电等物理量。
红外传感器的原理
红外传感器是将红外辐射能量的变化转换为电量变化的一种传感器，也常称为红外探测器。它是红外 探测系统的核心，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。选择合适的、性能良好的红外传感器， 对于红外探测系统是十分重要的。 按探测机理的不同，红外传感器分为热传感器和光子传感器两大类。
光电导传感器 红外光子传感器 光生伏特传感器 光电子发射传感器 红外传感器 光磁电传感器 热电偶型 红外热传感器 热敏电阻型 热释电型
指纹具有惟一性（随身携带、无法复制、人人不同、指指相异）。根据指纹学 理论，将两个指纹分别匹配上12个特征时的相同几率仅为 1/1050。因此，至今找不 出两个指纹完全相同的人。