传 感 器 技 术

第3章 传感器技术

3.1 传感器基础知识 3.2 常用传感器介绍 3.4 微电子机械技术 3.5 传感器接口技术

3.1 传感器基础知识

传感器技术：是物联网的基础技术之一，处于物联网构架的感知层。 1 传感器技术：是物联网的基础技术之一，处于物联网构架的感知层。 2 传感器：是一种能把特定的被测信号，按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。 。

是物联网的基础技术之一，处于物联网构架的感知层。 互联互通。 传感器技术 3 传感器作用：传感器处于研究对象与检测系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，它提供物联网系统赖以进行决策和处理所必需的原始数据。

传感器由两个基本元件组成：敏感元件与转换元件：

传感器的基本组成结构：

按被测量分类 物理量 传感器 力学量 压力传感器、力传感器、力矩传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、位移传感器、位置传感器、尺度传感器、密度传感器、粘度传感器、硬度传感器、浊度传感器 热学量 温度传感器、热流传感器、热导率传感器 光学量 可见光传感器、红外光传感器、紫外光传感器、照度传感器、色度传感器、图像传感器、亮度传感器 磁学量 磁场强度传感器、磁通传感器 电学量 电流传感器、电压传感器、电场强度传感器 声学量 声压传感器、噪声传感器、超声波传感器、声表面波传感器 射线 x射线传感器、β射线传感器、γ射线传感器、辐射剂量传感器 化学量 离子传感器、气体传感器、湿度传感器 生理量 生物量 体压传感器、脉搏传感器、心音传感器、体温传感器、血流传感器、呼吸传感器、血容量传感器、体电图传感器 生化量 酶式传感器、免疫血型传感器、微生物型传感器、血气传感器、血液电解质

静态特性： 动态特性： 指被测量的值处于稳定状态时的输 出和输入关系。 衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 输出对随时间变化的输入量的响应特性。

传感器的应用场景 1. 工业自动化系统：以传感器一微机为核心的自动检测与控制系统 2. 航空航天：飞行速度方向、飞行姿态进行检测 3. 资源探测与环境保护：大气、水质污染、放射性、噪声的检测 4. 医学领域：人体温度、血压及腔内压力、血液 5. 家用电子产品 6. 军事领城

3.2 常用传感器介绍

 温度传感器  湿度传感器  超声波传感器  气敏传感器  智能传感器

温度传感器： 温标：用来度量物体温度数值的标尺。 敏感元件与被测介质接触与否，分为： ⑵ 非接触式温度传感器 ⑵热电偶 1 2 ⑴ 接触式温度传感器 ⑵ 非接触式温度传感器 3 材料及电子元件特性，分为： ⑴ 热电阻 ⑵热电偶

接触式温度传感器 定义：接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称 温度计。 原理：通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。 常用的温度计：双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等

非接触式温度传感器 定义：非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。 用途：用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度也可用于测量温度场的温度分布。 常用的辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。

典型温度传感器

选择注意事项： 在选择温度传感器时，应考虑 到诸多因素，如被测对象的湿度 范围、传感器的灵敏度、精度和 噪声、响应速度、使用环境、 价格等。

思考：设计温度传感器 问题1：设计一个温度传感器需要用到哪些知识？ 问题2：设计一个温度传感器有哪些指标？ 问题3：设计好以后如何制作？

湿度传感器： 绝对湿度：是大气中水汽的密度，即单位大气中所含水汽的质量。 1 绝对湿度：是大气中水汽的密度，即单位大气中所含水汽的质量。 2 绝对湿度：相对湿度，指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。湿空气的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比。 3 露点：使大气中原来所含有的未饱和水汽变成饱和水汽所必须降低的温度值。

电阻 湿度 传感器 电容 湿度 传感器 敏感元件为湿敏电阻，其主要材料一般为电介质、半导体、多孔陶瓷、有机物及高分子聚合物。 敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为高分子聚合物、金属氧化物。这些材料对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿度而变化。

基本参数和特性: 精度和长期稳定性 温度系数 湿度传感器的供电 互换性 湿度校正

常用的湿度传感器: 线性电压输出式集成湿度传感器 线性频率输出集成湿度传感器 频率/温度输出式集成湿度传感器

超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波。 定义 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波。 特点 频率高、波长短、绕射现象小，方向性好，能够成为射线而定向传播对液体、固体的穿透本领大，尤其是在阳光不透明的固体中它可穿透几十米的深度。 应用 广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

超声波传感器

主要性能指标： 工作频率 工作温度 灵敏度

系统组成： 超声波系统由发送传感器（或称波发送器）、接收传感器（或称波接收器）、控制部分与电源部分组成。 发送器传感器，由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成。 接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量作为输出。 控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制、计数及探测距离等进行控制。电源一般用直流12V ± 10 % 或 24V ± 10 %。

超声波传感器 问题1：设计一个超声波传感器需要用到哪些知识？ 问题2：设计一个超声波传感器有哪些指标？ 问题3：设计好以后如何制作？

气敏传感器：指将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。 1 气敏传感器：指将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。 被测气体的种类繁多，它们的性质也各不相同。所以不可能用一种方法来检测各种气体，其分析方法也随气体的种类、浓度、成分和用途而异。

名称 检测原理 检测对象 特点 半导体方式 氧化物系 若气体接触到加热的金属氧化物(SnO2等)，电阻值就增大或减少 还原性气体、城市排放气体、丙烷气等 灵敏度高．构造与电路简单但输出与气体浓度不成比例 气敏二极管 利用Pb、Pt等金属材料对H2吸附敏感 H2 灵敏度高结构简单 气敏MOSFET 固体电解质 化学溶剂与气体反应产生的电流、颜色、电导率的增加等 O2、CO、H2、CH4等 气体选择性好，但不能重复使用 接触燃烧方式 可燃性气体接触到氧气会燃烧，使得作为气教材料的铂丝温度升高,电阻值相应增大 燃烧气体 输出与气体浓度成比例，但灵敏度较低 其他类型 光干涉式 利用与空气的折射率不同而产生的干涉带 与空气折射率不同的气体 寿命长，但选择性差 热传导方式 根据热传导率差，而放热的发热元件的温度降低进行检测 与空气热传导率不同的气体 构造简单，但灵敏度低，选择性差 红外线吸收散射方式 由于红外线照射气体分子谐振而吸收或散射量来检测 CO、CO2等 能定性测量较贵

③ 选择性：气敏元件对不同的气体有不同的灵敏度 ④ 稳定性：气敏元件的输出特性保持不变的能力 主要参数与特性： ① 灵敏度：气敏元件对气体的敏感程度 ② 响应时间：气敏元件的反应速度 ③ 选择性：气敏元件对不同的气体有不同的灵敏度 ④ 稳定性：气敏元件的输出特性保持不变的能力

思考：气敏传感器 问题1：设计一个气敏传感器需要用到哪些知识？ 问题2：设计一个气敏传感器有哪些指标？ 问题3：设计好以后如何制作？

智能传感器 1 智能传感器：（Intelligent Sensor）具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。 2 三个优点： 通过软件技术可实现高精度的信息采集，成本低； 具有一定的编程自动化能力； 功能多样化。

系统组成

功能 ⑴ 自补偿和计算 ⑵ 自诊断功能 ⑶ 复合敏感功能 ⑸ 现场学习功能 ⑹ 提供模拟和数字输出 ⑺ 数值处理功能 ⑻ 掉电保护功能 ⑷ 强大的通讯接口功能 ⑸ 现场学习功能 ⑹ 提供模拟和数字输出 ⑺ 数值处理功能 ⑻ 掉电保护功能

例如：智能检测传感器、智能流量传感器、智能位置传感器、智能压力传感器、智能加速度传感器等。 智能传感器已经广泛应用在航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域，特别是随着高科技的发展，智能传感器倍受青睐 例如：智能检测传感器、智能流量传感器、智能位置传感器、智能压力传感器、智能加速度传感器等。

3.3 微电子机械技术

什么是MEMS ?? 微机电系统（Microelectromechanical Systems，MEMS）是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。比它更小的，在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统。 MEMS（微机电系统）是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。

MEMS的发展历史 MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。 　第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪。 目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的'片上实验室'生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。

MEMS特点 微型化 智能化 多功能 高集成度 适于大批量生产

MEMS理论基础 在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（Scaling Effects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。 这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。

MEMS技术基础 MEMS的技术基础可以分为以下几个方面 （1）设计与仿真技术； （2）材料与加工技术； （3）封装与装配技术； （4）测量与测试技术； （5）集成与系统技术等

MEMS压力传感器原理 目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感器。 硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。 惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图。

MEMS压力传感器 MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS（轮胎压力监测系统）、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器（TMAP）、柴油机共轨压力传感器 消费电子，如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器;工业电子，如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。

游戏机 游戏机是运动跟踪和手势识别应用的突出代表，以具有革命性的任天堂Wii游戏机为例，微型运动传感器能够捕捉到玩家任何细微的动作，并将其转化成游戏动作。 MEMS技术让玩家动起来，玩家陶醉于真实的游戏体验，通过不同的动作融入到游戏中。例如，模仿一场真实的网球赛、一场引人入胜高尔夫球赛、一场紧张的拳击赛或轻松的钓鱼比赛的动作等。

MEMS使玩家动起来 MEMS运动控制式用户界面

MEMS加速计 MEMS技术在手机和PDA中的使用率正在提高，目前市场上采用MEM加速计的手机越来越多。

MEMS加速计 根据终端设备的指向，MEMS传感器可以把图像、视频和网页(无论是人物肖像还是风景画面)进行旋转。通过上下左右倾斜手机，还可以查看手机菜单；只要轻轻击打手机机身，就可以在屏幕上选中不同的图标，所有这些智能功能离不开新一代MEMS器件内嵌的先进数字技术。  有了MEMS加速计，只要把设备向某一方向倾斜，就能在小屏幕上详细查看地图，显示放大的图像。 MEMS还能检测到用户抖动手机和MP3播放器的动作，这个简单的手势可以让播放器跳到下一首歌或返回到上一首歌。

 低功耗的MEMS运动传感器还可用作先进的节能技术，当手机没有关闭放在饭桌上时，MEMS传感器将会把耗电大的模块(如显示器背光板和GPS模块)全部关闭，以降低手机和便携导航仪的能耗。只要碰触一下机身，又可以打开全部功能。 同样地，无论何时，把手机正面向下反放在桌子上，手机设置就会切换到静音模式；只要碰触一下机身，就可以关闭静音功能。 MEMS运动控制技术折射出了未来手机的样子：只有数量很少的按键，不再有普通的键盘。向手机输入信息时，用户在空中书写数字和字母，MEMS传感器识别这些动作，手机软件将这些动作还原成数字和字母；软件还可以把用户预定的动作变成特殊的自定义功能。

图 在汽车领域，MEMS被用于导航和信息娱乐设备中

MEMS陀螺仪 陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，是补充MEMS加速计功能的理想技术。 事实上，如果组合使用加速计和陀螺仪这两种传感器，系统设计人员就可以跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。

iPhone 目前大多数手机都含有MEMS传感器实现重力加速计和陀螺仪的功能，例如被用在iPhone中。通过对旋转时运动的感知，iPhone可以自动地改变横竖屏显示，以便消费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片。 iPhone 4s到底用上了哪些传感器呢？

iPhone 4s中的传感器 1) 影像传感器 简单说就是相机镜头，由于只牵涉到微光学与微电子，没有机械 成份在里头，即便加入马达、机械驱动的镜头，这类的机械零件 也过大，不到「微」的地步，所以此属于光电半导体，属于光 学、 光电传感器。 2) 亮度传感器 外界并不清楚iPhone4s用何种方式感应环境光亮度，而最简单的实现方式是用一个光敏电阻，或者，iPhone4s直接用影像传感器充当亮度侦测，也是可行。无论如此，此亦不带机械成份，属于光电类传感器，甚至可能不是微型的，只是一般光学、光电传感器。 3) 磁阻传感器 简单讲就是感测地磁，这样讲还是太学名，感应地磁就是指南针原理，将这种地磁感应电子化、数字化，就称为数字指南针（DigitalCompass）。数字指南针技术比较偏玩具性，因为用来感测地磁的磁阻传感器，很容易受环境影响（如高压电塔旁、马达旁），必须时时校正才有用。

iPhone4s中的传感器 4) 近接传感器 5) 声波传感器 近接传感器的实现技术非常多种，可以是红外线（例如便利商店的自动门、公共厕所的自动冲水器），可以是超音波、雷射等。同样的，Apple没讲，不过，近接传感器也没有迫切微型化的需要，不在热门MEMS组件之列。 5) 声波传感器 学名声波传感器，俗名麦克风。是的，iPhone4为了强化声音质量，使用2组麦克风与相关运算来达到降噪（降低噪音）的效果，这种技术称为数组麦克风（ArrayMIC），事实上早在Apple实行之前，2004年Wintel就已经在PC上提出过，差别是Apple用于手机，Wintel用于PC。 麦克风需要微型化吗？是的，需要，相当需要，且使用一个以上的麦克风，麦克风的体积缩小需求就更迫切，麦克风也牵涉到机械（声波会使微型机械振动），并将机械振动转换成电子信号，因此微型化的麦克风，是个不折不扣的MEMS传感器。

iPhone4s中的传感器 6)加速度传感器 7)角加速度传感器 俗称加速规、G-Sensor，可以感应物体的加速度性。事实上加速度传感器的实现方式也是许多种，MEMS只是手法之一，用MEMS实现加速度传感器确实是目前的趋势。 加速度传感器一般有「X、Y两轴」与「X、Y、Z三轴」两种，两轴多用于车、船等平面移动为多，三轴多用于飞弹、飞机等飞行物。而不用多说，Wii遥控器也是用三轴，iPhone可以感应实体翻转而自动对应翻转画面，也是靠这个传感器。 7)角加速度传感器 更简单讲就是陀螺仪，陀螺仪实现技术有机械式与光学（红外线、雷射）式，第六项的加速度传感器比较能感测平移性，但对于物体有个轴心，进行角度性的移动，则其感应效果不如陀螺仪好，所以许多应用多半是混何使用加速度传感器与陀螺仪，而今iPhone4s也从善如流。不过，iPhone4s确实是率先使用陀螺仪的手机。

3.4 传感器接口技术

传感器输出信号的处理方法 由于传感器种类繁多，传感器的输出形式也是各式各样的。 例如，尽管都是力传感器，随作用外力变化, 电阻应变片输出的是不同的电阻，压电传感器输出不同的电荷, 电容传感器输出变化的电容, 电感传感器输出变化的电感量。

传感器的输出信号形式 输 出 形 式 输 出 变 化 量 传 感 器 的 例 子 开关信号型 机 械 触 点 双金属温度传感器 模拟信号型 电 子 开 关 霍耳开关式集成传感器 电 压 热电偶、磁敏元件、气敏元件 电 流 光敏二极管 电 阻 热敏电阻，应变片 电 容 电容式传感器 电 感 电感式传感器 其它 频 率 多普勒速度传感器、揩振式传感器

1. 传感器的输出信号，一般比较微弱，有的传感器输出电压最小仅有0.1μV。 2. 传感器的输出阻抗都比较高，这样会使传感器信号输入到测量电路时，产生较大的信号衰减。 3. 传感器的输出信号动态范围很宽。 4. 传感器的输出信号随着输入物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性比例关系。 5. 传感器的输出信号大小会受温度的影响，有温度系数存在。

输出信号的处理方法 目的： 提高测量系统的测量精度， 提高测量系统的线性度， 抑制噪声。 由传感器的接口电路处理后的信号，应成为可供测量、控制使用及便于向微型计算机输入的信号形式。

典型的传感器接口电路 接 口 电 路 信 号 预 处 理 的 功 能 阻抗变换电路 在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感器的输出信号。 放大电路 将微弱的传感器输出信号放大。 电流电压转换电路 将传感器的电流输出转换成电压 。 电桥电路 把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电流或电压。 频率电压转换电路 把传感器输出的频率信号转换为电流或电压。 电荷放大器 将电场型传感器输出产生的电荷转换为电压。 有效值转换电路 在传感器为交流输出的情况下，转为有效值，变为直流输出。 滤波电路 通过低通及带能滤波器消除传感器的噪声成分。 线性化电路 在传感器的特性不是线性的情况下，用来进行线性校正。 对数压缩电路 当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进行压缩

传感器信号检测电路 检测电路形式 完成传感器输出信号处理的各种接口电路统称为传感器检测电路。 1. 直接用传感器输出的开关信号驱动控制电路和报警电路工作。 2. 传感器输出信号达到设置的比较电平时，比较器输出状态发生变化，驱动控制电路及报警电路工作 。 3. 由数字式电压表将检测结果直接显示出来。

常用电路 1.阻抗匹配器 传感器输出阻抗都比较高，为防止信号的衰减，常常采用高输入阻抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。 半导体管阻抗匹配器，实际上是一个半导体管共集电极电路，又称为射极输出器。 场效应管是一种电平驱动元件，栅漏极间电流很小，其输入阻抗可高达 1012Ω 以上，可作阻抗匹配器。 运算放大器阻抗匹配器。

2 .电桥电路 1）直流电桥 直流电桥的基本电路

当电桥四个臂的电阻发生变化而产生增量时，电桥的平衡被打破，电桥此时的输出电压为 电桥的输出电压可由下式给出，即： UOUT = 电桥的平衡条件为： R2R4= R1R3 当电桥平衡时，输出电压为零。 当电桥四个臂的电阻发生变化而产生增量时，电桥的平衡被打破，电桥此时的输出电压为

若取 则： UOUT＝ 当a=1时，输出灵敏最大，此时：

如果R1=R2=R3=R4时，则电桥电路被称为四等臂电桥，此时输出灵敏感度最高，而非线性误差最小 因此在传感器的实际应用中多采用四等臂电桥

放大电路 传感器的输出信号一般比较微弱，因而在大多数情况下都需要放大电路。 目前检测系统中的放大电路，除特殊情况外，一般都采用运算放大器构成。

放大电路

作业（10分） 题目：利用4种以上的传感器设计一个系统，解决自己生活中遇到的问题。 格式：PPT （12-15页PPT） 基本思路： 1. 问题描述 2. 提出问题 3. 分析讨论问题 4. 解决问题 5. 思路扩展 6. 未来改进 打分规则 ：完成并上交 5分 有新意 8分 眼前一亮10分

本章小结 传感器处于研究对象与检测系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口 是一种能把特定的被测信号，按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。

作 业 3-1. 传感器的基本原理及组成； 3-2. 简述传感器的静态特性和动态特性； 3-3. 简述超声波传感器的系统组成及工作原理； 作 业 3-1. 传感器的基本原理及组成； 3-2. 简述传感器的静态特性和动态特性； 3-3. 简述超声波传感器的系统组成及工作原理； 3-4. 什么是智能传感器？画出它的工作流程图； 3-5. 比较微电子机械与传统机械； 3-6. 列举常用的MEMS传感器，并进行比较。

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