物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論(第3章傳感器技術(shù))

1、 掌握傳感器的基本概念、所應(yīng)用的物理定律、基本結(jié)構(gòu)、分類和要求、掌握傳感器的特性與技術(shù)指標(biāo)，了解傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展趨勢。 了解電阻式與變磁阻式傳感器、電容式傳感器與磁電式傳感器、壓電式傳感器與熱電式傳感器、光電式傳感器與光纖傳感器、化學(xué)傳感器與生物傳感器的基本原理，掌握常用的它的應(yīng)用范疇。 了解MEMS傳感器與智能傳感器的構(gòu)成與特點(diǎn)。本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 傳感器概念與定義 傳感器的物理定律 傳感器基本結(jié)構(gòu)、傳感器敏感元件 傳感器分類與要求 傳感器特性與性能指標(biāo) 電阻式與變磁阻式傳感器、電容式傳感器與磁電式傳感器、壓電式傳感器與熱電式傳感器、光電式傳感器與光纖傳感器、化學(xué)傳感器與生物傳感器的基本、M

2、EMS傳感器與智能傳感器本章知識(shí)點(diǎn)3.1 傳感器基礎(chǔ) 1 傳感器基本概念 傳感器狹義定義：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件或裝置。 傳感器廣義定義：凡是利用一定的物質(zhì)（物理、化學(xué)、生物等）法則、定理、定律、效應(yīng)等進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換與信息轉(zhuǎn)換，并輸出與輸入嚴(yán)格一對(duì)應(yīng)的器件或裝置均。 在不同的技術(shù)領(lǐng)域，傳感器又被稱作檢測器、換能器、變換器等等。目前傳感器已與微處理器、通信裝置密切地結(jié)合到了一起，無線傳感網(wǎng)絡(luò)就是傳感器、微處理器與無線通信相結(jié)合的產(chǎn)物。3.1.1 傳感器基本概念 守恒定律：主要有能量、動(dòng)量、電荷量等守恒定律。 場定律：運(yùn)動(dòng)場、電磁場的感應(yīng)定律等。其相可作用與物體在空間的位置及分布狀態(tài)

3、有關(guān)。 如，電容式傳感器；利用電磁感應(yīng)定律研制的自感、互感、電渦流式傳感器。 物質(zhì)定律：它是表示各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律，如歐姆定律。通常以這種物質(zhì)所固有的物理常數(shù)給予描述。例如，壓阻、熱阻、磁阻、光阻、濕阻等。 統(tǒng)計(jì)法則 ：它是把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法則。這些法則，常常與傳感器的工作狀態(tài)有關(guān)，是分析某些傳感器的理論基礎(chǔ)。2 傳感器的物理定律 傳感器是一種能把非電輸入信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件或裝置。傳感器一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。3 傳感器的基本結(jié)構(gòu)功能功能主要敏感元件主要敏感元件力(壓)位移轉(zhuǎn)換彈性元件（環(huán)、梁、圓柱、膜片式，膜盒、波紋管、彈簧管）位移敏電位器、電感、電容

4、、差動(dòng)變壓器、電渦流線圈、容柵、磁柵、感應(yīng)同步器、霍爾元件、光柵、碼盤、應(yīng)變片、光纖、陀螺力敏半導(dǎo)體壓阻元件、壓電陶瓷、石英晶體、壓電半導(dǎo)體、高分子聚合物壓電體、壓磁元件熱敏金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻、PN結(jié)、熱釋電器件、熱線探針、強(qiáng)磁性體、強(qiáng)電介質(zhì)光敏光電管、光電倍增管、光敏二極管、色敏三極管、光導(dǎo)纖維、CCD、熱釋電器件磁敏霍爾元件、半導(dǎo)體磁阻元件、鐵磁體金屬薄膜磁阻元件（超導(dǎo)器件）聲敏壓電振子射線敏閃爍計(jì)數(shù)管、電離室、蓋格計(jì)數(shù)器、PN二極管、表面障壁二極管、PIN二極管、MIS二極管、通道型光電倍增管氣敏MOS氣敏元件、熱傳導(dǎo)元件、半導(dǎo)體氣敏電阻元件、濃差電池、紅外吸收式氣敏元件濕敏MO

5、S濕敏元件、電解質(zhì)濕敏元件、高分子電容式濕敏元件、高分子電阻式濕敏元件、熱敏電阻、CFT濕敏元件物質(zhì)敏固相化酶膜、周相化微生物膜、動(dòng)植物組織膜、離子敏場效應(yīng)晶體管傳感器的主要敏感元件 （1）分類：傳感器應(yīng)用于不同領(lǐng)域，它的品類眾多，分類也較多，可以按基本效應(yīng)來分、也可以按照傳感機(jī)理來分，等。3 傳感器分類和要求分類法分類法類型類型說明說明按基本效應(yīng)物理、化學(xué)、生物等分別以轉(zhuǎn)換中的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等命名按傳感器機(jī)理結(jié)構(gòu)型（機(jī)械、感應(yīng)、電參量式）以敏感元件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換物性型（壓電、熱電、光電、生物、化學(xué)等）以敏感元件物性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)型（機(jī)械、感應(yīng)、電參量式）以敏感元件結(jié)構(gòu)參數(shù)

6、變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換按能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型傳感器輸出量直接由被測量能量轉(zhuǎn)換獲得能量控制型傳感器輸出能量由由外部提供，但受被測量輸入控制按作用原理應(yīng)變、電容、壓電、熱電以傳感器對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的作用原理命名按功能性質(zhì)力、熱、磁、光、氣敏等以對(duì)被測量的敏感性命名按功能材料固體、光纖、膜、超導(dǎo)等以敏感功能性材料命名按輸入分量位移、壓力、溫度等以被測量命名（按用途分類）按輸出量模擬式、數(shù)字式輸出量為模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào) 第一，足夠的容量。傳感器的工作范圍或量程足夠大，具有一定過載能力； 第二，靈敏度高，精度適當(dāng)。要求其輸出信號(hào)與被測輸入信號(hào)成確定關(guān)系（通常為線性），且比值要大，傳感器的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要

7、求； 第三，響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定、可靠性好； 第四，適用性和適應(yīng)性強(qiáng)。體積小，重量輕，動(dòng)作能量小，對(duì)被測對(duì)象的狀態(tài)影響小，內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響，其輸出力求采用通用或標(biāo)難形式，以便與系統(tǒng)對(duì)接。 第五，使用經(jīng)濟(jì)，成本低，壽命長，便于使用、維修和校準(zhǔn)。（2）要求3.1.2 傳感器應(yīng)用與發(fā)展趨勢 工業(yè)自動(dòng)化：在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，需要傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)的參數(shù)。 航空航天：如檢測飛行姿態(tài)、飛行的高度、方向、速度、加速度等參數(shù)均需要傳感器。 資源探測與環(huán)境保護(hù)：傳感器常常用來探測陸地、海洋和空間環(huán)境等參數(shù)。 醫(yī)學(xué)：實(shí)時(shí)采集人體的體溫、血壓、呼吸等生理參數(shù)，而這些參數(shù)的獲取需

8、要用到相應(yīng)的傳感器。 家電：如空調(diào)、洗衣機(jī)、微波爐等。 軍事：傳感器在軍事方面的應(yīng)用非常早，也非常廣泛，如各種觀察、瞄準(zhǔn)裝置、紅外探測裝置等。1傳感器應(yīng)用 發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)，開發(fā)新材料、新功能 多功能集成化與微型化： 微型傳感器的特征是體積微小、重量很輕，體積、重量僅為傳統(tǒng)傳感器的幾十分之一甚至幾百分之，其敏感元件的尺寸一般為微米級(jí)。 數(shù)字化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化 研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器2 傳感器的發(fā)展趨勢3.1.3 傳感器的特性與指標(biāo) 靜態(tài)特性表示傳感器在被測輸入量各個(gè)位處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出輸入關(guān)系。靜態(tài)特性主要應(yīng)考慮其非線性和隨機(jī)變化等因素。1 靜態(tài)特性 線性度又稱非線性。是表征傳感器輸出輸入校

9、準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線之間的吻合（或偏離）程度的指標(biāo)，一般擬合直線作為傳感器的工作直線。通常用相對(duì)誤差來去示線性度或非線性誤差，即 其中， 為輸出平均值與擬合直線間的最大偏差； 為理論滿量程輸出值。（1）線性度 回差是反映傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐踢^程中輸出輸入曲線的不重合度的指標(biāo)。通常用正反行程輸出的最大差值計(jì)算，并用相對(duì)值表示，如圖3.1.2所示。（2）回差（滯后） 重復(fù)性是衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線間的一致程度的指標(biāo)。各條特性曲線越靠近，重復(fù)性復(fù)性越好。 重復(fù)性誤差反映的是?；磾?shù)據(jù)的離散程度、屬隨機(jī)誤差，因此應(yīng)根據(jù)標(biāo)

10、準(zhǔn)偏差計(jì)算。即 為各校準(zhǔn)點(diǎn)正行程與反行程輸出值的標(biāo)準(zhǔn)偏差中的最大的值；a為置信系數(shù)（3）重復(fù)性 靈敏度是傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比。線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率,即（4）靈敏度 分辨率：分辨率是傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測出的被測輸入量的最小變化量。有時(shí)用該值對(duì)滿量程輸入值的百分比來表示。 閾值：閾值是能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零位附近的分辨力。 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性又稱長期穩(wěn)定性，即傳感器在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)仍能保持其性能的能力。 漂移：漂移是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移與靈敏度漂移。 靜態(tài)誤差（精

11、度）：靜態(tài)誤差（精度）是評(píng)價(jià)傳感器靜態(tài)性能的綜合性指標(biāo)，指傳感器在滿量程內(nèi)任一點(diǎn)輸出值相對(duì)其理論值的可能偏離（逼近）程度。（5）其他 動(dòng)態(tài)特性是反映傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。用傳感器測試動(dòng)態(tài)量時(shí)，希望它的輸出量隨時(shí)間變化的關(guān)系與輸入量隨時(shí)間變化的關(guān)系盡可能 保持一致。 傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指其輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入的響應(yīng)特性。當(dāng)被測量隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出量是隨時(shí)間變化的函數(shù)。 一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，它的輸出將呈現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，也就是具有相同的時(shí)間函數(shù)。實(shí)際上，除了具有理想的比例特性外，輸出信號(hào)將不會(huì)與輸入信號(hào)具有相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是動(dòng)態(tài)誤差。2 動(dòng)態(tài)

12、特性 通過電阻參數(shù)的變化來測量非電量的傳感器稱為電阻式傳感器(Resistive Transducer)。各種電阻材料，受被測量（如位移、應(yīng)變、壓力、光和熱等）作用轉(zhuǎn)換成電阻參數(shù)變化的機(jī)理是各個(gè)相同的，因而在電阻式傳感器中相應(yīng)地產(chǎn)生了電位計(jì)式、應(yīng)變式、壓阻式、磁電阻式、光電阻式和熱電阻式等。 變磁阻式傳感器(Variable Reluctance Transducer)是一種利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的電感（自感或互感）變化來檢測非電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。常用來檢測位移、振動(dòng)、力、應(yīng)變、流量、密度等物理量。3.2 電阻式與變磁阻式傳感器3.2.1 電阻式傳感器 電阻式應(yīng)變計(jì)式是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體

13、在外力的作用下產(chǎn)生變形，而使其電阻發(fā)生變化來進(jìn)行測量非電量的。電阻應(yīng)變計(jì)有兩方面的應(yīng)用： 一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應(yīng)變測量； 另一個(gè)是作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性敏感元件構(gòu)成傳感器，用以對(duì)任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應(yīng)變的其他物理量作簡接測量。用作傳感器的應(yīng)變計(jì)，應(yīng)有更高的要求，尤其非線性誤差要小，力學(xué)性能參數(shù)受環(huán)境溫度影響小，并與彈性元件匹配。1電阻應(yīng)變計(jì)式傳感器電阻式應(yīng)變計(jì)的示例(a) 電阻應(yīng)變式土壓力盒(b) 電阻應(yīng)變式滲壓計(jì)(c) 電阻應(yīng)變式位移計(jì) 測力傳感器 壓力傳感器 位移傳感器 其他應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變計(jì)式傳感器主要有以下幾類 半導(dǎo)體單品硅、鍺等材料在外力作用下電阻率將發(fā)生變化，這

14、種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。利用壓阻效應(yīng)開發(fā)的傳感器稱為壓阻式傳感器(Piezo-resistance Sensor)。它有兩種類型：一是利用半導(dǎo)體材料的體電阻，制作成半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，其靈敏度比金屬應(yīng)變計(jì)高2個(gè)數(shù)量級(jí)；另一是在半導(dǎo)體單晶硅（鍺）的底片上利用半導(dǎo)體技術(shù)，將彈性敏感元件與應(yīng)變?cè)隙橐?，制成擴(kuò)散硅壓阻式傳感器。 壓阻式傳感器主要應(yīng)用于測量壓力和加速度，其輸出可以是模擬電壓信號(hào)，也可以是頻率信號(hào)。2壓阻式傳感器硅壓阻式壓力傳感器示例 一個(gè)簡單的自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵等組成。當(dāng)銜鐵隨被測量變化上下移動(dòng)時(shí)，鐵芯的氣隙、磁路磁阻隨之變化，引起線圈電感量的變化，當(dāng)通過測量電路轉(zhuǎn)換成與位移成比

15、例的電量時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了非電量到電量的變換?？梢姡@種傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變氣隙的鐵心線圈。3.2.2變磁阻式傳感器氣隙銜鐵線圈圖3.2.3 變氣隙自感傳感器圖3.2.4 自感式壓力傳感器 自感式傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有氣隙的鐵芯線圈。按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，目前常用的自感式傳感器有變氣隙式、變面積式與螺管式三種。1自感式傳感器 互感式傳感器是一種線圈互感隨銜鐵位移變化的變磁阻式傳感器。其原理類似于變壓器。 差動(dòng)變壓器有變氣隙式、變面積式與螺管式三種類型。氣隙式，靈敏度較高，但測量范圍小，一般用于測量幾微米到幾百微米的位移；變面積式般可分辨零點(diǎn)幾角秒以下的微小角位移。線性范圍達(dá)10；螺管式

16、可測量幾納米到一米的位移，但靈敏度稍低。 自感和互感式傳感器統(tǒng)稱為電感式傳感器，主要用于測量位移與尺寸，也可以測量能轉(zhuǎn)換為位移變化的其他參數(shù)，如力、張力、壓力、壓差、振動(dòng)、應(yīng)變、流量和密度等。 2 互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）3.3 電容式傳感器與磁電式傳感器 電容式傳感器(Capacitance Transducer)是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它的結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、可非接觸測量。并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。 電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三類。 電容式傳感優(yōu)點(diǎn)：主要表現(xiàn)在： 分辨力高； 動(dòng)極（可動(dòng)部分）質(zhì)量小，可無接觸測量，自身的功耗、

17、發(fā)熱和遲滯極小，可獲得高的靜態(tài)精度和好的動(dòng)態(tài)特性； 結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)： 過載能力強(qiáng) 常用有：位移、加速度、力和壓力、物位（介質(zhì)型）。3.3.1 電容式傳感器 電容式傳感器示例 是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運(yùn)動(dòng)速度或磁量的變化變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。它有較大的輸出功率，匹配電路較簡單；性能穩(wěn)定，工作頻帶一般為101000Hz。磁電式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性。利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力（矩）發(fā)生器和電磁激振器等。 磁電式傳感器各要用于振動(dòng)測量，可應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車輛、軌（軌道）忱（枕木）振動(dòng)臺(tái)、化工設(shè)備、各種水、氣管道、橋梁、高層建筑等的振動(dòng)監(jiān)測上。3.

18、3.2 磁電式傳感器 原理：霍爾傳感器是以霍爾元件為核心構(gòu)成的種磁感應(yīng)感器，非電量只要能通過前置的敏感元件將它變換為位移量，即可利用霍爾傳感器來測量。 特點(diǎn)：霍爾元件結(jié)構(gòu)簡單，工藝成熟、體積小、工作可靠、壽命長、線性好、頻帶寬， 用途：主要用于測量大電流、微氣隙磁場、微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、振動(dòng)、壓力、流量和液位等方面的測量。（1）霍爾傳感器 其他磁敏傳感器是由磁敏電阻器和磁敏二極管、二極管和磁敏MOS器件等磁電轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的傳感器，可用于位移測量、電機(jī)設(shè)備的磁探傷等。（2）其他磁敏傳感器3.4 壓電式傳感器與熱電式傳感器 壓電式傳感器(Piezoelectric Sensor)是以具有壓電效應(yīng)

19、的壓電器件為核心組成的傳感器。由于壓電效應(yīng)具有自發(fā)電和可逆性，因此壓電器件是種典型的雙向無源傳感器件。壓電器件已被廣泛應(yīng)用在超聲、通信、宇航、雷達(dá)和引爆等領(lǐng)域，并與激光、紅外、微聲等技術(shù)相結(jié)合，成為一種重要器件。3.4.1 壓電式傳感器 在物理中，一些離子型晶體的電介質(zhì)，如石英等，不僅在電場力的作用下，而且在機(jī)械力的作用下都會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象。該現(xiàn)象有兩種： （1）正壓電效應(yīng)：在這些電介質(zhì)的一定方向施加機(jī)械力產(chǎn)生變形時(shí)，將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生極化，極化強(qiáng)度與施加的外力成正比。 （2）逆壓電效應(yīng)：對(duì)這些電介質(zhì)施加電場，同樣會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷重排，導(dǎo)致電介質(zhì)變形，其變形程度與外電場強(qiáng)度

20、成正比，該現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。該效應(yīng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)化。 壓電材料：主要有，壓電晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體和有機(jī)壓電高分子材料。1 壓電效應(yīng) 目前壓電式傳感器主要應(yīng)用于測力，尤其對(duì)沖擊、振動(dòng)和加速度檢測上。常用的壓電式傳感器有加速度傳感器和測力傳感器。2 壓電式傳感器的應(yīng)用 熱電式傳感器(Thermoelectric Sensor)是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特件、對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測的裝置。其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。這兩種熱電式傳感器應(yīng)用非常廣泛。3.4.2 熱電式傳感器 熱電阻傳感器可分為金屬熱

21、電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。 特點(diǎn)：高溫系數(shù)，高電阻率；化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，以保證在使用溫度范圍內(nèi)熱電阻的測量準(zhǔn)確性；良好的輸出特性，即必須有線性的或者接近線性的輸出；良好的工藝，批量生產(chǎn)，降低成本。 適宜制作熱電阻的材料有鉑、銅、鎳、鐵等。1 熱電阻 分類及用途：熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件。按物理特性可為三類：第一類，負(fù)溫度系類、熱敏電阻(NTC)；第二類，正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)；第三類，臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。 主要用途：家用電器，家具設(shè)備，汽車，測量儀表，辦公設(shè)備，農(nóng)業(yè)、園藝，醫(yī)療。2 熱敏電阻 熱電偶傳感器是目前接觸式測溫中應(yīng)

22、用最廣的熱電式傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。它是由兩種不同材料構(gòu)成的，當(dāng)兩種材料兩端的溫度不同時(shí)，兩端就會(huì)產(chǎn)生熱電流或熱電勢，它反映了兩端的溫度差，因此可用于接觸式的測量溫度。3 熱電偶3.5 光電式傳感器與光纖傳感器 光電式傳感器(Photoelectric Sensor)是以光為測量媒介、以光電器件為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，它具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等優(yōu)良特性。激光技術(shù)和圖像技已應(yīng)用于傳感器。在非接觸測量領(lǐng)域光電式傳感器具有非常重要的作用，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。3.5.1 光電式傳感器 原理：光電式傳感器的直接被測量是光，可以測量光的有無，也可以測量

23、光的強(qiáng)度，主要由光源、光通路、光電元件和測量電路組成。1 光電式傳感器的組成 要求：第一，必須具有足夠的照度；第二，光源應(yīng)均勻、無遮擋或陰影；第三，光源的照射方式應(yīng)符合傳感器的測量要求；第四，光源的發(fā)熱量應(yīng)盡可能?。坏谖?，光源發(fā)出的光必須具有合適的光譜范圍，光電傳感器使用的光的波長范圍處在紫外至紅外之間的區(qū)域，一般多用可見光和近紅外光。 常見的光源有：熱輻射光源，氣體放電光源，發(fā)光二極管，激光器。（1）光源 所謂光電效應(yīng)，是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。 般地，光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類。所以，光電器件也隨之分為外光電器件和內(nèi)光電器件兩類。光電器件是

24、光電傳感器的重要組成部分，對(duì)傳感器的性能影響很大。（2）光電效應(yīng)與光電器件 應(yīng)用光電式傳感器可制作： （1）光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表； （2）光電式物位儀； （3）視覺傳感器； （4）細(xì)絲類物件的在線檢測器。2 光電式傳感器的應(yīng)用 用途：可用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、彎曲、應(yīng)變、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、PH位等70多個(gè)物理量的測量、應(yīng)用十分廣泛。 原理：光纖傳感器是通過被測量對(duì)光纖內(nèi)傳輸光進(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的強(qiáng)度（振幅）、相位、頻率或偏振等特性發(fā)生變化，再通過對(duì)被調(diào)制過的光信號(hào)進(jìn)行檢測，從而得出相府被測量的傳感器。 分類：一類是功能型傳感器(Function Fiber

25、 Optic Sensor)，又稱為FF型光纖傳感器；另一類是非功能則傳感器(None Function Fiber Optic Sensor)，又稱NF型光纖傳感器。3.5.2 光纖傳感器3.6 化學(xué)傳感器與生物傳感器3.6.1 化學(xué)傳感器 定義：能將各種物質(zhì)的化學(xué)特性，如成分、濃度等，定性或定量地轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出的裝置稱為化學(xué)傳感器。 原理：物質(zhì)的化學(xué)特性是通過化學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)的。化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是原子電荷的得失，其結(jié)果是物質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生改變，化學(xué)傳感器的敏感結(jié)構(gòu)參與了這種反應(yīng)，并將化學(xué)反應(yīng)中伴隨發(fā)生的各種，如電效應(yīng)、光效應(yīng)、熱效應(yīng)、質(zhì)量變化等變化信息，轉(zhuǎn)換為易于分析、處理和控制電信息。 組成：化

26、學(xué)傳感器通常由接受器(Receptor)和換能器(Transducer)兩部分組成。1 基本原理和分類 接受器：是具有分了或離了識(shí)別功能的化學(xué)敏感層，它的作用可以概括為吸附（如SnO2可以吸附氣體分子，陶瓷可以吸附水汽）、離子交換（如離子敏電極可以與待測溶液交換離子）、選樣（如鈀柵、玻璃膜對(duì)氫氣分子具有選擇性）。 接受器構(gòu)成：它的物理形態(tài)主要是各種工藝制作的的膜結(jié)構(gòu)。膜的性能也與制膜工藝有關(guān)，一般分為：涂覆膜、厚膜（厚度0.010.3mm）、薄膜。 通常按接受器和換能器的功能來分類 換能器：主要有，各種化學(xué)電池、電極、場效府管MOSFET)、PN結(jié)、聲表面波器件、光纖等，換能器的形式?jīng)Q定了化學(xué)

27、傳感器的外在形態(tài)和測量電路。 按接受器的識(shí)別功能可分為離子敏傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器、光敏傳感器等。 按換能器的工作原理可分為電化學(xué)傳感器、光化學(xué)傳感器、質(zhì)量傳感器、熱量傳感器、場效應(yīng)管傳感器等。（2）特性與分類 生物傳感器(Biosensor)處指用生物活性材料，如酶、蛋出質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等作為感受器，通過其生化效應(yīng)來檢測被測量的傳感器，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測方法與監(jiān)護(hù)方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。生物傳感器與國民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域關(guān)系非常密切，廣泛應(yīng)用在生化、醫(yī)學(xué)、生物工程、環(huán)境、食品、工業(yè)控制與軍事等領(lǐng)域，也是物聯(lián)網(wǎng)重要的感知手段。3.6.2

28、 生物傳感器 組成：生物傳感器主要由兩大部分構(gòu)成，一是生物功能物質(zhì)的分子識(shí)別部分，二是轉(zhuǎn)換部分。1 基本原理與主要部件 生物傳感器的轉(zhuǎn)換部分生物傳感器的轉(zhuǎn)換部分：按照受體學(xué)說，細(xì)胞的識(shí)別作用是由于嵌合于細(xì)胞膜表面的受體與外界的配位體發(fā)生共價(jià)結(jié)合，通過細(xì)腦膜通透性的改變，誘發(fā)了一系列的電化學(xué)反應(yīng)。膜反應(yīng)所產(chǎn)生的變化再分別通過電極、半導(dǎo)體器件、熱敏電阻、光電二極管或聲波檢測器等變換成電信號(hào)。這種變換得以把生物功能物質(zhì)的分子識(shí)別轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，形成生物傳感器。只有變換功能的部分或元件也稱為換能器。（2）主要部件 常用的換能器主要點(diǎn)以下一些類型： （a）電化學(xué)換能器：電位型、電流型、場效應(yīng)晶體管型、電導(dǎo)型； （b）光化學(xué)換能器：光度型、熒光型、發(fā)光型、波導(dǎo)型； （c）聲波換能器：壓電晶體型； （d）熱學(xué)換能器：溫敏型。還有其他類型換能器。 （1）采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，試劑可以重復(fù)多次使用，使用方便，成本低。 （2）專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物（被酶作用的物質(zhì)）起反應(yīng)、而且不受顏色、濁度的影晌。 （3）分析速度快，可以在分鐘內(nèi)得到結(jié)果。 （4）準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差可小于1。 （5）操作系統(tǒng)比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。 （6）綜合信息獲取能力強(qiáng)、能得到許多復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程中的信息。2 生物傳感器的特點(diǎn)3.7 MEMS傳感器與智能