傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用 課件 第一章 傳感器概述；第二章 傳感器的發(fā)展歷史

現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用簡(jiǎn)介

《現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書》共分為四本，其內(nèi)容按照信號(hào)傳輸?shù)逆湕l編寫：

傳感器

調(diào)制與解調(diào)

傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用

智能控制技術(shù)的應(yīng)用

本書系統(tǒng)地對(duì)信息傳輸與現(xiàn)代通信技術(shù)的密切關(guān)系、通信技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史，現(xiàn)代通信技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了介紹；

簡(jiǎn)述了世界通用的有線通信的載波技術(shù)、無(wú)線通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各類通信系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)、不足及適用領(lǐng)域。傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用簡(jiǎn)介

本書還對(duì)現(xiàn)代通信技術(shù)的“高速公路”，即光導(dǎo)纖維通信、５Ｇ通信、衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)，以及近距離小容量的通信手段———無(wú)線保真（ＷｉＦｉ）、藍(lán)牙和可見光通信技術(shù)進(jìn)行原理、功能及應(yīng)用的闡述。

對(duì)未來(lái)的通信技術(shù)，即量子通信技術(shù)的概況進(jìn)行介紹，并預(yù)測(cè)量子通信技術(shù)將在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信傳輸技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等方面應(yīng)用的可期待前景。

本書可作為大專院校或高等院校智能控制類相關(guān)專業(yè)的參考書籍，也可供從事智能控制信息的傳輸方面的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用領(lǐng)域工作的工程技術(shù)人員作為參考資料。

傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用叢書序

自動(dòng)控制、智能控制、智慧控制是相對(duì)ＡＩ控制技術(shù)的普遍話題。在當(dāng)今的生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有重要的作用。

在控制技術(shù)中離不開將甲地的信息傳送到乙地，以便遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)（遙測(cè)）、視頻顯示和數(shù)據(jù)記錄（遙信）、狀況或數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)（遙調(diào)）和智能控制（遙控），統(tǒng)稱為智能控制的四遙工程。

信息是物理現(xiàn)象、過(guò)程或系統(tǒng)所固有的。信息本身不是物質(zhì)，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質(zhì)和能量。

而信號(hào)則是信息的某種表現(xiàn)形式，是傳輸信息的載體。信號(hào)是物理性的，并且隨時(shí)間而變化，這是信號(hào)的本質(zhì)所在。

在無(wú)線電通信中，電磁波信號(hào)承載著各種各樣的信息。所以信號(hào)是有能量的物質(zhì)，它描述了物理量的變化過(guò)程，在數(shù)學(xué)上，信號(hào)可以表示為關(guān)于一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)，也可以表示隨時(shí)間或空間變化的圖形。

傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用叢書序

實(shí)際的信號(hào)中往往包含著多種信息成分，其中有些是我們關(guān)心的有用信息，有些是我們不關(guān)心的噪聲或冗余信息。傳感器的作用就是把未知的被測(cè)信息轉(zhuǎn)化為可觀察的信號(hào)，提取所研究對(duì)象的有關(guān)信息，將原始信息轉(zhuǎn)換成信號(hào)。將有效信息轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)男盘?hào)，或?qū)⑿盘?hào)放大，或?qū)⑤^低頻率的原始信息“調(diào)制”到較高頻率的信號(hào)；滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?，或?qū)⒃寄M信息處理為數(shù)字信號(hào)等。這就是智能控制發(fā)送部分的“職責(zé)”———信息的收集與調(diào)制。然后，將調(diào)制后的信號(hào)置于所選取的傳輸通道上進(jìn)行傳輸，使調(diào)制后的信號(hào)傳輸至信宿端———乙地在乙地接收到經(jīng)傳輸線路傳送來(lái)的信號(hào)后，然后進(jìn)行調(diào)制器的反向操作“解調(diào)”。即將高頻信號(hào)或數(shù)字信號(hào)還原成原始信息。

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原始信息通過(guò)揚(yáng)聲器器（還原的音Ⅳ頻信號(hào)）、顯示器（還原的圖像或視頻信號(hào)）、打（還原的計(jì)算結(jié)果）或進(jìn)行力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等轉(zhuǎn)換，對(duì)原始信息控制目的物進(jìn)行作用，從而達(dá)到智能控制的目的。本套叢書就是對(duì)智能控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的一些關(guān)鍵技術(shù)的原理、特性、基本計(jì)算公式和方法、基本結(jié)構(gòu)的組成、各個(gè)部分參數(shù)的選取，以及主要應(yīng)用場(chǎng)合及其優(yōu)勢(shì)和不足等問(wèn)題進(jìn)行討論和分析。本套叢書則沿著“有效信息的取得”、“有效信息的調(diào)制”、“調(diào)制信號(hào)的傳輸“、“調(diào)制信號(hào)的解調(diào)”以及“智能控制系統(tǒng)的舉例應(yīng)用”這一線索展開，對(duì)比較典型的智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用于實(shí)踐的設(shè)計(jì)計(jì)算及控制的邏輯關(guān)系進(jìn)行舉例論述。本套叢書雖然經(jīng)歷了十多年的知識(shí)積累，但仍然覺得時(shí)間倉(cāng)促，加之水平有限，錯(cuò)誤與疏漏之處在所難免，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。編撰者

蘇遵惠

傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用

叢書序

前言第一章傳感器概述第一節(jié)定義與作用第二節(jié)傳感器的工作原理第二章傳感器的發(fā)展歷史

第一節(jié)概述

第二節(jié)傳感器發(fā)展的四個(gè)階段

第三節(jié)

傳感器的發(fā)展

第四節(jié)

傳感器的發(fā)展趨勢(shì)第三章傳感器的分類第一節(jié)敏感元件的分類

第二節(jié)

傳感器從不同角度分類

第三節(jié)

通用傳感器簡(jiǎn)介

第四節(jié)

傳感器的主要特性技術(shù)特點(diǎn)及選擇

第四章常用傳感器剖析第一節(jié)電阻式傳感器

第二節(jié)

電阻應(yīng)變式傳感器第三節(jié)

半導(dǎo)體壓阻式傳感器第四節(jié)

電阻式應(yīng)變柵傳感器第五節(jié)

常用傳感器應(yīng)用實(shí)操

第六節(jié)

常用傳感器中的應(yīng)變片第五章傳感器的典型應(yīng)用

第一節(jié)光敏傳感器的應(yīng)用

第二節(jié)熱敏傳感器的應(yīng)用第六章傳感器在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用

第一節(jié)防撞系統(tǒng)

第二節(jié)安全氣囊傳感器第三節(jié)

汽車雨量傳感器第四節(jié)

智能胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)第五節(jié)

純電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)管和控制技術(shù)附錄附錄Ａ名詞術(shù)語(yǔ)及解釋附錄Ｂ相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)重點(diǎn)目錄

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第一章

傳感器概述第一節(jié)

定義與作用

一、傳感器的概念

傳感器(transducer或sensor

，“TR”或“SE”)是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的處理、傳輸、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。在現(xiàn)代智能控制技術(shù)中起著人類“五官”在一定程度上的延伸或替代作用。

現(xiàn)代傳感器的特點(diǎn)包括微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

光敏元件實(shí)物圖見圖1-1所示。圖1-1光照度傳感器實(shí)物圖

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第一章

傳感器概述第一節(jié)

定義與作用

二、傳感器的定義與作用1、定義

GB/T7665-2005

對(duì)傳感器定義是：“能感受被測(cè)量并按照一定的規(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”。

新韋式大詞典定義是：“從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件”。

最廣泛的定義中：傳感器是一種設(shè)備、模塊或子系統(tǒng)，其目的是檢測(cè)環(huán)境中的事件或變化，并將信息發(fā)送給其他電子設(shè)備（通常是計(jì)算機(jī)處理器）。傳感器總是與其他電子設(shè)備一起使用。

2、作用

靠人們的“感覺器官”，只能是定性的感覺，現(xiàn)代控制需要傳感器對(duì)自然現(xiàn)象予以量化，且其結(jié)果應(yīng)該是“定值的”和“可重復(fù)的”。可以說(shuō)，傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，且更加精準(zhǔn)、可數(shù)字化的延長(zhǎng)。所以又稱之為“電五官”。

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第一章

傳感器概述第二節(jié)

傳感器的工作原理

一、一般組成

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件（傳感元件）、變換電路（信號(hào)調(diào)制轉(zhuǎn)換電路）和輔助電源四部分組成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1-2所示。圖1-2傳感器的一般組成結(jié)構(gòu)原理

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傳感器的發(fā)展歷史二、工作原理

以“彈性軸受扭力矩的傳感器”為例說(shuō)明。見圖1-3所示.

其傳感器的工作原理是:當(dāng)彈性軸受扭力矩時(shí),應(yīng)變橋檢測(cè)得到的mV級(jí)的應(yīng)變信號(hào)通過(guò)儀表放大器放大成1.5v±1v的強(qiáng)信號(hào),再通過(guò)“電壓/頻率轉(zhuǎn)換器”（V/F）變換成頻率信號(hào),通過(guò)信號(hào)環(huán)形變壓器從旋轉(zhuǎn)的初級(jí)線圈傳遞至靜止次級(jí)線圈,再經(jīng)過(guò)外殼上的信號(hào)處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸受的扭矩成正比的頻率信號(hào),既可提供給專用二次儀表或頻率計(jì)顯示也可直接送計(jì)算機(jī)處理。第二節(jié)

傳感器的工作原理

可見，傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將接收到的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。圖1-3扭矩傳感器水平安裝測(cè)試示意圖

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史

傳感器是人類感知世界萬(wàn)事萬(wàn)物的測(cè)量工具、是人類改造世界畫龍點(diǎn)睛的關(guān)鍵性科技之一。

科技，讓人類的能力圈不斷擴(kuò)大。機(jī)械延伸了人類的體力，計(jì)算機(jī)延伸了人類的智力，而無(wú)處不在的傳感器，大大延伸了人類的感知力。

其實(shí)，傳感器并不神秘，在現(xiàn)代一直存在于你的生活中，小到遙控器（超聲波、光控）、麥克風(fēng)（聲控）、臺(tái)燈（光控）、手機(jī)按鈕（壓控），大到電視、鍋爐檢測(cè)、電網(wǎng)傳輸、醫(yī)療器械診斷等，覆蓋大大小小不同的場(chǎng)景，可以說(shuō)，傳感技術(shù)和傳感器是當(dāng)今產(chǎn)品當(dāng)中必不可少的一部分。當(dāng)先進(jìn)傳感器的應(yīng)用達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，往往標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的到來(lái)。第一節(jié)

概述

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史一、遠(yuǎn)古時(shí)代開啟人類傳感工具的雛形

在這個(gè)階段，傳感器雛形的初級(jí)“度量衡器具”。體現(xiàn)在如下代表性的測(cè)量工具上。

1、指南車

指南車公認(rèn)為是史料記載最早的傳感器。又稱司南車，于公元前2700年由中國(guó)的軒轅黃帝發(fā)明，黃帝用指南車在大霧中辨別方向，打敗了蚩尤。

見圖1-11所示

第二節(jié)

傳感器發(fā)展的四個(gè)階段圖2-1指南車

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史一、遠(yuǎn)古時(shí)代開啟人類傳感工具的雛形

2、度量衡器具的產(chǎn)生

（1）陶質(zhì)量具

在甘肅大地灣出土距今5000年前的仰韶文化晚期房F901號(hào)中的一組陶質(zhì)量具，是迄今全世界發(fā)現(xiàn)最早的量器。包括泥質(zhì)槽狀條形盤、夾細(xì)砂長(zhǎng)柄麻花耳鏟形抄、單環(huán)耳箕形抄、帶蓋四把深腹罐等。其都是以10倍數(shù)遞增。相應(yīng)名稱冠以條升、抄斗、四把斛等。這些度量衡器具為研究我國(guó)古代度量衡史以及十進(jìn)制的起源，提供了非常珍貴的實(shí)物資料。見圖2-2所示第二節(jié)

傳感器發(fā)展的四個(gè)階段圖2-2中國(guó)古代度量衡器具

ａ）彩陶量具

ｂ）古銅方升

（量具）

ｃ）古銅斗

（量具）

ｄ）古銅權(quán)

（衡器）

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史一、遠(yuǎn)古時(shí)代開啟人類傳感工具的雛形

2、度量衡器具的產(chǎn)生

（2）骨尺

河南安陽(yáng)出土的商代（公元前1600～1046年）骨尺，是中國(guó)所見最早的長(zhǎng)度測(cè)量工具。見圖2-3所示，

長(zhǎng)23.7cm合漢尺一尺、寬16cm、厚0.1cm。以圓圈為尺星，刻度精細(xì)準(zhǔn)確，是實(shí)用器具。

（3）最早的天平

長(zhǎng)沙左家公山15號(hào)戰(zhàn)國(guó)楚墓發(fā)掘出的天平是中國(guó)最早的天平。用長(zhǎng)27cm的木桿，正中的孔內(nèi)穿一根絲線提鈕。距離木桿兩端內(nèi)側(cè)o.7cm處各內(nèi)穿絲線，系直徑4cm的銅盤。銅質(zhì)環(huán)形砝碼共九個(gè)，重量近似于依次減半，最大的重125g，最小的重0.6g。第二節(jié)

傳感器發(fā)展的四個(gè)階段圖2-3骨尺

圖2-4中國(guó)最原始的天平

（衡器）

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史一、遠(yuǎn)古時(shí)代開啟人類傳感工具的雛形

3、天文地理測(cè)量?jī)x的發(fā)明

（1）日晷儀

我國(guó)西周的日晷儀見圖2-5所示，是古人觀測(cè)日影并記錄時(shí)間的儀器，為我國(guó)古代較為普遍使用的計(jì)時(shí)儀器，即時(shí)間-陰影傳感器。

（2）地動(dòng)儀

為最早的振動(dòng)傳感器，公元132年?yáng)|漢張衡發(fā)明，英國(guó)李約瑟將其稱為“地震儀的

鼻祖”，有共八個(gè)方位，見圖2-6所示。用于測(cè)出發(fā)生地震的方向。第二節(jié)

傳感器發(fā)展的四個(gè)階段圖2-5日晷儀

圖2-6地動(dòng)儀

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史二、機(jī)械化時(shí)代傳感工具的產(chǎn)生

第二階段為1500～1870年前后傳感器的發(fā)展歷程。

空氣溫度計(jì)———世界上最早的溫度傳感器，是這個(gè)時(shí)期代表性傳感器。原理裝置如圖2-7所示。

意大利科學(xué)家伽利略在1593年發(fā)明制造了第一個(gè)驗(yàn)溫器———空氣溫度計(jì)，將不確定的冷熱感覺轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)物體熱狀的客觀表述。是一個(gè)連接在玻璃球容器上的開口管子，將玻璃球預(yù)熱或裝入一部分水后倒放進(jìn)水里，水在管子里上升的高度隨玻璃球中氣體的冷熱程度引起的脹縮情況而變化。這種儀器因受到氣壓波動(dòng)的影響，測(cè)量不是很準(zhǔn)確，而且使用起來(lái)也不方便，但它是溫度量度的起源傳感器。隨之發(fā)明的機(jī)械式檢測(cè)工具和機(jī)械式傳感器大量涌現(xiàn)。第二節(jié)

傳感器發(fā)展的四個(gè)階段

圖2-7空氣溫度

計(jì)裝置示意圖

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史三、電氣化時(shí)代傳感器的蓬勃發(fā)展

第三階段為1870年前后

～2009年期間傳感器的發(fā)展歷程。

18世紀(jì)60年代的工業(yè)革命創(chuàng)造了巨大的生產(chǎn)力，蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，是人類社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展又一次重大飛躍，這次變革被稱為“第二次工業(yè)革命”，標(biāo)志著人類進(jìn)入

“電氣時(shí)代”。

汽車的問(wèn)世是技術(shù)上的重大成就，引起了交通運(yùn)輸領(lǐng)域的革命性變革；內(nèi)燃機(jī)車、遠(yuǎn)洋輪船、飛機(jī)等不斷涌現(xiàn)；內(nèi)燃機(jī)推動(dòng)了石油開采業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。隨著大量交通工具和電器的使用，傳感器成為不可或缺的關(guān)鍵性配套器件，且在制造和生產(chǎn)過(guò)程中，傳感器的需求種類和數(shù)量急劇增加，大大促進(jìn)了先進(jìn)傳感器技術(shù)的發(fā)展。第二節(jié)

傳感器發(fā)展的四個(gè)階段

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史三、電氣化時(shí)代傳感器的蓬勃發(fā)展

（一）鉑電阻溫度計(jì)1876年，德國(guó)的西門子制造出第一支鉑電阻溫度計(jì)見圖2-8所示，是最早輸出電信號(hào)的傳感器。傳感器進(jìn)入與電子電路接軌時(shí)代。

（二）結(jié)構(gòu)型傳感器

結(jié)構(gòu)型傳感器是這一階段傳感器的代表，是促使傳感器成為工業(yè)批量生產(chǎn)的第一代傳感器，其通過(guò)測(cè)量元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的感知和轉(zhuǎn)換，如電阻應(yīng)變傳感器等。如電容式壓力傳感器

，見圖2-9所示第二節(jié)

傳感器發(fā)展的四個(gè)階段

圖2-8鉑電阻溫度計(jì)

圖2-9電容式振動(dòng)位移

傳感器結(jié)構(gòu)示意圖１—平面測(cè)試端

（電極）

２—絕緣襯底

３—?dú)んw４—彈簧卡圈

５—電極座

６—盤形彈簧

７—螺母

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史三、電氣化時(shí)代傳感器的蓬勃發(fā)展

（三）物性型傳感器

是基于轉(zhuǎn)換元件的物理特性發(fā)生變化而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換的傳感器，例如，壓阻式傳感器、光電式傳感器，見圖2-10所示，壓電式傳感器、熱電式傳感器等。第二節(jié)

傳感器發(fā)展的四個(gè)階段

圖2-10光電式傳感器

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史三、電氣化時(shí)代傳感器的蓬勃發(fā)展

（四）固體傳感器一般利用材料的某些特性由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件制成的，為工業(yè)批量化生產(chǎn)的第2代傳感器。如將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的傳感器AD590

.

實(shí)物圖和接線端圖如圖2-11a,在自動(dòng)控制電路中的應(yīng)用，如圖2-11b所示。第二節(jié)

傳感器發(fā)展的四個(gè)階段a）傳感器AD590的實(shí)物圖和接線端圖b）傳感器AD590在自動(dòng)控制電路中的應(yīng)用圖2-11

傳感器AD590

應(yīng)用圖例

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史四、智能時(shí)代傳感器日新月異的發(fā)展

第四階段為2009年至今傳感器的發(fā)展歷程。

本世紀(jì)以來(lái)，傳感器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將物質(zhì)世界連接起來(lái)，賦予物質(zhì)世界以電子的“神經(jīng)系統(tǒng)”，使其具有感知的信息，擔(dān)當(dāng)這一重任的核心就是傳感器。

人們將傳感器基礎(chǔ)技術(shù)及其應(yīng)用稱為“SensorRevolution”即傳感器革命。使之成為新興物聯(lián)網(wǎng)的核心基礎(chǔ)和突破口。世界上已經(jīng)有35000多種傳感器，涵蓋了不同的領(lǐng)域，與人們的生產(chǎn)、生活及科學(xué)實(shí)驗(yàn)息息相關(guān)，具有明顯的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、規(guī)?；忍卣?。

（一）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)爆發(fā)

傳感器的無(wú)線化，例如固定電話變?yōu)槭謾C(jī)。傳感器融入物聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)道路、智能車間、智能工廠應(yīng)運(yùn)而生，人工智能對(duì)傳感器從量的需求，到對(duì)功能、質(zhì)量和精度的要求都大為提高，這大大促進(jìn)了傳感器的超常規(guī)發(fā)展。

第二節(jié)

傳感器發(fā)展的四個(gè)階段

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史四、智能時(shí)代傳感器日新月異的發(fā)展

（二）傳感技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用

將傳感技術(shù)和自動(dòng)化的生產(chǎn)環(huán)節(jié)密切關(guān)聯(lián)在一起，帶來(lái)更為安全監(jiān)測(cè)手段，強(qiáng)化了產(chǎn)品的精度和控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械阻抗、振動(dòng)部件的參數(shù)、部件動(dòng)態(tài)特點(diǎn)的精準(zhǔn)測(cè)量，大幅度提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，在第一時(shí)間把不正常情況反饋給控制中心，大大降低了負(fù)面影響。

（三）傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

傳感器在現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)中運(yùn)用，擴(kuò)展了機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用范疇。使機(jī)器人表現(xiàn)出智能化特征，促進(jìn)了傳感器技術(shù)的要求標(biāo)準(zhǔn)。其兩個(gè)層面：

對(duì)外，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部信息的有效收集與檢驗(yàn)，保證機(jī)器人在第一時(shí)間給予反應(yīng)，達(dá)到反應(yīng)更加準(zhǔn)確的效果。

對(duì)內(nèi)，確保機(jī)器人控制目標(biāo)被完整、準(zhǔn)確地達(dá)成。對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行狀況進(jìn)行自我監(jiān)管，確保機(jī)器人對(duì)外、對(duì)內(nèi)統(tǒng)一進(jìn)行相應(yīng)的活動(dòng)作業(yè)。第二節(jié)

傳感器發(fā)展的四個(gè)階段

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史四、智能時(shí)代傳感器日新月異的發(fā)展

（四）傳感器在工業(yè)控制中的應(yīng)用

傳感技術(shù)在工業(yè)控制生產(chǎn)流水線中的作用，具體體現(xiàn)在如下方面：

１、對(duì)機(jī)械設(shè)備相關(guān)的振動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)，保證生產(chǎn)過(guò)程的安全。

２、對(duì)超精細(xì)的加工和測(cè)量，傳感器測(cè)量技術(shù)有效提升測(cè)量的準(zhǔn)確度。

３、可以對(duì)機(jī)械系統(tǒng)中潤(rùn)滑油及液壓系統(tǒng)的油量進(jìn)行監(jiān)控。

（五）傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用

環(huán)境監(jiān)測(cè)涉及范圍廣，操作困難。傳感

技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用能夠有效降低成本，省去了現(xiàn)場(chǎng)的人工長(zhǎng)期維護(hù)，且監(jiān)測(cè)精度高與時(shí)效程度高的顯著特征。運(yùn)用于氣象觀測(cè)、洪災(zāi)預(yù)警和森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)等，能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)險(xiǎn)情的排除的效果。第二節(jié)

傳感器發(fā)展的四個(gè)階段

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傳感器的發(fā)展歷史一、智能傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著云計(jì)算、5G、大數(shù)據(jù)、AI技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器和智能傳感技術(shù)更加被國(guó)內(nèi)外高度重視，其表現(xiàn)為：

１、用于可穿戴設(shè)備

含有多種生物以及環(huán)境智能感應(yīng)器，采集人體及環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)穿戴者運(yùn)動(dòng)健康的管理。如圖2-12所示。

２、工業(yè)智能傳感器產(chǎn)業(yè)

如圖2-13所示.

３、現(xiàn)代飛行器中的應(yīng)用

用其裝備顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、發(fā)射和接收地面的指令系統(tǒng)，對(duì)飛行器的加速度、聲音、溫度、壓力、振動(dòng)、流量、應(yīng)力變化等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，其智能傳感部件一般需要2000余件，用以保證飛行任務(wù)的完成。

４、基礎(chǔ)學(xué)科研究中應(yīng)用

研究領(lǐng)域涉及“超微觀”觀察納米級(jí)的粒子世界，短到μｓ級(jí)的瞬間反應(yīng)；對(duì)宇宙天體“超宏觀”的觀察中，觀察上千光年的浩瀚宇宙；長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬(wàn)年的天體演變。傳感器更具有突出的地位和作用。第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展

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傳感器的發(fā)展歷史一、智能傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

５、對(duì)新物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知

開拓新能源，開發(fā)新材料、超高溫、超低溫、超高壓、超真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)等的研發(fā)領(lǐng)域，需要各式人類感官無(wú)法獲取的信息，如果沒有創(chuàng)新機(jī)理和高靈敏度的傳感檢測(cè)技術(shù)，是不可能實(shí)現(xiàn)的。創(chuàng)新機(jī)理和高靈敏度的傳感檢測(cè)技術(shù)又會(huì)促進(jìn)、甚至導(dǎo)致新興傳感技術(shù)的突破。傳感技術(shù)的發(fā)展還呈現(xiàn)出其獨(dú)有的特點(diǎn)：

其一，可以說(shuō)沒有傳感技術(shù)和智能傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，它是其中十分重要的一個(gè)分支，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

其二，國(guó)家必須對(duì)智能傳感技術(shù)進(jìn)行可靠性研究，加強(qiáng)市場(chǎng)調(diào)查和分析，對(duì)傳感器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理促進(jìn)其健康發(fā)展，掌控傳感器的最新動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，使傳感器相關(guān)企業(yè)更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展

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傳感器的發(fā)展歷史二、全球智能傳感器技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r分析

１、專利申請(qǐng)量及專利授權(quán)量

見圖2-14所示。第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展

圖2-142011～2023年全球智能傳感器行業(yè)專利申請(qǐng)量及專利授權(quán)量統(tǒng)計(jì)圖［注：資料數(shù)據(jù)來(lái)源于智慧牙、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

（以下相關(guān)數(shù)據(jù)同）］

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傳感器的發(fā)展歷史二、全球智能傳感器技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r分析

2、專利市場(chǎng)價(jià)值的評(píng)估

見圖2-15所示為截至2023年7月，全球智能傳感器行業(yè)專利市場(chǎng)價(jià)值分布情況。圖2-16所示為截至2023年2月，全球智能傳感器行業(yè)專利申請(qǐng)量TOP10。第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展圖2-15截至2023年7月，全球智能

傳感器行業(yè)專利市場(chǎng)價(jià)值分

布情況

（單位：億美元）圖2-16截至2023年2月，全球智能

傳感器行業(yè)專利申請(qǐng)量

TOP10（單位：項(xiàng)）

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傳感器的發(fā)展歷史二、我國(guó)智能傳感器的發(fā)展和技術(shù)經(jīng)濟(jì)狀況分析

１、智能傳感器的定義

定義（GB/T33905.3=2017）：智能傳感器是具有與外部系統(tǒng)雙向通信手段，用于發(fā)送測(cè)量、狀態(tài)信息，接收和處理外部命令的傳感器。

我國(guó)傳感器行業(yè)主要上市公司有：華工科技、中航電測(cè)、森霸傳感、漢威科技、敏芯股份、四方光電、高德紅外、歌爾股份、兆易創(chuàng)新、必創(chuàng)科技等。

２、行業(yè)投融資狀況

圖2-17為2010～2023年中國(guó)智能傳感器行業(yè)投融資情況統(tǒng)計(jì)圖。

第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展圖2-172010至2023年中國(guó)智能傳感器行業(yè)投融資情況統(tǒng)計(jì)圖

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傳感器的發(fā)展歷史二、我國(guó)智能傳感器的發(fā)展和技術(shù)經(jīng)濟(jì)狀況分析

3、2019年為傳感器企業(yè)注冊(cè)的高峰時(shí)期

據(jù)企業(yè)大數(shù)據(jù)查詢顯示，我國(guó)智能傳感器行業(yè)截至2023年2月，智能傳感器行業(yè)注冊(cè)企業(yè)共有16875家，其中2019年新注冊(cè)企業(yè)數(shù)量2762家。2020～2022年新增注冊(cè)企業(yè)為51家；截至2023年2月，新增注冊(cè)企業(yè)僅1家。中國(guó)智能傳感器企業(yè)主要分布在長(zhǎng)三角和珠三角等地區(qū)，特別以廣東和江蘇為代表。截至2023年2月，廣東共有相關(guān)智能傳感器企業(yè)4451家，江蘇2322家。

第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展

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傳感器的發(fā)展歷史二、我國(guó)智能傳感器的發(fā)展和技術(shù)經(jīng)濟(jì)狀況分析

4、政策推動(dòng)智能傳感器的快速發(fā)展

近年來(lái)，國(guó)家相關(guān)部門和各省市出臺(tái)多項(xiàng)政策，推動(dòng)了我國(guó)智能傳感器的快速發(fā)展.

表2-1是中國(guó)智能傳感器行業(yè)出臺(tái)的部分重點(diǎn)政策。

表2-1中國(guó)智能傳感器行業(yè)出臺(tái)的部分重點(diǎn)政策

(見本書P19)第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展時(shí)間政策名稱主要內(nèi)容2022.01《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃》（2021-2035）以量值為核心，提升數(shù)字化新產(chǎn)品，智能終端產(chǎn)品計(jì)量測(cè)試能力。開展智能傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)傳感器等關(guān)鍵參數(shù)計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究。提升物聯(lián)網(wǎng)感知裝備質(zhì)量水平，打造全領(lǐng)域、全時(shí)段、全要素的計(jì)量支撐能力。2022.01《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》智能傳感器、量子信息、網(wǎng)絡(luò)通信、集成電路、關(guān)鍵軟件、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈、新材料等戰(zhàn)略性前瞻性領(lǐng)域，發(fā)揮我國(guó)社會(huì)主義制度優(yōu)勢(shì)，新型中國(guó)體制優(yōu)勢(shì)。廣大規(guī)模市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，提高數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)能力。以數(shù)字技術(shù)與各領(lǐng)域融合應(yīng)用為導(dǎo)向，推動(dòng)行業(yè)企業(yè)、平臺(tái)企業(yè)和數(shù)字技術(shù)服務(wù)企業(yè)跨界創(chuàng)新，優(yōu)化創(chuàng)新成果快速轉(zhuǎn)化機(jī)制，加快創(chuàng)新技術(shù)的工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化。2021.12《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》研制三維視覺傳感器，六維力傳感器和關(guān)節(jié)力矩傳感器等力覺傳感器。大視場(chǎng)單線和多線激光雷達(dá)、智能聽覺傳感器以及高速度編碼器等產(chǎn)品，滿足機(jī)器人智能化及其要求。2021.12《“十四五”國(guó)家信息化規(guī)劃》加快推動(dòng)重大技術(shù)裝備與新一代信息技術(shù)融合發(fā)展。加強(qiáng)新型傳感器、智能測(cè)量?jī)x表、工業(yè)控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信模塊等智能核心裝置產(chǎn)品上的集成應(yīng)用，利用新一代信息技術(shù)增強(qiáng)產(chǎn)品的的數(shù)據(jù)采集和分析能力。2021.01《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》（2021-2025年）重點(diǎn)發(fā)展小型化、低功耗、集成化、高靈敏度的敏感元件，溫度、氣體、位移、速度、光電、生化等類型的高效傳感器、新型MEMS傳感器和智能傳感器，微型化、智能化的電聲器件。

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傳感器的發(fā)展歷史二、我國(guó)智能傳感器的發(fā)展和技術(shù)經(jīng)濟(jì)狀況分析

5、政策

表2-2我國(guó)智能傳感器行業(yè)區(qū)域集群基本形成

(見本書P20)第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展

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傳感器的發(fā)展歷史二、我國(guó)智能傳感器的發(fā)展和技術(shù)經(jīng)濟(jì)狀況分析

5、政策

表2-3

中國(guó)智能傳感器骨干企業(yè)基本信息表

(見本書P20)第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展

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傳感器的發(fā)展歷史二、智能傳感器的代表性產(chǎn)品——MEMS

1987年亞德諾半導(dǎo)體（ADI）開始一種MEMS傳感器的研發(fā)（Microelectronicsensor）。其采用微電子和微機(jī)械技術(shù)制造的新型傳感器。它將信號(hào)的調(diào)節(jié)電路、微計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器和接口等技術(shù)整合在一起，制成例如汽車用車規(guī)級(jí)壓力傳感模塊——BCP1200A。90年代，由MEMS制成的慣性測(cè)量單元（InertialMeasurementUnit，IMU）在汽車、國(guó)防等行業(yè)得到規(guī)?；膽?yīng)用；在中等精度的消費(fèi)電子領(lǐng)域，如汽車中應(yīng)用；在高精度的航天、國(guó)防等領(lǐng)域展現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展

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傳感器的發(fā)展歷史二、智能傳感器的代表性產(chǎn)品——MEMS

見圖2-21所示，為由MEMS傳感器組成的電路。第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展圖2-20MEMS傳感器及圖2-21由MEMS傳感器組成的電路

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傳感器的發(fā)展歷史二、智能傳感器的代表性產(chǎn)品——MEMS（一）MEMS傳感器的分類MEMS傳感器常見的分類方式及具體類別如下：

1、按照被測(cè)量的物理量分類

（1）物理量傳感器：加速度傳感器、壓力傳感器、陀螺儀、磁力計(jì)等。

（2）化學(xué)量傳感器：包括氣體傳感器、濕度傳感器等。

（3）生物量傳感器：用于檢測(cè)生物相關(guān)的參數(shù)。2、按照工作原理分類

（1）電容式MEMS傳感器：通過(guò)電容變化來(lái)檢測(cè)物理量。

（2）壓阻式

MEMS傳感器：利用材料的壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

（3）壓電式

MEMS傳感器：基于壓電材料的壓電效應(yīng)工作。３按照應(yīng)用領(lǐng)域分類

（1）消費(fèi)電子類MEMS傳感器：常見于手機(jī)、平板電腦等設(shè)備。

（2）汽車電子類MEMS傳感器：用于汽車的各種控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)功能。

（3）工業(yè)類MEMS傳感器：適用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)量和控制。第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史二、智能傳感器的代表性產(chǎn)品——MEMS（二）MEMS傳感器的應(yīng)用

1、在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

圖2-22所示為MEMS傳感器用于無(wú)創(chuàng)胎心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖。2、在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖2-23所示為MEMS壓力傳感器在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3、MEMS在運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖2-25所示為MEMS壓力傳感器在運(yùn)動(dòng)物體系統(tǒng)中的應(yīng)用.

4、在手機(jī)拍攝系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖2-24所示為MEMS在手機(jī)防抖中的應(yīng)用。第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史二、智能傳感器的代表性產(chǎn)品——MEMS（二）MEMS傳感器的應(yīng)用

圖2-22所示為MEMS傳感器用于無(wú)創(chuàng)胎心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖。第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展圖2-22MEMS傳感器用于無(wú)創(chuàng)胎心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

ａ）檢查設(shè)備

ｂ）設(shè)備系統(tǒng)圖

ｃ）無(wú)創(chuàng)胎心檢測(cè)

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史二、智能傳感器的代表性產(chǎn)品——MEMS（二）MEMS傳感器的應(yīng)用

圖2-23（a）所示為MEMS壓力傳感器在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用。

第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展圖2-23MEMS壓力傳感器在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖

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傳感器的發(fā)展歷史二、智能傳感器的代表性產(chǎn)品——MEMS（二）MEMS傳感器的應(yīng)用

圖2-23（b）所示為所示為MEMS壓力傳感器在運(yùn)動(dòng)物體追蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用.

第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展圖2-25MEMS壓力傳感器在運(yùn)動(dòng)物體追蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用

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傳感器的發(fā)展歷史二、智能傳感器的代表性產(chǎn)品——MEMS（二）MEMS傳感器的應(yīng)用

圖2-24所示為所示為MEMS壓力傳感器在在手機(jī)防抖中的應(yīng)用。第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展圖2-24MEMS傳感器在手機(jī)防抖中的應(yīng)用

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傳感器的發(fā)展歷史三、MEMS的研究現(xiàn)狀MEMS正向著工藝集成化、多變量復(fù)合化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。1、微機(jī)械壓力傳感器

微機(jī)械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類。

敏感膜結(jié)構(gòu)有圓形、方形、矩形、E形等多種結(jié)構(gòu)。

壓阻式壓力傳感器：精度達(dá)0.05%～0.01%,年穩(wěn)定性達(dá)0.1%/F.S，

溫度誤差為0.0002%,耐壓達(dá)幾百兆帕,過(guò)壓保護(hù)范圍達(dá)傳感器量程的20倍以上,

可大范圍下的全溫度補(bǔ)償。

主要發(fā)展方向：①

將敏感元件與信號(hào)處理、校準(zhǔn)、補(bǔ)償、微控制器

等進(jìn)行單片集成，研制智能化的壓力傳感器。②

提高其靈敏度，實(shí)現(xiàn)低量程的微壓傳感器。③

提高工作溫度，研制高低溫壓力傳感器。④

開發(fā)諧振式壓力傳感器。第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史三、MEMS的研究現(xiàn)狀2、微加速度傳感器

主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。最具有吸引力的是力平衡加速度計(jì)，典型產(chǎn)品是Kuehnel等人在1994年報(bào)道的AGXL50型。

我國(guó)西安電子科技大學(xué)研制的壓阻式微加速度傳感器和清華大學(xué)微電子所開發(fā)的諧振式微加速度傳感器，用于信號(hào)檢測(cè)方面均達(dá)到了相當(dāng)?shù)南冗M(jìn)水平。

3、微機(jī)械陀螺傳感器

角速度一般是用陀螺儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。傳統(tǒng)的陀螺儀在保持其角動(dòng)量來(lái)測(cè)量角速度。其精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用壽命短，成本高，僅在導(dǎo)航方面應(yīng)用。

開發(fā)角速度傳感器在諸如汽車牽引控制系統(tǒng)、攝象機(jī)的穩(wěn)定系統(tǒng)、醫(yī)用儀器、軍事儀器、運(yùn)動(dòng)機(jī)械、計(jì)算機(jī)慣性鼠標(biāo)、軍事等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。目前的微機(jī)械陀螺精度不到10°/h，離所需的0.1°/h相差尚遠(yuǎn)。第三節(jié)

智能傳感器的發(fā)展

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第二章

傳感器的發(fā)展歷史三、MEMS的研究現(xiàn)狀4、微流量傳感器

微流量傳感器外形尺寸小，很低的測(cè)量量級(jí)，死區(qū)容量小，響應(yīng)時(shí)間短，適合于微流體的精密測(cè)量和控制。

其依據(jù)工作原理可分為熱式、機(jī)械式和諧振式。清華大學(xué)精密儀器系設(shè)計(jì)的閥片式微流量傳感器通過(guò)閥片將流量轉(zhuǎn)換為梁表面彎曲應(yīng)力，再由集成在閥片上的壓敏電橋檢測(cè)出流量信號(hào)。其線性度優(yōu)于5%。

5、微氣體傳感器

分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器