物理傳感器的概念、種類及應(yīng)用介紹說明

物理傳感器的概念

物理傳感器是檢測物理量的傳感器。它是利用某些物理效應(yīng)，把被測量的物理量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量形式的信號的裝置。其輸出的信號和輸入的信號有確定的關(guān)系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器等。作為例子，讓我們看看比較常用的光電式傳感器。這種傳感器把光信號轉(zhuǎn)換成為電信號，它直接檢測來自物體的輻射信息，也可以轉(zhuǎn)換其他物理量成為光信號。其主要的原理是光電效應(yīng)：當(dāng)光照射到物質(zhì)上的時候，物質(zhì)上的電效應(yīng)發(fā)生改變，這里的電效應(yīng)包括電子發(fā)射、電導(dǎo)率和電位電流等。顯然，能夠容易產(chǎn)生這樣效應(yīng)的器件成為光電式傳感器的主要部件，比如說光敏電阻。這樣，我們知道了光電傳感器的主要工作流程就是接受相應(yīng)的光的照射，通過類似光敏電阻這樣的器件把光能轉(zhuǎn)化成為電能，然后通過放大和去噪聲的處理，就得到了所需要的輸出的電信號。這里的輸出電信號和原始的光信號有一定的關(guān)系，通常是接近線性的關(guān)系，這樣計算原始的光信號就不是很復(fù)雜了。其他的物理傳感器的原理都可以類比于光電式傳感器。

物理傳感器的種類

可以用不同的觀點(diǎn)對傳感器進(jìn)行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理（傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng)）；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類：傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會有巨大增長。

按照其用途分類

壓力敏和力敏傳感器 位置傳感器 液面?zhèn)鞲衅?能耗傳感器 速度傳感器

加速度傳感器 射線輻射傳感器 熱敏傳感器 24GHz雷達(dá)傳感器

按照其原理分類

振動傳感器 濕敏傳感器 磁敏傳感器 氣敏傳感器 真空度傳感器 生物傳感器等。

按照其輸出信號分類

模擬傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。

數(shù)字傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號（包括直接和間接轉(zhuǎn)換）。膺數(shù)字傳感器——將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出（包括直接或間接轉(zhuǎn)換）。開關(guān)傳感器——當(dāng)一個被測量的信號達(dá)到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號。

按照其材料分類

在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來制作傳感器的敏感元件。從所應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列幾類：

（1）按照其所用材料的類別分： 金屬聚合物 陶瓷混合物

（2）按材料的物理性質(zhì)分： 導(dǎo)體絕緣體 半導(dǎo)體磁性材料

（3）按材料的晶體結(jié)構(gòu)分： 單晶 多晶非晶材料

與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開發(fā)工作，可以歸納為下述三個方向：

（1）在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實(shí)際使用。

（2）探索新的材料，應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來改進(jìn)傳感器技術(shù)。

（3）在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以具體實(shí)施。

現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開發(fā)強(qiáng)度。傳感器開發(fā)的基本趨勢是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。

按照其制造工藝分類

集成傳感器薄膜傳感器 厚膜傳感器陶瓷傳感器 集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。

薄膜傳感器則是通過沉積在介質(zhì)襯底（基板）上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。

厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。

陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝（溶膠-凝膠等）生產(chǎn)。

完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。

每種工藝技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于研究、開發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低，以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。

根據(jù)測量目的分類

物理型傳感器是利用被測量物質(zhì)的某些物理性質(zhì)發(fā)生明顯變化的特性制成的。

化學(xué)型傳感器是利用能把化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等化學(xué)量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量的敏感元件制成的。

生物型傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)的特性做成的，用以檢測與識別生物體內(nèi)化學(xué)成分的傳感器。

物理傳感器應(yīng)用

下面簡單介紹一下常見的幾種傳感器的原理和作用以及一些簡單的例子。

1、 touch sensor 意是是接觸性傳感器，當(dāng)兩個物體接觸時產(chǎn)生的一種信號，將這個信號收集傳經(jīng)計算機(jī)，可執(zhí)行下一步的動作。這種sensor 主要用來感應(yīng)兩個物體的關(guān)系。

2、感光傳感器 ，通過兩個簡單的電路來完成，一個電路有發(fā)光二極管或LED等發(fā)光元件，另一個電路則接有一個感光元件來感就發(fā)光體，當(dāng)裝有sensor 的兩物體具有對就的關(guān)系時，感光元件就會接收到信號，將這個信號傳給計算機(jī)，通過計算機(jī)來完成其它的動作。這種sensor 主要用來感應(yīng)是否到達(dá)預(yù)定的位置，或者用來確定兩物體的相對位置關(guān)系。

3、磁感傳感器 ， 通過磁性感應(yīng)物體，當(dāng)兩運(yùn)動部件運(yùn)動到一定的區(qū)域內(nèi)時，可以通過磁感來感就到物體的存在及位置。

在一些電子產(chǎn)品的機(jī)器中，傳感器可說是無處不在，每個傳感器有具體作用也不同，在遇到傳感器時，先看看它到底有什么作用，為什么要一個傳感器， 原理是什么，然后再分析該如何處理。

物理傳感器的應(yīng)用范圍是非常廣泛的，我們僅僅就生物醫(yī)學(xué)的角度來看看物理傳感器的應(yīng)用情況，之后不難推測物理傳感器在其他的方面也有重要的應(yīng)用。

比如血壓測量是醫(yī)學(xué)測量中的最為常規(guī)的一種。我們通常的血壓測量都是間接測量，通過體表檢測出來的血流和壓力之間的關(guān)系，從而測出脈管里的血壓值。測量血壓所需要的傳感器通常都包括一個彈性膜片，它將壓力信號轉(zhuǎn)變成為膜片的變形，然后再根據(jù)膜片的應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電信號。在電信號的峰值處我們可以檢測出來收縮壓，在通過反相器和峰值檢測器后，我們可以得到舒張壓，通過積分器就可以得到平均壓。

讓我們再看看呼吸測量技術(shù)。呼吸測量是臨床診斷肺功能的重要依據(jù)，在外科手術(shù)和病人監(jiān)護(hù)中都是必不可少的。比如在使用用于測量呼吸頻率的熱敏電阻式傳感器時，把傳感器的電阻安裝在一個夾子前端的外側(cè)，把夾子夾在鼻翼上，當(dāng)呼吸氣流從熱敏電阻表面流過時，就可以通過熱敏電阻來測量呼吸的頻率以及熱氣的狀態(tài)。

再比如最常見的體表溫度測量過程，雖然看起來很容易，但是卻有著復(fù)雜的測量機(jī)理。體表溫度是由局部的血流量、下層組織的導(dǎo)熱情況和表皮的散熱情況等多種因素決定的，因此測量皮膚溫度要考慮到多方面的影響。熱電偶式傳感器被較多的應(yīng)用到溫度的測量中，通常有桿狀熱電偶傳感器和薄膜熱電偶傳感器。由于熱電偶的尺寸非常小，精度比較高的可做到微米的級別，所以能夠比較精確地測量出某一點(diǎn)處的溫度，加上后期的分析統(tǒng)計，能夠得出比較全面的分析結(jié)果。這是傳統(tǒng)的水銀溫度計所不能比擬的，也展示了應(yīng)用新的技術(shù)給科學(xué)發(fā)展帶來的廣闊前景。

從以上的介紹可以看出，僅僅在生物醫(yī)學(xué)方面，物理傳感器就有著多種多樣的應(yīng)用。傳感器的發(fā)展方向是多功能、有圖像的、有智能的傳感器。傳感器測量作為數(shù)據(jù)獲得的重要手段，是工業(yè)生產(chǎn)乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理傳感器又是最普通的傳感器家族，靈活運(yùn)用物理傳感器必然能夠創(chuàng)造出更多的產(chǎn)品，更好的效益。