传感器在生活中的应用.docx
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传感器在生活中的应用
传感器在生活中的应用
引言
传感器就是能感受外界信号刺激，将被测量信息传出的装置，一般由敏感元件和转换元件组成。
随着社会日益进步，机械制造类传感器行业也有了很大发展，随着各行各业发展传感器行业也迎来了新的机遇。
传感器产品的门类品种繁多，用于流程工业的主要有：
温度传感器、压力传感器、重量传感器、流量传感器、液位传感器、氧敏传感器,各种力敏传感器、气敏传感器、分析仪表等，用于机械工业的还有：
开关类的接近/定位传感器、安全门开关等安全传感器、旋转编码器、视觉传感器、速度传感器、加速度传感器等。
目前国内传感器共分10大类，24小类，6000个品种。
而国内品种更多，如美国约有17000种传感器，所以我国发展传感器品种的领域很宽广。
中国传感器的市场近几年一直持续增长，增长速度超过15%，2003年销售额为186亿元，同比增长32.9%；而世界非军用传感器市场1998年为325亿美元，平均增长率为9%，预计2008年将增加到506亿美元。
2003年中国传感器应用四大领域为工业及汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品专用设备，其中工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。
由于改革开放，我国巨大的市场，引来了各国厂商如西门子、横河、霍尼韦尔、欧姆龙、邦纳等公司，这为最终用户和工业设备制造厂带来了很大的便利，而国内传感器和检测仪表生产虽有发展，但这远不能跟上形势的要求。
各国传感器生产和研发的规模在不断扩大，美国约有1300家生产和开发传感器的厂家，100多个研究院所和院校，日本有800家厂商。
我国近年建立了传感器技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室等研发基地，初步建立了敏感元件和传感器产业，2000年总产量超过13亿只，目前我国已有1688家从事传感器的生产和研发的企业，其中从事MEMS研制生产的已有50多家，到“十五”末期，敏感元件和传感器年总产量已达到20亿只。
我国在参与国际传感器市场竞争方面也走出了新路子，如沈阳仪表科学研究院的“传感器国家研究中心”，已向美国出口力敏传感器芯片40万只。
传感器技术包括敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术四个方面，约有30多种技术。
随着微电子技术的发展，传感器技术发展很快，我国研发的力量尚需大量投入，特别要加强具有自主知识产权的传感器的开发、科研成果的转化及传感器生产产业化问题，在我国更是迫在眉睫的问题，在批量生产情况下，控制传感器产品性能（主要是稳定性、可靠性），使之合格率很高，就需要有先
进的制造工艺和自动化水平很高的工艺设备，我国应在开发专用工艺设备上下功夫，解决传感器生产产业化的“瓶颈”问题；在传感器的应用上，特别是新型传感器的应用上，还没大力推广，改革开放创造了有利条件，各种工业设备应用了先进的传感器，这扩大了传感器市场，也使我国新型传感器生产产业化有了动力。
我国在传感器生产产业化过程中，应该兼顾引进国外技术和自主创新两方面。
在引进国外先进技术中，可以提高自己的技术，同时也满足了国内市场的需求，形成了传感器生产产业规模。
如横河公司最近发布的EJX多变量变送器，就是个可以考虑引进技术的例子，它精度高（0.025%）、智能化程度高，采用现场总线技术，由于能把质量流量、介质压力及导管堵塞、诊断、蒸气伴热诊断和孔板磨损情况等多种变量和信息经现场总线传输给中央控制室；对保证生产和提供设备维护信息、保证安全运行都很有利，这种新型变送器的发展，配合了自动化系统管控一体化的变革，只有信息源头能力强了，信息丰富了，才能使信息化更好促进生产力发展。
另外，它有广阔的市场，因为它在石油化工、冶金、电力等多个行业均用量很大。
第1章传感器的工作原理
1.1传感器的定义
传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。
国际电工委员会（IEC:
InternationalElectrotechnicalCommittee）的定义为：
“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。
按照Gospel等的说法是：
“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的系统”。
传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。
传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。
有两类：
有源的和无源的。
有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。
1.2传感器的原理结构
1、在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器；在轴上固定着：
（1）能源环形变压器的次级线圈，
（2）信号环形变压器初级线圈，
（3）轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。
图1其他传感器
2、在传感器的外壳上固定着：
（1）激磁电路，
（2）能源环形变压器的初级线圈（输入），
（3）信号环形变压器次级线圈（输出），
（4）信号处理电路。
1.3传感器的工作原理
首先向传感器提供±15V电源,激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波,经过功率放大器即产生交流激磁功率电源,通过能源环形变压器从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈。
由基准电源与双运放组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源。
当弹性轴受扭时,应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器放大成1.5v±1v的强信号,再通过V/F转换器变换成频率信号,通过信号环形变压器从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈,再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。
由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙,加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内,形成有效的屏蔽,因此具有很强的抗干扰能力。
图2传感器原理图
第2章传感器的组成与分类
2.1传感器的组成
传感器的种类繁多，其工作原理、性能特点和应用领域各不相同，所以结构、组成差异很大。
但总的来说，传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路组成，有时还加上辅助电源，如图3所示。
图3传感器组成框图
1）敏感元件
敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
敏感元件是传感器的核心，也是研究、设计和制作传感器的关键。
如图3所示是一气体压力传感器的示意图。
膜盒2的下半部与壳体1固定，上半部通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入测量电路5。
这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力ap相通，内部感受被测压力p。
当p变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。
图4气体压力传感器
2）转换元件
转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部分。
在图4中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。
需要指出的是，并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两部分，有的传感器转换元件不止一个，需要经过若干次的转换；有的则是二者合二为一。
3）测量电路
测量电路又称转换电路或信号调理电路，它的作用是将转换元件输出的电信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。
测量电路的类型视传感器的工作原理和转换元件的类型而定，一般有电桥电路、阻抗变换电路、振荡电路等。
2.2传感器的分类
可以用不同的观点对传感器进行分类：
它们的转换原理（传感器工作的基本物理或化学效应）；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：
传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。
大多数传感器是以物理原理为基础运作的。
化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。
1）按照其用途，传感器可分类为：
压力敏和力敏传感器——位置传感器
液面传感器——能耗传感器
速度传感器——热敏传感器
加速度传感器——射线辐射传感器
振动传感器——湿敏传感器
磁敏传感器——气敏传感器
真空度传感器——生物传感器等。
2）以其输出信号为标准可将传感器分为：
模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。
数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。
膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出（包括直接或间接转换）。
开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。
它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。
从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：
（1）按照其所用材料的类别分
金属聚合物陶瓷混合物
（2）按材料的物理性质分
导体绝缘体半导体磁性材料
（3）按材料的晶体结构分
单晶多晶非晶材料
3）与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：
（1）在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。
（2）探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。
（3）在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。
现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。
传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。
4）按照其制造工艺，可以将传感器区分为：
集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器
（1）集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。
通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。
（2）薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底（基板）上的，相应敏感材料的薄膜形成的。
使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。
（3）厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。
（4）陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺（溶胶-凝胶等）生产。
完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。
厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。
每种工艺技术都有自己的优点和不足。
由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。
5）各种不同形式的传感器：
a、压力传感器b、霍尔传感器
c、光传感器d、水位传感器
图5各种传感器
第3章传感器在生活中的应用
3.1传感器的作用
现在的信息技术发展革命，用人自身感觉器官既无法得到准确的数据，同时对很多无法用器官感测的事物不得不望而止步，而传感器就是一种代替人的感觉器官来获取信息、数据的媒介。
在工业生产中，对于高精密的产品要借助各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。
因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
在医学中，借助传感器能够更好分析病因，得到一个好的治疗方案。
在科研究中，传感器更具有突出的地位。
许多领域人的感官还有简易的传感器根本无法得到精确的数据，必须借助高精密的传感器来实现分析测量。
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。
此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。
显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。
传感器的一般模式：
图6一般模式
一般情况下传感器产生的电压（流）等物理量的信号值都是相当弱的，难以带动执行机构去实现控制动作，所以一般都是与将传感器各种门电路、放大电路结合在一起使用。
3.2传感器的应用
3.2.1智能手机
1）距离传感器：
手机中使用的是近距离传感器。
一般都在手机听筒的两侧或者是在手机听筒凹槽中，这样便于它的工作。
当用户在接听或拨打电话时，将手机靠近头部，距离传感器可以测出之间的距离到了一定程度后便通知屏幕背景灯熄灭，拿开时再度点亮背景灯，这样更方便用户操作也更为节省电量。
距离感应主要是利用各种元件检测对象物的物理变化量，通过将该变化量换算为距离，来测量从传感器到对象物的距离位移的机器。
根据使用元件不同，分为光学式位移传感器、线性接近传感器、超声波位移传感器等。
2）光线传感器
从2002年的诺基亚7650（7650还带有扬声器感应）开始，便有了光线传感器，它的好处就是可以根据手机所处环境的光线来调节手机屏幕的亮度和键盘灯。
比如在光线充足的地方，屏幕很亮，键盘灯就会关闭；相反，在暗处，键盘灯就会亮，屏幕较暗（与屏幕亮度的设置也有关系），这样既保护了眼睛又节省了能量，一举两得。
光线传感器位于前摄像头旁边的一个小点，如果在光线充足的情况下（室外或者是灯光充足的室内），大概在2-3秒之后，键盘灯会自动熄灭，即使你再操作机子，键盘灯也不会亮,除非到了光线比较暗的地方，又一个键盘灯才会自动的亮起来；如果在光线充足的情况下，你试着用手将光线感应器遮上，2-3秒之后，键盘灯会自动亮起来，这个就是光线感应器的作用，是起到一个节电的功能。
图7光线、距离感应器在手机上的实际应用
3）重力传感器
现大部分的智能机都使用到重力传感器，使手机更加的人性化，重力传感器在手机横竖的时候屏幕会自动转，在玩游戏可以代替上下左右，比如说玩赛车游戏，可以不通过按键，将手机平放，左右摇摆就可以代替模拟机游戏的方向左右移动了。
手机重力感应指的是手机内置重力摇杆芯片，支持摇晃切换所需的界面和功能，翻转静音，甩动切换视频等，是一种非常具有使用乐趣的功能。
4）红外线传感器
在几年前智能手机还没出现的时候，功能机遍布天下，有些生产商就突发奇想的把红外传感器植入手机从而使手机具有了遥控器的功能，但由于实用性太差被淘汰了，现在智能机大行其道一些高端智能手机重拾了这一功能。
得益于智能机强大的性能，这一功能被发挥得淋漓尽致。
通过红外遥控器，可以遥控电视，空调等很多可以遥控的家电设备，不失为一个实用的功能。
图8双元热释电红外传感器
5）温度传感器
手机中的温度传感器应用，可以准确的显示当前的温度，帮助用户更便捷地了解气候变化，及时添衣减衣。
未来手机还有可能在一些手持设备中加入湿度和气压传感器，提醒他们及时补充水分和调节空间温湿度，去高海拔地区游玩可以精确的知道自己所处位置的海拔高度。
有很多传感器用户不是很熟悉的传感器，比如：
陀螺仪传感器、加速度传感器，他们也为手机的功能实现做了不小的贡献。
陀螺仪传感器就是内部有一个陀螺，它的轴由于陀螺效应始终与初始方向平行，这样就可以通过与初始方向的偏差计算出实际方向。
手机里陀螺仪传感器实际上是一个结构非常精密的芯片，内部包含超微小的陀螺。
陀螺仪传感器测量是参考标准是内部中间在与地面垂直的方向上进行转动的陀螺。
通过设备与陀螺的夹角得到结果。
陀螺仪传感器对设备旋转角度的检测是瞬时的而且是非常精确的，能满足一些需要高分辨率和快速反应的应用比如FPS游戏（现代战争3.4）的瞄准。
而且陀螺仪配合加速计可以在没有卫星和网络的情况下进行导航，这是陀螺仪的经典应用。
加速度传感器是用来检测手机受到的加速度的大小和方向的，而手机静置的时候是只受到重力加速度的，所以很多人把加速度传感器功能又叫做重力感应功能。
加速度传感器的强项在于测量设备的受力情况。
对但用来测量设备相对于地面的摆放姿势，则精确度不高。
加速度传感器可用于有固定的重力参考坐标系、存在线性或倾斜运动但旋转运动被限制在一定范围内的应用。
同时处理直线运动和旋转运动时，就需要把加速度传感器和陀螺仪传感器结合起来使用。
如果还想设备在运动时不至于迷失方向，就再加上磁力计。
3.2.2电脑
温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。
计算机发展到现在，效能不断的推陈出新，越来越多的新功能被添加到计算机上。
因此计算机需要处理繁重的数据，依赖于CPU和GPU的协同合作，造成计算机内部温度上升很高，为了不烧毁硬件，在计算机内部植入传感器检测温度就变得理所当然。
热敏电阻和集成温度传感器是笔记本电脑常用的两种温度传感器，以下就介绍下这两种温度传感器的工作原理及使用。
1）热敏电阻
热敏电阻按温度对电阻特性变化一般可分为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻及临界温度系数热敏电阻。
正温度系数热敏电阻及临界温度系数热敏电阻的电阻特性会在特定温度发生急剧变化，适合用于定温度检测或限制在较小的温度范围内。
负温度系数热敏电阻主要为氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物的复合烧结体，这些金属氧化物材料都具有半导体性质，当温度较低时，半导体内的电子-空穴对儿数目较少，因此电阻较高。
当温度升高时，热敏电阻内的电子-空穴对儿数量增加，因此导电率增加，电阻值下降。
2）集成温度传感器
集成温度传感器是目前笔记本电脑普遍采用的温度传感器，具有精确度高、响应速度快、体积小、功耗低、软件界面控制方便等优点。
温度检测的主要机制为集成温度传感器内部的电流源和ADC，集成温度传感器的工作原理是利用半导体PN结正向压降在不同的温度下具有不同导通压降的特性进行温度测量的。
电脑里温度的检测是很重要的，而且CPU也是他温度检测的重要目标之一。
无论是Intel或AMD的CPU，CPU内部都含有提供远程温度检测用的二极管，以提供温度传感器，直接检测CPU内部管芯的温度，并对其进行精确的温度控制。
同样在电脑里需要用到检测的有图像处理芯片，内存，硬盘，光驱等等。
温度检测的目的也就是让电脑的嵌入式微控制器能对电脑作适当的电源管理及热管理。
精确的温度传感器检测能让系统发挥最高的效能，精确的温度传感器检测能降低系统噪音并延长计算机电池使用时间，精确的温度传感器检测能提高系统稳定性，增加产品竞争力。
3.2.3数码相机
数码相机之所以能够拍摄图像，跟相机内一个元件有莫大的关系，这个元件就是图像传感器。
现在的数码相机和手机相机的图像传感器共有两种：
CCD和CMOS。
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管（photodiode）进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
造成这种差异的原因在于：
CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。
由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：
1）灵敏度差异：
由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成（含放大器与A/D转换电路），使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
2）成本差异：
由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路（如AGC、CDS、Timinggenerator、或DSP等）集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
3）分辨率差异：
如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。
例如，目前市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平（OmniVision的OV2610，2002年6月推出），其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与OV2610相差不多（1/1.8英寸），但分辨率却能高达513万象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。
4）噪声差异：
由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。
5）功耗差异：
CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外（需外加powerIC），高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。
举例来说，OmniVision近期推出的OV7640（1/4英寸、VGA），在30fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW以上，虽然该公司近期将推出35mW的新产品，但仍与CMOS传感器存在差距，且仍处于样品阶段。
CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。
不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场（这方面的代表业者为Sanyo）；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品。
图9CCD和CMOS两种传感器实物及结构图（左为CCD）
3.2.4空调
温度传感器有以下几种：
1）室内环境温度传感器
室内环境温度传感器通常安装在室内机热交换器的出风口处，它的主要作用有三个：
一是在制冷或制热期间检测室内的温度，控制压缩机转速的运行时间；二是在自动运行模式下控制工作状态；三是控制室内风扇的转速。
2）室内盘管温度伟感器
室内盘管温度伟感器采用金属外壳，安装在室内热交换器的表面上，它的主要作用有四个：
一是制冷期间防过冷保护，二是制热期间防过热保护，三是控制室内风扇电机的转速，四是制热期间用于辅助室外除霜。
3）室外环境温度传感器
室外环境温度传感器通过塑料架安装在室外热交热交换器上，它的主要作用有两个：
一是在制冷或制热期间检测室外的环境温度，另一个是用直于控制室外风机转速。
4）室外盘管温度伟感器
室外盘管温度伟感器采用
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