唐山学院论文

我国传感器现状及其发展趋势

专 业 测控技术与仪器

班 级 09测控1班

姓 名 刘海营

学 号 4090107112

指导教师 汤小娇

日 期 20xx年3月27

我国传感器现状及其发展趋势

摘要

介绍传感器；指出其在我国的发展现状; 对其未来发展趋势及途

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径作了探讨。

关键词

传感技术;发展现状;发展趋势

Sensor’s Present Situation and Its Developing Trend in Our Country

ABSTRACT : Introduce transducers； points out the

characters of sensor at present in our country ; discusses the developing trend and solutions of the sensor.

KEY WORDS : sensor technology ; the present state ; the trend of development.

1 传感器

传感器经常作为自动化产品的一部分，以元件、器件、部件等形式出现在市场上，所以传感器的范围不是很明确。但由于它的功能独特且不可或缺，很受人们重视。

GB7665-87国家标准中规定，传感器（transducer/sensor）的定义为：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受和响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。被测量是什么？一般理解为非电量或理解为物理量、化学量、生物量等；可用输出信号是什么？一般也理解为电信号，即模拟量的电压、电流信号（连续量）和离散量的电平变换的开关信号、脉冲信号。现代按照信息理论理解被测量的输出信号应包括多种信息，除上述信号外，还包括声音、图象、味觉、触觉、空间位置等，按照控制理论理解传感器应包括检测以外的识别、检索、侦察、寻找、跟踪、选择拾取、判断等功能。IEC定义传感器是测量系统中将输入变量转换成可供测量信号的一种前置部件。并有人把传感器和传感器系统概念分开，即认为传 感器是传感器系统的敏感元件。更有人把传感器界定为器件（称为传感器件） 传统的以弹性元件、光学元件等为基础的传感器也在向微小型方向发展。传感器产业还与新材料、新工艺、新的制造设备等联系在一起，所以传感器产业是一个产业链，它的

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产品应用市场除军用外，可分为工业与汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品、专用设备四大类。所以，人们把目前兴起的图像传感器（成像技术）、RFID射频识别、纳米材料应用、微型机器人等均纳入传感器市场范围，就不足为怪了。

关于传感器的分类方法很多，而且互相交叉，一般以被测量参数来分米和以测量原理两种分类为主：

被测量参数分类可分为温度、压力、流量、位移、速度、加速度、粘度、湿度等传感器，又除去模拟量以外，还有离散量（开关等）传感器等。

按测量原理分类可分为根据电阻定律的电位计式、应变式传感器，根据变磁阻原理的电感式、差动变压器式、电涡流式传感器，根据半导体理论的半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。

目前，常用的传感器名称是以上两种的综合，以用途为主，如力敏传感器、热敏传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、加速度传感器、生物传感器等。近来形成的有光传感器、光电传感器、图像传感器、光纤传感器、多功能传感器、仿生传感器等。目前国内传感器共分10大类，24小类，6，000多个品种，美国约17，000种传感器。

2

传感器现状—产业特点

我国传感器行业虽起步较早,但直到1986 年“七五”开始才正式将传感器技术列入国家重点攻关项目,展开以机械敏、力敏、气敏、温敏、生物敏为主的5 大敏研究。经过十几年的发展,现已形成了一定规模的产业格局,其特点有:

(1) 厂商多,上规模的企业少。

(2) 地区发展不平衡。

(3) 品种多,档次不高。目前国内共有主要传感器产品1000 多种,国产敏感元器件950 种,基本涵盖了信息采集的各种领域。但是,水平还处在国际80 年代末或90 年代初的水平。

(4) 生产研发多以大学和研究所为依托,专业公司少。当然,从80 年代开始发展传感器技术至今,也取得了一些骄人的成绩,虽然规模有限但也给了我们信心,看到前途的光明。

(1) 综合实力得到加强

目前全行业职工总数约42 万人,固定资产5 亿多元,共引进50 多条生产线与专用设备。传感器行业产值每年都以(10～15) %的速率增长。

(2) 拓宽了开发领域

已经由过去的少数品种扩展到光敏、热敏、力敏、电压敏、磁敏、气敏、湿敏、声敏、射线敏、离子敏、生物敏等各种传感器,以及变送器、二次仪表等多种类、多形式产品,与国

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外研制领域相当。同时形成了近40 个院校、研究所的骨干科研队伍。

(3) 扩大了生产规模

热敏电阻器、ZnO 压敏电阻器、可燃性气体传感器、光电二极管等十几个品种已形成一定规模的生产能力。经过“九五”阶段的努力,已建成敏感技术国家重点实验室,包括南北两部分(北方在北京中科院电子所,南方在上海冶金所) 。此外,还建立了传感器国家工程研究中心,并形成了4 个生产基地:

(1) 湿敏传感器。主要以中科院新疆物理所和成都715 厂为主,年产量达到2000～3000 万只,有少量出口。

(2) 电压敏传感器。主要以西安无线电二厂为主,年产量1000～2000 万只。

(3) 集成霍尔开关。南京中旭微电子有限公司(从南京半导体总厂分出) ,生产能力3000～4000 万只/ 年。

(4) 石英谐振称重传感器。深圳清华传感设备有限公司,产值1000 多万元。产品以出口为主。

3 传感器发展方向与途径

3. 1 发展方向

(1) 向高精度方向发展

随着自动化生产程度的不断提高,对传感器技术的要求也在不断提高,必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。

(2) 向高可靠性、宽温范围发展

传感器的可靠性直接影响到电子设备的性能。研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。大部分传感器的工作范围都在- 20 ℃～70 ℃,在军用系统中要求工作温度在- 40 ℃～85 ℃,而汽车、锅炉等场合对传感器的温度要求更高,因此发展新兴材料(如陶瓷) 的传感器将很有前途。

(3) 向微型化发展

以往的传感器由于尺寸大,可以用经典物理知识很好地描述。微传感器敏感元件的尺寸一般为微米级,所以随着传感器的微小型化,量子效应将越来越起支配作用。在将来,把光波和电子波统一在一起的统一波将可以更好地揭示传感器的工作规律。

(4) 向模糊识别方向发展

从传感的模式看,微观信息由人工智能完成,感觉信息由神经元完成,宏观信息由模糊识别完成。未来的传感器将突破零维、瞬间的单一量检测方式,在时间上实现广延,空间上实现扩张(三维) ,检测量实现多元,检测方式实现模糊识别。

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3. 2 发展途径

传感器的核心部件是敏感元件,其作用是感受、检测未知量。开发新型传感器,其途径大致有以下几个方面:

(1) 采用新材料

由于材料科学的进步,新功能材料的开发将导致新的传感器的出现。半导体材料研究的进展,促进了半导体传感器的迅速发展;光导纤维的问世,产生了各种光纤传感器。

(2) 采用新的加工方法

随着生产工艺水平的不断提高,新的加工方法不但使传感器的性能指标得以提高,应用范围得以扩大,还可加工出原有工艺不能制造的

新型传感器。采用集成工艺和激光电阻微调技术,可制成集成温度传感器等。

(3) 采用新的原理

随着各相关学科的发展,人们对非电量转化为电学量的认识逐步加深,它们之间新的转换关系必将导致新型传感器的产生。

(4) 采用新的构思

许多古老的原理或设计,在巧妙的构思下可以产生出新的传感器。对热敏感的热敏电阻可做成温度传感器。也可把酶固定在电阻表面,用来检测酶反应中产生的热量,根据酶反应的专一性,就可测定酶的底物的含量,从而做成各种酶热敏电阻生物传感器。

参考文献:

[1 ] 冯冠平,陆懋荣. 传感器技术的发展与展望

[2 ] 张剑平,胡萍萍. 传感器的发展方向及其数字传感器的地位

[3 ] 张冈,陈幼平,等. 基于现场总线的网络化智能传感器

第二篇：传感器概念总结

概念总结

定义：能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或置。 组成：一般由敏感元件、转换元件、其他辅助元件组成。

1.敏感元件——感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。

2.转换元件——直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量。

3.信号调理与转换电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制

的有用信号的电路。

组成框图：

静态检测：测量时，检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化很慢。静态检测时系统

所表现出的响应特性称为静态响应特性。一般用标定曲线来评定静态特性；用最小二乘法原理求出标定曲线的拟合直线。

性能指标：1.测量范围：最小输入量和最大输入量之间的范围。

2.灵敏度：指输出增量与输入增量的比值，即

3.非线性度：标定曲线与拟合直线的偏离程度。非线性度=，B为最大

偏差，A为全量程

4.回程误差：输入量增大或减小时，对于同一输入量得到的两个输出量的差值与

全量程的比值。

5.稳定度和漂移：稳定度指规定的条件下保持其测量特性不变的能力。 漂移指输出量发生于输入量无关的、不需要的变化。

漂移包括零点漂移、灵敏度漂移。二者又可分为时间漂移、温

度漂移

6．重复性：输入量按同一方向多次测量时所得特性曲线不一致的程度。

7．分辨力：表示检测系统或仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力。通常

以最小量程单位表示。

8．精确度：精密度（测量结果分散性）、正确度（偏离真值程度）、精确度（综

合优良程度）

动态特性：检测时，输入量改变，其输出量能立即随之不失真的改变的特性。

研究方法：1.微分方程2.传递函数3.频率响应函数4.单位脉冲响应函数

不失真测量条件：检测系统的幅频特性为常数，相频特性为线性。

定义：把被测参量转换为电阻变化的传感器。

类型：电位器式、电阻应变式、热敏效应式。

电阻应变式传感器核心部件：电阻应变片，作用是实现应变——电阻的转换。应变片可分为

金属电阻应变片和半导体应变片。

1．金属电阻应变片工作原理：利用金属材料的电阻定律。应变片结构尺寸发生变化时，其

电阻也发生相应变化。

2．半导体应变片工作原理：基于半导体材料的压阻效应。半导体材料的某一轴受到外力作

用时，其电阻率发生变化。

电阻式传感器测量电路：桥式电路。其指标有桥路灵敏度、非线性、负载特性。 桥臂比：

灵敏度： 电压值：

其中单臂系数为1/4，半桥为1/2，全桥为1。

减小或消除非线性误差的方法：1.提高桥臂比2.采用差动电桥3.采用高内阻的恒流源电桥 应用举例：1.柱力式传感器

2.电阻应变仪：测量电阻应变片应变量的仪器，分为静态、动态两类。

定义：利用将非电量的变化转换为电容量的变换来实现对物理量测量。

特点：1.受本身发热影响小2.静态引力小3.动态响应好4.结构简单，适应性强5.非线性测量 结构：两个金属极板、中间夹一层电介质构成。电容器时间上是一种存储电场能的原件。 类型：变极距型、变极板面积型、变介质型

1. 变极距型：常做成差动形式，可减少极距增加灵敏度。

2. 变极板面积型：有线位移、角位移两种。线位移又分为平面线位移、圆柱线位移。

灵敏度比变极距型低。

3. 变极板面积型：可做测厚仪。

电容式传感器测量电路：桥式电路，调频震荡电路、运算放大式电路、脉冲调宽型电路。 应用举例：1.测厚仪2.测电缆偏心3.加速度计4.压力传感器

定义：利用电磁感应原理将被测非电量的变化转换为线圈的自感系数L或互感系数M的变

化的装置

类型：自感式、互感式。

1．自感式传感器：通过改变磁路磁阻来改变自感系数。又分为：气隙厚度变化型、

气隙面积变化型、螺管型。

测量电路：交流电桥。

2．互感式传感器：把被测量的变化转换为变压器的互感变化。常做成差动形式。 零点残余电压：铁芯位于中心位置时，输出电压不是零电位，而是Ux，Ux被称

为零点残余电压。

测量电路：差动整流电路、相敏检波电路（要会极性判断）。

应用举例：1.微压力变送器2.差动式电感测厚仪3.差动式电感液位测量仪。

定义：根据电涡流效应制成的传感器。

类型：高频反射型、低频透射型

测量电路：调频式、调幅式。

应用举例：位移测量、振幅测量、转速测量、涡流膜厚测量、涡流探伤仪

定义：以具有压电效应的元件作为转换元件的有源传感器。

压电效应：某些物质沿一定方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面

积产生符号相反的电荷。当去掉外力后，他又重新回到不带电状态，这种现象称

为压电效应。机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”，电能转化为机械能

的现象称为“负压电效应”

压电材料：压电晶体、压电陶瓷。

1.压电晶体：常见的有石英晶体，还有水溶性压电晶体。

2.压电陶瓷：人造多晶系压电材料。

3．石英晶体压电特性：Z轴（光轴）受力不产生压电效应，X轴（电轴）受力产

生纵向压电效应，Y轴（机械轴）受力产生横向压电效应。

测量电路：电荷型、电压型。

1.压电传感器不能用于静态测量，因为压电元件绝缘电阻和电路输入电阻不可能

为无穷大以保证没有电荷泄露回路。

2.在输出端先接入高输入阻抗的前置放大器，再接入一般的放大器。

3.前置放大器作用：将输出信号放大、将高阻抗输出变换为低阻抗输出。

4.前置放大器也有电压放大器、电荷放大器两种。

合理使用：1.压电元件串并联：并联输出电荷大，本身电容大，时间常数大，用于测量慢变

信号，并且适用于以电荷为输出量的场合；串联输出电压大，本身电容小，适

用于以电压为输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。

2.压电片预应力：一定的预应力，可以保证在作用力变化时压电片始终受到压力

其次保证压电材料的电压与作用力呈线性关系。预应力太大影响灵敏度。

3.传感器安装：保证灵敏轴与受力方向一致。

应用举例：1.加速度传感器2.单向力传感器3.侧表面粗糙度4.压电引信（引爆）5.煤气灶电

子点火装置

定义：利用电磁感应原理将被测量转换为电信号的传感器。感应电动势与线圈匝数和磁通变

化率有关。

类型：动圈式（分为线速度型、角速度型）、磁阻式（用于测量转速、偏心、震动）。

3.7.热电式传感器

定义：将温度变化转换为电量变化的装置。

类型：热电偶、热电阻。

热电偶原理：1.热点效应：不同材料金属导体组成闭合回路，且两个结点温度不同时，回路

中产生电动势的现象。（塞贝克效应）

2.热电偶利用热点效应将温度信号转化为电信号。产生的热电动势分为接触电

动势和温差电动势（忽略不计）。

热电偶定律：1.中间导体定律：若在回路中插入导体，不论导体温度如何分布，只要中间导

体两端的温度相同，则对热电偶回路总电动势无影响。

2.中间温度定律：热电偶在接点温度为T、T0时的电动势E（T，T0）等于该热

电偶在（T，Tn）及（Tn，T0）时的电动势之和。

3.参考电极定律：Eab（T，T0）=Eac（T，T0）— Ebc（T，T0）

热电偶测温电路：1.基本测温电路2.测量温差电路3.测量均温的并联电路4.测量均温的串联

电路。

热电偶结构：由热电极、绝缘套管、保护套管、接线盒组成。

热电偶注意事项：1.采用补偿导线：让自由端免受被测介质和周围环境的影响。

2.冷端温度补偿：冷端恒温、计算修正、仪表机械零点调整、电桥补偿。 热电偶应用举例：1.测表面温度2.测控应用

热电阻类型：金属热电阻（又称热电阻）、半导体热电阻（又称热敏电阻）。

1. 金属热电阻利用金属导体电阻与温度的关系制成。常用材料：铂和铜。

测温电路：电桥电路。采用三线或四线连接法减小温度误差。工业测量中

常用三线制，标准或实验室常用四线制。

2. 热敏电阻按温度系数分为负温度系数、正温度系数热敏电阻。按结构分为

体型、薄膜型、厚膜型。按工作形式分为直热式、旁热式、延迟电路。按

工作文区分为常温区、高温区、低温区。

热敏电阻应用：1.测温2.温度补偿3.温度控制。

定义：将光信号转换成电信号的光电器件

光电效应：外光电效应：光线照射下，电子逸出物体表面。

内光电效应：1.光电导效应（电子吸收光能量引起电导率变化）

2.光生伏特效应（半导体材料吸收光能量后产生光电动势）

外光电小效应器件：光电管。

光电导器件：光敏电阻

光生伏特器件：光电二极管、光电三极管、光电池。

光电耦合器件（电——光——电）：光电隔离器、光电开光。

定义：利用霍尔效应的传感器。

霍尔效应：看P123图，两侧面通控制电流，垂直方向加磁场，则另两侧面产生和电流、磁

场之积成正比的电压。恒定电流可测磁场，恒定磁场可测电流。

霍尔传感器温度补偿：恒流源补偿、利用输出回路的负载补偿

霍尔传感器不等位电压补偿：排除零位误差。

注意事项： 1.驱动方式：恒压、恒流两种。

2.有良好散热。

3.安装牢固、不扭曲。

霍尔传感器应用举例：1.简易高斯计2.计数装置3.霍尔接近开关4.霍尔转速计5.角位移计

6.汽车霍尔电子点火器7.纱线定长和自停装置。

定义：基于光导纤维的传感器。

组成：光源、光纤、传感头、光探测器、信号处理电路。

类型：功能型、非功能型。

1. 功能型主要使用单模光纤，不仅起传光作用，还是敏感元件。

2. 非功能型光纤不是敏感元件，仅作传光用。

原理：将光源入射的光束经由光纤送入调制区内，外界被测参数进入调制区与光相互作用，

使光的性质发生变化，成为被调制的信号光，再经光纤送入光电器件、解调器而获得被测量参数。

强度调制光纤传感器、频率调制光纤传感器（光学多普勒效应）、波长调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器等原理顾名思义。

实际应用：压力传感器（压力影响光强）、温度传感器（温度影响折射率）、声传感器（影响

频率）、图像传感器（使用传像束）、液位传感器（折射原理）。

定义：把被测模拟量直接转化为数字量输出的传感器。

特点：高抗干扰、高信噪比、高速远距离、搞测量精度、大测量范围。

类型：脉冲数字式、编码输出式、频率输出式。

光电式编码器：将转角、位移转换为各种代码形式的数字脉冲。按结构分为直线式的线性编

码器、旋轴式的轴角编码器。按编码方式分为增量式、绝对式。

光电式编码器分辨率提高犯法：1.倍频法2.插值法。

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知识点： 1.力的测量原理为静力效应和动力效应。

2.静力效应是指弹性物体受力作用后产生相应变形量的物理现象。

3.动力效应是指一定质量物体受到力的作用时，其动量发生变化，从而产生相应

的加速度的现象。

4.压磁效应：铁磁材料受到机械力作用后磁导率发生变化。

5.测压仪四种（原理）：1.液体式（流体静力）2.弹性式（受力变形）

3.负荷式（静力平衡）4.电气式压力计（力转换为电）。

6.测量转矩方法：平衡力法：用平衡力矩测量被测力矩。

传递法：转矩转化为角位移，再转换为电信号。

能量转换法：能量守恒定律。多用于测电机转速。

7.转矩传感器、测量仪：应变片式转矩传感器

磁电式转矩测量仪

磁致伸缩式转矩传感器

8.应用：汽车压力监视器、汽车踏板力传感器、电子气压计

9.位移测量分为模拟式测量和数字式测量。

。。。。。。??&！@#￥%%~！@#￥%??&*（《《》》？%?*>?。。。。。。以下又省略1万字

按来源分：内部干扰、外部干扰。

1. 外部干扰：与系统结构无关，由使用条件和外界环境因素所决定的干扰。

主要是自然界的干扰、周围电气设备的干扰

2. 内部干扰：信号通道干扰：共模干扰、静电耦合干扰、传到耦合干扰

电源干扰

数字电路引起的干扰

干扰的引入和传播：1. 静电耦合

2. 电磁耦合

3. 共阻抗耦合

4. 辐射电路干扰和漏电流耦合。

对于检测系统：干扰引入的电路方式有串模干扰、共模干扰。

干扰抑制的方法：接地、屏蔽、去耦、软件抗干扰。

接地的类型：1.保护接地

2.工作接地：高频电路就近多点接地，低频电路一点接地；交流地与信号地不

共用 ；浮地阻断干扰电路的通路；采用三线双层屏蔽浮地法提

高抗共模干扰能力。屏蔽地避免电磁场对系统干扰。

隔离方法：光电耦合器件隔离、继电器隔离、隔离放大器隔离、隔离变压器隔离。

布线抗干扰：1.长线传输用交叉走线法。

2.电力电缆单独走线，用屏蔽电缆。

3.把空余输入端与输入端并联；把空余输入端通过一个电阻接高电平；把空余

输入端悬空，用一反相器接地。

4.TTL产生噪声最大，HTL产生噪声最小。

软件抗干扰措施：1.数字滤波2.软件陷阱3.Watchdog技术。

定义：是测量系统的组成部分，它的输入的是传感器的输出信号，输出为适合传输、显示、

记录或者能够更好的满足后续标准设备或装置要求的信号。

传感器输出信号通常可以分为模拟量和数字量。

信号放大电路：用来放大传感器输出的微弱信号。

1.测量放大器：注意三运放测量放大器P404

2.程控增益放大器：由程序控制放大电路增益。

3.隔离放大器：隔离共模信号和干扰电压。集成隔离放大器有变压器耦合式、

光电耦合式、电容耦合式

信号滤波电路：测量系统排除干扰、抑制噪声的方法。分为硬件滤波（利用电路）和软件滤

波（利用程序）。

硬件滤波功能：让指定频段的信号以固定的增益通过；分离不同的信号。按

信号频带分为低通、高通、带通、带阻、全通滤波器。按信号性质分为模拟、

数字滤波器。

采样/保持器：实现对一连续信号以一定时间间隔快速取其瞬时值，保持控制指令下达时刻

的最终跟踪值。

采样定理：当采样频率大于信号最高次谐波频率的2倍时，就可用时间离散的采样点恢复原

来的连续信号。所以采样/保持器是以“快采慢测”的方法，实现了对快速变

化信号进行测量的有效措施。

A/D转换器可分为：积分型、比较型。

实现数据线性化的处理方法：计算法、查表法、插值法。

调制：利用某种信号来控制或改变高频振荡信号的某个参数的过程，这些参数包括幅值、频

率或相位。分为调幅、调频、调相。

解调：从已调制波信号中恢复原有低频调制信号的过程。调制与解调是一对信号变化的过程。