2.1 传感器基础

2.1.1 传感器的基本概念

何谓传感器（Transducer Sensor）？生物体的感官就是天然的传感器，如人的眼、耳、鼻、舌、皮肤，分别具有视、听、嗅、味、触觉。图2-1是人与机械设备获取外界信息方式的比较。

在工程科学与技术领域里，可以认为：传感器是人体“五官”的工程模拟物。国家标准（GB/T7765—87）把它定义为：能感受规定的被测量量（包括物理量、化学量、生物量等）并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件（Sensing Element）、转换件（Transduction Element）和信号调节转换电路等部件组成，如图2-2所示。敏感元件是接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其他量的元件；转换元件是敏感元件感受到的非电量直接转换成电参量的器件；信号调节转换电路则是把转换元件输的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路，常用的电路有电桥、大器、变阻器、振荡器等；辅助电路通常包括电源等。

应当指出，当今电信号最易于处理和便于传输，因此，可把传感器狭义地定义为：能把界非电信息转换成电信号输出的器件或装置。可以预料，当人类跨入光子时代，光信息成更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念将随之发展成为能把外界信或能量转换成光信号或能量输出的器件或装置。传感器技术是一门涉及测量技术、功能材料、微电子技术、精密与微细加工技术、信息理技术和计算机技术等，由其相互结合形成的密集型综合技术。

2.1.2 传感器的作用

从生产技术发展的角度看，人类社会已经或正在经历着手工化—机械化—自动化—信息……的发展历程。在这个发展历程中的每个历史时代，都有其代表性的生产方式作为标志，就是：

而每种生产方式，又要以相应的科学技术水平为支柱。很显然，科技进步的重要作用在于，不断用机（仪）器来代替和扩充人的体力劳动（第一次产业革命）和脑力劳动（第二次产业革命），以大大提高社会生产力。为此目的，人们在不懈地探索着机器与人之间的功能模拟——人工智能，并不断地创制出拟人的装置——自动化机械，乃至智能机器人。图2-3所示是人与机器的功能对应关系，作为模拟人体感官的“电五官”，传感器是系统从外界获取信息的“窗口” 。从广义上讲，传感器是系统之间实现信息交流的“接口”，它为系统提供着赖以进行处理和决策所必需的对象信息，它是高度自动化系统乃至现代尖端技术必不可少的关键组成部分。现代传感器既是高科技的结晶，又在高科技中起着举足轻重的作用。传感器的发明也极大地推动了科学向高尖端领域方面的研究。下面举几个实际应用的例子。

图2-4是美国“阿波罗”登月飞行器，其上所安装的各种传感器多达3200个。现代的飞机、汽车甚至家用电器也是如此。一辆现代化的汽车，其所用的传感器种类达数十种。

在工业国防领域，传感器更有它的用武之地。在以高技术对抗和信息战为主要特征的现代战争中，在高度自动化的工厂、设备、装置或系统中，可以说是传感器的大集合地。例如：工厂自动化中的柔性制造系统（FMS）或计算机集成制造系统，（CIMS）几十万千瓦的大型发电机组，连续生产的轧钢生产线，无人驾驶的自动化汽车，大型基础设施工程（如大桥、隧道、水库、大坝等），多功能武备攻击指挥系统等，均需要配置大量的、数以千计的传感器，用以检测各种各样的工况参数或对象信息，以达到识别目标和运行监控的目的。图2-5是传感器在生产车间中用于对产品检测的例子。

当传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域广泛应用的同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的各个方渗透。生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器层出不穷，并在日新月异地发展，如图2-6所示。据新近国外一家技术市场调查公司预测：来5年，用嵌入大量微传感器的计算机芯片做成的服装、饰物将风行世界市场。

可见，从茫茫太空，到浩瀚海洋；从各种复杂的工程系统，到日常生活的衣食住行，几每项现代化内容都离不开各种各样的传感器。有专家感言：“没有传感器支撑，现代文明科学技术就不可能发展。“支配传感器技术就能够支配新时代！”日本业界更声称：”为此，本把传感器技术列为国家重点发展的十大技术之首。美国早在20世纪80年代就宣称：世已进入传感器时代。在涉及国家经济繁荣和国家安全至关重要的22项重大技术中，传感技术就有6项；而涉及保护美国武器系统质量优势至关重要的关键技术中，有8项为无源感器。

2.1.3 传感器的分类

用于不同科技领域或行业的传感器种类繁多。一种被测量，可以用不同的传感器来测量；同一原理的传感器，通常又可分别测量多种被测量。因此，传感器分类的方法可谓五花八。例如：根据物理和化学等学科的原理、规律和效应进行分类；根据输入物理量的性质进分类；根据制造传感器所使用的材料进行分类；根据能量观点分类；按用途、学科、功能输出信号的性质等进行分类。表2-1列出了目前一些传感器的分类。

除上述表中所列分类法外，还有按与某种高技术、新技术相结合而得名的，如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等，不胜枚举。