原创 超全!全国产传感器最强科普总结(收藏版)

2024-6-12 17:10 178 3 3 分类: 通信

 传感器,英文称 Sensor 或是 Transducer,在新韦式大词典中定义为:“从一个系统接受功率,通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义,传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式,所以不少学者也用“换能器-Transducer”来称谓“传感器-Sensor”。

    传感器就是一种检测装置,通常由敏感元件和转换元件组成,可以测量信息,也可以让用户感知到信息。通过变换方式,让传感器中的数据或价值信息转换成电信号或其他所需形式的输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。



     和利又德小编一起了解一下,传感器的发展史、技术发展的三个阶段、传感器的类型和功能以及传感器常用专业术语、传感器的应用领域。

    传感器发展历史  1883 年,全球首台恒温器正式上市,一个名为 Warren S. Johnson 的发明者创造了它。这款恒温器能够将温度保持在一定程度的精确度,就是利用了传感器和传感技术,在当时看来,是非常厉害的一项技术。20 世纪 40 年代末,第一款红外传感器问世。随后,许许多多的传感器不断被催生出来,直到现在,全球大概有 35000 种以上的传感器,数量和用途上非常繁杂,可以说,现在是传感器和传感技术最为火热的一个时期。1987 年,ADI(亚德诺半导体)开始投入全新的传感器研发,这种传感器与其他不太一样,名叫 MEMS 传感器,是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。而 ADI 是业界最早做 MEMS 研发的公司。   1991 年,ADI 发布了业界第一颗 High-g MEMS 器件,主要用于汽车安全气囊碰撞监测。而后众多 MEMS 传感器被广泛研发,用在手机、电灯、水温检测等精密仪器上,截止到 2010 年,全世界有大约 600 余家单位从事 MEMS 的研制和生产工作。
    传感器技术发展三阶段
第一阶段:1969年之前
    主要表现为结构型传感器。结构传感器利用结构参量变化来感受和转化信号。例如:电阻应变式传感器,它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。  
第二阶段:1969年后的20年左右
    70年代开始发展起来的固态传感器,由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料某些特性制成的。如:利用热电效应、霍尔效应、光敏效应,分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。    70年代后期,随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展, 出现集成传感器。集成传感器包括2种类型:传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。    集成传感器发展非常迅速,现已占传感器市场的2/ 3 左右,它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。
 第三阶段:一般指20世纪末至今
    所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力,是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。    80年代智能传感器刚刚开始发展,此时的智能化测量主要以微处理器为核心,把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上,使传感器具有一定的人工智能。    90年代智能化测量技术有了进一步的提高,在传感器一级水平实现智能化,使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。
    传感器的类型 
   目前国际上缺乏制定国际标准的准则与规范,尚未制定出权威性的传感器标准类型。只能划分为简单的物理传感器、化学传感器和生物传感器等大的类别。
    例如,物理传感器有:声、力、光、磁、温、湿、电、射线等等;化学传感器有:各种气敏、酸碱PH值、离子化、极化、化学吸附、电化学反应等现象等等;生物传感器有:酶电极和介体生物电等等。在产品用途和形成过程中的因果关系互相咬合,既不能划分到物理类,也不能划分为化学类,难以严格划分。
   用传感器分类和命名方式,主要有以下几种类型:
  • 按转换原理可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
  • 按传感器的检测信息来分可分为声敏、光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏和射线敏等传感器。
  • 按照供电方式可分为有源或无源传感器。
  • 按其输出信号可分为模拟量输出、数字量输出和开关量传感器。
  • 按传感器使用的材料可分为:半导体材料;晶体材料;陶瓷材料;有机复合材料;金属材料;高分子材料;超导材料;光纤材料;纳米材料等传感器。
  • 按能量转换可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。
  • 按照其制造工艺,可分为机械加工工艺;复合与集成工艺;薄膜、厚膜工艺;陶瓷烧结工艺;MEMS工艺;电化学工艺等传感器。
    全球产品化的传感器种类约有2.6万余种,我国已经拥有约1.4万多种,大多为常规类型和品种;7000多种可产品化,而在医疗、科研、微生物、化学分析等特殊品种上仍有短缺和空白,存在着较大的技术创新空间。
    传感器的功能    通常将传感器的功能与人类的五大感觉器官相比拟:
  • 光敏传感器——视觉
  • 声敏传感器——听觉
  • 气敏传感器——嗅觉
  • 化学传感器——味觉
  • 压敏、温敏、流体传感器——触觉
①物理类:基于力、热、光、电、磁和声等物理效应;
②化学类:基于化学反应的原理;
③生物类:基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。    人类在计算机的时代,解决了大脑的模拟问题,相当于用0和1实现了信息的数字化,利用布尔逻辑解决问题;现在是后计算机时代,开始模拟五官。    但模拟人的五官,只是传感器的一个比较形象的说法。传感器技术发展相对成熟的,还是工业测量中经常用到的如力、加速度、压力、温度等物理量。对于真实人的感觉,包括视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉,从传感器的角度来看,大部分不是很成熟。    视觉、听觉可认为是物理量,相对好一些,触觉就比较差一些,至于嗅觉及味觉,由于涉及到生物化学量的测量,工作机理比较复杂,远未达到技术成熟的阶段。    传感器的市场,其实是由应用推动的。比如,化学工业中,压力、流量传感器市场相当大;汽车工业中,转速、加速度等传感器市场非常大。基于微电子机械系统(MEMS)的加速度传感器现在技术较为成熟,对汽车工业的需求拉动功不可没。    在传感器这一概念“出现”之前,早期的测量仪器中其实就有传感器,只不过是以整套仪器中一个部件的形式出现。所以,中国在1980年以前,介绍传感器的教科书叫做“非电量的电测量”。    传感器概念的出现其实是测量仪器逐步走向模块化的结果。此后,传感器从整套仪器系统中独立出来,单独作为一个功能器件进行研究、生产、销售。
    传感器常用专业术语    传感器在不断壮大发展的今天,我们对它的了解越来越深,其常用术语总结为以下30个:
1、量程 :测量范围上限值和下限值的代数差。
2、精确度 :被测量的测量结果与真值间的一致程度。
3、通常有敏感元件和转换元件组成:
  • 敏感元件是指传感器中能直接(或响应)被测量的部分。
  • 转换元件指传感器中能较敏感元件感受(或响应)的被测量转换成是与传输和(或)测量的电信号部分。
  • 当输出为规定的标准信号时,则称为变送器。
4、测量范围 :在允许误差限内被测量值的范围。
5、重复性 :在所有下述条件下,对同一被测的量进行多次连续测量所得结果之间的符合程度:
6、分辨力 :传感器在规定测量范围圆可能检测出的被测量的最小变化量。
7、阈值 :能使传感器输出端产生可测变化量的被测量的最小变化量。
8、零位 :使输出的绝对值为最小的状态,例如平衡状态。
9、线性度 :校准曲线与某一规定只限一致的程度。
10、菲线性度 :校准曲线与某一规定直线偏离的程度。
11、长期稳定性 :传感器在规定的时间内仍能保持不超过允许误差的能力。
12、固有凭率 :在无阻力时,传感器的自由(不加外力)振荡凭率。
13、响应 :输出时被测量变化的特性。
14、补偿温度范围 :使传感器保持量程和规定极限内的零平衡所补偿的温度范围。
15、蠕变:当被测量机器多有环境条件保持恒定时,在规定时间内输出量的变化。
16、绝缘电阻 :如无其他规定,指在室温条件下施加规定的直流电压时,从传感器规定绝缘部分之间测得的电阻值。
17、激励 :为使传感器正常工作而施加的外部能量(电压或电流)。
18、最大激励 :在市内条件下,能够施加到传感器上的激励电压或电流的最大值。
19、输入阻抗 :在输出端短路时,传感器输入的端测得的阻抗。
20、输出 :有传感器产生的与外加被测量成函数关系的电量。
21、输出阻抗 :在输入端短路时,传感器输出端测得的阻抗。
22、零点输出 :在市内条件下,所加被测量为零时传感器的输出。
23、滞后 :在规定的范围内,当被测量值增加和减少时,输出中出现的最大差值。
24、迟后 :输出信号变化相对于输入信号变化的时间延迟。
25、漂移 :在一定的时间间隔内,传感器输出终于被测量无关的不需要的变化量。
26、零点漂移 :在规定的时间间隔及室内条件下零点输出时的变化。
27、灵敏度 :传感器输出量的增量与相应的输入量增量之比。
28、灵敏度漂移 :由于灵敏度的变化而引起的校准曲线斜率的变化。
29、热灵敏度漂移 :由于灵敏度的变化而引起的灵敏度漂移。
30、热零点漂移 :由于周围温度变化而引起的零点漂移。


    传感器的应用领域

    传感器是一种应用非常广泛的检测装置,应用于环境监测、交通管理、医疗健康、农畜牧业、消防安全、生产制造、航空航天、电子产品、其他领域等。它能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
①工业控制:工业自动化、机器人技术、检测仪器、汽车工业、造船业等。
    工业控制应用的传感器较为广泛,如使用于汽车制造、产品工艺控制、工业机械、专用设备以及自动化生产设备等等的各种测量工艺变量(如温度、液位、压力、流量等)、测量电子特性(电流、电压等)和物理量(运动、速度、负载以及强度)的以及传统的接近/定位传感器发展迅速。
    同时,智能传感器通过将人机连接,并结合软件和大数据分析,可以突破物理和材料科学的限制,并将改变世界的运行方式。在工业4.0的愿景中,通过端到端传感器解决方案和服务在生产现场复兴。它促进了更明智的决策,提高了运营效率,提高了产量,提高了工程效率并极大地提高了业务绩效
②电子产品:智能穿戴、通信电子产品、消费电子产品等传感器在电子产品中应用多见于智能穿戴、3C 电子,手机在应用领域占比最大。手机产量的大幅增长及手机新功能的不断增加给传感器市场带来机遇与挑战,彩屏手机和摄像手机市场份额不断上升增加了传感器在该领域的应用比例。    此外,应用于集团电话和无绳电话的超声波传感器、用于磁存储介质的磁场传感器等都将出现强势增长。
    在可穿戴式应用领域方面,传感器是必不可少的元器件。
    比如健身追踪器和智能手表正逐渐成为一种日常生活方式设备,可帮助我们跟踪自己的活跃程度以及基本的健康参数。事实上,为了帮助人们衡量活动水平和心脏健康,戴在手腕上的那些微型设备中有很多技术。
    任何典型的健身手环或智能手表都内置约16个传感器。根据价格的不同,有些商品的数量可能会有所增加。这些传感器与其他硬件组件(如电池,麦克风,显示器,扬声器等)以及功能强大的高端软件一起构成健身追踪器或智能手表。    如今可穿戴设备的应用领域正从外置的手表、眼镜、鞋子等向更广阔的领域扩展,如电子肌肤等。
③航空军事:航天技术、军事工程、空间探索等
    在航空领域,对安装组件的安全性和可靠性要求极高。这尤其适用于在不同地方使用的传感器。
    例如,火箭在起飞时,由于起飞速度非常高(超过4马赫或3000 mph),空气会在火箭表面和箭身上产生巨大的压力和作用力,形成极其苛刻的环境。因此需要压力传感器来监控这些作用力,以确保它们保持在箭身的设计限制范围内。起飞时,压力传感器会暴露于从火箭表面流过的空气中,从而测出数据。这些数据还用于指导未来的箭身设计,以使其更可靠、紧固和安全。此外,如果出现什么错误,压力传感器的数据还将成为极其重要的分析工具。
    再比如,在飞机装配中,传感器可确保非接触式铆钉孔测量,还有可用于测量飞机任务的起落架,机翼组件,机身和发动机的位移和位置传感器,可以提供可靠精准的确定测量值。
④家居生活:智能家居、家用电器等    无线传感器网络的逐渐普及,促进了信息家电、网络技术的快速发展,家庭网络的主要设备已由单一机向多种家电设备扩展,基于无线传感器网络的智能家居网络控制节点为家庭内、外部网络的连接及内部网络之间信息家电和设备的连接提供了一个基础平台。 在家电中嵌入传感器结点,通过无线网络与互联网连接在一起,将为人们提供更加舒适、方便和更人性化的智能家居环境。利用远程监控系统可实现对家电的远程遥控,也可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。利用传感器网络可以建立智能幼儿园,监测儿童的早期教育环境,以及跟踪儿童的活动轨迹。
⑤交通管理:交通运输、城市交通、智慧物流等 
   在交通管理中利用安装在道路两侧的无线传感网络系统,可以实时监测路面状况、积水状况以及公路的噪音、粉尘、气体等参数,达到道路保护、环境保护和行人健康保护的目的。    智能交通系统( ITS )是在传统的交通体系的基础上发展起来的新型交通系统,它将信息、通信、控制和计算机技术以及其他现代通信技术综合应用于交通领域,并将“人-车-路-环境”有机地结合在一起。在现有的交通设施中增加一种无线传感器网络技术,将能够从根本上缓解困扰现代交通的安全、通畅、节能和环保等问题,同时还可以提高交通工作效率。
⑥环境监测:环境监测和预报、天气测试、水文测试、能源环保、地震测试等 
   在环境监测和预报方面,无线传感器网络可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、家畜和家禽的环境和迁移状况、无线土壤生态学、大面积的地表监测等,可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等。基于无线传感器网络,可以通过数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分,并依此预测山洪爆发描述生态多样性,从而进行动物栖息地生态监测。还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究等。
    随着人类对环境质量的重视和关注, 在实际的环境检测过程中, 人们往往需要既可以方便携带, 又能够实现多种待测物持续动态监测的分析设备和仪器。借助新型的传感器技术, 能够满足上述需求。
   比如,在进行大气监测的过程中,氮化物,硫化物等都是严重影响人们生产生活的污染物。    在氮氧化物中SO2,是酸雨以及酸雾形成的主要原因,而且传统的方法虽然可以测出SO2的含量,但是方法复杂而且不够准确。最近研究学者发现特定传感器能够将亚硫酸盐进行氧化,在进行氧化的过程中会消耗一部分的氧气,这就会使电极溶解氧下降从而生成电流效应。利用传感器可以有效的得到亚硫酸盐的含量值,不但速度快而且可靠度高。
    而针对氮化物,可用氮氧化物传感器来监测。氮氧化物传感器的原理就是利用氧电极生成一种特定的消耗亚硝酸盐的细菌,通过计算溶解氧浓度的变化来计算出氮氧化物的含量。因为生成的细菌是以硝酸盐作为能源,而且只是以这种硝酸盐作为能源,因此,在实际的应用过程中具有唯一性不会因为其他物质的干扰而受到影响。国外一些研究学者利用膜的原理进行了更加深入的研究,从而间接的测出了空气中含量非常低的NO2的浓度。
⑦医疗健康:医疗诊断、医疗大健康、健康护理等    国内外众多医疗研究机构,包括国际著名的医疗行业巨头在传感器技术应用于医疗领域方面已取得重要进展。    如美国佐治亚理工学院正在开发具备压力传感器和无线通信电路等的体内嵌入式传感器,该器件由导电金属和绝缘薄膜构成,能够根据构成的共振电路的频率变化检测出压力的变化,发挥完作用之后就会溶解于体液中。
    近年来,无线传感器网络在医疗系统和健康护理方面已有很多应用,例如,监测人体的各种生理数据,跟踪和监控医院中医生和患者的行动,以及医院的药物管理等。
⑧消防安全:大型车间、仓库管理,机场、车站、码头、大型工业园区的安全监测等
    由于建筑物不断进行修补,可能会存在一些安全隐患。虽然地壳偶尔的小震动可能不会带来看得见的损坏,但是也许会在支柱上产生潜在的裂缝,这个裂缝可能会在下一次地震中导致建筑物倒塌。用传统方法检查往往需要将大楼关闭数月,而安装传感器网络的智能建筑可以告诉管理部门它们的状态信息,并自动按照优先级进行一系列自我修复工作。
     随着社会的不断进步,安全生产的概念已经深入人心,人们对安全生产的要求也越来越高。在事故多发的建筑行业,如何保证施工人员的人身安全,以及工地的建筑材料、设备等财产的保全是施工单位关心的头等大事。
⑨农畜牧业:农业现代化、畜牧养殖等
    农业是无线传感器网路使用的另一个重要领域。    如“西北优势农作物生产精准管理系统”实施以来,主要针对西部地区优势农产品苹果、猕猴桃、丹参和甜瓜、番茄等主要农作物,以及西部干旱少雨的生态环境特点开展专项技术研究、系统集成与典型应用示范,成功将无线传感器网络技术成功应用于精细农业生产中。这个实时采集作物生长环境的传感网先进技术应用农业生产,为发展现代农业提供了新的技术支撑。
⑩其他领域:复杂机械监控、实验室监测等
    无线传感器网络是当前信息领域中研究的热点之一,可用于特殊环境实现信号的采集、处理和发送;无线温湿度传感器网络以PIC单片机为核心,利用集成湿度传感器和数字温度传感器设计出温湿度传感器网络节点的硬件电路,并通过无线收发模块与控制中心通信,使之系统传感器节点的功耗低,数据通信可靠,稳定性好,通信效率高,可广泛应用于环境检测。

作者: 武汉利又德, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-4083354.html

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