物理感測器

感測器（Sensor）是一種常見又很重要的器件，它是感受規定的被測量的各種量並按一定規律將其轉換為有用信號的器件或裝置。對於感測器來說，按照輸入的狀態，輸入可以分成靜態量和動態量。我們可以根據在各個值的穩定狀態下，輸出量和輸入量的關係得到感測器的靜態特性。感測器的靜態特性的主要指標有線性度、遲滯、重複性、靈敏度和準確度等。感測器的動態特性則指的是對於輸入量隨著時間變化的回響特性。動態特性通常採用傳遞函式等自動控制的模型來描述。

基本介紹

• 中文名：物理感測器
• 外文名：the physical sensor
• 組成部分：敏感元件、轉換器件、轉換電路
• 基本分類：力電、熱電、光電、聲電、電容式

工作原理

物理感測器是檢測物理量的感測器。它是利用某些物理效應，把被測量的物理量轉化成為便於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係。主要的物理感測器有光電式感測器、壓電感測器、壓阻式感測器、電磁式感測器、熱電式感測器、光導纖維感測器等。作為例子，讓我們看看比較常用的光電式感測器。這種感測器把光信號轉換成為電信號，它直接檢測來自物體的輻射信息，也可以轉換其他物理量成為光信號。其主要的原理是光電效應：當光照射到物質上的時候，物質上的電效應發生改變，這裡的電效應包括電子發射、電導率和電位電流等。顯然，能夠容易產生這樣效應的器件成為光電式感測器的主要部件，比如說光敏電阻。這樣，我們知道了光電感測器的主要工作流程就是接受相應的光的照射，通過類似光敏電阻這樣的器件把光能轉化成為電能，然後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。這裡的輸出電信號和原始的光信號有一定的關係，通常是接近線性的關係，這樣計算原始的光信號就不是很複雜了。其他的物理感測器的原理都可以類比於光電式感測器。

套用

下面簡單介紹一下常見的幾種感測器的原理和作用以及一些簡單的例子。

1、 touch sensor 意是是接觸性感測器，當兩個物體接觸時產生的一種信號，將這個信號收集傳經計算機，可執行下一步的動作。這種sensor 主要用來感應兩個物體的關係。

2、感光感測器 ，通過兩個簡單的電路來完成，一個電路有發光二極體或LED等發光元件，另一個電路則接有一個感光元件來感就發光體，當裝有sensor 的兩物體具有對就的關係時，感光元件就會接收到信號，將這個信號傳給計算機，通過計算機來完成其它的動作。這種sensor 主要用來感應是否到達預定的位置，或者用來確定兩物體的相對位置關係。

3、磁感感測器 ， 通過磁性感應物體，當兩運動部件運動到一定的區域內時，可以通過磁感來感就到物體的存在及位置。

在一些電子產品的機器中，感測器可說是無處不在，每個感測器有具體作用也不同，在遇到感測器時，先看看它到底有什麼作用，為什麼要一個感測器， 原理是什麼，然後再分析該如何處理。

物理感測器的套用範圍是非常廣泛的，我們僅僅就生物醫學的角度來看看物理感測器的套用情況，之後不難推測物理感測器在其他的方面也有重要的套用。

比如血壓測量是醫學測量中的最為常規的一種。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係，從而測出脈管里的血壓值。測量血壓所需要的感測器通常都包括一個彈性膜片，它將壓力信號轉變成為膜片的變形，然後再根據膜片的應變或位移轉換成為相應的電信號。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後，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。呼吸測量是臨床診斷肺功能的重要依據，在外科手術和病人監護中都是必不可少的。比如在使用用於測量呼吸頻率的熱敏電阻式感測器時，把感測器的電阻安裝在一個夾子前端的外側，把夾子夾在鼻翼上，當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。

再比如最常見的體表溫度測量過程，雖然看起來很容易，但是卻有著複雜的測量機理。體表溫度是由局部的血流量、下層組織的導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。熱電偶式感測器被較多的套用到溫度的測量中，通常有桿狀熱電偶感測器和薄膜熱電偶感測器。由於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處的溫度，加上後期的分析統計，能夠得出比較全面的分析結果。這是傳統的水銀溫度計所不能比擬的，也展示了套用新的技術給科學發展帶來的廣闊前景。

從以上的介紹可以看出，僅僅在生物醫學方面，物理感測器就有著多種多樣的套用。感測器的發展方向是多功能、有圖像的、有智慧型的感測器。感測器測量作為數據獲得的重要手段，是工業生產乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理感測器又是最普通的感測器家族，靈活運用物理感測器必然能夠創造出更多的產品，更好的效益。

分類

簡介

可以用不同的觀點對感測器進行分類：

它們的轉換原理(感測器工作的基本物理或化學效應)；它們的用途；它們的輸出信號類型以及製作它們的材料和工藝等。根據感測器工作原理，可分為物理感測器和化學感測器二大類：感測器工作原理的分類物理感測器套用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。化學感測器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關係的感測器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。有些感測器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數感測器是以物理原理為基礎運作的。化學感測器技術問題較多，例如可靠性問題，規模生產的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學感測器的套用將會有巨大增長。常見感測器的套用領域和工作原理列於下表。

按其用途

壓力敏和力敏感測器 位置感測器 液面感測器 能耗感測器 速度感測器

加速度感測器 射線輻射感測器 熱敏感測器 24GHz雷達感測器

按其原理

振動感測器 濕敏感測器 磁敏感測器 氣敏感測器 真空度感測器 生物感測器等。

按輸出信號

模擬感測器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。 　數字感測器——將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。膺數字感測器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。開關感測器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，感測器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。

按其材料

在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應的、具有特徵性的反應。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，被用來製作感測器的敏感元件。從所套用的材料觀點出發可將感測器分成下列幾類：

(1)按照其所用材料的類別分： 金屬聚合物 陶瓷混合物

(2)按材料的物理性質分： 導體絕緣體 半導體磁性材料

(3)按材料的晶體結構分： 單晶 多晶非晶材料

與採用新材料緊密相關的感測器開發工作，可以歸納為下述三個方向：

(1)在已知的材料中探索新的現象、效應和反應，然後使它們能在感測器技術中得到實際使用。

(2)探索新的材料，套用那些已知的現象、效應和反應來改進感測器技術。

(3)在研究新型材料的基礎上探索新現象、新效應和反應，並在感測器技術中加以具體實施。 　現代感測器製造業的進展取決於用於感測器技術的新材料和敏感元件的開發強度。感測器開發的基本趨勢是和半導體以及介質材料的套用密切關聯的。

按其製造工藝

集成感測器，薄膜感測器，厚膜感測器，陶瓷感測器。集成感測器是用標準的生產矽基半導體積體電路的工藝技術製造的。通常還將用於初步處理被測信號的部分電路也集成在同一晶片上。 　薄膜感測器則是通過沉積在介質襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路製造在此基板上。 　厚膜感測器是利用相應材料的漿料，塗覆在陶瓷基片上製成的，基片通常是Al2O3製成的，然後進行熱處理，使厚膜成形。 　陶瓷感測器採用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。 　完成適當的預備性操作之後，已成形的元件在高溫中進行燒結。厚膜和陶瓷感測器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。 　每種工藝技術都有自己的優點和不足。由於研究、開發和生產所需的資本投入較低，以及感測器參數的高穩定性等原因，採用陶瓷和厚膜感測器比較合理。 （空侶網暖通專家提供）

按其測量目

物理型感測器是利用被測量物質的某些物理性質發生明顯變化的特性製成的。 　化學型感測器是利用能把化學物質的成分、濃度等化學量轉化成電學量的敏感元件製成的。 　生物型感測器是利用各種生物或生物物質的特性做成的，用以檢測與識別生物體內化學成分的感測器

特性

感測器靜態特性

感測器的靜態特性是指對靜態的輸入信號，感測器的輸出量與輸入量之間所具有相互關係。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關係，即感測器的靜態特性可用一個不含時間變數的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征感測器靜態特性的主要參數有：線性度、靈敏度、遲滯、重複性、漂移等。

（1）線性度：指感測器輸出量與輸入量之間的實際關係曲線偏離擬合直線的程度。定義為在全量程範圍內實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。

（2）靈敏度：靈敏度是感測器靜態特性的一個重要指標。其定義為輸出量的增量與引起該增量的相應輸入量增量之比。用S表示靈敏度。

（3）遲滯：感測器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小（反行程）變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現象成為遲滯。對於同一大小的輸入信號，感測器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。

（4）重複性：重複性是指感測器在輸入量按同一方向作全量程連續多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。

（5）漂移：感測器的漂移是指在輸入量不變的情況下，感測器輸出量隨著時間變化，此現象稱為漂移。產生漂移的原因有兩個方面：一是感測器自身結構參數；二是周圍環境（如溫度、濕度等）。

感測器動態特性

所謂動態特性，是指感測器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，感測器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的回響來表示。這是因為感測器對標準輸入信號的回響容易用實驗方法求得，並且它對標準輸入信號的回響與它對任意輸入信號的回響之間存在一定的關係，往往知道了前者就能推定後者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以感測器的動態特性也常用階躍回響和頻率回響來表示。

感測器的線性度

通常情況下，感測器的實際靜態特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。 　擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或將與特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。

如何區分

感測器的分類有很多，同樣感測器可以通過不同方式進行分類。有一類是從測量目的進行區分感測器。這樣感測器可分為物理型感測器，化學型感測器等。下面就物理型感測器做一個簡單的分析介紹，物理型感測器又可以分為結構型感測器和物性型感測器。
結構型感測器是以結構（如形狀、尺寸等）為基礎，利用某些物理規律來感受（敏感）被測量，井將其轉換為電信號實現測量的。例如電容式壓力感測器，必須有按規定參數設計製成的電容式敏感元件，當被測壓力作用在電容式敏感元件的動極板上時，引起電容間隙的變化導致電容值的變化，從而實現對壓力的測量。又比如諧振式壓力感測器，必須設計製作一個合適的感受被測壓力的諧振敏感元件，當被測壓力變化時，改變諧振敏感結構的等效剛度，導致諧振敏感元件的固有頻率發生變化，從而實現對壓力的測量。
物性型感測器就是利用某些功能材料本身所具有的內在特性及效應感受（敏感）被測量，並轉換成可用電信號的感測器。例如利用具有壓電特性的石英晶體材料製成的壓電式感測器，就是利用石英晶體材料本身具有的正壓電效應而實現對壓力測量的；利用半導體材料在被測壓力作用下引起其內部應力變化導致其電阻值變化製成的壓阻式感測器，就是利用半導體材料的壓阻效應而實現對壓力測量的。
一般而言，物理型感測器對物理效應和敏感結構都有一定要求，但側重點不同。結構型感測器強調要依靠精密設計製作的結構才能保證其正常工作；而物性型感測器則主要依據材料本身的物理特性、物理效應來實現對被測量的感應。近年來，由於材料科學技術的飛速發展與進步，物理型感測器套用越來越廣泛。這與該類感測器便於批量生產、成本較低及易於小型化等持點密切相關。