传感器技术
? 自动化学院
? 200４年８月
目录
? 0 绪论
? 1 传感器技术基础
? 2 电阻应变式传感器
? 3 变磁阻式传感器
? 4 电容式传感器
? 5 磁电式传感器
? 6 压电式传感器
? 7 热电式传感器
? 8 光电式传感器
? 9 光纤传感器
? 11 固态传感器及其集成化
? 12 智能式传感器
? 13 闭环传感器
? 14 机器人传感器
? 15 传感器信息融合
? 16 近代检测技术
0 绪论
? 0.1 传感器的基本概念与物理定律
? 0.2 传感器的构成法
? 0.3 传感器的分类及要求
? 0.4 传感器的作用和地位
? 0.5 传感器开发的新趋势
0.1 传感器的基本概念与物理定律
? 0.1.1传感器的概念,能把特定的被测量信息 (物
理量 化学量 生物量等 )按一定规律转换成某种
可用信号的器件或装置
? 0.1.2传感器的物理定律
(1)守恒定律,主要有能量、动量等；
(2)场的定律：动力场的运动定律、电磁场的感应
定律等；
(3)物质定律：虎克定律、欧姆定律等；
(4)统计法则：微观与宏观联系的物理法则。
0.2 传感器的构成法
? 一般根据被测对象 转换原理 使用环境及
性能要求等具体情况而定,典型构成法有,
? (1)自源型：仅含有转换元件，不需外加
能源，直接从被测量吸取能量并转换成电
量，但能量较弱，如热电偶、压电器件等。
0.2 传感器的构成法 (一 )
? (2)带激励源型：辅助能源作激励（电源、磁
源），磁电式、霍耳传感器等。
0.2 传感器的构成法 (二 )
? (3)外源型：转换元件实现阻抗变换。一种变
换电路，如电桥、放大器、振荡器等。
0.2 传感器的构成法 (三 )
? (4)相同传感器补偿型
0.2 传感器的构成法 (四 )
? (5)差动结构补偿型
0.2 传感器的构成法 (五 )
? (6)不同传感器补偿型
0.3 传感器的分类及要求
? 0.3.1分类
? 按基本效应分,物理型 化学型 生物型等
? 按构成原理分,结构型 物性型
? 按能量关系分,能量转换型和控制型
? 按作用原理分,应变式 压电式等
? 按输入量分,位移 温度 流量 压力等
? 按输出量分,模拟量 数字量
0.3 传感器的分类及要求 (续 )
? 0.3.2基本要求
? 足够的容量
? 灵敏度高,精度适当
? 响应速度快,工作稳定,可靠性好
? 适用性和适应性强
? 使用经济
0.4 传感器的作用和地位
? 发展历程,手工化 → 机械化 → 自动化 → 信
息化 ;
? 生产方式,人与简单工具 ;动力机与机械 ;
自动测量与控制 ;智能机器人
0.4.1人与机器的机能对应关系
0.5 传感器开发的新趋向
?0.5.1 社会对传感器需求的新动向
? (1)” 电五官”落后的现状,制约了计算机技术
的进一步发展 ;
? (2)新产品以及技术改造,离不开传感器 ;
? (3)经济效益与社会效益 ;
? (4)传感器已普及社会各个领域。
?0.5.2 传感器技术的发展趋势
?1,传感器的集成化和微型化
?2,传感器的数字化与智能化
?3,开发新型传感器
?4,研究生物感官，开发仿生传感器
传感器技术的发展
? 传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器
件。输出信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满
足信息传输、处理、记录、显示、控制要求，是自动检测系统和
自动控制系统中不可缺少的元件。如果把计算机比作大脑，那么
传感器则相当于五官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输
出量，对系统的质量起决定性作用。自动化程度越高，系统对传
感器要求越高。
在今天的信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、处
理三部分，即传感技术、通信技术、计算机技术。现代的计算机
技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展，而已经充分
发达后，不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息
量要求越来越高，还要求其成本低廉且使用方便。显然传统传感
器因功能、特性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。世界
许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发，并且都已
取得极大的突破。如今传感器新技术的发展，主要有以下几个方
面：
一,发现并利用新现象
利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研
究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新
型传感器的基础。
日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是
传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它
的制造工艺远比超导量子干涉器件简单。可用于磁成像技术，有广泛
推广价值。
利用抗体和抗原在电极表面上相遇复合时，会引起电极电位
的变化，利用这一现象可制出免疫传感器。用这种抗体制成的免疫传
感器可对某生物体内是否有这种抗原作检查。如用肝炎病毒抗体可检
查某人是否患有肝炎，起到快速、准确作用。美国加州大学巳研制出
这类传感器 。
二、利用新材料
传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制
造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器；光导纤维
能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。
高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分
子。高分子电介常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质
做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成
等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，其有以下特点：
◆测湿范围宽；
◆温度范围宽，可达 -400℃ ～ +1500℃ ；
◆响应速度快，小于 1S；
◆尺寸小，可用于小空间测湿；
◆温度系数小。
? 陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采
用先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移
量小于 0.1%F.S,温漂小于 ± 0.15%/10K,抗过载强,可达量程的数
百倍。测量范围可从 0到 60MPa。德国 E+H公司和美国 Kavlio公司
产品处于领先地位。
光导纤维的应用是传感材料的重大突破，其最早用于光通信
技术。在光通信利用中发现当温度、压力、电场、磁场等环境条
件变化时，引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变
化，测量光波量的变化，就可知道导致这些光波量变化的温度、
压力、电场、磁场等物理量的大小，利用这些原理可研制出光导
纤维传感器。光纤传感器与传统传感器相比有许多特点：灵敏度
高，结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便
于实现遥测等。光纤传感器日本处于先进水平。如 IdecIzumi公
司和 Sunx公司。光纤传感受器与集成光路技术相结合，加速光纤
传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光学元件和无源光
器件，使光纤传感器有高的带宽、低的信号处理电压，可靠性高，
成本低。
三、微机械加工技术
半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平
面电子工艺，各向异性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引
进到传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体
技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、
湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制压力传感器等。
日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，
制成全硅谐振式压力传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片
上面制作的两个谐振梁结成，两个谐振梁的频差对应不同的压
力，用频率差的方法测压力，可消除环境温度等因素带来的误
差。当环境温度变化时，两个谐振梁频率和幅度变化相同，将
两个频率差后，其相同变化量就能够相互抵消。其测量最高精
度可达 0.01%FS。
美国 SiliconMicrostructureInc.(SMI)公司开发一系列低价位,线性度在 0.1%
到 0.65%范围内的硅微压力传感器,最低满量程为 0.15psi(1KPa),其以硅为
材料制成,具有独特的三维结构,轻细微机械加工,和多次蚀刻制成惠斯登
电桥于硅膜片上,当硅片上方受力时,其产生变形,电阻产生压阻效应而失
去电桥平衡,输出与压力成比例的电信号,象这样的硅微传感器是当今传
感器发展的前沿技术,其基本特点是敏感元件体积为微米量级,是传统传
感器的几十、几百分之一。在工业控制、航空航天领域、生物医学等方
面有重要的作用，如飞机上利用可减轻飞机重量，减少能源。另一特点
是能敏感微小被测量，可制成血压压力传感器。
中国航空总公司北京测控技术研究所，研制的 CYJ系列溅谢膜压力
传感器是采用离子溅射工艺加工成金属应变计，它克服了非金属式应变
计易受温度影响的不足，具有高稳定性，适用于各种场合，被测介质范
围宽，还克服了传统粘贴式带来的精度低、迟滞大、蠕变等缺点，具有
精度高、可靠性高、体积小的特点，广泛用于航空、石油、化工、医疗
等领域。
四,集成传感器
集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，
它不仅仅是一个简单的传感器，其将辅助电路中的
元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有
校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，它可降低
成本、增加产量，美国 LUCAS,NOVASENSOR公
司开发的这种血压传感器，每星期能生产 1万只。
五、智能化传感器
智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感
器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相
比有很多特点：
◆具有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补偿，
因而提高测量精度；
◆可实现多传感器多参数测量；
◆有自诊断和自校准功能，提高可靠性；
◆测量数据可存取，使用方便；
◆有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。
把传感器、信号调节电路、单片机集成在一芯片上形成超大规模
集成化的高级智能传感器。美国 HONYWELL公司 ST-3000型智能传感
器，芯片尺寸才有 3× 4× 2mm3，采用半导体工艺，在同一芯片上制成
CPU,EPROM、静压、压差、温度等三种敏感元件。
智能化传感器的研究与开发，美国处于领先地位。美国宇航局
在开发宇宙飞船时称这种传感器为灵巧传感器（ SmartSensor），
在宇宙飞船上这种传感器是非常重要的。我国在这方面的研究
与开发还很落后，主要是因为我国半导体集成电路工艺水平有
限。
传感器的发展日新月异，特别是人类由高度工业化进入信
息时代以来，传感器技术向更新、更高的技术发展。美国、日
本等发达国家的传感器技术发展最快，我国由于基础薄弱，传
感器技术与这些发达国家相比有较大的差距。因此，我们应该
加大对传感器技术研究、开发的投入，使我国传感器技术与外
国差距缩短，促进我国仪器仪表工业和自化化技术的发展。
? 自动化学院
? 200４年８月
目录
? 0 绪论
? 1 传感器技术基础
? 2 电阻应变式传感器
? 3 变磁阻式传感器
? 4 电容式传感器
? 5 磁电式传感器
? 6 压电式传感器
? 7 热电式传感器
? 8 光电式传感器
? 9 光纤传感器
? 11 固态传感器及其集成化
? 12 智能式传感器
? 13 闭环传感器
? 14 机器人传感器
? 15 传感器信息融合
? 16 近代检测技术
0 绪论
? 0.1 传感器的基本概念与物理定律
? 0.2 传感器的构成法
? 0.3 传感器的分类及要求
? 0.4 传感器的作用和地位
? 0.5 传感器开发的新趋势
0.1 传感器的基本概念与物理定律
? 0.1.1传感器的概念,能把特定的被测量信息 (物
理量 化学量 生物量等 )按一定规律转换成某种
可用信号的器件或装置
? 0.1.2传感器的物理定律
(1)守恒定律,主要有能量、动量等；
(2)场的定律：动力场的运动定律、电磁场的感应
定律等；
(3)物质定律：虎克定律、欧姆定律等；
(4)统计法则：微观与宏观联系的物理法则。
0.2 传感器的构成法
? 一般根据被测对象 转换原理 使用环境及
性能要求等具体情况而定,典型构成法有,
? (1)自源型：仅含有转换元件，不需外加
能源，直接从被测量吸取能量并转换成电
量，但能量较弱，如热电偶、压电器件等。
0.2 传感器的构成法 (一 )
? (2)带激励源型：辅助能源作激励（电源、磁
源），磁电式、霍耳传感器等。
0.2 传感器的构成法 (二 )
? (3)外源型：转换元件实现阻抗变换。一种变
换电路，如电桥、放大器、振荡器等。
0.2 传感器的构成法 (三 )
? (4)相同传感器补偿型
0.2 传感器的构成法 (四 )
? (5)差动结构补偿型
0.2 传感器的构成法 (五 )
? (6)不同传感器补偿型
0.3 传感器的分类及要求
? 0.3.1分类
? 按基本效应分,物理型 化学型 生物型等
? 按构成原理分,结构型 物性型
? 按能量关系分,能量转换型和控制型
? 按作用原理分,应变式 压电式等
? 按输入量分,位移 温度 流量 压力等
? 按输出量分,模拟量 数字量
0.3 传感器的分类及要求 (续 )
? 0.3.2基本要求
? 足够的容量
? 灵敏度高,精度适当
? 响应速度快,工作稳定,可靠性好
? 适用性和适应性强
? 使用经济
0.4 传感器的作用和地位
? 发展历程,手工化 → 机械化 → 自动化 → 信
息化 ;
? 生产方式,人与简单工具 ;动力机与机械 ;
自动测量与控制 ;智能机器人
0.4.1人与机器的机能对应关系
0.5 传感器开发的新趋向
?0.5.1 社会对传感器需求的新动向
? (1)” 电五官”落后的现状,制约了计算机技术
的进一步发展 ;
? (2)新产品以及技术改造,离不开传感器 ;
? (3)经济效益与社会效益 ;
? (4)传感器已普及社会各个领域。
?0.5.2 传感器技术的发展趋势
?1,传感器的集成化和微型化
?2,传感器的数字化与智能化
?3,开发新型传感器
?4,研究生物感官，开发仿生传感器
传感器技术的发展
? 传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器
件。输出信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满
足信息传输、处理、记录、显示、控制要求，是自动检测系统和
自动控制系统中不可缺少的元件。如果把计算机比作大脑，那么
传感器则相当于五官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输
出量，对系统的质量起决定性作用。自动化程度越高，系统对传
感器要求越高。
在今天的信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、处
理三部分，即传感技术、通信技术、计算机技术。现代的计算机
技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展，而已经充分
发达后，不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息
量要求越来越高，还要求其成本低廉且使用方便。显然传统传感
器因功能、特性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。世界
许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发，并且都已
取得极大的突破。如今传感器新技术的发展，主要有以下几个方
面：
一,发现并利用新现象
利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研
究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新
型传感器的基础。
日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是
传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它
的制造工艺远比超导量子干涉器件简单。可用于磁成像技术，有广泛
推广价值。
利用抗体和抗原在电极表面上相遇复合时，会引起电极电位
的变化，利用这一现象可制出免疫传感器。用这种抗体制成的免疫传
感器可对某生物体内是否有这种抗原作检查。如用肝炎病毒抗体可检
查某人是否患有肝炎，起到快速、准确作用。美国加州大学巳研制出
这类传感器 。
二、利用新材料
传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制
造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器；光导纤维
能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。
高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分
子。高分子电介常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质
做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成
等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，其有以下特点：
◆测湿范围宽；
◆温度范围宽，可达 -400℃ ～ +1500℃ ；
◆响应速度快，小于 1S；
◆尺寸小，可用于小空间测湿；
◆温度系数小。
? 陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采
用先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移
量小于 0.1%F.S,温漂小于 ± 0.15%/10K,抗过载强,可达量程的数
百倍。测量范围可从 0到 60MPa。德国 E+H公司和美国 Kavlio公司
产品处于领先地位。
光导纤维的应用是传感材料的重大突破，其最早用于光通信
技术。在光通信利用中发现当温度、压力、电场、磁场等环境条
件变化时，引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变
化，测量光波量的变化，就可知道导致这些光波量变化的温度、
压力、电场、磁场等物理量的大小，利用这些原理可研制出光导
纤维传感器。光纤传感器与传统传感器相比有许多特点：灵敏度
高，结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便
于实现遥测等。光纤传感器日本处于先进水平。如 IdecIzumi公
司和 Sunx公司。光纤传感受器与集成光路技术相结合，加速光纤
传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光学元件和无源光
器件，使光纤传感器有高的带宽、低的信号处理电压，可靠性高，
成本低。
三、微机械加工技术
半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平
面电子工艺，各向异性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引
进到传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体
技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、
湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制压力传感器等。
日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，
制成全硅谐振式压力传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片
上面制作的两个谐振梁结成，两个谐振梁的频差对应不同的压
力，用频率差的方法测压力，可消除环境温度等因素带来的误
差。当环境温度变化时，两个谐振梁频率和幅度变化相同，将
两个频率差后，其相同变化量就能够相互抵消。其测量最高精
度可达 0.01%FS。
美国 SiliconMicrostructureInc.(SMI)公司开发一系列低价位,线性度在 0.1%
到 0.65%范围内的硅微压力传感器,最低满量程为 0.15psi(1KPa),其以硅为
材料制成,具有独特的三维结构,轻细微机械加工,和多次蚀刻制成惠斯登
电桥于硅膜片上,当硅片上方受力时,其产生变形,电阻产生压阻效应而失
去电桥平衡,输出与压力成比例的电信号,象这样的硅微传感器是当今传
感器发展的前沿技术,其基本特点是敏感元件体积为微米量级,是传统传
感器的几十、几百分之一。在工业控制、航空航天领域、生物医学等方
面有重要的作用，如飞机上利用可减轻飞机重量，减少能源。另一特点
是能敏感微小被测量，可制成血压压力传感器。
中国航空总公司北京测控技术研究所，研制的 CYJ系列溅谢膜压力
传感器是采用离子溅射工艺加工成金属应变计，它克服了非金属式应变
计易受温度影响的不足，具有高稳定性，适用于各种场合，被测介质范
围宽，还克服了传统粘贴式带来的精度低、迟滞大、蠕变等缺点，具有
精度高、可靠性高、体积小的特点，广泛用于航空、石油、化工、医疗
等领域。
四,集成传感器
集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，
它不仅仅是一个简单的传感器，其将辅助电路中的
元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有
校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，它可降低
成本、增加产量，美国 LUCAS,NOVASENSOR公
司开发的这种血压传感器，每星期能生产 1万只。
五、智能化传感器
智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感
器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相
比有很多特点：
◆具有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补偿，
因而提高测量精度；
◆可实现多传感器多参数测量；
◆有自诊断和自校准功能，提高可靠性；
◆测量数据可存取，使用方便；
◆有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。
把传感器、信号调节电路、单片机集成在一芯片上形成超大规模
集成化的高级智能传感器。美国 HONYWELL公司 ST-3000型智能传感
器，芯片尺寸才有 3× 4× 2mm3，采用半导体工艺，在同一芯片上制成
CPU,EPROM、静压、压差、温度等三种敏感元件。
智能化传感器的研究与开发，美国处于领先地位。美国宇航局
在开发宇宙飞船时称这种传感器为灵巧传感器（ SmartSensor），
在宇宙飞船上这种传感器是非常重要的。我国在这方面的研究
与开发还很落后，主要是因为我国半导体集成电路工艺水平有
限。
传感器的发展日新月异，特别是人类由高度工业化进入信
息时代以来，传感器技术向更新、更高的技术发展。美国、日
本等发达国家的传感器技术发展最快，我国由于基础薄弱，传
感器技术与这些发达国家相比有较大的差距。因此，我们应该
加大对传感器技术研究、开发的投入，使我国传感器技术与外
国差距缩短，促进我国仪器仪表工业和自化化技术的发展。
