传感器：开启智能感知新时代

一、传感器概述

传感器是一种检测装置，能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号，是人类五官的延伸，被称为 “电五官”。它由敏感元件和转换元件组成，是信息技术三大支柱之一，实现自动检测和自动控制的首要环节。按基本感知功能可分为力敏、热敏等多种元件。

在《传感器通用术语》（GB/T 7665—2005）中，传感器被定义为能感受被测量并按照一定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。从广义上来说，传感器是一种检测装置，能感受被测量信息，并按一定规律将信息转换成电信号或其他形式的信号，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术，是信息技术三大支柱（传感与控制技术、通信技术、计算机技术）中的重要内容，是实现自动检测和自动控制的首要环节。

通常按基本感知功能将传感器分为力敏元件、热敏元件、气敏元件、湿敏元件、磁敏元件、光敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等。人类通过感觉器官从外界获取信息，而在研究自然现象和规律及生产活动时，这些信息远远不够。为适应这种情况，需要用到传感器，因此传感器是人类五官的延伸，可以将传感器称为 “电五官”。

二、传感器在生活中的应用

1. 智慧工业：在工业生产领域，传感器应用广泛。智能工厂利用物联网技术加强信息管理和服务，掌握产销流程，提高生产过程的可控性。工业生产各个环节都需要传感器进行监测，并把数据反馈给控制中心，以便对出现异常节点进行及时干预，保证工业生产正常进行。
2. 交通运输：智能化、耐用、高可靠性、定制化以及一站式采购是交通运输行业客户对开关和传感器类产品的普遍需求。高性价比的标准和定制化限位开关、压力开关、钮子开关、钥匙开关，换挡器、小时表、压力传感器、温度传感器，速度传感器等产品，广泛应用于工程机械，建筑机械，农业机械，商业运输车辆等行业。
3. 智能汽车 / 自动驾驶：在智能汽车时代，主动安全技术成为备受关注的新兴领域，需要改进现有的主动安全系统，比如侧翻（rollover）与稳定性控制（ESC）。这就需要 MEMS 加速度传感器和角速度传感器来感测车身姿态。语音将成为人与智能汽车的重要交互方式，MEMS 麦克风将迎来发展新机遇。
4. 环境监测：传感器网络用于环境监测，能够对环境进行早期预警，对环境的综合治理进行确切地衡量。例如，通过数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分、空气质量等因素，并以此为依据预测、分析各地区的气象环境和生态环境，从而为环境的治理、保护提供依据，采取应对措施，提高生态质量，保护区域环境，维持生态平衡。
5. 工业控制：在工业控制领域内，传感器可以对一体化设备的运行状态检测，位移检测、步进的定位检测，流水线的状态检测，设备的安全防护检测，温度、湿度检测气体液体的流量检测，压力、张力距离检测等，实时监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作保持在正常状态或更佳状态，并使产品达到更好的质量。传感器在工业中的应用提高了运营效率，提高了产量，提高了工程效率。
6. 农畜牧业：农业是传感器使用的一个重要领域。各种气象传感器被应用到农业生产中，用来监测环境温湿度、光照、土壤等因素，提高农业生产者对气象灾害的防御能力，减少盲目投资，有效提高农业生产效率。智慧养殖的不断发展也推动了传感器在畜牧养殖业的应用，利用传感器技术实现对养殖场所的设备、人员和环境、动物等信息进行实时监测，通过网络传输，将数据在监控云平台进行展示、存储和分析，实现对养殖场全面的环境监控，全方位指导养殖场的生产、经营和管理，帮助管理者理顺生产流程，确保生产安全，为消费者生产出放心的肉食产品。

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三、传感器的类型

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（一）按照输入量分类

1. 物理传感器：物理传感器是将物理量转换成电信号的传感器，例如声学传感器、光学传感器、磁学传感器等。这些传感器通常利用物理效应将不同的物理量转换成电信号，进而进行测量和监测。
2. 化学传感器：化学传感器是将化学量转换成电信号的传感器，例如气敏传感器、湿度传感器、PH 值传感器等。这些传感器通常利用化学反应来检测和测量化学量，并将其转换成电信号。
3. 生物传感器：生物传感器是利用生物分子或生物组织来检测和测量生物量或化学量的传感器，例如酶传感器、免疫传感器、DNA 传感器等。这些传感器通常具有高度选择性，能够快速准确地检测生物分子或生物组织。

（二）按照工作原理分类

1. 电阻式传感器：电阻式传感器是利用电阻值的变化来检测和测量物理量或化学量的传感器，例如热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等。这些传感器通常由敏感材料制成，其电阻值会随着被测量的变化而变化。
2. 电容式传感器：电容式传感器是利用电容原理来检测和测量物理量或化学量的传感器，例如差分电容式压力传感器、电容式加速度传感器等。这些传感器的敏感元件通常由两块金属板组成，当被测量的变化引起两块金属板之间的距离或相对面积变化时，传感器的电容值也会发生变化。
3. 电感式传感器：电感式传感器是利用电磁感应原理来检测和测量物理量或化学量的传感器，例如涡流式位移传感器、电感式压力传感器等。这些传感器的敏感元件通常由线圈和铁芯组成，当被测量的变化引起线圈中磁通量变化时，传感器的电感值也会发生变化。
4. 压电式传感器：压电式传感器是利用压电效应来检测和测量物理量或化学量的传感器，例如石英晶体压力传感器、压电式加速度传感器等。这些传感器的敏感元件通常由压电材料制成，当被测量的变化引起敏感元件的变形时，其内部会产生电荷或电压。
5. 光电式传感器：光电式传感器是利用光电效应来检测和测量物理量或化学量的传感器，例如光敏电阻、光电倍增管等。这些传感器的敏感元件通常由光敏材料制成，当被测量的变化引起光线的变化时，传感器的光电流也会发生变化。

（三）按照输出信号分类

1. 模拟输出传感器：模拟输出传感器的输出信号为连续变化的模拟信号，例如模拟电压或模拟电流信号。这些传感器通常具有较高的测量精度和线性度，适用于连续监测和控制系统。
2. 数字输出传感器：数字输出传感器的输出信号为数字信号，例如脉冲信号或串行数据信号。这些传感器通常具有较高的分辨率和可靠性，适用于需要高精度测量的场合。

四、传感器的功能

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通常将传感器的功能与人类的五大感觉器官相比拟，光敏传感器对应视觉，如同人类的眼睛能够感知光线的强弱和颜色的变化一样，光敏传感器可以将光信号转换为电信号或其他可用的输出信号，用于检测光照强度、颜色等信息。

声敏传感器对应听觉，类似于人类的耳朵能够接收声音信号，声敏传感器可以感受声音的振动，并将其转化为电信号，用于检测声音的强度、频率等参数。

气敏传感器对应嗅觉，如同人类的鼻子能够感知空气中的各种气味，气敏传感器可以检测特定气体的存在和浓度，将气体的化学信息转换为电信号。

化学传感器对应味觉，就像人类的舌头能够分辨不同的味道，化学传感器可以检测液体或气体中的化学成分，并将其转化为电信号，用于分析化学物质的性质和浓度。

压敏、温敏、流体传感器对应触觉，如同人类的皮肤能够感受压力、温度和流体的流动等，这些传感器可以检测物体的压力、温度变化以及流体的状态，并将其转换为电信号，用于监测和控制各种物理量。

传感器可分为物理类、化学类和生物类，分别基于不同的原理实现对各种信息的检测。物理类传感器主要利用物理效应，将物理量转换为电信号，如光敏传感器利用光电效应、压敏传感器利用压阻效应等。化学类传感器则通过化学反应或吸附过程，检测化学物质的存在和浓度，如气敏传感器、化学传感器等。生物类传感器利用生物分子或生物组织的特性，检测生物量或化学量，如生物量传感器、酶传感器等。

五、传感器的工作原理

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传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路组成，有时还需要由辅助电源提供转换能量。敏感元件指传感器中能直接感受或响应被测量以确定关系、输出相关物理量的元件；转换元件指传感器中能将敏感元件输出的非电量转换成电路参数及电流、电压等电信号的元件；信号调理电路指把模拟信号转换成用于数据采集、控制、执行计算显示读出或其他目的的数字信号的电路。由于传感器输出信号一般很弱，需要对传感器输出信号进行调理与转换、放大、运算与调制后，才能进行显示和控制。

不同类型的传感器工作原理各异。

例如温度传感器，其工作原理主要有以下几种：热敏电阻传感器是利用热敏电阻的电阻值会随着温度的变化而改变，通常在有限的温度范围内可实现较高的精度；电热偶传感器是利用两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势 —— 热电动势；红外温度传感器是利用物体内部热运动向四周辐射电磁波，其中包含波段位于 0.75～100μm 的红外线的原理制作而成。

再如湿度传感器，主要有电阻式和电容式两大类。电阻式湿度传感器是当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性测量湿度；电容式湿度传感器是当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

六、传感器未来发展趋势

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1. 更小、更便宜：随着各种新平台和新材料的应用，制造商能够制造出性能与毫米级和微波级电子元器件相当的更小传感器，且随着硅的应用减少，成本大幅降低。新平台还能降低传感器的设计、开发和制造成本。从长远看，可自我校准的传感器成本效益极高，自动校准可减少维护次数和时间，降低维护成本。可自我修复的传感器应用范围更广，维护成本更低。
2. 更高的准确性：目前多通道协作频谱感知研究处于初期阶段，未来技术成熟后，将比单通道传感器提供更精确的监测数据，在医疗设备等领域有更多应用场景，实现更强大的功能。
3. 更灵活且更柔性：柔性传感器是未来发展方向，目前柔性光传感器、PH 传感器、离子传感器和生物传感器仍处在早期开发阶段。未来，这些柔性传感器将有更多创新应用，如人造皮肤、可穿戴传感器和微动传感。汉威科技的柔性传感器可以应用于柔性压力、温湿度等感知、反馈，以及手套、织物、蒙皮等多个应用场景，未来不排除用于人形机器人领域，但目前尚处于早期研发阶段。
4. 更好的感知与更多的数据：未来传感器将更有效地模仿人类感官，检测复杂信号。例如，先进传感器不仅能感知大量单一分析物，还能破解气味组成。智能微尘可监控各种情况。
5. 更高的复杂性和更好的兼容性：传感器集群可更好地协调工作，通过自主学习系统确定工作内容和位置。各种新技术的采用使传感器更加多样化，如激光技术可通过物质光谱识别组成，飞行时间传感器可测距离，特殊材料制造的压电传感器可响应外部压力和潜热。未来，基础科学进步将推动传感器技术快速进化，使其更加小型化、人性化、隐形化，与 AI 等新技术融合，让生活更美好。