国家标准gb7665-87,对传感器(transducer/sensor)的定义是:能感受规定的被测量并按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。传感器的分类主要按其工作原理和被测量来分类。
传感器按其敏感的工作原理,可以分为物理型、化学型和生物型三大类。
物理型传感器分为物性型传感器和结构型传感器,物性型传感器基于某些功能材料本身具有的内在特性及效应感受被测量。结构型传感器以敏感结构具有的特定的物理规律来感受被测量,例如图1所示的谐振筒压力传感器。
化学传感器利用电化学反应原理来感受物质的成分、浓度。常用的是离子敏传感器,利用离子选择性电极,测量溶液的ph值或某些离子的活度,如k、na、ca等。
生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量,主要由两大部分组成:一为功能识别物质,由其对被测物质进行特定识别;其二是电、光信号转换装置,由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。
按传感器的被测量分类能够很方便地表示传感器的功能,也便于用户使用。传感器可以分为温度、压力、流量、物位、加速度、速度、位移、转速、力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。
传感器的命名通常将其工作原理和被测参数结合在一起,如电容式加速度传感器、谐振式质量流量传感器等。
不同的被测量可以采用相同的测量原理,同一个被测量可以采用不同的测量原理。因此,必须掌握不同的测量原理之间,测量不同的被测量时,各自具有的特点。
传感器技术的特点
(1)涉及多学科与技术,包括材料科学、精密机械、微电子、微机械加工工艺、材料力学、弹性力学、计算机技术、物理学、生物化学、测试技术等。
(2)品种繁多,被测参数包括热工量、电工量、化学量、物理量、机械量、生物量、状态量等。
(3)应具有高稳定性、高可靠性、高重复性、低迟滞、快响应和良好的环境适应性。
(4)应用领域广泛,无论是高新技术,还是传统产业,都需要应用大量的传感器。
(5)应用要求千差万别,有的量大面广,有的专业性很强;有的要求高精度,有的要求高稳定性,有的要求高可靠性;有的要求耐振动,有的要求防爆,等等。
(6)发展相对缓慢。但一旦成熟,其生命力强,如应变式传感技术已有70年的历史,目前仍然占有重要的地位。
传感器技术的发展
近年来传感器技术发展的主要趋势表现在:
1.新材料、新功能的开发应用
传感器材料是传感器技术的重要基础,无论是何种传感器,都要选择恰当的材料来制作,而且要求所使用的材料具有优良的机械特性,不能有材料缺陷。近年来,在传感器技术领域,所应用的新型材料主要有:
a.半导体硅材料,包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅蓝宝石等。由于硅材料具有相互兼容的、优良的电学特性和机械特性,因此,采用硅材料研制各种类型的硅微结构传感器。
b.石英晶体材料,包括压电石英晶体和熔凝石英晶体(又称石英玻璃),它具有极高的机械品质因数和非常好的温度稳定性。同时,天然的石英晶体还具有良好的压电特性。因此,采用石英晶体材料来研制各种微小型化的高精密传感器。