无线传感器网络技术及应用3剖析.ppt

第3章 传感器及检测技术  　　　　　　3.1 传 感 器3.1.1 传感器概述　　传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾)，并将探知的信息传递给其他装置或器官。　　传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成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。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。　 　　关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的内涵相同或相似，所以近年来已逐渐趋向统一，大都使用“传感器”这一名称了。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。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)”来称呼“传感器(Sensor)”。 3.1.2 传感器的分类　　往往同一被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种分类方法。下面介绍常见的传感器分类方法。　　1．按传感器的用途分类　　传感器按照其用途可分为力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器和24?GHz雷达传感器等。　　2．按传感器的原理分类　　传感器按照其原理可分为振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器和生物传感器等。 　　3．按传感器的输出信号标准分类　　传感器按照其输出信号的标准可分为以下几种：　　(1) 模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号。　　(2) 数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。　　(3) 膺数字传感器：将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。　　(4) 开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 　　4．按传感器的材料分类　　在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，将被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：　　(1) 按材料的类别分类：金属聚合物和陶瓷混合物。　　(2) 按材料的物理性质分类：导体、半导体、绝缘体和磁性材料。　　(3) 按材料的晶体结构分类：单晶、多晶和非晶材料。 　　与采用新材料紧密相关的传感器开发工作可以归纳为下述三个方向：　　(1) 在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。　　(2) 探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。　　(3) 在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。　　现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。 　　5．按传感器的制造工艺分类　　传感器按照其制造工艺可分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器和陶瓷传感器。　　(1) 集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。　　(2) 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。 　　(3) 厚膜传感器是利用相应材料的浆料涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是用Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。　　(4) 陶瓷传感器是采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产的。完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。　　厚膜传感器和陶瓷传感器这两种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变形。　　每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷传感器和厚膜传感器比较合理。 　　6．按传感器的测量目的不同分类　　传感器根据测量目的不同可分为物理型传感器、化学型传感器和生物型传感器。　　(1) 物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的。　　(2) 化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的。　　(3) 生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。 3.1.3 传感器的性能指标　　1．传感器静态特性　　传感器的静