传感器

传感器概述

所有传感器通用的主要功能是转换：传感器（或“探测器”）探查并测量同专门设计的被称为 RFID 芯片上的电子识别码一样种类繁多的实物或数量（其中 RFID 代表射频识别，Radio Frequency Identification）；物体、液体或人体的热量；电子监控视野监测到的物体、人体或动物的运动；或物体正在进行的诸如自由落体运动或旋转运动等加速运动类型。测量时，传感器将其接收到的数据转换为信号或视频显示，该信号或视频显示又可由人主体或另一电子设备有意地做出解析。换言之，传感器也始终是一个转换器，即可将一种形式的能量或刺激因素转化为另一形式的设备。

例如，一种形式的运动传感器可被整合至工业机械中并有线连接安全开关。在发生机械运动异常的情况下，继续运转可能损坏机器设备或对附近作业人员造成危害，此时探测器可将该异常信号发送至开关使其安全停机。这是一个示例，其中测量结果被转换为用于输入另一非人装置的信号。当然，大多数传感器将该测量结果转换为人眼可视的尺度或显示出来。例如，水银玻璃温度计是温度传感器的普遍形式，其将小玻璃泡中水银的热胀冷缩转换为可读刻度（摄氏或华氏温度）：即随着水银的膨胀或收缩，其在玻璃体狭窄的中空管中上升或下降，该玻璃体在其外表面显示有标定的温度刻度。

水银玻璃温度计在设计的温度测量范围内显示了所有传感器须具有的重要特征：线性特征。换言之，传感器探测材料（如本例中水银）的物理变化与所测量的对象、力量、运动或辐射改变成直接正比。类似地，温差电偶作为另一类型的传感器也以线性形式反应温度，在本例中随着热度改变成比例地发生输出电压改变。为保证精确度，传感器需加以精密校准以符合设定的、经过试验及检验的刻度。

在我们电子介导的文明中，传感器为保证浩如烟海的各种机器、装置、车辆及制造流程正确运行，发挥着中枢作用。多数人可能完全没意识到，很多他们认为稀松平常的事物背后其实隐藏着各种传感器，如在手机或平板电脑无论怎样移动或旋转时确保其显示内容始终顶部朝上的加速计，或帮助汽车和飞机安全运行的各种传感器。它们广泛应用于医疗设备、航空航天工程、数不胜数的制造流程及机器人技术，其应用不胜枚举。

传感器的灵敏度决定了其大部分用途。如果某一传感器对于媒介物相对较大的变化却在其探测物质及相应输出结果中反应出较小变化，那么该传感器显示的敏感度不高。可有时我们需要传感器测量细微变化，此时要求其表现出高度敏感性，即在测量时对媒介物的细微变化反应显著。通常此类传感器的线性特征限于严格的界定范围内，超过此范围其反应的精确度将严重下降。

传感器制造商不得不考虑传感器对其探查或测量的一切对象将造成何种影响：例如，将一支水银玻璃温度计插入一杯热茶，由于浸入时其将吸收媒介物热量，因此其本身可能使液体变凉。多数情况下传感器都会不可避免地造成一定程度的影响，但深思熟虑加上独出心裁的设计却可确保影响尽可能地小。尽量降低影响的方法之一是力争传感器设计尽量小型化：传感器形体越小，媒介物受到的物理影响就越小。目前，微电子机械系统（Micro-electromechanical Systems，MEMS）技术为传感器制造带来了变革，使真正显微水平的微量探测器制造成为可能。这些传感器较之同类，反应时间通常更短且灵敏度大幅提高。

 

传感器发展史

人类从公元前至少三百年就开始使用各种各样的传感器进行实验，当时东罗马帝国拜占庭的斐洛建造了一部装置，其可显示空气随温度改变而膨胀收缩的程度。到十七世纪，意大利天文学家及物理学家伽利略·伽利雷首创了温度计的原型。历经几十个春秋至 1784 年，英国一位名为乔治•阿特伍德的工程师设计了第一部加速计，虽然其一直仅作为一部用于显示牛顿物理学真相的仪器，但到了二十世纪下叶又重新发现其作为一种装置可具有多种用途（如智能手机和平板电脑装置的自动旋屏功能就依赖于加速计）。

有时，科学家们的创造性发现会沉睡数十年甚至数百年，直到该发现的各种用途被想象出来。例如，德国天文学者威廉•赫歇尔在 1800 年便发现了红外射线（确切地，波长小于可视红光波长的放射线）。三十年后直至 1831 年，意大利物理学家梅洛尼才创造了能够探测十米之遥人体温度（即，接收人体红外辐射）的温差电堆。但是直到 20 世纪七十年代，能够通过专门设计的摄影机创建人类或动物“体温”图像的红外线传感器才被真正开发出来。

二战期间在多个领域发起了必需品的发明创造。该期间射频识别或射频识别（RFID）芯片及运动传感器的前身被迫不及待地开发出来，其上的雷达装置实际上受益于十九世纪的一项发现以及射频识别技术，该项技术源自用于探测敌我飞行器区别发声的基本敌我识别系统（Identification Friend or Foe，IFF）发射机应答器。

任何一个踏上浴室电子磅秤的人也许都不会意识到其使用的是一个应变式传感器。该特定类型的换能器将诸如拉伸和压缩等机械力转换为电阻变化——受挤压或被拉伸的应变片箔发生的电阻变化。早在 1938 年，当现今的浴室电子磅秤还远未问世时，美国工程师亚瑟•鲁格（Arthur Ruge）及爱德华•西蒙斯（Edward Simmons）就制造了第一部可变电阻应变计。

 

重要技术要素

所有传感器通用的核心技术要素是：应当显示线性（从而对其所监测媒介物的真实变化提供相应的精确度量），应当通过校准符合经认可并确立的测量标度，且不应用于设计的精确测量容差范围之外的任何一侧（否则其线性度和灵敏度将会失真）。其对所测媒介物的影响应当被降至最低：例如，将水银玻璃温度计的玻璃泡置入烧杯或热水中时，将由于其冷却作用使温度计待测媒介物受到影响。

传感器技术/科学说明

传感器类型	型式	探测对象	说明
射频识别（RFID）芯片	被动式（接收射频识别阅读器发送的询问信号）；电池驱主动式（依设定时间间隔发送识别信号）	射频识别芯片响应由射频识别阅读器传入的询问信号	射频识别（RFID）芯片可存贮诸如单编号的简单电子编码数据，或更为复杂的产品说明，由射频识别阅读器探测并显示。
温度传感器	温度计、温差电偶以及电阻式温度探测器（TD)，都可为接触传感器或非接触传感器	通过物理材料膨胀或收缩，或通过导体电导率变化，探测物体或媒介物的热能变化	不同的温度传感器设计适用于不同的热环境，有些如温差电偶及电阻式温度探测器等传感器能在高温下精确感应，而另一些，如大多数温度计则在较低温度下敏感
加速计	压电式、压阻式、磁阻式、霍耳效应、热传导式、电容式	因摆动、旋转、倾斜、重力、自由下落或碰撞产生的加速运动。在感应器中响应加速力而产生的弹簧标准载荷挠度变化	标准载荷挠度由感应器转换为作为其成因的加速力量度。该加速计还与产生加速度的平面相关。
红外线传感器	被动式（接收物体的红外热辐射）；主动式（通过发光二级管（Light-emitting Diode，LED）或红外线雷射（Infrared Laser，IR laser）发送红外线（Infrared，IR）。	波长范围 0.7-14µ 的红外辐射	红外线传感器所探测的波长小于可见红光波长的辐射，本质上为热辐射。该红外线传感器可用于将红外辐射转换为红外摄像机中的图像，或转换为保安系统中探查移动入侵者的部件。
运动传感器	本地感应（LED或激光、压电式、压阻式、接触式开关发射的可见红外光束）；区域感应（视频、主动式或被动式红外运动传感器、超声波运动探测器、微波多普勒传感器）	物体、人类或动物的运动	运动传感器将入侵者在特定区域内的运动转换为电信号，该电信号可输入诸如保安、自动照明系统、自动门和机械装置的安全关闭开关等各种应用和系统

 

传感器制造实例

传感器已被工程师们以最富想象力和节约劳动力的方式投入使用。例如，射频识别传感器不仅整合入智能手机中用于创造无纸化账单支付系统，还通过为必要射频识别芯片携带者提供自动大门及入口开关系统从而大幅简化保安程序，并且射频识别传感器还为物流运输及交叉转运程序带来了彻底的变革（在此阅读更多）。

加速度传感器不仅无所不在地应用于数码相机“自动旋转”显示器，还广泛地应用于现代航空航天设备的导航系统（在此阅读更多）。

同时，当前红外线传感器还频繁地被整合至重型机械和电气设备中，其在发生异常情况或潜在温度威胁的情况下触发安全停机。

运动传感器在有线接入停机开关时发挥类似功能。此时运动传感器用于探测潜在运动威胁或其他故障，如果不立即停止运动就可能造成巨大经济损失。运动传感器还广泛部署于国家或商业保安系统用以探测入侵者。

温差热偶形式的温度传感器常见于化工厂，其因耐高温并可监测细微热变化而用于指示化学反应。纳米温度计作为一个新领域，可测量微粒之间小于一个测量级的温度差异。

 

以上各种类型传感器的简要概述

射频识别传感器

射频识别传感器使用无线电波，以无线方式读取电子加密后输入特定设计射频识别芯片的编码数据，而无需通过物理接触或视线接触。射频识别传感器可探测近程信息（如兽医学中宠物或牲畜皮下植入的识别芯片）或远程信息，例如仓库或货运途中的产品识别。（在此阅读更多射频识别传感器的信息）。

 

温度传感器

温度传感器从水银玻璃温度计，到恒温调节器，再到温差热偶，都能精确测量人体或液体的热能变化，并将测量结果转换为开氏度、摄氏度或华氏度等设定温标。不同设计的温度传感器只对特定的量程敏感，高于或低于此量程测量都可能造成读数不准或失真。（在此阅读更多温度传感器的信息）。

 

加速计

加速计通常依靠压电晶体的电阻变化或电敏感显微结构之间的电容变化，来检测物体的旋转变化或重力相关的速度变化（在此阅读更多加速计的信息）。

 

红外线传感器

红外线传感器探测红色光谱不可见谱段相关的热辐射。最常用的红外线传感器是‘被动式’，因其仅接收侵入特定区域内带温体的热辐射而得名。红外线传感器广泛用于国家保安系统或商业保安系统（在此阅读更多），以及热敏摄像机。

 

运动传感器

运动传感器也广泛用于保安系统以及制造流程，其中所有运动传感器的设计目的都是探测（诸如移动机器部件或车辆的）物体或侵入特定视野范围或监控区域人体的运动。某些运动传感器发出信号然后通过接收到的反射波变化“读取”入侵行为，另一些则获取入侵者天然发出的信号，如红外辐射。运动传感器无所不在地部署于全世界的安保系统，但也可并入安全开关以在其探测到异常情况及潜在危险或破坏性运动时关闭机器（在此阅读更多运动传感器的信息）。