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一文讀懂傳感器原理、作用及技術特點

傳感器在我們生活中的應用范圍很廣,種類也繁多,大到一輛汽車,小到一個智能手環,它們之中所含的傳感器,無不是人類智慧的結晶的體現。但本文并不談論這些產品,我們就只單純的談談傳感器的那些事兒。

如果你問,是誰改變了這個世界,是蘋果?是三星?是喬布斯?都不是。我說,是傳感器改變了這個世界。

什么,傳感器?傳感器不是老早之前就有的東西嗎,為什么現在才說它改變了這個世界呢?

沒錯,傳感器不是新玩意兒。早在N年前,邏輯元件、記憶元件與感測元件就已經并列是電子系統的三大元件。從壓力測量到機械測量,到電氣測量的發展經歷很多的變革,在到如今的傳感器時代,那是一個電子元件的歷史蛻變。 隨著云端概念普及,逐漸不被重視的同時,傳感器元件卻以黑馬之姿,打出一片屬于自己的天下。

那什么是傳感器?

傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

他們是如何定義傳感器的?

國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是:“能感受規定的被測量件并按照一定的規律(數學函數法則)轉換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成”。

中國物聯網校企聯盟認為,傳感器的存在和發展,讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官,讓物體慢慢變得活了起來。”

傳感器在新韋式大詞典中定義為:“從一個系統接受功率,通常以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件”。

傳感器的作用

人們為了從外界獲取信息,必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官,在研究自然現象和規律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況,就需要傳感器。因此可以說,傳感器是人類五官的延長,又稱之為電五官。

新技術革命的到來,世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中,首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息,而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。

在現代工業生產尤其是自動化生產過程中,要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數,使設備工作在正常狀態或優先狀態,并使產品達到較好的質量。因此可以說,沒有眾多的優良的傳感器,現代化生產也就失去了基礎。

傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不夸張地說,從茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各種復雜的工程系統,幾乎每一個現代化項目,都離不開各種各樣的傳感器。

由此可見,傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方面的重要作用,是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發展。相信不久的將來,傳感器技術將會出現一個飛躍,達到與其重要地位相稱的新水平。

傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源四部分組成,如圖1 所示。

敏感元件直接感受被測量,并輸出與被測量有確定關系的物理量信號;轉換元件將敏感元件輸出的物理量信號轉換為電信號;變換電路負責對轉換元件輸出的電信號進行放大調制;轉換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。

傳感器的主要功能

常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬:

光敏傳感器——視覺
聲敏傳感器——聽覺
氣敏傳感器——嗅覺
化學傳感器——味覺
壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺

敏感元件的分類:

物理類,基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。
化學類,基于化學反應的原理。
生物類,基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。

通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類(還有人曾將敏感元件分46類)。

傳感器的技術特點

中國傳感器產業正處于由傳統型向新型傳感器發展的關鍵階段,它體現了新型傳感器向微型化、多功能化、數字化、智能化、系統化和網絡化發展的總趨勢。傳感器技術歷經了多年的發展,其技術的發展大體可分三代:

靠前代是結構型傳感器,它利用結構參量變化來感受和轉化信號。

第二代是上70年代發展起來的固體型傳感器,這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成,是利用材料某些特性制成。如:利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應,分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器。

第三代傳感器是以后剛剛發展起來的智能型傳感器,是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物,使傳感器具有一定的人工智能。

傳感器技術及產業特點

傳感器技術及其產業的特點可以歸納為:基礎、應用兩頭依附;技術、投資兩個密集;產品、產業兩大分散。

基礎、應用兩頭依附

基礎依附,是指傳感器技術的發展依附于敏感機理、敏感材料、工藝設備和計測技術這四塊基石。敏感機理千差萬別,敏感材料多種多樣,工藝設備各不相同,計測技術大相徑庭,沒有上述四塊基石的支撐,傳感器技術難以為繼。

應用依附是指傳感器技術基本上屬于應用技術,其市場開發多依賴于檢測裝置和自動控制系統的應用,才能真正體現出它的高附加效益并形成現實市場。也即發展傳感器技術要以市場為導向,實行需求牽引。

技術、投資兩個密集

技術密集是指傳感器在研制和制造過程中技術的多樣性、邊緣性、綜合性和技藝性。它是多種高技術的集合產物。由于技術密集也自然要求人才密集。

投資密集是指研究開發和生產某一種傳感器產品要求一定的投資強度,尤其是在工程化研究以及建立規模經濟生產線時,更要求較大的投資。

產品、產業兩大分散

產品結構和產業結構的兩大分散是指傳感器產品門類品種繁多(共10大類、42小類近6000個品種),其應用滲透到各個產業部門,它的發展既有各產業發展的推動力,又強烈地依賴于各產業的支撐作用。只有按照市場需求,不斷調整產業結構和產品結構,才能實現傳感器產業的全面、協調、持續發展。

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