传感器的应用与发展

刘振宇

摘要：近期随着人工智能和5G通信等新技术的发展，传感器技术也随之迎来的新的发展方向和机会。与此同时，新的技术也给传感器的定义和功能带来国突破和创新。在此，展开叙述了各类传感器的相关技术，并介绍了传感器与当下生活相关的应用场景。讨论结合了新技术后，未来传感器发展的新的方向。

关键字：传感器;机械传感器;光学传感器;生物医学器;智能传感器

1引言：

传感器是所有设备和测量系统中非常关键的组件。它们已广泛应用于科学，医学，自动化制造，环境监测等诸多领域。技术上已经成熟在传感器正在寻找从儿童玩具，洗碗机到汽车等消费领域各种产品适用的方法。在某种程度上，传感器是多学科和跨学科领域的努力方向。美国仪器学会（ANSI MC 1，1975）定义电传感器为：“传感器是响应于指定的被测量，提供可用输出的装置。”从这个定义出发，信息化的21世纪，传感器的应用领域日益广泛，生产自动化、手机、军事、交通、化学、环保、能源、海洋开发、天空开发、宇宙探索等等都愈发依赖传感器的创新与发展。

2各类传感器的分类介绍及应用：

2.1 机械类传感器

机械类传感器是一类用来测量机械类活动的传感器，其中用到的主要传感技术有：压阻效应、电容技术、压电效应、电感技术、共振技术。常见传感器类型有：压阻式传感器，电容式压力传感器、扭矩传感器等等。

压阻效应是当压阻材料在受到力时就会相应的改变其材料本身的电阻率。以此效应为基础所研发的传感器称之为压阻式傳感器。该类传感器被广泛应用于航天航空、机械装备、生物医学工程等领域。

电容式压力传感技术利用电容与电容器电极之间的距离成正比。电容式压力传感器的传感元件仅仅是电容器电极之间的距离基于压力而变化。电容器的底部电极固定到传感器的基座结构，顶部电极安装在隔膜的中心，隔膜随着压力的变化而弯曲。这减小了电极之间的距离，从而增加了传感元件的电容。在飞行器环境中当大气压力降低时，膜片向外弯曲，导致电极之间的距离增加，导致传感元件上的电容降低，反之增加。电容式压力传感器比压电式压力传感器更容易获得。这可能是制造工艺对电容式传感器更便宜的结果。然而，它们的响应时间往往比当今市场上的压电式压力传感器慢。

压电效应，可分为正压电效应和逆压电效应。而在传感器领域主要应用到的是正压电效应，即当压电材料产生形变时，材料内部产生电极化效应，当形变消失，材料又恢复到不带电的状态。压电传感器的应用同样广泛，在航天，核工程和医学上有应用，但是与我们日常生活最息息相关的应该就是在手机和触屏的产品上的应用。例如，手机上的重力传感器，就是一种压电传感器，在手机横竖屏切换时，传感器内部的一块重物和压电片整合，通过计算和测量正交两个方向产生的电压大小，来判断方向。

扭矩类传感器，是一种应用于测量和记录转动动力系统中扭力的装置，在引擎，变速箱等设备上都有应用。该类传感器分为两种，静态和动态，静态类相对测量简单，而动态类测量就会涉及到较多的其他干扰（电感，电磁等效应）。总体上而言，扭矩传感器比较成熟的检测技术是应用与压阻效应想的应变电测技术，通过测量应变扭片所搭成的应变电桥，就可以测试出相应的电信号。还有一种测量扭矩的方式是通过测量转动角或者叫相位偏移来测量应用的扭矩大小的。

2.2 光学类传感器：

光伏传感器，俗称太阳能电池。光伏传感单元是一种能对不同程度的光做感应产生相应的电流或电压的装置。在低光照条件下，光伏传感器不会产生电流。光伏单元很小并且产生电能的瓦数也很低，但是通常被用于大量的光伏单元组成的感应面板，就能产生很大的电流。光伏单元所感应的光仅限于可见光范围。

光学传感器是指当光落在传感器表面上时会产生与入射光强度成比例的电输出。光学传感器仅响应电磁波谱中的一段很窄的频率范围，我们将其定义为“光”。这些频率范围从红外到可见光，并持续到光谱的紫外区域。大多数光传感器是用于将光谱段的光能转换成电信号的无源装置。光传感器也称为光传感器或光电器件，因为它们将光子转换成电子。我们可以将光电器件分为两大类。一个在受光照时发电，例如光伏或光发射等;另一个在某种程度上改变它们的电特性，例如光电阻器或光导体等。因此，出现以下分类。

（1）光电发射单元

它们由诸如铯的光敏材料形成。当被足够能量的光子撞击时，光敏材料释放出自由电子。当具有更高频率、包含更高能量的光子撞击时，它们更有可能产生更多的电能。

（2）光导电池单元

这些电池的电阻在受光照时会发生变化。它们由半导体材料制成，并且击中它的光引起光电导性，其控制流过材料的电流。硫化镉是制造光导电池的最常用材料，例如光敏电阻器或LDR。

（3）光伏电池单元

这些产生与辐射光能量下降成比例的电磁场或电动势。虽然在效果上类似于光电发射单元，但它们由夹在一起的两种半导体材料构成。太阳能电池是现存最常见的光伏电池。

2.3 生命科学类传感器：

生命科学类传感器可以被分为两大类：①为生物传感器;②为生物医学类传感器;生物传感器是一类比较特殊的传感器，与传统意义上的“器”不同，它所感受的是生物材料及其浓度的结构，并可以将生物信号转换为电信号或其它可输出信号。通常意义上，生物传感器具有受体和转换器，类似于酶的工作原理，在受体感受到不同物质及其浓度时，通过转换单元的不同表现形式，输出信号。这类传感器主要包括：酶、细胞、抗体、DNA、化学电极，微生物和其他生物活性剂。目前应用的技术主要有DNA测序、PH传感器和生物探针等。

3各类传感器未来与发展

传感器的发展一直以来都是刺激着生产力进步的核心动力之一，传感器的技术有多少进步，一定程度上决定了有多少工作是可以替代人的参与的。因此，随着目前人工智能、5G通讯、MEMS和半导体技术的高速发展，传感器的发展方向也随之明晰。

1.智能化：智能化对于传感器而言是一次功能的升级，随着传感器可感知的参数越来越多，传感系统的集成度提升，在传感器端即可实现信号的采集、处理、计算和通信的一系列环节，甚至可以配合其它的传感器完成校准，自适应等提高精度的功能，不断地提高自动化水平，解放劳动力。

2.无线化：伴随着5G时代的来临，无线传感器技术的能力也会得到质的飞跃，这其中将会逐步解决动力供给、远距离通信、云存储等问题，同时随着通信能力的增强，对无线传感控制的精确度也会随之提升。这一方向技术的提升，对未来无论是军事、智能家庭、农林业、交通业和航空航天领域都会带来一次技术的革新。

3.微观化：MEMS技术的发展一直是近几年国内外关注的焦点，无论是工艺、材料的进步，还是设计的优化都为传感器进入微观领域提供了重要的技术支撑。这些技术提供了大批量可批量生产的技术系统，具有更小的尺寸、更低的功耗和更高的可靠性。在未来，汽车、移动设备和医疗系统中都会有广泛的应用。

4结论

传感器技术的发展得益于制造技术和信号处理能力的协同提高。新的传感器在很多的行业领域都是一股新鲜的血液，可显著提高技术产品的质量、可靠性、稳定性和效率。未来传感器系统的智能化、小型化和集成化必然会不断发展。对于当下新技术的涌现，新型传感器的开发需要给予更多的关注，这是工业与学术界需要共同努力的方向。

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