伴隨著(zhù)信息處理技術(shù)、微處理器和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，傳感器的開(kāi)發(fā)進(jìn)展神速，傳感器已成為各種自動(dòng)化系統和機器人裝置中的關(guān)鍵部件。[1]
工控領(lǐng)域，系統在運行中要經(jīng)常對多種物理量進(jìn)行檢測或監視，包括位移、速度、加速度、力、力矩、功率、壓力、流量、溫度、硬度、密度、濕度、比重、黏度、長(cháng)度、角度、形狀、位置、表面粗糙度、表面波形等。在實(shí)際生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗中還會(huì )遇到化學(xué)量、生物量（包括醫學(xué)），而所有這一切，都需要通過(guò)傳感器，將其轉換成電信號（近代還可以轉換成光信號），而后再進(jìn)行信號的傳輸、處理、存儲、顯示、控制……。
從信息的角度看，這些信號連同聲音和圖象信息都是信息的源頭，所以傳感器和檢測儀表、測量?jì)x表是信息科學(xué)技術(shù)的三部分（信息獲取、信息傳輸、信息處理）中的重要部分。[2]
一、傳感器[3]
能感受規定的被測量并按照一定的規律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。
傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，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(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器是實(shí)現自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節。
國際電工委員會(huì )(IEC：International electrotechnical Committee)的定義是：傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號。傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件，而傳感器系統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的傳感器。
傳感器是一種把非電量轉變成電信號的器件，是檢測儀表的主要組成部分。檢測儀表一般包括傳感器、檢測點(diǎn)取樣設備及信號放大器（進(jìn)行抗干擾處理及信號傳輸），以及電源及現場(chǎng)顯示部分。電信號一般包括連續量、離散量?jì)煞N，實(shí)際上還可分成模擬量、開(kāi)關(guān)量、脈沖量等。模擬信號傳輸采用統一信號（4-20mADC等）。
二、傳感器的分類(lèi)
根據不同的分類(lèi)標準，有不同的類(lèi)型區分：
１.按照被測物理量：溫度、濕度、位移、力、速度、氣體成份等傳感器；
２.按照工作原理：電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。
３.按照傳感器輸出信號的性質(zhì)，可分為：輸出為開(kāi)關(guān)量（１和"０或開(kāi)和關(guān)）的開(kāi)關(guān)型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數字型傳感器。
電阻式傳感器：將被測量（如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等物理量）轉換式成電阻值。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等。
電阻應變式傳感器：電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產(chǎn)生機械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類(lèi)，金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應小等優(yōu)點(diǎn)。
壓阻式傳感器：是根據半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件。其基片（或稱(chēng)膜片）可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內接成電橋形式。當基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時(shí)，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會(huì )產(chǎn)生相應的不平衡輸出?；牧现饕獮楣杵玩N片。
熱電阻傳感器：熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來(lái)測量溫度及與溫度有關(guān)的參數。在溫度檢測精度要求比較高的場(chǎng)合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數大、線(xiàn)性好、性能穩定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。用于測量-200℃～+500℃范圍內的溫度。
（一）根據被測信號的性質(zhì)，分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類(lèi)。
1.物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。
2.化學(xué)傳感器的工作原理基于那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應等。被測信號量的微小變化將轉換成電信號。
有些傳感器既不屬于物理類(lèi)，也不屬于化學(xué)類(lèi)。大多數傳感器是以物理原理為基礎?；瘜W(xué)傳感器存在技術(shù)問(wèn)題較多，如可靠性問(wèn)題，規模生產(chǎn)的可能性問(wèn)題等。
（二）按照用途或者使用場(chǎng)合，可分為：
壓敏傳感器、力敏傳感器 、位置傳感器 液面傳感器 、能耗傳感器 速度傳感器 、熱敏傳感器 加速度傳感器 、射線(xiàn)輻射傳感器 振動(dòng)傳感器、 濕敏傳感器 磁敏傳感器、氣敏傳感器 、真空度傳感器、生物傳感器等等。
（三）按照輸出信號類(lèi)型可分為：
模擬傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉換成模擬電信號。
數字傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。
膺數字傳感器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出。
開(kāi)關(guān)傳感器——當一個(gè)被測量的信號達到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應地輸出一個(gè)設定的低電平或高電平信號。
（四）按照使用的敏感材料可分：
在外界因素作用下，敏感材料會(huì )作出反應。即那些具有特定功能特性的材料，被用來(lái)制作傳感器的敏感元件。
(1)按照其所用材料的類(lèi)別分為：金屬、 聚合物、 陶瓷、 混合物
(2)按材料的物理性質(zhì)分為：導體、 絕緣體、 半導體、 磁性材料
(3)按材料的晶體結構分為：?jiǎn)尉?、多晶?非晶材料
（五）按照制造工藝，可以分為：
集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器
1、集成傳感器是用標準的生產(chǎn)硅基半導體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。
2、薄膜傳感器則是通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。
3、厚膜傳感器是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。
4、陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。
（六）按照能量觀(guān)點(diǎn)來(lái)分類(lèi)：有源傳感器和無(wú)源傳感器
1.有源傳感器：需要外加電源才能工作。通常配有電壓測量電路和放大器。輸出信號能量部分來(lái)自被測對象，另一部分由電源提供。
2.無(wú)源傳感器：不需要外部電源即可工作，完全通過(guò)吸收被測對象的能量來(lái)輸出信號。例如，基于壓阻效應、熱電效應、光電效應構成的傳感器都屬于無(wú)源傳感器。不需要使用外來(lái)接電源的傳感器且可以通過(guò)外部獲取到無(wú)限制的能源的感應傳感器。
無(wú)源傳感器結構簡(jiǎn)單，但對被測對象的影響大，靈敏度不高，輸出信號能量不高，易受干擾；有源傳感器結構較復雜，對被測對象的影響小，靈敏度高，輸出信號能量高，不易受干擾。[4]
三、傳感器的性能
1.靜態(tài)特性：是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因為這時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫(huà)出的特性曲線(xiàn)來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數有：線(xiàn)性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。
2.動(dòng)態(tài)特性：是指傳感器在輸入變化時(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來(lái)表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實(shí)驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來(lái)表示。
3.線(xiàn)性度：通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線(xiàn)而非直線(xiàn)。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線(xiàn)近似地代表實(shí)際的特性曲線(xiàn)、線(xiàn)性度（非線(xiàn)性誤差）就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標。
擬合直線(xiàn)的選取有多種方法。如將零輸入和滿(mǎn)量程輸出點(diǎn)相連的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)；或將與特性曲線(xiàn)上各點(diǎn)偏差的平方和為最小的理論直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)，此擬合直線(xiàn)稱(chēng)為最小二乘法擬合直線(xiàn)。
4.靈敏度：靈敏度是指傳感器在穩態(tài)工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。它是輸出一輸入特性曲線(xiàn)的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線(xiàn)性關(guān)系，則靈敏度S是一個(gè)常數；否則，它將隨輸入量的變化而變化。
靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應表示為200mV/mm。
當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩定性也往往愈差。
5.分辨力：分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說(shuō)，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過(guò)某一數值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì )發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來(lái)的。只有當輸入量的變化超過(guò)分辨力時(shí)，其輸出才會(huì )發(fā)生變化。
通常傳感器在滿(mǎn)量程范圍內各點(diǎn)的分辨力并不相同，因此常用滿(mǎn)量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標。上述指標若用滿(mǎn)量程的百分比表示，則稱(chēng)為分辨率。
5.遲滯特性：遲滯特性表征傳感器在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減?。┬谐涕g輸出-一輸入特性曲線(xiàn)不一致的程度，通常用這兩條曲線(xiàn)之間的最大差值△MAX與滿(mǎn)量程輸出F·S的百分比表示。遲滯可由傳感器內部元件存在能量的吸收造成。
四、傳感器選用原則
傳感器在原理與結構上千差萬(wàn)別，如何根據具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。
1.根據測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類(lèi)型
要進(jìn)行—個(gè)具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線(xiàn)或是非接觸測量；傳感器的來(lái)源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。
在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類(lèi)型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。
2、靈敏度的選擇
通常，在傳感器的線(xiàn)性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時(shí)，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì )被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的廠(chǎng)擾信號。
傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。
3、頻率響應特性
傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。
傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。
在動(dòng)態(tài)測量中，應根據信號的特點(diǎn)(穩態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性，以免產(chǎn)生過(guò)火的誤差。
4、線(xiàn)性范圍
傳感器的線(xiàn)形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線(xiàn)性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當傳感器的種類(lèi)確定以后首先要看其量程是否滿(mǎn)足要求。
但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線(xiàn)性，其線(xiàn)性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內，可將非線(xiàn)性誤差較小的傳感器近似看作線(xiàn)性的，這會(huì )給測量帶來(lái)極大的方便。
5、穩定性
傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱(chēng)為穩定性。影響傳感器長(cháng)期穩定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。
在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進(jìn)行調查，并根據具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環(huán)境的影響。
傳感器的穩定性有定量指標，在超過(guò)使用期后，在使用前應重新進(jìn)行標定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。
在某些要求傳感器能長(cháng)期使用而又不能輕易更換或標定的場(chǎng)合，所選用的傳感器穩定性要求更嚴格，要能夠經(jīng)受住長(cháng)時(shí)間的考驗。
6、精度
精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標，它是關(guān)系到整個(gè)測量系統測量精度的一個(gè)重要環(huán)節。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿(mǎn)足整個(gè)測量系統的精度要求就可以，不必選得過(guò)高。這樣就可以在滿(mǎn)足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。
如果測量目的是定性分析的，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿(mǎn)足要求的傳感器。
對某些特殊使用場(chǎng)合，無(wú)法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿(mǎn)足使用要求。
一次儀表指現場(chǎng)測量?jì)x表或基地控制表，二次儀表指利用一次表信號完成其他功能：諸如控制，顯示等功能的儀表。
五、傳感器和檢測儀表的發(fā)展趨勢[2]
近年來(lái)，傳感器正處于傳統型向新型傳感器轉型的發(fā)展階段。新型傳感器的特點(diǎn)是微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網(wǎng)絡(luò )化。微型化是建立在微電子機械系統（MEMS）技術(shù)基礎上的。
微電子機械加工技術(shù)，包括體微機械加工技術(shù)、表面微機械加工技術(shù)、LIGA技術(shù)（X光深層光刻、微電鑄和微復制技術(shù)）、激光微加工技術(shù)和微型封裝技術(shù)等。MEMS的發(fā)展，把傳感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。傳感器，在微電子技術(shù)基礎上，內置微處理器，或把微傳感器和微處理器及相關(guān)集成電路（運算放大器、A/D或D/A、存貯器、網(wǎng)絡(luò )通訊接口電路）等封裝在一起完成了數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化、系統化。
除MEMS外，新型傳感器的發(fā)展還有賴(lài)于新型敏感材料、敏感元件和納米技術(shù)，如新一代光纖傳感器、超導傳感器、焦平面陳列紅外探測器、生物傳感器、納米傳感器、新型量子傳感器、微型陀螺、網(wǎng)絡(luò )化傳感器、智能傳感器、模糊傳感器、多功能傳感器等。
多傳感器數據融合技術(shù)正在形成熱點(diǎn)，它形成于20世紀80年代，它不同于一般信號處理，也不同于單個(gè)或多個(gè)傳感器的監測和測量，而是對基于多個(gè)傳感器測量結果基礎上的更高層次的綜合決策過(guò)程。有鑒于傳感器技術(shù)的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎上，多種功能進(jìn)一步集成以致于融合，這是必然的趨勢，多傳感器數據融合技術(shù)也促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。
多傳感器數據融合的定義概括：把分布在不同位置的多個(gè)同類(lèi)或不同類(lèi)傳感器所提供的局部數據資源加以綜合，采用計算機技術(shù)對其進(jìn)行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確實(shí)性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統決策、規劃、反應的快速性和正確性，使系統獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現，包括數據層（像素層）融合、特征層融合、決策層（證據層）融合。由于它比單一傳感器信息有如下優(yōu)點(diǎn)，即容錯性、互補性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟性，所以逐步得到推廣應用。應用領(lǐng)域除軍事外，已適用于自動(dòng)化技術(shù)、機器人、海洋監視、地震觀(guān)測、建筑、空中交通管制、醫學(xué)診斷、遙感技術(shù)等方面。
