第1章 传感器与测试技术概述
我们已经进入信息时代。
如今，互联网+、物联网、自动控制、移动通信、人工智能等与信息息息相关的技术已经进入了人们生产生活的方方面面。在利用信息的过程中，首先要解决的就是如何获取准确可靠的信息的问题，而传感器(Sensor)是获取自然和生产领域中的信息的主要途径与手段。如今，当听到从非工程领域人们口中说出“传感器”这个名词时，并不会感到诧异，这充分说明了传感器使用的广泛性。
与传感器相似，人们也常常说要对某个装置进行性能测试。那么，到底什么是传感器？什么是测试系统？传感器与测试系统又是什么关系？它们的功能和作用是什么？本章将对其进行详细介绍。
1.1 传感器定义、作用及其分类
1.1.1 传感器的定义
传感器是能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，它是获取信息的*底层的装置。传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理与转换电路和辅助电源四部分组成，如图1-1所示。
图1-1 传感器的组成图
敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量呈确定关系的某一物理量的元件。例如，力学传感器中的弹性元件，它将测量的力转变为弹性元件的变形。
转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入，转换元件把输入转换成电路参量。如电阻应变式力学量传感器，其中的电阻应变片就是转换元件，它将弹性元件的应变转化为应变片电阻的变化。
信号调理与转换电路：将来自敏感元件或转换元件前端的信号进行调理，使其更适合于传输和处理。这种电路包括变换电桥、检波、滤波、放大、调制(Modulation)、解调(Demodulation)，甚至数字化处理等电路。不同类型的传感器以及针对传感器不同的信号输出要求，需要采用不同的信号调理与转换电路。例如，模拟式的力学量传感器需要采用应变电桥、放大、滤波等调理电路；对于具有数字输出的集成智能传感器，还需要A/D转换等电路。
辅助电源：一般的传感器都需要电源提供电能，如供给电阻应变式力学量传感器测量电桥供桥恒压源等。值得指出的是，并不是只有转换电路和调理电路需要辅助电源，有的敏感元件也需要，如霍尔元件。
当然，并不是每一种传感器都必须由这四部分组成，但敏感元件是不可或缺的。
传感器也有不同的称谓，在英文里通常称为Sensor和Transducer，在中文里通常称为传感器、变送器或换能器等。
传感器具有以下属性：
(1) 它是测量装置，能完成检测任务；
(2) 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；
(3) 它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电量，但主要是电量；
(4) 输入、输出有对应关系，且有一定的精确程度。
1.1.2 传感器的作用
传感器是测量和控制系统中获取信息的*底层、*前端、*基本的器件，是除人类感官外获取信息的唯一依靠。毫不夸张地说，现代人们生产生活的方方面面都离不开传感器。当我们在炎热的夏天惬意地享受着清凉时，温度传感器正在辛勤地工作，帮助空调测量室内温度实现温度的精确控制；当我们聆听着音乐，驾车奔驰在高速公路上时，各种传感器正忙着检测汽车的各种状态和环境信息，确保我们行车的安全。利用传感器，宇宙探测器可以自由自在地遨游在太空中，去探索茫茫的未知世界；利用传感器，各种医疗仪器可以帮助医生诊断出各种疾病，保障人们的健康；利用传感器，数控机床可以分毫不差地加工各种机械零件，满足高端精密制造的要求。
传感器是科学研究的得力助手。许多基础科学研究的障碍，就在于对信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的重大突破。
可以说，传感器的技术水平是衡量一个国家工业水平的重要标志，世界各国都十分重视这一技术的发展，纷纷将该技术列入战略发展规划中。
1.1.3 传感器的分类
传感器的种类繁多，知识技术密集，涉及许多学科，如材料、力学、化学、机械、电子、信息、计算机、自动控制等，是各学科交叉融合的产物。由于其种类繁多，目前尚没有统一的分类方法。但通常按工作原理、被测量、基础效应等来进行分类。
1) 按工作原理分类
传感器按其敏感的工作原理，一般可分为物理型、化学型、生物型三大类传感器。
(1) 物理型传感器。
物理型传感器是利用某些敏感元件的物理性质或某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器。例如，利用金属材料在被测量作用下引起的电阻值变化的应变效应制成的应变式传感器；利用半导体材料在被测量作用下引起的电阻值变化的压阻效应制成的压阻式传感器；利用电容器在被测量的作用下引起的电容值的变化制成的电容式传感器；利用电感随被测量变化制成的电感式、差动变压器式传感器；利用压电材料在被测量作用下产生的压电效应制成的压电式传感器等。
物理型传感器又可以分为结构型传感器和物性型传感器。
结构型传感器：以结构(如形状、尺寸等)为基础，利用某些物理规律来感受(敏感)被测量，并将其转换为电信号来实现测量。例如，电容式压力传感器必须有按规定参数设计制成的电容式敏感元件，当被测压力作用在电容式敏感元件的动极板上时，引起电容间隙等的变化导致电容值的变化，从而实现对压力的测量。
物性型传感器：利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应感受(敏感)被测量，并将其转换成可用电信号的传感器。例如，压电式压力传感器就是利用石英晶体材料本身所具有的正压电效应来实现对压力的测量的；压阻式传感器是利用半导体材料的压阻效应来实现对压力的测量的。
一般而言，物理型传感器对物理效应和敏感结构都有一定的要求，但侧重点不同。结构型传感器强调要依靠精密设计制作的结构的动作或变形来保证其正常工作，它对所使用的材料没有直接或至关重要的联系；而物性型传感器则主要依靠材料本身的物理特性、物理效应来实现对被测量的敏感。近年来，由于材料科学技术的迅猛发展，物性型传感器应用越来越广泛。这与该类传感器便于批量生产、成本较低及易于小型化等特点密切相关。
(2) 化学型传感器。
化学型传感器一般是利用电化学反应原理，把无机或有机化学的物质成分、含量等转化成电信号的传感器。*常用的是离子敏传感器，即利用离子选择性电极，测量溶液的pH或某些离子的活度，如钾离子、钠离子、钙离子等。其测量原理基本相同，主要是利用电极界面(固相)和被测溶液(液相)之间的电化学反应，即利用电极对溶液中离子的选择性响应而产生的电位差。所产生的电位差与被测离子活度对数呈线性关系，故检测出其反应过程中的电位差或由其影响的电流值，即可给出被测离子的活度。化学型传感器的核心部分是离子选择性敏感膜。该膜可以分为固体膜和液体膜。玻璃膜、单晶膜和多晶膜为固体膜，而带正、负电荷的载体膜和中性载体膜则为液体膜。化学型传感器广泛应用于化学分析、化学型工业的在线检测及环保检测中。
(3) 生物型传感器。
生物型传感器是一种新型传感器，近年来得到较大的发展。它是利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。生物活性物质对某种物质具有选择性亲和力，也称其为功能识别能力。利用这种单一的识别能力来判定某种物质是否存在，其含量是多少，进而利用电化学的方法将其转换为电信号大小。
生物型传感器主要由两大部分组成：①功能识别物质，其作用是对被测物质进行特定识别。这些功能识别物有酶、抗原、抗体、微生物及细胞等。用特殊方法把这些识别物固化在特制的有机膜上，从而形成具有对特定的从小分子到大分子化合物进行识别功能的功能膜。②电、光信号转换装置。此装置的作用是把在功能膜上进行的识别被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。其中*常用的是电极，如氧电极和过氧化氢电极。近年来有把功能膜固定在场效应晶体管上代替栅极、漏极的生物传感器，使得传感器整个体积非常小。若采用光学方法来识别在功能膜上的反应，则要靠光强的变化来测量被测物质，如荧光生物传感器等。变换装置直接关系着传感器的灵敏度及线性度。生物型传感器的*大特点是能在分子水平上识别被测物质。
2) 按被测量分类
这是一种*常用的传感器分类方法，各个生产厂家和使用单位都习惯用这种分类方法。按传感器的输入信号被测量分类，能够很方便地表示传感器的功能，也便于用户使用。按此分类方法，传感器可以分为力学量、温度、磁学量、光学量、流量、湿度、气体成分等传感器。
3) 按基础效应分类
传感器之所以能够获取信息，都是基于一些基础效应的。按基础效应来分类的传感器有霍尔传感器、压电式传感器、电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、热电偶传感器等。
4) 按传感器的输出信号分类
按传感器的输出信号分类，传感器可分为模拟传感器和数字传感器。对于模拟传感器，输出信号在宏观上以连续方式改变，信息一般由幅值获得，很多传感器属于此类。我们在设计测试系统时，还需要把传感器输出的模拟信号通过模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)转换成数字信号。而数字传感器不需要在后续环节中加入ADC，便于传输，抗干扰能力好，可靠性高而且往往更精确。通常把输出可变频率的传感器称为准数字传感器。
5) 按传感器的能量来源分类
按传感器的能量来源分类，传感器可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。能量控制型传感器携带信息量的变化信号，其能量需要外加电源供给，如电阻、电感、电容等电参量传感器都属于这一类传感器。基于电阻应变效应、磁阻效应、热阻效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器，如热敏电阻。能量转换型传感器主要由能量变换元件构成，它不需要外加电源。基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器，如热电偶传感器。
6) 按有无激励信号来分类
按有无激励信号来分类，又可以把传感器分成主动型传感器和被动型传感器两种。主动型传感器本身会发出激励信号对被测对象进行激励，通过测量被测对象对激励信号的响应获得所测参数。被动型传感器本身不发出激励信号，直接测量被测量。例如，超声测距传感器需要主动发送超声波信号，通过检测回波信号获得距离信息，这种传感器属于主动型传感器。又如，声发射传感器本身不施加激励在结构上，通过直接测量结构损伤发生和发展时发出的声波来检测结构损伤。
7) 按传感器技术发展分类
传感器从诞生到现在，已经经历了传统传感器、智能传感器、网络化传感器的发展历程。传统传感器是把被测量变换成模拟电压或电流信号的一类传感器。这类传感器的输出幅值小，灵敏度低，而且功能单一，因而常称为“聋哑传感器”。随着时代的进步，在高新技术的渗透下，微处理器和传感器得以结合，产生了具有一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器，即智能传感器。智能传感器的出现是传感技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远的影响。随着传感器向智能化发展，一种称为模糊传感器的传感器应运而生。通过对测量值的模糊化和模糊推理(也称为数值量到语言量的转换)，从而获得自然语言描述的测量结果，它的核心部分是模糊化和模糊推理。它将传统的数值化表示方法用符号化表示，因此，也称为符号传感器。模糊传感器大大拓展和延伸了智能传感器的内涵，但模糊传感器实际上还属于智能传感器范畴。随着互联网技术的发展，智能传感器与网络技术相结合，就产生了网络化传感器。网络化传感器继承了智能传感器的全部功能并且能够和计算机网络进行通信，因而在现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)中得到了广泛的应用，成为FCS中现场级数字化传感器。
8) 其他分类
传感器还可分为无源和有源、无线和有线、单点式和分布式等。工
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