HBM传感器基础 :namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
在系统学各类传感器之前，首先应该掌握传感器的基本理论及检测技术的相关知识，主要包括传感器的概念、分类和基本特性，检测系统的组成与功能，基本测量方法，测量误差及数据处理等内容，为后续知识的学打下基础。
1.1 HBM传感器基础
在当今的信息时代，人们越来越迫切地希望能准确地掌握自然界和生产领域更多的各类信息，而传感器则是人们获取这些信息的主要途径和手段，因此传感器与人们的关系越来越密切。传感器是实现自动检测和自动控制的环节，它对于提高生产的自动化程度、促进现代科学技术的发展具有极其重要的作用。
1.1.1 传感器的概念
关于传感器的概念，我国标准
GB 7665—1987规定：“传感器(sensor)是能感受规定的测量量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。也就是说，传感器是一种按一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量器件或装置，用于满足系统信息传输、存储、显示、记录及控制等要求。
①传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用体现在测量上。例如我们常见的发电机，它是一种可以将机械能转变成电能的转换装置，从能量转换的角度看，它是一种发电设备，不能称之为传感器；但从另一个角度看，人们可以通过发电机发电量的大小来测量调速系统的机械转速，这时，发电机就可看成是一种用于测量转速的测量装置，是一种速度传感器，通常称之为测速发电机。应用传感器的目的就是为了获得被测量的准确信息，这也是本课程的学目的。
②传感器定义中所谓“可用输出信号”是指便于传输、转换及处理的信号，主要包括气、光和电等信号，现在一般就是指电信号 (如电压、电流、电势及各种电参数等 )，而“规定的测量量”一般是指非电量信号，主要包括各种物理量、化学量和生物量等，在工程中常需要测量的非电量信号有力、压力、温度、流量、位移、速度、加速度、转速、浓度等。正是由于这类非电量信号不能像电信号那样可由电工仪表和电子仪器直接测量，所以就需要利用传感器技术实现由非电量到电量的转换。
③传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系，并且应保证一定的精度。
④关于“传感器”这个词，目前国外还有许多提法，如变换器(transducer)、转换器 (converter)、检测器 (detector)和变送器(transmitter)等，而根据我们的规定，传感器定名为 sensor；当传感器的输出信号为标准信号(1V～5V、4mA～20mA)时，称为变送器 (transmitter)，注意二者不要混淆。
·2· HBM传感器基础
1.1.2 传感器的组成和分类
1. 传感器的组成
传感器的种类繁多，其工作原理、性能特点和应用领域各不相同，所以结构、组成差异很大。但的来说，传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路组成，有时还加上辅助电源，如图 1.1所示。
图 1.1 传感器组成框图
1) 敏感元件(sensing element)
敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。敏感元件是传感器的核心，也是研究、设计和制作传感器的关键。如图 1.2所示是一气体压力传感器的示意图。膜盒 2的下半部与壳体 1固定，上半部通过连杆与磁芯 4相连，磁芯 4置于两个电感线圈 3中，后者接入测量电路 5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力 pa相通，内部感受被测压力 p。当 p变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。
图 1.2 气体压力传感器 1—壳体；2—膜盒；3—电感线圈；4—磁芯；5—测量电路
2) 转换元件(transduction element) 转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部分。在图 1.2中，转换元件是可变电感线圈 3，它把输入的位移量转换成电感的变化。需要指出的是，并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两部分，有的传感器转换元件不止一个，需要经过若干次的转换；有的则是二者合二为一。
3) 测量电路(measuring circuit) 测量电路又称转换电路或信号调理电路，它的作用是将转换元件输出的电信号进行进
2· 第 1章 HBM传感器基础
一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续
电路实现显示、记录、处理及控制等功能。测量电路的类型视传感器的工作原理和转换元件的类型而定，一般有电桥电路、阻抗变换电路、振荡电路等。
2. 传感器的分类
通常，一种传感器可以检测多种参数，一种参数又可以用多种传感器测量，所以传感器的分类方法也很多，至今尚无统一规定，归纳起来一般有以下几种。
1) 按工作原理分类
这是传感器常见的分类方法，这种分类方法将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据，有利于对传感器工作原理的阐述和对传感器的深入研究与分析，本书主要就是按这一分类方法作为编写体系介绍各种类型的传感器。
按照传感器工作原理的不同，传感器可分为电参数式传感器(包括电阻式、电感式和电容式传感器)、压电式传感器、光电式传感器(包括一般光电式、光纤式、激光式和红外式传感器等)、热电式传感器、半导体式传感器、波式和辐射式传感器等。这些类型的传感器大部分是分别基于其各自的物理效应原理命名的。
2) 按被测量分类
按被测量的性质进行分类，有利于准确表达传感器的用途，对人们系统地使用传感器很有帮助。为更加直观、清晰地表述各类传感器的用途，将种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量，见表 1-1。对于各派生被测量的测量亦可通过对基本被测量的测量来实现。
表 1-1 基本被测量和派生被测量
位移速度
加速度
力
基本被测量
线位移
派生被测量
长度、厚度、应变、振动、磨损、平面度
角位移
线速度
旋转角、偏转角、角振动
振动、流量
角速度
线加速度
转速、角振动
振动、冲击、质量
角加速度
压力
角振动、转矩、转动惯量
质量、应力、力矩
时间频率周期、计数
光光通量与密度、光谱
温度热容
湿度水汽、含水量、露点
浓度气(液)体成分、黏度
3) 按结构分类
按传感器的结构构成可分为结构型、物性型和复合型传感器。结构型传感器是依靠传感器结构参数(如形状、尺寸等)的变化，利用某些物理规律，
HBM传感器基础
实现信号的变换，从而检测出被测量，它是目前应用多、普遍的传感器。这类传感器的特点是其性能以传感器中元件相对结构(位置)的变化为基础，而与其材料特性关系不大。物性型传感器则是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测量直接转换成电量的传感器。例如，热电偶传感器就是利用金属导体材料的温差电动势效应和不同金属导体间的接触电动势效应实现对温度的测量的；而利用压电晶体制成的压力传感器则是利用压电材料本身所具有的压电效应实现对压力的测量。这类传感器的“敏感元件”就是材料本身，无所谓“结构变化”，因此，通常具有响应速度快的特点，而且易于实现小型化、集成化和智能化。
复合型传感器则是结构型和物性型传感器的组合，同时兼有二者的特征。
4) 按能量转换关系分类
按照传感器的能量转换情况，传感器可分为能量控制型和能量转换型传感器两大类。所谓能量控制型传感器是指其变换的能量是由外部电源供给的，而外界的变化(即传感器输入量的变化)只起到控制的作用。如电阻、电感、电容等电参数传感器、霍耳传感器等都属于这一类传感器。能量转换型传感器，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电效应等的传感器都属于此类传感器。
此外，根据被测量的性质，可以将传感器分成物理型、化学型和生物型传感器三大类；根据传感器的使用材料，也可以将传感器分为半导体传感器、陶瓷传感器、金属材料传感器、复合材料传感器、高分子材料传感器等；根据应用领域的不同，还可分为工业用、农用、民用、医用及等不同类型；根据具体的使用目的，又可分为测量用、监视用、检查用、诊断用、控制用和分析用传感器等。
1.1.3 传感器的基本特性
为了更好地掌握和使用传感器，必须充分地了解传感器的基本特性。传感器的基本特性是指系统的输出输入关系特性，即系统输出信号 yt()与输入信号(被测量) xt()之间的关系，如图 1.3所示。
图 1.3 传感器系统
根据传感器输入信号 xt()是否随时间变化，其基本特性分为静态特性和动态特性，它们是系统对外呈现出的外部特性，但与其内部参数密切相关。不同的传感器内部参数不同，因此其基本特性也表现出不同的特点。一个高精度传感器，必须具有良好的静态特性和动态特性，才能保证信号无失真地按规律转换。
1. 静态特性
当传感器的输入信号是常量，不随时间变化(或变化极缓慢)时，其输出输入关系特性称为静态特性。传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述。
HBM传感器基础
1) 测量范围(measuring range) 传感器所能测量到的小输入量 xmin与大输入量 xmax之间的范围称为传感器的测量范围。
2) 量程(span)
传感器测量范围的上限值xmax与下限值 xmin的代数差 xmax .xmin ，称为量程。
3) 精度(accuracy)
传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映，测量误差越小，传感器的精度越高。传感器的精度用其量程范围内的大基本误差与满量程输出之比的百分数表示，其基本误差是传感器在规定的正常工作条件下所具有的测量误差，由系统误差和随机误差两部分组成，如用 S表示传感器的精度，则 ΔS=× (1-1)yFS 式中 Δ——测量范围内允许的大基本误差； yFS——满量程输出(FS是英文 Full Scale(满量程)的缩写)。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的大允许误差。如果传感器的工作条件偏离正常工作条件，还会带来附加误差，温度附加误差就是主要的附加误差。
4) 线性度(linearity)
所谓传感器的线性度是指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度，又称为非线性误差。如不考虑迟滞、蠕变等因素，一般传感器的输出输入特性关系可用 n次多项式表示为 y=aa++ xax2 ++an x (1-2)01 2 n 式中， x为输入量； y为输出量； a0为零输入时的输出，也叫零位输出； a1为传感器线性项系数，也称为线性灵敏度； a2， a3，…， an为非线性项系数。在不考虑零位输出的情况下，传感器的线性度可分为以下几种情况。
(1) 理想线性特性
当式(1-2)中 a为常数，而 aaa =a 0 时，即== . ==1023 n y=a1x (1-3)称为理想线性特性，如图 1.4(a)所示，这时传感器的线性好，也是我们希望传感器所具有的特性。具有该特性的传感器的灵敏度为直线 y=a1x的斜率，即 yk=1a==常数 (1-4) x
(2) 仅有偶次非线性项
传感器的输出输入特性为 2 4 2 0 2 4 2 0 1 2 n nya ax ax ax n = + + ++ =. (1-5)由于没有对称性，此特性线性范围较窄，线性度较差，如图 1.4(b)所示，一般传感器设计很少采用这种特性。
HBM传感器基础
(3) 仅有奇次非线性项传感器的输出输入特性为 35 2n+1ya + (1-6)= ax +ax +. +ax n=01 2 135 2n+1 此传感器特性相对于坐标原点对称，其线性范围较宽，线性度较好，如图 1.4(c)所示，是比较接近于理想直线的非线性特性。
(4) 普遍情况一般情况下，传感器的输出输入特性为 23 ny=ax+ax +ax +. +ax (1-7)12 3 n 如图 1.4(d)所示。
图 1.4 传感器的非线性
在实际使用非线性传感器时，如果非线性项的次数不高，则在输入量变化范围不大的情况下，可采用直线近似地代替实际输入输出特性曲线的某一段，使传感器的非线性特性得到线性化处理，这里所采用的直线称为拟合直线。实际输入输出特性曲线与拟合直线的大相对误差，就是非线性误差，用 γL 来表示，即 ΔLmax γL =± × (1-8)yFS 式中 ΔLmax ——非线性大误差； yFS ——满量程输出值。目前常用的拟合方法有：理论拟合、过零旋转拟合、端点拟合、端点平移拟合及小二乘拟合等。在图 1.5(a)中，拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关，这种方法称为理论拟合，应用十分简便，但一般说来 ΔLmax 很大。
图 1.5(b)为过零旋转拟合，常用于校正特性曲线过零的传感器。拟合时，使ΔL1= ΔL2= ΔLmax ，这种方法也比较简单，非线性误差比前一种小很多。图 1.5(c)所示的端点拟合，是把实际特性曲线两端点的连线作为拟合直线。这种方法比较简便，但 ΔLmax 较大。
图 1.5(d)是在图 1.5 (c)的基础上使直线平移，移动距离为图 1.5 (c)的 ΔLmax 的 1/2。这条特性曲线分布于拟合直线的两侧， ΔL1= ΔL2= ΔL3= ΔLmax ，与图 1.5(c)相比，非线性误差减小了 1/2，提高了精度。小二乘拟合是选取在量程范围内与特性曲线上各点的偏差平方和小的直线作为拟合直线，这种拟合方法有严格的数学依据，尽管计算过程复杂，但得到的拟合直线精度高，误差小。
HBM传感器基础
图 1.5 各种直线拟合方法
5) 灵敏度(sensitivity) 灵敏度是指传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比，即 Δyk = (1-9)Δx 对于线性传感器，它的灵敏度就是其特性曲线的斜率，是一个常数，与输入量大小无关；而对于非线性传感器，其灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图 1.6所示。一般希望传感器的灵敏度高，且在满量程范围内是恒定的，这样就可保证在传感器输入量相同的情况下，输出信号尽可能大，从而有利于对被测量的转换和处理。
图 1.6 传感器的灵敏度由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即 Δkγ S = k × (1-10)
6) 分辨率和阈值(resolution and threshold)传感器能检测到输入量小变化量的能力称为分辨力。对于某些传感器，如电位器式传感器，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。对于数字式仪表，分辨力就是仪表指示值的后一位数字所代表的值。当被测量的变化量小于分辨力时，数字式仪表的后一位数不变，仍指示原值。当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。
阈值是指能使传感器的输出端产生可测变化量的小被测输入量值，即零点附近的分
·7··8·
传感器基础 辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”(dead band)，则将死区的大小作为阈值；更多情况下，阈值主要取决于传感器噪声的大小，因而有的传感器只给出噪声电平。
7) 重复性(repeatability)
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线间不一致的程度。各条特性曲线越靠近，说明重复性就越好。如图 1.7所示为输出特性曲线的重复特性，正行程的大重复性偏差为 ΔRmax1 ，反行程的大重复性偏差为 ΔRmax 2 。重复性偏差取这两个大偏差中之较大者为 ΔRmax ，再以满量程输出的百分数表示，这就是重复误差，即 ΔRmaxγR =± × (1-11)yFS 重复性是反映传感器精密程度的重要指标。同时，重复性的好坏也与许多随机因素有关，它属于随机误差，要用统计规律来确定。
图 1.7 传感器的重复性
8) 迟滞(hysteresis) 迟滞特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出与输入曲线不重合的程度，如图 1.8所示。迟滞大小一般由实验方法测得。迟滞误差以正、反向输出量的大偏差与满量程输出之比的百分数表示，即 1 ΔHmaxγH =± × (1-12)2 yFS 式中 ΔHmax ——正、反行程间输出的大误差。
图 1.8 传感器的迟滞特性
传感器材料的物理性质是产生迟滞的主要原因。例如，把应力施加于某弹性材料时，
HBM传感器基础
弹性材料产生形变，应力取消后，弹性材料仍不能完全恢复原状。又如，铁磁体、铁电体
在外加磁场、电场作用下也均有迟滞现象。此外，传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如摩擦、磨损、间隙、松动、积尘等也是造成迟滞现象的重要原因。
9) 稳定性(stability)
稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。理想的情况是不论什么时候，传感器的特性参数都不随时间变化。但实际上，随着时间的推移，大多数传感器的特性会发生改变。这是因为敏感元件或构成传感器的部件，其特性会随时间发生变化，从而影响了传感器的稳定性。稳定性一般以室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出与起始时的输出之间的差异来表示，称为稳定性误差。稳定性误差可用相对误差表示，也可用误差来表示。
10) 漂移(drift)
传感器的漂移是指在外界的干扰下，在一定时间间隔内，传感器输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。飘移量的大小也是衡量传感器稳定性的重要性能指标。传感器的飘移有时会导致整个测量或控制系统处于瘫痪。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等，如图 1.9所示。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间缓慢变化。温度漂移则是由环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移。
图 1.9 传感器的漂移
2. 动态特性
以上介绍的是传感器的静态特性，即输入信号是不随时间变化的。但大多数情况下传感器的输入信号是随时间变化的动态信号，这时就要求传感器能时刻地跟踪输入信号，按照输入信号的变化规律输出信号。当传感器输入信号的变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号的变化加快，传感器随动跟踪性能会逐渐下降。输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程称为响应。动态特性就是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应特性，通常要求传感器不仅能地显示被测量的大小，而且还能复现被测量随时间变化的规律，这也是传感器的重要特性。
传感器的动态特性与其输入信号的变化形式密切相关，在研究传感器动态特性时，通常是根据不同输入信号的变化规律来考察传感器响应的。实际传感器输入信号随时间变化
·9··10·
传感器基础 的形式可能是多种多样的，常见、典型的输入信号是阶跃信号和正弦信号。这两种信号在物理上较容易实现，而且也便于求解。对于阶跃输入信号，传感器的响应称为阶跃响应或瞬态响应，它是指传感器在瞬变的非周期信号作用下的响应特性。这对传感器来说是一种严峻的状态，如传感器能复现这种信号，那么就能很容易地复现其他种类的输入信号，其动态性能指标也必定会令人满意。
而对于正弦输入信号，则称为频率响应或稳态响应。它是指传感器在振幅稳定不变的正弦信号作用下的响应特性。稳态响应的重要性，在于工程上所遇到的各种非电信号的变化曲线都可以展开成傅里叶(Fourier)级数或进行傅里叶变换，即可以用一系列正弦曲线的叠加来表示原曲线。因此，当已知道传感器对正弦信号的响应特性后，也就可以判断它对各种复杂变化曲线的响应了。
为便于分析传感器的动态特性，必须建立动态数学模型。建立动态数学模型的方法有多种，如微分方程、传递函数、频率响应函数、差分方程、状态方程、脉冲响应函数等。
建立微分方程是对传感器动态特性进行数学描述的基本方法。在忽略了一些影响不大的非线性和随机变化的复杂因素后，可将传感器作为线性定常系统来考虑，因而其动态数学模型可用线性常系数微分方程来表示。
能用一、二阶线性微分方程来描述的传感器分别称为一、二阶传感器，虽然传感器的种类和形式很多，但它们一般可以简化为一阶或二阶环节的传感器(高阶可以分解成若干个低阶环节)，因此一阶和二阶传感器是基本的。
当求解出微分方程的解后就能够得到系统的瞬态响应和稳态响应。微分方程的通解是系统的瞬态响应，特解是系统的稳态响应。对于一些较复杂的系统，求解微分方程比较麻烦，可采用数学上的拉普拉斯(Laplace)变换将实数域的微分方程变换成复数域的代数方程，这样可使运算简化，求解就相对容易了。
在采用阶跃输入信号研究传感器时域动态特性时，为表征传感器的动态特性，常用时间常数τ、上升时间tr 、响应时间ts和调量σ等参效来综合描述；在采用正弦输入信号研究传感器频域动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述，其重要指标是频带宽度(简称带宽)及相位误差等。对于各典型环节动态性能指标的分析和计算方法，在《自动控制原理》等课程中都有详细的阐述，因篇幅关系，这里就不一一介绍了。
1.1.4 传感器的命名、代号和图形符号
人民标准 GB 7666—87规定了传感器的命名方法及图形符号，并将其作为统一传感器命名及图形符号的依据。该标准适用于传感器的生产、科学研究、教学及其他相关领域。
1. 传感器的命名
根据国标 GB 7666—87的规定，传感器的全称应由“主题词+四级修饰语”组成，即主题词
——传感器；一级修饰语 ——被测量，包括修饰被测量的定语；二级修饰语 ——转换原理，一般可后缀以“式”字；三级修饰语 ——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件
HBM传感器基础
·11· 及其他必要的性能特征，一般可后缀以“型”字；四级修饰语 ——主要技术指标(如量程、精度、灵敏度等)。
2. 传感器的代号
根据国标 GB 7666—87规定，一种传感器的代号应包括以下四部分： a ——主称(传感器)； b ——被测量； c ——转换原理； d ——序号。四部分代号表述格式如图 1.10所示。在被测量、转换原理、序号三部分代号之间需有连字符“—”连接。
图 1.10 传感器产品代号的编制格式
例如： 3. 传感器的图形符号图形符号通常用于图样或技术文件中来表示一个设备或概念的图形、标记或字符。由于它能象征性或形象化地标记信息，因此可以越过语言障碍，直接地表达设计者的思想和意图，在实际中应用广泛。传感器的图形符号是电气图用图形符号的一个组成部分。 1994年 2月 1日批准实施的 /T 14479—93《传感器图用图形符号》是与国际接轨的。按照此规定，传感器的图形符号由符号要素正方形和等边三角形组成，如图 1.11所示。其中，图 1.11 传感器的图形符号正方形表示转换元件，三角形表示敏感元件。在使用这种图形符号时应注意以下几个问题：
①表示转换原理的限定符号应写进正方形内，表示被测量的限定符号应写进三角形内，如图 1.12所示。
②当无须强调具体的转换原理时，传感器的图形符号可以简化，如图 1.13所示。
③对于传感器的电气引线，应根据接线图设计需要，从正方形的三条边线垂直引出；如果引线需要接地或接壳体、接线板，应按照GB 4728.2 中的规定绘制，如图1.14所示。
·11··12· 传感器基础
图 1.12 传感器图形符号的说明
(1)图 1.13 传感器图形符号的说明
(2)(2) x—被测量符号；﹡—转换原理对角线—内在的能量转换功能； (A)、(B)—输入、输出信号
④对于某些转换原理难以用图形符号简单、形象地表达时，例如离子选择电极式钠离
子传感器，也可用文字符号替代，如图 1.15所示。
图 1.15 传感器图形符号的说明(4) 下面给出几种典型传感器的图形符号，如图 1.16所示。
图 1.16 几种典型传感器图形符号
国标 GB/T 14479—93给出了 43种常用传感器的图形符号示例。标准规定，对于采用或特殊转换原理或检测技术的传感器，亦可参照标准的有关规定自行绘制，但必须经主管部门认可。
1.1.5 传感器的发展趋势
传感器作为人类认识和感知世界的一种工具，其发展历史相当久远，可以说是伴随着人类文明的进程而发展起来的。传感器技术的发展程度，影响、决定着人类认识世界的程度与能力。随着科学的进步和社会的发展，传感器技术在国民经济和人们的日常生活中占有越来越重要的地位。人们对传感器的种类、性能等方面的要求越来越高，这也进一步促进了传感器技术的快速发展。目前许多都把传感器技术列为重点发展的关键技术。
第 1章 传感器理论基础
·13· 曾把 20世纪 80年代看成是传感器技术时代，并将其列为 20世纪 90年代 22项关键技术，日本把传感器技术列为 20世纪 80年代技术之首。从 20世纪 80年代中后期开始，我国也把传感器技术列为优先发展的重要技术。传感器技术是一项与现代技术密切相关的技术，近年来发展很快，主要特点及发展趋势表现在以下几个方面。
1. 发现利用新现象、新效应
利用物理现象、化学反应和生物效应是各种传感器工作的基本原理，所以发现新现象与新效应是发展传感器技术的重要工作，是研制传感器的理论基础，其意义极为深远。例如，日本夏普公司利用导技术研制高温导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于导量子干涉器件。但它的制造工艺远比导量子干涉器件简单，可用于磁成像技术，具有广泛的推广价值。
2. 开发新材料
传感器材料是传感器技术发展的物质基础，随着材料科学的快速发展，人们可根据实际需要，控制传感器材料的某些成分或含量，从而设计制造出用于各种传感器的新的功能材料。例如，用高分子聚合物薄膜制成温度传感器，用光导纤维制成压力、流量、温度、位移等多种传感器，用陶瓷制成压力传感器，用半导体氧化物制成各种气体传感器等。这些新材料的应用，极大地提高了各类传感器的性能，促进了传感器技术的发展。
3. 采用高新技术
随着微电子技术、计算机技术、精密机械技术、高密封技术、特种加工技术、集成技术、薄膜技术、网络技术、纳米技术、激光技术、导技术、生物技术等高新技术的迅猛发展，传感器技术进入了一个更为广阔的发展空间。高新技术成果的采用，成为传感器技术发展的技术基础和强大推动力。因此，传感器的高科技化不但是传感器技术的主要特征，而且也是新世纪传感器及其产业的发展方向。
4. 拓展应用领域
目前检测技术正在向宏观世界和微观世界的纵深发展。空间技术、海洋开发、环境保护以及地震预测等都要求检测技术满足开发、研究宏观世界的要求，而细胞生物学、遗传工程、光合作用、医学及微加工技术等又希望检测技术跟上研究微观世界的步伐，因此，科学的发展对当前传感器技术的研究、开发提出许多新的要求，其中重要的一点就是要拓宽应用领域和检测范围，不断突破参数测量的极限。通过这些应用领域的开发和研究，不但可以提高传感器的应用性能，而且还可以促进其他相关技术的发展，甚至会诞生一些新学科。
5. 提高传感器的性能
检测技术的发展，必然要求传感器的性能不断提高。例如，对于火箭发动机燃烧室的压力测量，希望测量精度高于 0.1%；对于精密机械加工的在线测量，要求误差小于 0.1μm等，由此需要人们研制出更多性能优异的各类传感器。对传感器而言，其主要性能指标包括：检测精度、线性度、灵敏度和稳定性等，其中检测精度是其中重要的性能指标。在 20世纪 30年代～40年代，检测精度一般为百分之几到千分之几。近年来，随着传感器技术的不断发展，其检测精度提高很快，有些被测量的检测精度可达万分之几，甚至百万分之几。例如，用直线光栅测线位移时，测量范围在几米时，误差仅为几微米。
6. 传感器的微型化与低功耗
目前各种测控仪器设备的功能越来越强大，同时各个部件的体积却越来越小，这就要求传感器自身的体积也要小型化、微型化，现在一些微型传感器，其敏感元件采用光刻、腐蚀、沉积等微机械加工工艺制作而成，尺寸可以达到微米级。此外，由于传感器工作时大多离不开电源，在野外或远离电网的地方，往往是用电池或太阳能等供电，因此开发微功耗的传感器及无源传感器就具有重要的实际意义，这样不仅可以节省能源，又可以提高系统的工作寿命。
7. 传感器的集成化与多功能化
所谓传感器的集成化，是指将信息提取、放大、变换、传输以及信息处理和存储等功能都制作在同一基片上，实现一体化。与一般传感器相比，它具有体积小、反应快、抗干扰、稳定性好及成本低等优点。目前随着半导体集成技术与厚、薄膜技术的不断发展，传感器的集成化已成为传感器技术发展的一种趋势。传感器的多功能化是与“集成化”相对应的一个概念，是指传感器能感知与转换两种以上不同的物理量，例如，使用特殊的陶瓷材料把温度和湿度敏感元件集成在一起，制成温湿度传感器；将检测几种不同气体的敏感元件用厚膜制造工艺制作在同一基片上，制成检测氧、氨、乙醇、乙烯等气体的多功能传感器等。利用多种物理化学及生物效应使传感器多功能化，已日益成为当今传感器发展的方向。
8. 传感器的智能化与数字化
利用计算机及微处理技术使传感器智能化是 20世纪 80年代以来传感器技术的一大飞跃。智能传感器是一种带有微处理器的传感器，与一般传感器相比它不仅具有信息提取、转换等功能，而且还具有数据处理、双向通信、信息记忆存储、自动补偿及数字输出等功能。随着人工神经网络、人工智能和信息处理技术(如多传感器信息融合技术、模糊理论等)的进一步发展，智能传感器将具有更高级的分析、决策及自学功能，可完成更复杂的检测任务。此外，目前传感器的功能已突破传统的界限，其输出不再是单一的模拟信号，而是经过微处理器处理过的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所谓的数字传感器。数字传感器的特点：一是将模拟信号转换成数字信号输出，提高了传感器的抗干扰能力，特别适用于电磁干扰强、信号传输距离远的工作现场；二是可通过软件对传感器进行线性修正及性能补偿，减少了系统误差；三是一致性与互换性好。可以预见，随着计算机和微处理技术的不断发展，智能化、数字化传感器一定会迎来更为广阔的发展前景。
9. 传感器的网络化
传感器的网络化是传感器领域近些年发展起来的一项新兴技术，它利用 TCP/IP协议，使现场测量数据就近通过网络与网络上有通信能力的节点直接进行通信，实现了数据的实时发布和共享。由于传感器自动化、智能化水平的提高，多台传感器联网已推广应用，虚拟仪器、三维多媒体等新技术已开始实用化。传感器网络化的目标就是采用标准的网络协议，同时采用模块化结构将传感器和网络技术有机地结合起来，实现信息交流和技术维护。
HBM传感器基础
北京诺信天正科技有限公司 王杰
