传感器

实现自动检测和自动控制的装置

传感器

传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并按规律将感知到的信息转换成电信号或其他所需形式的信息输出。它们为物体提供触觉、味觉、嗅觉等感官，使物体具有感知能力，敏锐捕捉外界的细微变化。[0][1][2][3]传感器具有微型化、[4]数字化、[5]智能化、[6]多功能化、[7]系统化、[8]网络化[9]等特点，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。[10]广泛应用于日常用品和各个领域，与其他设备进行信息交流和处理，满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等需求。它们用于触摸电梯按钮、自动调节灯光的触摸底座等常见应用，也用于制造、机械、航空航天、汽车、医药、机器人技术等行业。还可以测量材料的化学和物理特性，例如光学传感器用于折射率测量，振动传感器用于流体粘度测量，电化学传感器用于监测流体pH值。[11][12][13][14]

传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并按规律将感知到的信息转换成电信号或其他所需形式的信息输出。它们为物体提供触觉、味觉、嗅觉等感官，使物体具有感知能力，敏锐捕捉外界的细微变化。[1][2][3][4]

传感器具有微型化、[5]数字化、[6]智能化、[7]多功能化、[8]系统化、[9]网络化[10]等特点，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。[11]广泛应用于日常用品和各个领域，与其他设备进行信息交流和处理，满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等需求。它们用于触摸电梯按钮、自动调节灯光的触摸底座等常见应用，也用于制造、机械、航空航天、汽车、医药、机器人技术等行业。还可以测量材料的化学和物理特性，例如光学传感器用于折射率测量，振动传感器用于流体粘度测量，电化学传感器用于监测流体pH值。[12][13][14][15]

传感器技术不断发展，从结构型到固体传感器再到智能传感器，采用微机械系统（MEMS）制造，实现微型化、快速响应和高灵敏度。[16]传感器的发展前景广阔，应用范围涵盖智能化、医疗、农业等领域，推动科技和工程进步，促进无人驾驶、人工智能和机器人技术创新。[17][18][19][20]

定义

传感器是一种能够感知和探测外界信号、物理条件或化学组成的物理设备或生物器官。[21][22]它们通过敏感元件和转换元件的组合，能够感受到被测量的属性或环境变化，并按照一定的规律将感知到的信息转换成可用的信号输出，通常是电信号或其他形式的信号。[23][24]

微型化

随着微电子机械系统（MEMS）技术的进步，传感器的体积和尺寸得到显著减小，可以制造成微型或纳米级别的器件。[25]这一技术发展主要得益于微电子机械系统（MEMS）和硅光子集成工艺的广泛应用。[26]实际应用中，微型化的重要意义不仅在于器件尺寸的缩小，更重要的是实现了纳米技术成果的集成化，使得微型机电系统的批量生产与制造成为可能。例如，微驱动器、微传感器以及微电路等装置得以集成于微型尺寸的器件中，从而推动了纳米技术在各个领域的应用与发展。[27][28]

数字化

现代传感器的输出信号采用数字形式表示，[29]这种数字化的形式使得数据处理、传输和存储更加便捷，同时也提高了数据的准确性和可靠性。[30]最新的研究中，科学家构建了一种名为'电子舌'的装置，旨在在某种程度上替代人的舌头，用于对待测样品的味觉指标进行定性和定量测量。该技术的目标是将呈味物质在人舌中的味觉感受转化为具体的数字化结果，从而实现味觉评价的自动化和客观化。这样的创新将有助于在食品工业、品质控制和医药领域等方面实现更高水平的研究和应用。[31]

智能化

现代传感器不仅具备智能能力，能够进行数据处理、决策和反馈，还具有学习和适应环境的能力，从而显著提升了传感器的智能化水平。[32]多功能化传感器指其具备多种不同的测量或检测功能，能够适应不同的应用需求，从而极大增强了传感器的灵活性和多样性。[33]然而，目前大多数传感器在宽检测范围和高灵敏度之间很难取得平衡，同时也面临实现多功能化（例如散热、加热等）的挑战。[34]

系统化

传感器具备与其他设备、系统或平台连接和集成的能力，[35]从而形成完整的感知与控制系统，实现更高级的功能和应用。[36]数据收集系统在该系统中扮演着重要角色，其主要功能是作为数据收集站，通常借助微机设备进行系统化控制。在实践操作中，数据收集系统主要用于收集传感器所产生的原始数据，进行有效的测量和数据记录。这一过程确保了从传感器中获取准确数据，并为后续的数据处理、分析以及控制策略的制定提供了必要的基础。[37]

网络化

传感器具备通过网络进行通信和数据传输的能力，尤其是无线传感器，通过节点之间形成网络化布局，借助节点内的多种传感器对环境进行综合分析。[38]这使得传感器能够实现远程监测、控制和协同操作，从而显著提高了传感器的远程和分布式应用能力。[39]

基本构成

从结构上来讲，电子传感器由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源等4个部分组成。[40]这四部分相互配合，共同完成传感器的感知、转换和输出功能。[41]

敏感元件

这是传感器的核心部件，它直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号。[42]

转换元件

转换元件在传感器中将敏感元件获得的物理量或信号转换成电信号或数字信号，便于传输和处理。这样的转换过程是实现传感器智能化的关键步骤之一。[43]智能化传感器的实现离不开各式各样的特定传感器及其相应的转换元件的配合和运作。[44]

这些转换元件能够将传感器获得的原始数据进行信号调理、放大、滤波、模数转换等处理，从而得到准确且可靠的数字化或模拟信号输出。这些输出信号可以直接传输给其他设备、系统或平台，实现远程监测、控制和协同操作，也可以被处理和分析，得出有关被测量的有用信息。[45]

变换电路

变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大和调制，以确保信号能够被准确地测量和处理。[46]其主要功能是将传感器获得的模拟信号转换为数字信号，便于后续的数据处理和分析。[47]对于电压型输出信号的传感器，由于其输出信号本身是电压形式，通常无需变换电路。然而，这类传感器的抗干扰能力相对较差，可能会受到外部干扰影响而产生误差。[48]

而对于电压内阻传感器，其工作原理是通过变换电路将测量器件内部电阻和电压的变化转化成电信号输出。这种传感器常用于测量电阻或电压值，例如在温度传感器中常使用电压内阻传感器测量温度值。[49]

辅助电源

辅助电源为传感器提供所需的电能，以确保传感器能够正常工作。[50]辅助电源系统主要负责为传感器与控制设备提供稳定的电流和电压。[51]

该系统通常包括辅助变流器，其中包含充放电电路、线路滤波器、变压器、逆变单元、输出滤波电路、三相输出接触器、控制单元、充电机单元、应急启动电源以及各类传感器等。这些组件协同工作，确保传感器在各种工作状态下都能得到可靠的电能供应。辅助电源系统还包括高压辅助母线电路和中压母线电路等组成部分。这些母线电路负责将电能从辅助变流器传送至传感器和控制设备，确保电能传输的高效率和稳定性。[52]

历史发展

传感器的发展历程主要有三种，传感器在第一代类属于结构型，主要针对目标为信号，并对信号进行处理工作；第二代则是固体传感器，这类固体传感器与一代有着较大的差距，能够更好地处理相关的信息数据；而第三代是智能传感器，能够灵活判断周边情况，通过更加科学合理的方式处理各类信息数据。[53]

20世纪70年代

在20世纪70年代，伴随着微电子技术、信号检测与处理技术、计算机和网络通信等科学技术的快速进步，传感器系统得到了广泛的发展。这一时期涌现出了许多重要的传感器技术和应用。[54]

其中，20世纪70年代是以下传感器发展的重要里程碑：

1. MEMS压力传感器：在这一时期，针对基于电容敏感原理的MEMS压力传感器进行了广泛的研究和开发。[55]

2. 汽车产业传感器：在20世纪70年代之前，对于温度测量尚未形成统一的认识。然而，随着光纤技术的发展，光纤传感器在汽车产业中得以应用。[56]

3. 无线传感器网络（WSN）：起源于20世纪70年代的无线传感器网络主要用于军事领域，通过综合利用来自多个传感器的数据，实现对目标的综合判断。[57][58]

4. 数据融合技术：20世纪70年代，数据融合技术应运而生。它是一种多传感器信息融合技术，旨在实现跨区域的信息整合与管理，通过对信息数据进行全方位的处理分析，产生新的可用信息内容。[59]

5. 电控燃油系统：随着电子与传感器技术的进步以及能源危机和排放法规的压力，20世纪70年代电控燃油系统得到了重要发展和进步。[60]

6. 光纤传感器：光纤传感器在20世纪70年代出现，并相对于传统的电测式传感器具有诸多优势，被广泛应用于解决复杂条件下的深部岩土体观测等领域。[61][62]

7. 阻抗泄漏监测技术：阻抗泄漏监测技术最早在20世纪70年代用于瑞典的集中供热领域，通过持续监测铜线与钢管之间的绝缘电阻和泄漏电压，发现管线保温层破损点或钢管泄漏点。[63]

8. 多传感器融合技术：多传感器融合技术最初起源于美国国防部的研究，旨在将来自多种不同类型传感器的数据进行统一的评价与估计，以获得对检测环境准确而完整的评估。这一技术在20世纪70年代得到了广泛的研究和共识。[64]

9. 光学气象卫星和夜间灯光探测：在这一时期，美国发射了首颗搭载OLS传感器的光学气象卫星，它能够探测全球范围内的夜间灯光强度。这一技术为研究城市发展、灯光污染以及环境变化等提供了重要的数据源。[65]

20世界80年代

在20世纪80年代，传感器技术迈入了一个全新的阶段，[66]具有以下重要发展和应用：

1. 光纤传感器：光纤传感技术在气体浓度检测等领域得到广泛应用。光纤传感器相对于其他传感技术具有诸多优势，如高灵敏度、小体积、耐高温、防水防潮、抗电磁干扰等。[67]

2. 运动传感器：运动传感器包括加速度传感器、惯性传感器（陀螺仪）和电子罗盘等，用于捕捉不同身体部位的加速度和运动方向，进而估算能量消耗。这一技术在20世纪60年代至80年代间得到了广泛应用。[68]

3. 扩展卡尔曼滤波信息融合：多传感器信息融合的研究始于20世纪80年代，扩展卡尔曼滤波等技术被应用于多传感器数据的融合与处理，实现对检测环境的准确评估。[69]

4. 电容式活体指纹采集仪：在20世纪80年代初，电容式指纹传感器开始商业化应用，虽然初代电容式传感器受限于芯片尺寸较小，但逐渐成为指纹采集领域的重要技术。[70]

5. 气体传感器：聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等材料在20世纪80年代初被应用于气体传感器，用于检测气体浓度。这一技术具有广阔的应用前景。[71]

6. 生物传感器：中国在20世纪80年代初开始进行生物传感器的研究，尤其是葡萄糖传感器。[72]生物传感器利用生物分子与特定目标物质的相互作用来进行检测。

7. 热释电红外传感器：热释电红外传感器是一种新型高灵敏度功能元件，用于检测人体发射的红外信号并传输电信号，广泛应用于入侵报警和自动节能装置。[73]

8. 声表面波（SAW）传感器：SAW传感器以其微型、轻质、抗干扰、低功耗、高灵敏等特点受到关注。[74]

9. 基于分子印迹聚合物的电化学传感器：分子印迹技术（MIT）起源于20世纪80年代，通过人工合成分子印迹聚合物（MIPs）作为特定目标分子的识别元素，实现电化学传感器的开发。这种传感器具有独特的物理化学性能和特异性识别能力。[75]

10. 分布式光纤温度传感器：随着20世纪80年代光时域反射计（OTDR）技术的成熟，分布式光纤温度传感器应运而生。它具备丰富的技术潜力和应用前景，在地表覆盖、环境监测、气候变化等领域得到广泛应用。[76]

11. Rogowski型线圈电流传感器：这是一种常用的电流检测传感器，起源于20世纪80年代的英国。[77]

12. TM传感器：20世纪80年代，通过TM传感器获取的30米分辨率影像在地表覆盖、环境监测和气候变化等领域得到广泛应用。[78]

13. 无位置传感器检测方法：从20世纪80年代左右开始，学者们开始研究开关磁阻电机的无位置传感器检测技术。[79]

14. 手势传感器：20世纪80年代，人们开始通过手套上的传感器获取手势信息，为人机交互领域提供了新的技术手段。[80]

20世纪80年代是传感器技术发展的重要时期，涌现出光纤传感器、运动传感器、信息融合技术、生物传感器等众多创新应用。这些传感器的出现为各个领域的测量、监测和控制提供了更精确、可靠和多样化的解决方案。

20世纪90年代

在20世纪90年代，传感器领域出现了许多新理论和新技术，推动了多传感器数据融合技术的发展。[81]以下是该时期传感器发展的要点：

1. 悬空细线传感器：由de Bree博士在90年代提出，采用两根平行分布的悬空细线构成，利用氮化硅和铂金属等材料进行传感和数值分析。[82]

2. 土壤养分传感器：美国在90年代开始研究土壤养分传感技术，并开发出适用于农业生产的土壤养分和微量元素传感器。[83]

3. 光纤光栅传感器（FBG）：研究者在90年代尝试将FBG传感器封装于Al、PMMA、Teflon等材料基底中，提高了其在低温环境下的灵敏度。[84]

4. 视网膜启发的视觉传感器：在90年代，首次提出了光强转化为脉冲频率的思想，受到视网膜的启发。[85]

5. CMOS传感器的兴起：20世纪90年代，CMOS传感器逐渐取代CCD传感器，成为相机产品中的主流技术，具有更高的集成度、低耗电量和低成本等优势。[86]

6. 网络信息技术的发展：从20世纪90年代开始，美国学术界开始研究数据爆炸式增长的新型传感器设备，随后网络信息技术在全球范围内广泛应用，推动了信息技术水平的提升和大数据时代的到来。[87]

7. 分布式光纤传感器：采用接触式传感器技术，可以测量长距离土壤温度变化。该技术在路堤温度监测和渠道渗流研究中得到应用。[88]

8. 商用电磁声传感器（EMAT）：Innerspec公司在90年代中期开创了商用EMAT技术，成为该领域的全球领导者。[89]

9. 电容性微机械超声传感器（CMUT）：这是一种在90年代开发出的新型超声传感器。[90]

10. 高光谱技术：利用光学传感器获取各地区的光谱数据，该技术主要应用于可燃物的探测。[91]

21世纪

在21世纪，传感器技术取得了重大的发展和应用进展。以下是21世纪传感器发展的主要情况：

1. 无线传感器网络（WSN）：WSN在21世纪得到了广泛应用，不仅在军事安全领域，还在工业控制、智能家居、环境感知和健康监测等领域起到重要作用。WSN是一项重要的技术，对人类未来生活产生深远影响。[92][93]

2. 穿戴设备：21世纪初，综合穿戴设备成为一种主要趋势，这些设备集成多种传感器，实现智能化和无创性的监测与交互，例如智能手环、智能手表等。[94]

3. 遥感技术：MODIS传感器的引入推动了遥感技术在草地资源定量化监测方面的应用。遥感传感器能够获取地球表面的高分辨率图像数据，支持环境监测、资源管理和灾害监测等应用。[95]

4. 物联网和智慧城市：21世纪是智慧生活的时代，物联网和智慧城市的发展推动了各种设备和模块之间的通信和控制需求。传感器在智慧城市建设中起到关键作用，用于环境监测、设备控制、数据采集和分析等方面。[96]

5. 总线型通信方式：随着电子工业的发展，传感器件的复杂程度和传输数据量的增长，总线型通信方式成为控制信息和数据传输的主要手段。各种传感器和设备之间通过各种接口实现通信和控制。[97]

6. 分布式光纤温度传感器：21世纪以来，研究重点从后向散射式的光纤温度传感器逐渐转向光纤光栅温度传感器，并在应用中得到广泛应用。分布式光纤温度传感器具有高精度和实时监测的特点。[97]

7. 智能传感器：智能传感器的概念早在1979年由美国宇航局（NASA）提出，但直到进入21世纪后，随着5G通信的商用化，智能传感技术得到了快速发展。智能传感器具有高集成度、低功耗和强大的通信能力，已经逐渐形成产业化。[98]

截止2022年，生物传感器专利数量公开排名前十的地区中，中国(4364件)排名第一，美国(2593件)排名第二，韩国(1737件)与日本(1678件)公开专利数量相当，分列第四、五位。[99]

智能化和自适应

传感器将朝着更智能化和自适应的方向发展。借助人工智能和机器学习技术，传感器可以实现自主学习和适应环境变化，从而更准确地感知和解释数据。比如，高性能柔性压力传感器是人体运动检测、人机交互、软机器人、电子皮肤等系统的重要组成部分，有望成为未来人类医疗监测和人工智能应用的关键技术。[100]

微纳化技术

传感器将越来越小型化，微纳技术的发展将使得传感器体积更小、功耗更低，适用于更多领域，如可穿戴设备、医疗器械等，特别是温度传感器微纳化是行业发展趋势。 [101][102]

多模式传感器

未来的传感器将集成多种传感模式，能够同时感知多个物理量或环境参数，提高信息采集的全面性和准确性。比如在食品领域通过探索多模式的传感器，可以实现提高检测的可靠性和稳定性。[103]

跨界融合

传感器将与其他技术领域进行跨界融合，如生物技术、纳米技术等，比如随着纳米技术、膜技术、电化学技术和光纤技术等高新技术的集成与应用，SPR新型传感器的分析效率和适用性将提高，基因编码的生物传感器可以应用于生物技术的许多领域，如诊断学、生物医学、食品安全及环境监测等，未来会产生更多新型传感器，拓展应用领域。[104][105]

无线通信与网络化

随着无线通信技术和微机系统技术的日益成熟，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）得到迅速发展，[106]传感器将越来越多地采用无线通信技术，实现远程数据传输与控制。传感器网络化的趋势将使得大规模传感器网络构建成为可能，广泛应用于智能城市、环境监测等领域。 [107]

节能和环保

传感器将更加注重节能和环保，采用低功耗设计和环保材料，以降低资源消耗和对环境的影响。[108]

新材料应用

新型材料的应用将为传感器带来更多可能性。例如，柔性传感器的发展将带来更广泛的应用领域，如健康监测、智能皮肤等。[109]

5G技术加速

随着5G技术的普及，传感器的应用将得到进一步加速和拓展，特别是在物联网和智能制造领域。物联网技术5G技术支持大规模物联网连接，能够将传感器、摄像头等感知设备与广播系统相连接，形成更为精准的应急广播系统，促进更快速、精准的应急管理。[110]

环境适应性

传感器将更加适应极端环境，如高温、高压、低温等特殊条件下的工作，为探索极端环境和宇宙空间提供技术支持。比如光纤传感器是未来传感器发展的主流方向，体积小、重量轻、耐高温和化学反应环境、抗干扰和环境适应性强，有着非常高的灵敏度和分辨率以及更宽的动态范围。[111]

物理传感器

物理传感器利用已知的物理效应，如光电效应、热电效应、电磁感应等，将物理量之间的对应关系转化为电信号，实现测量。它们收集原始的情景数据，并根据感知的数据类型进行分类。这些传感器利用压电、离子化、热电、光电、磁电等物理效应来感知和测量不同的物理量。它们将微小的信号变化转换为电信号，用于测量和监测各种物理现象。[112][113][114]

物理传感器（光源传感器）
物理传感器（光源传感器）

物理传感器可以根据用途进行分类，包括压力敏感器、力敏感器、加速度传感器等。它们可以测量和检测压力、力量和加速度等物理量。另外，根据材质的不同，物理传感器可以分为金属聚合物和陶瓷混合物等不同类别。[115]

在物理类传感器中，又可以分为结构型传感器和物性型传感器。结构型传感器基于物理规律进行测量，利用结构的变化来感知目标的状态或参数变化。而物性型传感器则通过材料的特性响应外界刺激，例如电阻、电容、电感等的变化来实现测量和检测。[116]此外，纳米传感器是一种微型设备，它通过在物理化学传感器表面固定生物识别元件来诊断生物材料或组织的样品。这些纳米传感器利用纳米技术和生物识别技术实现对微小尺度的生物信号的检测和测量。[117]

化学传感器

化学传感器是一种独立的分析设备，用于检测液体或气体环境中的化学成分。[118]化学传感器是一种对化学物质敏感并且把其浓度转换成电信号的传感器，可以用于气体检测、水质监测以及湿度温度检测等。它们通过测量与特定化学物质浓度相关的物理信号来提供信息。[119]化学传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。[120]

化学传感器
化学传感器

化学传感器能够将各种化学物质（电解质、化合物、分子、离子等）的状态或变化定性或定量地转换成电信号而输出的装置，一般是由接收器与换能器组成。[121]化学传感器的功能涉及两个主要步骤：识别和转导。在识别步骤中，分析物分子与受体分子相互作用或传感器识别元件结构中包含的位点相互作用。这导致特定的物理参数发生变化，并通过生成输出信号的传感器报告这种变化。[122]

化学传感器可以按照不同的分类标准进行分类，下面是几种常见的分类方式：

根据测量对象

气体传感器：用于检测气体环境中的化学成分，如氧气、二氧化碳、甲烷等。气体传感器是一种典型的金属氧化物半导体气体传感器，具有反应灵敏度高、易于大面积制备而且价格低廉等优点，在工业和生活中得到了广泛应用。[123]

气体传感器
气体传感器

液体传感器：用于检测液体中的化学成分，如pH值、溶解氧、离子浓度等。液体传感器在环境监测中的应用分析液体传感器本身常见应用在检测水体环境中，这是由于水环境一般情况存在着众多复杂多样的污染物种类，并且相较于气体传感器而言，液体传感器本身在应用中能够体现出更加强大的实用性，具有相对较高的检测效率。[124]

液体传感器
液体传感器

湿度传感器：用于测量空气中的湿度水分含量。湿度传感器作为最常用的一种传感器，广泛应用于部队危险品库房环境、装备内部微环境、气象站环境因素监测等行业中。[125]

湿度传感器
湿度传感器

根据工作原理

电化学传感器：利用电化学反应原理，将化学物质的浓度转化为电信号。例如，电化学气体传感器、电化学pH传感器等。电化学传感技术的生物化学传感器，这是利用被固定的敏感元件（包括酶、抗体、微生物等具有生物活性的物质或者人工合成的化学物质）作为识别材料，通过适当的换能器（包括电化学电极、半导体等）实现不同形式能量的转换并通过信号放大装置进行数据的输出，目的是实现将待测物质的种类和浓度转化为人们易于识别的量化数据，从而进行分析。[126]

电化学传感器
电化学传感器

光学传感器：利用光的吸收、散射、发射等光学现象来测量化学物质的浓度。例如，吸光度传感器、荧光传感器等。相比传统的光学传感器，应用惯性传感器的智能服装具有信息数据捕捉更准确、全天候、抗干扰能力强等更多优势。由于光学测量技术的时空分辨率高、非接触等优点，已逐渐取代传统的接触式（传感器）测量方法。[127]

光学传感器
光学传感器

根据应用领域

环境传感器：用于环境监测和污染检测，如空气质量传感器、水质传感器等。包括用于重金属、阴离子、有机污染物、生物毒素和病原微生物等污染物的检测。[128][129]

环境传感器
环境传感器

医疗传感器：用于医疗诊断和监测，如血糖传感器、血氧传感器、医疗传感器如心率监测仪之类等。[130][131]

医疗传感器
医疗传感器

工业传感器：无线传感器网络(Industrial Wireless Sensor Networks , IWSNs)具有自组织性和多跳特性，用于工业生产和监控的工业数据的实时传输，可实现远程实时监控工业生产过程。用于工业过程控制和安全监测，如气体检测传感器、液位传感器等。[132]

根据感知原理

气体敏感传感器：通过气体与传感器表面发生化学反应或吸附作用来检测气体的存在和浓度。MOS传感器是一种基于金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor）的传感器，常用于气体检测和环境监测。[133]它利用金属氧化物半导体材料的电学特性来感知气体的存在和浓度变化。电子鼻是一种由功能各异的化学传感器阵列适当的模式识别系统组成的，可以用来识别简单或者复杂气味的仪器。[134]

气体敏感传感器
气体敏感传感器

光敏传感器：光敏电阻传感器对可见光的波长敏感，包括红外和紫外线波长，表面感应传感器元件的核心具有黑色涂层，主要用于吸收自然光。利用光敏材料对光的敏感性来测量化学物质的浓度。[135]

生物化学传感器：利用生物识别元件对特定化学物质的选择性反应来测量其浓度。比如放化传感器，这也是属于化学传感器的一种，其特殊性在于检测的化学物质是“放射性核素”,人们关注的是该核素的活度浓度而不是质量浓度。[136]

生物传感器

生物传感器是一类包含生物材料、生物衍生材料或仿生材料的分析设备，其与物理化学传感器或传感器微系统密切相关或集成在一起。生物传感器可以是光学传感器、电化学传感器、温度型传感器、压电型传感器、微机械传感器等不同类型。[137]根据国际理论和应用化学联合会（IUPAC）的定义，将物理化学传感器与能够识别生物衍生分子的元件相结合的分析设备都被定义为生物传感器。[138]

生物传感器
生物传感器

生物传感器主要利用生物成分，如细胞、蛋白质、核酸或仿生聚合物等，来检测分析物。这些生物成分通常被封装在半透性屏障中，如透析膜或水凝胶，以物理或化学方式限制大分子的运动。生物传感器在生物医学和生物技术领域得到广泛应用。[139]生物传感器的优点在于其高选择性和灵敏度。它们能够针对特定的生物分子进行高度选择性的检测，且对目标分子的浓度具有很高的灵敏度。生物传感器的应用有助于实现个性化医疗、健康监测和生物工程领域的进展。[139]

灵敏度

传感器的灵敏度特征是指传感器对输入信号变化的敏感程度。它反映了传感器能够检测到的最小信号变化量。传感器响应灵敏度可作为仪器间性能比较的评价标准。[140]

高灵敏度意味着传感器能够对微小的信号变化做出较大的响应，能够提供更精细的测量结果。这对于需要高精度和高分辨率的应用非常重要。传感器的灵敏度取决于其内部结构、材料特性以及信号处理电路的设计。但传感器的灵敏度也不能太高，高灵敏度的传感器通常量程不大，且容易受到外界环境的干扰。[141]

传感器的灵敏度由信号输出和监测的特性决定，通过灵敏度系数（gauge factor, GF)来表示，最小可测量值或最小检测范围等。[142]灵敏度系数表示了单位输入信号变化引起的输出响应变化。较高的灵敏度系数意味着传感器能够对微小变化做出较大响应，具有更高的测量灵敏度。[143]

分辨率

传感器的分辨率特征是指传感器能够区分和测量的最小信号变化量。它反映了传感器在测量范围内能够提供的精细度和细微变化的能力。[144]

较高的分辨率意味着传感器能够检测到较小的信号变化，并将其转化为可感知的输出。这对于需要高精度和高精确度的测量应用非常重要。传感器的分辨率取决于其灵敏度、噪声水平、采样率以及信号处理电路的设计。[145]

传感器的分辨率通常以数字位数或最小可测量值来表示。较高的位数或较小的可测量值意味着传感器能够提供更精细的测量结果，能够区分更小的信号变化。[146]

线性度

传感器的线性度是指传感器输出与输入之间的线性关系程度，即输入信号的变化与输出信号的变化之间是否呈线性关系。线性度是评估传感器性能的重要指标之一，它影响着传感器的准确性和可靠性。[147]以下是传感器线性度的特征：

1. 线性度范围：线性度范围（Linearity）传感器的线性度范围指的是输出与输入成线性变化的范围。传感器的线性度范围指的是在该范围内传感器的输出与输入之间保持线性关系。线性度范围通常由最大和最小测量值之间的比例来表示。在线性度范围内，传感器的输出变化与输入变化成正比。[148]

2. 非线性误差：拉伸情况下，线性度表现为传感器的稳定性，即相对电阻变化率与拉伸率之间的相关性。线性度的不良表现通常通过非线性误差来衡量。非线性误差是指在传感器的线性度范围之外，实际输出与理论输出之间的差异。非线性误差可以表示为百分比或绝对值。[149]

3. 线性回归：线性度的评估通常使用线性回归方法，通过拟合输入和输出数据的线性关系来计算线性度。线性回归分析可以确定传感器输出与输入之间的最佳拟合直线，评估线性度的好坏。[150]

4. 温度效应：温度变化可能对传感器的线性度产生影响。温度效应是指温度变化对传感器输出的影响。较好的传感器应具有较小的温度效应，以保持在不同温度条件下的线性度稳定。[151]由于各个传感器的温度效应不相同，所以每个传感器都单独进行温度校正试验，准确得到每个传感器的温度系数来滤除温度效应。[152]

5. 校准：对于线性度不理想的传感器，校准是一种常用的方法来纠正非线性误差。校准过程通过测量已知输入和对应输出，并进行调整来改善传感器的线性度。传感器在检测前进行传感器预校准，保证传感器稳定性、水合作用等的可重复性。[153]

迟滞

传感器的迟滞特征是指在输入信号发生变化时，传感器输出的响应与之前的状态有一定的延迟或滞后。迟滞特性指传感器正反行程中输出与输入不重合的现象。[154][155]迟滞特征可以分为正迟滞和负迟滞两种情况。[156]

正迟滞是指传感器输出值在输入信号变化后，有一段时间内保持先前的数值，然后才逐渐跟随输入信号的变化。这种迟滞效应可以由传感器本身的内部物理特性、响应速度或信号处理算法引起。[156]

负迟滞是指传感器输出值在输入信号变化后，出现短暂的过度响应，超过了输入信号所引起的变化。随后，输出值才逐渐趋于稳定。负迟滞可能由传感器的惯性、非线性特性或信号处理算法的影响造成。[156]

重复性

传感器的重复性特征是指在相同条件下，传感器多次测量同一输入信号时输出值的一致性。重复性是评估传感器稳定性和可靠性的重要指标。传感器的重复性误差表示在相同测量条件下对同一被测样品连续多次测量所得结果之间的偏差。[157]

高重复性意味着传感器在重复测量中具有较小的变化，输出值之间的差异较小。这表示传感器在相同条件下能够提供一致的测量结果，增加了数据的可靠性和可重复性。重复性好的传感器能够在长时间的使用中保持稳定的性能，减少了测量误差和不确定性。[158]

传感器的重复性受到多个因素的影响，包括传感器的设计质量、制造工艺、信号处理算法以及环境因素等。良好的重复性通常需要精确的制造和校准过程，以及有效的信号处理和噪声抑制技术。[159]

漂移

传感器的漂移特征是指传感器输出值随时间或环境条件变化而发生的持续性偏移。漂移是由传感器内部的各种因素引起的，例如温度变化、供电变化、老化等。[160]

传感器的漂移可以表现为零点漂移和增益漂移。零点漂移是指传感器输出在相同输入条件下与时间推移发生的变化，即输出值在零输入时的偏移。增益漂移是指传感器输出在相同输入条件下与时间推移发生的变化，即输出值在非零输入时的偏移。[161][162]

漂移会导致传感器输出值与实际值之间的误差增加，影响测量的准确性和稳定性。因此，漂移特征对于许多应用来说是非常重要的考虑因素。为了减小漂移对测量的影响，可以采取一些措施，如使用温度补偿技术、定期校准和周期性检查等。[163][164]

动态特性

传感器的动态特性描述了其对输入量变化的响应速度和频率响应。动态特性包括响应时间、频率响应范围等，对于需要快速响应和高频率测量的应用尤为重要。不同传感器的特征不一样，比如，温度传感器的动态特性一般温度传感器的性能参数主要包括允差、绝缘电阻、热响应时间、自热参数等，其中热响应时间也就是温度传感器的动态特性，它反映了温度传感器探测被测介质温度并输出准确信号的快慢程度。[165]光纤电流传感器的前向增益和反馈周期是影响传感器动态特性的主要因素。[166]

稳定性

传感器的稳定性是指其输出量在长时间使用和不同环境条件下的变化程度。稳定性好的传感器能够在长期使用过程中保持一致的性能和准确的测量结果。[167]

医学检测

在这个领域，使用生物传感器可以通过与DNA互作用的生物成分来检测和分析DNA序列，用于基因检测、遗传疾病筛查等。[139]也可用于检测和监测生物体内的特定生物标志物，如蛋白质、酶、代谢产物等，用于疾病诊断和监测。[139]通过测量血液或体液中的葡萄糖浓度，用于糖尿病管理和血糖监测。[139]检测液体或生物环境中的pH值变化，用于酸碱平衡的监测和调节。[139]在遗传技术中发挥重要作用，用于DNA放大、基因测序、基因表达等应用。[139]

工业自动化

传感器在工业自动化中扮演着重要角色，用于监测和控制生产过程中的各种参数，如温度、压力、湿度、流量、速度、位置等。它们用于实现自动化控制和监测系统，提高生产效率、质量和安全性。在工业自动化生产的整个工作流程中，需要的传感器数量也是相对巨大的，再加上生产环节较多，需要做好多方监控工作，伴随着计算机控制技术和自动化生产技术的不断深入，传感器使用范围也逐渐广泛，因此对计算机控制技术所产生的辅助作用也更加的明显。[168]

汽车工业

传感器在汽车工业中被广泛应用，用于监测和控制车辆的各种参数，包括引擎温度、油位、速度、转向角度、气囊系统、制动系统等。它们用于提高驾驶安全性、驾驶舒适性和燃油经济性。传感器系统在车辆的实际应用中，传感器的主要作用是对车辆的总体工作状况进行实时监测，自动生成相关的资料，并编制出一份系统的报表，这样复杂的工作有了机械自动化技术的加入，传感器系统的工作就变得更加方便。[169]

医疗保健

早在1967年，Updike等]率先开发出基于GOD的酶电极，随后在不断增长的医疗保健需求推动下，基于GOD的葡萄糖传感器得以快速发展，商业上应用广泛的指刺式血糖仪便为其代表。[170]传感器在医疗保健领域中有多种应用，用于监测患者的生命体征，如心率、血压、血糖水平等。它们还被用于医疗设备，如X射线机、核磁共振仪等。柔性传感器在医疗保健领域的应用是当前最热门的研究方向。[171]

环境监测

传感器在环境监测中扮演重要角色，用于监测大气质量、水质、土壤条件、噪音水平等。它们有助于保护环境、提供生态信息和预警系统。[172]环境监测子系统利用物联网技术部署各类传感器，如CO2传感器、噪声传感器等，通过PLC系统控制单元进行程序修改和运行监控，再把数据信息显示在LED屏上。[173]

家居智能化

传感器在智能家居中起到关键作用，用于检测和控制家庭内的各种参数，如温度、湿度、光照、烟雾、门窗状态等。它们可以实现智能家居自动化、能源管理和安全监测。[174]

物联网

传感器是物联网的重要组成部分，用于收集和传输各种物理量和环境信息。它们与互联网连接，实现设备间的数据交换和远程监控。无源反向散射通信技术是物联网新兴技术之一，能让传感器摆脱电池的束缚，避免繁杂的人工维护，能降低无线传感器的成本。[175]

通过物联网、北斗导航等新一代感知技术，结合压力传感器、光学传感器、位移传感器、视频监控等终端设备，平台能够动态、实时、智能化地识别、感知、定位、跟踪、采集、监控、管理公路建设指挥、施工、第三方检测等现场信息，为平台提供及时、准确的数。[176]

农业和农业技术

传感器在农业中有广泛应用，用于土壤湿度监测、气象条件监测、作物生长监测、灌溉控制等。它们有助于提高农业生产效率和资源利用效率。[177]

航空航天

传感器在航空航天领域中起着关键作用，用于飞行器导航、姿态控制、气象监测、遥感等。通过传感器获取飞行器上的力热环境参数、图像，以及各分系统工作状态和工作参数等多种数据，经编帧、加密、调制、放大、滤波后，通过天线发射、传输到地面测控站，接收信号经放大、滤波、解调、解密、解帧、解算等过程，得到原始参数数据，在地面进行监视、判读，用以评定飞行试验结果、故障定位、健康监测及趋势预测等，具有非常重要的作用和意义。[178]在国防军工，航空航天等需要多个光电传感器信息融合的领域，具有较好的应用前景。[179]

建筑和结构监测

传感器用于建筑和结构的监测，包括地震监测、结构变形、温度变化等。它们有助于提前检测结构的变化和损坏，并采取相应的维修和保护措施。[180]

安防系统

传感器在安防领域中被广泛应用，包括入侵检测、烟雾和火灾报警、视频监控等。它们用于提供安全和保护，保护人员和财产的安全。近年来，无线传感器技术飞速的发展，无线网络逐步取代传统有线形式，分布式的网络节点增强了安防系统设计的灵活性与可扩展性。[181]

能源管理

传感器在能源管理中发挥重要作用，用于监测能源消耗、测量水、电、气的使用情况，以及优化能源利用和节能减排。[182]

航海和海洋技术

传感器在航海和海洋技术中起到重要作用，用于导航、海洋观测、水下探测等。它们有助于船舶和海洋资源的管理和保护。[183]

科学研究

传感器在科学研究中被广泛应用，用于实验室实验、物理测量、生物学研究、天文观测等。它们提供了对各种参数和现象的准确测量和监测。[184]

智能交通系统

传感器在智能交通系统中被广泛应用，用于交通流量监测、智能交通信号控制、车辆检测和识别等。它们有助于提高交通效率和减少交通拥堵。[185]

智能穿戴设备

传感器在智能穿戴设备中起到关键作用，包括智能手表、健康监测设备、运动追踪器等。它们用于监测身体活动、健康状况和生活习惯。[186]

游戏和虚拟现实

传感器在游戏和虚拟现实中被广泛应用，用于动作捕捉、姿势识别、环境感知等。它们为沉浸式游戏体验和虚拟现实交互提供支持。[187]

品牌介绍

传感器品牌介绍[188]
品牌特色领域
精密电子（MEAS传感器公司）精密电子率先在工业上实现了硅微机电系统的批量加工技术，并率先将LVDT（线性可变差动变压器）商业化，以及将压电薄膜技术转化为低成本的商用传感器和生命特性航天、国防、军工、机械设备、工业自动控制、汽车电子、医疗、家用等多个行业
霍尼韦尔国际（Honeywell International）拥有霍尼韦尔和霍尼韦尔传感与控制战略部。霍尼韦尔国际是世界上首家开发STC3000智能压力传感器的企业。扩散硅压力传感器、变送器、陶瓷电容式压力变送器、扩散硅陶瓷电容式液位变送器、数字压力表、压力校准器等
凯勒（Keller）专注于提供压力测量解决方案，并生产多个系列的压力传感器和OEM压力传感器。公司拥有先进的制造工艺和设备，年产能达到100万个传感器。产品包括压力传感器、压力变送器、液位传感器、差压传感器等
爱默生电气公司（Emerson Electric）全球性的技术解决方案集团公司提供多种传感器产品和解决方案
罗克韦尔自动化公司（Rockwell Automation）提供电源、控制和信息技术解决方案包括压力传感器、温度传感器、接近传感器、光电传感器等
通用电气（General Electric，GE）多元化的技术、媒体和金融服务公司飞机发动机、发电设备、水处理和安全技术、医学成像等领域
美国雷泰公司（Raytek）非接触红外测温仪的最大生产厂家之一提供红外测温仪、温度传感器约13个系列、上百个品种
PCB（PCB Piezotronics）专注于压电测量技术的研究、开发和产品制造加速度传感器、压力传感器、力传感器、扭矩传感器等，广泛应用于航空、航天、船舶、核工业、石油化工、电力等领域。
邦纳公司（Banner Engineering）自动化技术专家和解决方案提供商各种常规传感器、本质安全传感器、防振称重传感器等。
西门子（Siemens）专注于设计和安装复杂的系统和工程，并提供定制化解决方案提供多种类型的传感器制造
WIKA提供高质量的测量仪器，该公司还为客户提供相关的综合解决方案制作国际压力和温度仪表
爱普科斯（EPCOS）开发、制造和销售电子元器件模块和系统专注于汽车电子、信息通信技术、工业电子和消费电子
First Sensor Technology GmbH精密压力传感器制造生产传感器和高度定制的复杂集成遥感系统，为客户提供OEM流体控制系统
巴鲁夫公司传感器制造商BNS光电传感器，位移传感器，电感式/电容式接近传感器等
图尔克公司开关类传感器、工业现场总线、本安隔离栅和各种工业快速接插件电感式、磁感应、电容式接近开关类传感器、光电传感器、本安隔离式安全栅、流量开关传感器以及用于总线产品的各种接插件
倍加福公司精细传感器生产制造从电感式传感器到超声波传感器，从光电式传感器到旋转编码器，从识别系统到现场总线系统，从液位传感器到料位传感器，从安全光幕到防爆传感器，以及安全栅、隔离栅等各类传感器
宝德公司流体控制和流程监测方面具备传感器制造技术流量传感器、气体传感器、压力传感器、分析传感器、温度传感器
英飞凌科技有限公司厚膜技术电子设备的领先制造商涵盖汽车工业、电子工业、医药等行业。其主要传感器产品包括线性和旋转传感器、陶瓷和不锈钢压力传感器、金属箔传感器
E+H公司质量管理和完善的质量保证体系而闻名，并达到ISO 9001国际标准光电传感器、电感传感器、电容传感器、超声波传感器、力/应变/压力传感器、磁传感器等
MEMSENS压力传感器和压力变送器的开发和制造OEM压力传感器和压力变送器，并提供传感器技术开发和咨询的技术服务

参考资料 188

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