气体传感器的发展

第一篇：气体传感器的发展

一、着重于新气敏材料与制作工艺的研究开发

对气体传感器材料的研究表明，金属氧化物半导体材料Zn0，SIlo2，Fe203等己趋于成熟化，特别是在C比，C2H5OH，CO等气体检测方面。这方面的工作主要有两个方向：

1、是利用化学修饰改性方法，对现有气体敏感膜材料进行掺杂、改性和表面修饰等处理，并对成膜工艺进行改进和优化，提高气体传感器的稳定性和选择性;

2、是研制开发新的气体敏感膜材料，如复合型和混合型半导体气敏材料、高分子气敏材料，使得这些新材料对不同气体具有高灵敏度、高选择性、高稳 定性。由于有机高分子敏感材料具有材料丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技术兼容、在常温下工作等优点，已成为研究的热点。

二、新型气体传感器的研制

用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料（硅、石英、陶瓷等），采用先进的加工技术和微结构设计，研制新型传感器及传感器系统，如光波 导气体传感器、高分子声表面波和石英谐振式气体传感器的开发与使用，微生物气体传感器和仿生气体传感器的研究。随着新材料、新工艺和新技术的应用，气体传 感器的性能更趋完善，使传感器的小型化、微型化和多功能化具有长期稳定性好、使用方便、价格低廉等优点。

三、气体传感器智能化

随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对 气体传感器提出了更高的要求。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械 与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式 的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。

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第二篇：光纤气体传感器总结

光纤气体传感器调研总结

光纤气体检测综述

1.1国内外光纤气体检测技术的发展

气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来, 并转换成电信号的器件, 人们很早就开始了气体传感器的研究, 将其用来对有毒、有害气体的探测, 对易爆、易燃气体的安全报警。对人类生产生活中所需了解的气体进行检测、分析研究等, 使得它在工业生产和日常生活中起到耳目的作用。

光纤传感技术是一项正在发展中的具有广阔前景的新型高技术。由于光纤本身在传递信息过程中具有许多特有的性质, 如光纤传输信息时能量损耗很小, 给远距离遥测带来很大方便。光纤材料性能稳定, 不受电磁场干扰, 在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变所以光纤传感器从问世到如今, 一直都在飞速发展[1]。

世界上已有多种光纤传感器，诸如位移、速度、加速度、压力、流量等物理量都实现了不同性能的光纤传感。光纤气体传感技术是光纤传感技术的一个重要应用分支，主要基于气体的物理或化学性质相关的光学现象或特性。近年来，它在环境监测、电力系统以及油田、矿井、辐射区的安全保护等方面的应用显示出其独特的优越性[2]。

1989年，西安应用光学研究所的郭栓运对光纤气体传感器展开研究，在应用光学杂志上介绍了差分光谱吸收的基本原理，给出了实验框图和应用实例[15]。

1992年，中国矿业大学的王耀才等在光纤通信技术杂志上介绍了吸收型光纤瓦斯传感技术和干涉型瓦斯传感器的原理，并对其在煤矿重的应用前景做了探讨[16]。

1997年，山东矿业学院的曹永茂等人针对光纤瓦斯传感器光波波长的选择展开讨论，提出根据传感器技术指标来确定光纤瓦斯传感器的基本参数，并建立了相应的数学模型[17]。

1999年，大连理工大学刘文琦等人报道了一种新型透射式光纤甲烷传感器，用1.31μｍ InGaAsP型LED做光源测量甲烷浓度，通过研究制备一种纳米级多透射膜，增强了甲烷气体对激光的光谱吸收[18]。同年，香港理工大学,靳伟应用调制光盘技术对DFB激光器惊醒调制，研究光纤气体传感器的分时多路复用（TDM）技术。靳伟建立了计算仿真模型，仿真结果表明由20个甲烷气体传感器组成的光纤气体传感器阵列的检测灵敏度可以达到2000ppm[19-20]。之后靳伟博士与清华大学喻洪波合作，实现了连续波调频技术复用的光纤气体多点传感系统[21]。

2000年，浙江大学叶险峰等在对CH4分子近红外洗后光谱分析比较的基础上考虑与光纤的低损耗窗口相一致以及价格等因素，采用价廉的1.3μｍ波段的LED作为光源，实现了对甲烷气体的检测，检测灵敏度为1300ppm/m[6]。

2001年，燕山大学王玉田等根据甲烷气体的吸收光谱，研究了一种利用价格低廉的LED作为光源的新型投射式光纤甲烷气体传感器，选择两种同型号的LED光源作为差分吸收信号，光源驱动器自动实行交替斩波[7]。为了保证系统对甲烷气体检测的精度，采取了两项措施，一是设置了参考通道，二是采用了光源反馈通道以增强LED光源的稳定性[8]。

2005年，张爱军[3]对光谱吸收型光纤气体进行了研究。每一种气体都有固有的吸收谱，当光源的发射光波与气体的洗后光波长相吻合时，就会放生共振洗后，其洗后强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。以甲烷气体为例，通过实验研究，分析了吸收路径长度对传感器灵敏度的影响，增加吸收路径的长度，有利于提高传感器的灵敏度。气体体浓度较小时，通过增加吸收路径的长度来提高传感器的灵敏度效果明显。

2006年，中国科学院安徽光机所的阚瑞峰等可调谐二极管激光吸收光谱与多次反射池相结合，研制了用于地面环境空气中甲烷含量检测的便携式吸收光谱仪，并利用不同体积分数的甲烷气体对系统进行了测试，取得了很好的测试结果[9]。王晓梅等分析了TDLAS谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归[10]。

2007年，燕山大学王艳菊等采用双光路、双波长来解决光源功率波动、光纤损耗等问题，在接受端采用旋转双色滤光器和单探测器消除了双光电器件的飘逸对测量结果的影响[11]。同年，中国科学院安徽光机所的陈玖等应用自平衡测量方法，消除了激光的共模噪声和其他同性干扰的影响，该方法不用加信号调制和所想放大器，减小了系统装置的体积，易于集成便携式痕量气体检测仪[12]。

2008年，褚衍平等通过光纤光栅和压电陶瓷对快带光源LED进行调制，获得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光，检测二次谐波实现气体浓度的高灵敏测量，利用测量气室和参考气室的二次谐波比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响[13]。

2009年，华南理工大学肖兵等基于自平衡激光接收器和数字锁定放大器构造了TDLAS汽车尾气动态浓度测量系统，自平衡激光接收器通过引入一个低频反馈回路去维持吸收信号和参考信号的自动平衡，数字锁定放大器由DSP芯片实现相关检测算法，提高了系统的测量灵敏度[14]。

2010年，南京航空航天大学齐洁提出了基于光源扫描的光纤气体传感器系统设计方案，设计了一种新的基于查分吸收院里的气体传感系统，能对单一气体记性对波段测定检测，同时可以完成多种气体共存环境的检测。提出了一种基于最小二乘的背景噪声消除方法。利用传感气室的输入和输出的拟合曲线相除的方法，实现了传感器输出的归一化，解决了传感器背景噪声漂移的问题，同时解决了浓度对气体吸收谱拟合线的影响，提高了测量精度[4]。

2012年，张可可[5]以比尔-郎伯定律为理论基础，研究利用光谱吸收法测量气体的浓度，根据HIRAN数据库，选择近红外区甲烷2v3带R3支的三条气体吸收线记性研究，并确定吸收谱线的相关参数。研究波长调制光谱与谐波检测理论，利用傅立叶级数展开模型和泰勒级数展开模型分析各次谐波信号，在频率调制信号模型的基础上，采用频率-强度调制信号模型研究强度调制对各次谐波信号的影响。研究高斯线型和洛伦兹线型的各次谐波型号余波长调制系数的关系，确定各次谐波最佳的波长调制系数。对激光在光路中多次反射形成的标准具晓莹展开研究，为标准具噪声的抑制提供理论依据。

专利方面，国内发明专利《D形光纤消逝场化学传感器》，发明提出一种用于医疗、环境监控、食品安全等检测量的D形光纤消逝场化学传感器。《光纤生物传感器》这是一种光纤生物传感器，用于测定环境中微生物的种类、含量等。《光纤液位传感器》，一种光纤液位传感器，包括有光源，探测器和传感头。《带有光纤气体传感器的传感系统》 专利号：CN101545860 发明人：夏华;J·S·戈德米尔;K·T·麦卡锡;A·库马;R·安尼格里;E·伊尔梅茨;A·V·塔瓦尔;Y·赵。这是一种包括光纤芯(32)的光纤气体传感器(20),该传感器具有 位于光纤芯周围的具有不同调幅轮廓的第一和第二折射率周期调制光 栅结构（36、38)。光纤包层(40)位于所述第一和第二折射率周期 调制光栅结构周围。敏感层(42)位于所述折射率周期调制光栅结构 的其中一个的光纤包层周围。该敏感层包括由Pd基合金制成的敏感材 料,该Pd基合金例如是纳米PdOx、纳米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)或纳米 Pd/Au/WOx。光纤气体传感器提供对来自燃烧环境的局部温度校正气 体浓度和成分的测量。本发明也描述了具有一个或多个光纤气体传感 器的阵列的基于反射或基于透射的传感系统。《一种光纤气体传感器》 专利号：CN101059443 发明人：侯长军;霍丹群;张红英;廖海洋;郑小林;侯文生;杨军;皮喜田。这是一种光纤气体传感器,涉及检测光气及挥发性有机气体的光纤气体传感器。本发明传感器 主要包括入射光线和出射光纤、反应池及金属卟啉溶液等。由于本发明传感器具有操作简单、成本低廉；能使待测气体与金属卟啉溶液敏感物质充分反应,显著提高检测的灵敏度；同一 反应池能对多种目标气体同时进行有效检测；从反应池的加料口加入不同的金属卟啉溶液, 就能对不同的目标气体进行有效检测,检测范围广等特点,故本发明传感器可广泛应用于厂 房装修、室内装修、工业生产及精细化工等行业中检测光气及挥发性有机物气体,有利于环 境保护和人们的身心健康。SENSING SYSTEM WITH OPTICAL FIBER GAS SENSOR，专利号：JP2009244262发明人：XIA HUA;GOLDMEER JEFFREY SCOTT;MCCARTHY KEVIN THOMAS;KUMAR ADITYA;ANNIGERI RAVINDRA;YILMAZ ERTAN;TAWARE AVINASH VINAYAK;ZHAO YU。这个专利发明了一种传感系统以及传感器。传感系统包括一组不同类别的光纤气体传感器，这些传感器通过温度修正测量气体浓度。光纤气体传感器包括光纤芯，第一和第二折射率周期性调制光栅结在光纤芯里有不同的振幅调制方法。光纤包层包裹着第一和第二折射率周期性调制光纤结构。传感层位于光纤包层结构中。传感层包括一个由Pb合金传感材料，如纳米级氧化铂等。光纤气体传感器是在燃烧环境中通过温度修正测量气体浓度。

1.2光纤气体传感器分类

（1）光谱吸收型光纤气体传感器 光谱法通过检测样气透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强发生变化。根据比尔-朗伯定律，当波长为λ 的单色光在充有待测气体的气室中

传播距离为L 后，其吸收后的光强为：

I(λ)=I0(λ)exp(-αλCL)（1）

式（1）中，I0(λ)为波长为λ 的单色光透过不含待测气体的气室时的光强；C 为吸收气体的浓度；αλ为光通过介质的吸收系数。整理即：

I0)ICL

（2）

ln(通过检测通气前后光强的变化，就可以测出待测气体的浓度。利用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性制成吸收型光纤气体传感器原理如图1 所示。光源发出的光，由光纤送入气室，被气体吸收后，由出射光纤传至光电探测器，得到的信号光送入计算机进行信号处理，可得出气体浓度。

图1 光纤气体传感器原理框图

（2）渐逝场型光纤气体传感器

渐逝场型光纤传感器是利用光纤界面附近的渐逝场被气体吸收峰衰减来测量气体浓度的方法，是一种功能性光纤传感器，从本质上说，可以认为是一种特殊的光纤光谱吸收型传感器。（3）荧光型光纤气体传感器

这是一种通过测量与气体相应的荧光辐射来确定其浓度的光纤气体传感器。荧光可以由被测气体本身产生也可以由其相互作用的荧光染料产生。荧光物质受吸收光谱中特定波长的光照射时，被测气体的浓度既可以改变荧光辐射的强度，也可以改变其寿命。和吸收型光纤气体传感器相比，荧光行传感器使用波长（荧光波长）不同于激励波长。由于不同的荧光材料通常具有不同的荧光波长，因此荧光传感器对被测量的鉴别性好。实际上希望辐射波长和激励波长离开的越远越好，在输出端可用廉价的波长滤波器将激励光和传感光分开。通常激励波长在可见光或红外区，这一波段上光源技术成熟，几个也比较低廉。（4）燃料指示剂型光纤气体传感器

一些气体在石英光纤低耗窗口内没有较强的吸收峰，或者虽有吸收峰但相应波长的光源或检测器不存在或太昂贵，解决这些问题的方法之一是应用燃料指示剂作为中间物来实现间接传感。燃料与被测气体发生化学反应，使得燃料的光学性质发生变化，利用光纤传感器测量这种变化，就可以得到被测气体的浓度信息。最常见的燃料指示剂光纤气体传感器是pH值传感器，一些燃料指示剂的颜色会随着pH值得变化而变化，引起对光的吸收的变化。通过测量某些气体浓度变化带来的pH值变化，分析气体浓度信息。

图 2 1.3 光纤气体传感器的特点

由于光纤本身传输损耗和微型结构，光纤气敏传感器存在两个基本限制：一是光线的低损耗传输窗口的限制，石英光纤只在1.1~1.7um的近红外区有低损耗和低散射。若在中、远红外区进行探测会造成光信号较大的衰弱，致使光通过待测气体后的变化与气体的检测参数不成特定的关系。而多数气体在中、远红外光谱区存在较强的吸收光谱。另一限制是光纤本身的微型结构使得光纤只有较小的数值孔径，光耦合难以很高。但在短距离传输检测中，采用数值孔径较大的塑料光纤可提高光耦合，又不会产生较大的传输损耗。

尽管光纤气体传感纯在限制，但光纤气体传感器较传统的气体传感器仍具有很多优点：

（1）光纤气体传感器本质安全、抗电磁干扰、绝缘性能好，且耐高温、耐高压、防腐蚀、阻燃防爆，适用于远距离遥测和某些特殊环境的分析；（2）光纤传输损耗低，信息容量大，直径细，重量轻，光纤及探头均可微型化；

（3）测量范围宽，精度高，工作稳定，寿命长，成本低，可同时进行多参数或连续多点检测疑惑的大量信息；

（4）系统匹配性能好，容易实现检测及反馈控制的数字化、自动化和一体化；

（5）光纤探头对被测量场的影响小，灵敏度高，动态范围大，响应速度快；（6）光纤的生物兼容性好，加之良好的柔韧性和不带点的安全性，使之尤其适应于生物和临床医学上的实时、体内检测；

（7）在大多数情况先，光纤气体传感器不改变样品的组成，是非破坏性分析。

由于光纤气体闯爱情具有上述有点，尤其他的本质安全、抗电磁干扰的特点，是其他气体传感器无法比拟的。这使它可以安全方便地用于易燃易爆、强电磁干扰或其他恶劣环境中气体的检测。

产品调研

1、北京品傲光电科技有限公司 光纤传感器性能指标如图3：

图 3 系统设备及参数如图4：

图 4 光纤气体传感器课探测气体如图5：

图 5 产品实例图：

10,000 ppm= 1％ v / v（体积之比）价格：

35万左右。基恩士（香港）有限公司

目前产品只能测气体的有无，但工作温度能到达300度

2、深圳富凯士公司

只能测单一气体的话是有成品，但是要将混合气体的成分区分开来的话，我们还在实验室阶段，暂时没有成品提供。

3、北京蔚蓝仕没有相关光纤气体传感器。

浏览多家国外知名气体传感器厂家中国区主页，如英国City Technology；日本费加罗，欧姆龙（只能测物体数量）Nemoto；美国飞思卡尔，欧米伽；德国SENSOR等。未发现相关光纤气体传感器的产品。

长春光机所：期刊论文《用于石油测井和管道运输的分布式光纤传感技术》，阐述了我国分布式压力，温度光纤传感器在石油化工方面的应用情况。

发明专利《D形光纤消逝场化学传感器》，发明提出一种用于医疗、环境监控、食品安全等检测量的D形光纤消逝场化学传感器。《光纤生物传感器》，这是一种光纤生物传感器，用于测定环境中微生物的种类、含量等。《光纤液位传感器》，一种光纤液位传感器，包括有光源，探测器和传感头。安徽光机所： 王晓梅等《基于可调谐二极管激光吸收光谱的高精度痕量气体浓度定量方法》，分析了TDLAS谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归。

参考文献

[1] 陈娟，冯锡钰，蒲春华.光纤气体传感器综述[J].吉林工学院学报（自然科学版)，1997.14-15 [2] 贾振安,王佳,乔学光,葛朋.光纤传感技术在气体检测方面的应用[J].光通讯技术,2009.55-58 [3] 张爱军.光谱吸收型光纤气体传感器的研究.武汉理工大学硕士学位论文.2005,1:54-57 [4] 齐洁.光谱吸收型光纤气体传感技术研究.南京航空航天大学博士毕业论文.2010,2:1-2 [5] 张可可.光谱吸收式光纤气体检测理论及技术研究.哈尔滨工程大学博士学文论文.2012,2:1-2 [6] 叶险峰,汤伟中.CH4气体光纤传感器的研究[J].半导体光电.2001,21(3):218-200 [7] 王玉田,郭增军,王莉田等.投射式光纤甲烷气体传感器的研究[J].传感技术学报.2001,6(2):147-151 [8] 王玉田,郭廷荣,张为俊.高分辨率高灵敏度可调谐近红外二极管激光光谱探测[J].光学与光学技术.2004,(23):5-8 [9] 阚瑞峰,刘文清,张玉钧等.基于可调谐激光吸收光谱的大气甲烷监测仪[J].光学学报.2006,26(1):67-70 [10] 王晓梅,张玉钧,刘文清等.可调谐二极管吸收光谱痕量气体浓度算法的研究[J].中国激光.2006,3(Suppl):349-352 [11] 王艳菊,王玉田,王忠东.光纤甲烷气体检测系统的研究[J].压电与声光.2007,29(2):148-152 [12] 陈玖英,刘建国,张玉钧等.调谐半导体激光吸收光谱自平衡检测方法研究[J].光学学报.2007,27(2):350-353 [13] 褚衍平,张景超,管立君等.双气室气体检测系统的研究[J].应用光学.2008,29(3):390-393 [14] 肖兵,梁瑛琳,叶一如.提高基于TDLAS的废弃动态浓度测量系统分辨率与灵敏度的方法[J].仪表技术与传感器.2009,5:99-102 [15] 郭栓运.差分光谱光纤气体传感器的基本原理[J].应用光学.1989,6:28-31.[16] 王耀才,石艺尉,姜洪涛.光纤传感技术在煤矿中的应用研究[J].光通信技术.1999,1(35):4-9 [17] 曹茂永,张逸芳,张士昌等.吸收光谱式光纤瓦斯传感器的参数设计[J].煤炭学报.1997,22(3):280-283.[18] 刘文琦,牛德芳.光纤甲烷气体传感器的研究[J].仪表技术与传感器.1999,1:35-36.[19] Jin wei.Crosstalk analysis of a TMD fiber gas sensor array using wavelength modulation of the DFB lase[J]r.SPIE Conference of Fiber Optic Sensor Technology and Applications.1999:326-337.[20] Jin wei.Performance analysis of a time-division-multiplexed fiber-optic gas-sensor array by wavelength modulation of a distributed-feedback laser[J].Applied Optics.1999,38(25):5290-5297.[21] 喻洪波,廖延彪,靳伟等.光纤化的气体传感技术[J].激光与红外.2002,32(3):193-196.

第三篇：气体传感器发展方向的深度分析.

气体传感器发展方向的深度分析

近年来，由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气体传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。

新气敏材料与制作工艺的研究开发

对气体传感器材料的研究表明，金属氧化物半导体材料Zn0，SIlo2，Fe203等己趋于成熟化，特别是在C比，C2H5OH，CO等气体检测方面。现在这方面的工作主要有两个方向：一是利用化学修饰改性方法，对现有气体敏感膜材料进行掺杂、改性和表面修饰等处理，并对成膜工艺进行改进和优化，提高气体传感器的稳定性和选择性；二是研制开发新的气体敏感膜材料，如复合型和混合型半导体气敏材料、高分子气敏材料，使得这些新材料对不同气体具有高灵敏度、高选择性、高稳定性。由于有机高分子敏感材料具有材料丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技术兼容、在常温下工作等优点，已成为研究的热点。

新型气体传感器的研制

用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料(硅、石英、陶瓷等)，采用先进的加工技术和微结构设计，研制新型传感器及传感器系统，如光波导气体传感器、高分子声表面波和石英谐振式气体传感器的开发与使用，微生物气体传感器和仿生气体传感器的研究。随着新材料、新工艺和新技术的应用，气体传感器的性能更趋完善，使传感器的小型化、微型化和多功能化具有长期稳定性好、使用方便、价格低廉等优点。

气体传感器智能化

随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。

第四篇：气体流量传感器的工作原理

气体流量传感器的工作原理

气体流量传感器按国际标准化组织IS07145(在环形截面封闭管道中的流体流量测定—在截面一点的速度测量法)，采用埋入压电晶体的涡街测速探头，流量传感器插入大口径工业管道内，将卡门旋涡频率转换为与流量成正比的电流或电压脉冲信号或4～20mADC电流信号。

气体流量传感器LUCB型插入式涡街流量计按国际标准化组织IS07145(在环形截面封闭管道中的流体流量测定—在截面一点的速度测量法)，气体流量传感器采用埋入压电晶体的涡街测速探头，插入大口径工业管道内，将卡门旋涡频率转换为与流量成正比的电流或电压脉冲信号或4～20毫安电流信号。

第五篇：传感器的发展

传感器的发展

摘要

传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一，已经成为一个国家科学技术水平发展的重要标志。传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化、网络化方向发展。

全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。

一、传感器的定义

现如今，信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:InternationalElectrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。

传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。.无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。因此常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉；声敏传感器——听觉；气敏传感器——嗅觉；化学传感器——味觉；压敏、温敏、流体传感器——触觉。虽然与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。无一例外的，人们对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是：高灵敏度、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)、线性以及容易调节(校准简易)；高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐用性)；可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力；选择性、安全性(传感器应是无污染的)、互换性低成本；宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围。

二、传感器的发展历史

国外发展传感器枝术有两条不同途径,一条是以美国为代表的走先军工后民用、先提高后普及的路子。另一条是以日本为代表的侧重实用化和商品化,先普及后提高,由引进、消化、仿制到自行改进设计创新的路子。前者花钱多,后者花钱少,速度快。据国内专家评估,我国传感器技术与国外先进国家相比,在科研开发上要落后10年,在生产技术上则要落后15年。国外传感器技术发展较快,主要有以下几方面原因：

1、非常重视传感器功能材料研究。2．对传感器技术开发十分重视。3．重视工艺研究。4．重视质量管理与市场分析。当今传感器技术发展大体经历了以下四个阶段：(1)结构型传感器例如应变式位移计。(2)物性型传感器例如固态压阻式压力传感器。(3)智能性传感器例如美国霍尼威尔公司的ST--3000型智能压力传感器,它带有微处理器,具有检测和信息处理功能。自诊断、自适应功能。(4)分子型传感器,它是利用竹子的构形和构象以及由此而表现出电磁现象为理论基而制作的。显著特点：尺寸小到竹子级,并由一个大分子或几个分子器件所构成。

人体是各类传感器会集之处,而且绝大部分生物体内的传感器都是分子传感器。到目前为止,真正的传感器,只有在生物体内能够找到、这就提示我们,可以借助基因工程、生物合成分子传感器系统。而在我国传感器的发展现状却仍旧令人担忧。虽然我国早在20世纪60年代就开始涉足传感器制造业，那时在上海、四川、重庆等地成立的一些企业现在仍然存在。但是今天活跃在国际市场上的仍然是德国、日本、美国、俄国等老牌工业国家。在这些国家里，传感器的应用范围很广，许多厂家的生产都实现了规模化，有些企业的年生产能力能达到几千万只甚至几亿只。相比之下，中国传感器的应用范围较窄，更多的仍然停留在航天航空以及工业测量与控制上。据有关资料显示，我国最大的传感器公司的年产值也仅有55000只。而且，高、精、尖传感器和新型传感器的市场，几乎全被国外品牌或合资企业垄断了。

谈及国内传感器发展水平与国外相差甚远的原因，中国自动化学会的彭瑜先生认为“主要是技术基础薄弱，研究水平不高，缺乏自主知识产权。”我国从事敏感元件与传感器研制生产的企业、单位有1688家，但研制、生产综合实力较强的骨干企业较少，仅占总数的10%左右。我国目前很多企业都是引用国外的芯片加工，自主研发的产品少之甚少，自主创新能力非常薄弱。甚至许多企业仅停留在代理国外产品的水平上，发展空间捉襟见肘。国产传感器企业按照长期依赖国外技术的惯性发展至今，在技术上形成了“外强中干”的局面，不仅失去了中高档产品市场，而且也直接导致自己能生产的产品品种单一，同质化十分严重。甚至有相当一部分国产产品只能模仿别人的外形，即使这样，由于技术水平低，模仿产品的灵敏度、精度和可靠性也差强人意。除此以外，我国传感器行业分布上还不均衡，在第十届中国国际传感器、测试测量展览会上，中国传感器协会副理事长谷荣祥提供了以下情况：国内传感器企业主要集中在陕西省以及东部、沿海地区，西部其他地区以及内陆地区相对较少。但是随着传感器向产业化更积极地迈进，包括通用传感器在内的传感器应用领域和范围的进一步扩大，随着市场化程度的深入和客户采购制度的完善，谷荣祥先生说“未来国内传感器厂商的数量会先增后减”，从而使中国传感器产业走向规范化发展的轨道。在第十届中国国际传感器、测试测量展览会上，我们也看到了国内传感器企业发展可喜的一面。沈阳传感器中心和青鸟元芯在压力芯片制造中取得了突破，我国很多国家级的航天、电子研究所的芯片制造技术相互组合，如果再有市场因素推动，规模生产指日可待。而昆山双桥传感器测控技术有限公司、西安中星测控有限公司、宝鸡麦克传感器有限公司等开始集中力量考虑专项技术问题，并取得了一些成绩。国内也已经有企业跟踪高端传感器的发展，比如MEMS技术，而MEMS已成为全球增长最快的产品之一。

现在我国传感器面临着历史上的最好时刻，市场需求量大，国家政策支持，一方面许多国内企业在努力开发自己的新技术，企业管理模式大大改进，另一方面来自国际的AMA德国传感器协会还参会进行支持。范茂军所长说：“传感器的质量、价格、功能都是将来国内企业要重点提高的方面。

将来国内传感器还要走好从工业过程检测向功能独立的设备仪器转化的过程，比如日常用血压计就属于此类。”大家也都相信国内企业会在取长补短上更有作为，从而争取早日与外企站在同一起跑线上，向传感器微型化、网络化、专业化进军。我们期待未来的中国传感器取得不菲的成绩，而中国传感器企业仍然任重而道远。

三、传感器如今的发展

苹果新一代手机iPhone 6和智能手表的亮相，让全球众多苹果手机的追随者又有了一次彻夜排队的理由。赋予苹果手机越来越强大功能的，不仅是越来越强大的芯片，更重要的是手机上越来越多、越来越精良的传感器。数年前，当乔布斯拿着苹果手机“晃一晃”就可以让它有所反应的时候，手机的智能化时代真正开始了。几年后，手机从一种通讯工具变成了一个人们离不开的伙伴。让手机具备这样“魔力”的，是触摸屏、陀螺仪、加速度计等各式各样的传感器。

然而不仅仅是手机，在汽车、家用电器、可穿戴设备上，以及工业自动化领域，越来越多的传感器成为机器的“耳目”。普通公众了解甚少的是，即将给人们生活方式带来更大变化的物联网，其最核心的基础技术也是传感器。有科学家预言，传感器将像“人体的五官”一样，在未来充满各个领域和空间。当下，随着物联网时代的开启，各式各样的传感器正成为无处不在的神经元，全球对于传感器的需求也开始呈现爆发性的增长。

“传感器就好像是人的五官。”中科院微系统所传感技术联合国家重点实验室主任李昕欣对财新记者说，人类在计算机的时代，解决了大脑的模拟问题，相当于用0和1实现了信息的数字化，利用布尔逻辑解决问题;现在是后计算机时代，开始模拟五官。

传感器(transducer、sensor)往往又被称为换能器，功用是把其他信息转换为电信号。它通常由敏感元件和转换元件组成，能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。可以说，是传感器让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

随着人们对自然认识的深化，会不断发现一些新的物理效应、化学效应、生物效应等。利用这些新的效应可开发出相应的新型传感器，从而为提高传感器性能和拓展传感器的应用范围提供新的可能。”

如检测金属产品位置的电感式接近开关，它利用金属物体接近能产生电磁场的振荡感应头时在被测金属上形成的涡流效应来检测金属产品的位置。由于不同金属涡流效应的效果不同，因此不同金属的检测距离是不一样的。面对各类合金时，普通的电感式接近开关就显得力不从心。由于电感式接近开关其内部结构是在铁氧体磁芯上绕制线圈作为电感线圈，而铁氧体磁芯自身的限制使得电感式传感器不可能在已有的设计理念下发展，那么只能在技术上开发出可以替代铁氧体线圈的产品来提高产品的性能。好消息是，国外的一家公司的电感式接近开关就摒弃了铁氧体磁芯，从而去掉了磁芯的限制。这样在检测不同金属时可以通过电路调节提高产品的检测距离，并且全金属检测距离无衰减，抗干扰能力也有所提升。

传感器材料是传感器技术的重要基础，随着材料科学的进步，人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器，光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器，用陶瓷制成压力传感器。

高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。

将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成的等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，具有测湿范围宽、温度范围宽、响应速度快、尺寸小、可用于小空间测湿、温度系数小等特点。陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量的满量程误差不超过0.1%，温漂小，抗过载更可达量程的数百倍。光导纤维的应用是传感材料的重大突破，光纤传感器与传统传感器相比有许多特点：灵敏度高、结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便

于实现遥测等。而光纤传感器与集成光路技术的结合，加速了光纤传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件，光纤传感器又具有了高带宽、低信号处理电压、可靠性高、成本低等特点。

四、传感器发展方向

传感器支持工艺是微加工技术,包括微电子和微机械加工技术,传感器技术竞争将从芯片制造工艺转化到封装技术竞争。新的封装工艺诸如阳极粘合、倒装焊接,多芯片组装等工艺将会有新的更大发展。应抓住信息产业的飞速发展和环保生态产业的兴起,21世纪的传感器市场将会有更大发展,抓住传感器发展机遇,不失时机地开发新产品,逐步形成产业,将会形成国民经济新的增长点。

传感器在技术水平和功能上的迅速发展，一方面来自于计算机、检测等技术的发展，另一方面则源于应用领域需求的驱动。在用户需求催生出越来越多传感器新品的同时，厂商也开始越发重视让产品更适用于用户的操作和需要。如何通过对多种智能传感器的组合让用户更简单的使用传感器已经成为公司发展的一个方向。如作为专用于传感器和执行器之间联网通讯的国际标准的AS-I（EN50295），它摒弃了传统接线中，电源必须连接到每只传感器并且信号线必须连到I/O模块中的限制。一个AS-I网络中最多可包含124只简单的传感器或31个可编程的AS-I传感器，用户可组合使用。

而MEMS技术正带动传感器的发展。

半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向导性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引进到传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制造压力传感器等。基于MEMS硅微加工技术，传感器具有体积小、低功耗等特点，易集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。

MEMS技术是物联网产业链中不可或缺的一环。首先微型化的同时降低功耗，将会出现微米甚至纳米级别的微型器件，同时降低功耗;第二，微型化的同时提高精度，将MEMS加速度计做到石英加速度计的噪声特性，保证MEMS陀螺仪小体积的同时获得光纤陀螺仪的零偏稳定性，且可提供远优于光纤陀螺仪的抗冲击特性;第三，集成化及智能化趋势，即MEMS与IC的集成制造技术及多参量MEMS传感器的集成制造技术得到发展，以及在集成化基础上使得信号检测具有一定的自动化。这些趋势要求半导体厂商提供更高精度、稳定性更好、更智能的高集成度MEMS传感器模块。世界各国对微型电子机械系统(MEMS)给予极高重视,美国宇航局(NASA)很早就给予支持,美国国防部高级研究计划局(APPA)等机构每年投资2000万美元,德国每年投资7000万美元,日本通商产业省MITI）则拟订了一个十年内投资2亿美元的计划,美国的硅谷已成为当今世界上MEMS研究中心。随着传感器技术、固态技术、微电子技术、计算技术等学科的飞速发展,一种高精度、低驱动、高可靠性、低功耗、占用空间小、重量轻和快速响应的崭新的微型电子机械系统的传感器即将在世界展现。

传感器发展的另一大特点是向着集成化、智能化方向发展。集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅是一个简单的传感器，其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，它可降低成本、增加产量。而智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多特点，具有判断和信息处理功能，可实现多传感器多参数测量，有自诊断和自校准功能，测量数据可存取，且具有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。把传感器、信号调节电路、单片机集成在一个芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器已经成为一个新的发展趋势。

然后就要考虑数字化和模块化了。在一些控制领域的应用中，往往有很多不同的输入以及多变量的处理，这些复杂的要求只有数字电路应付得过来。然而，在另一些应用中，模拟依旧占主导地位。模拟器件设计相对简单，对应于简单的电路，特别是面对成本控制等诸多因素，模拟都是首选。随着传感器技术的进一步发展，传感器设备集成了越来越多的数字化电路和接口。有专家指出，MEMS与集成电路的结合，可以使工业解决方案的设计摒弃那些需要复杂信号处理的传统技术。而传感器提供了数字输出信号，这需要内部具备集成的电路，如ADC以及串行器。因为制造方式相同，所需材料相同，基于MEMS的传感器就更加适合数字化。

恰似传感器“模拟与数字”的问题，依据应用的场合不同而不同，对于未来传感器的未来，会是数字化和模块化共存的局面。

参考文献

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苏州大学电子信息学院

14电信刘曦旻 2014.12.10