伴隨著信息處理技術、微處理器和計算機技術的高速發(fā)展，傳感器的開發(fā)進展神速，傳感器已成為各種自動化系統(tǒng)和機器人裝置中的關鍵部件。[1]
工控領域，系統(tǒng)在運行中要經(jīng)常對多種物理量進行檢測或監(jiān)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、長度、角度、形狀、位置、表面粗糙度、表面波形等。在實際生產(chǎn)、生活和科學實驗中還會遇到化學量、生物量（包括醫(yī)學），而所有這一切，都需要通過傳感器，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、測量儀表是信息科學技術的三部分（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(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)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(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。
國際電工委員會(IEC：International electrotechnical Committee)的定義是：傳感器是測量系統(tǒng)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(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)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、檢測點取樣設備及信號放大器（進行抗干擾處理及信號傳輸），以及電源及現(xiàn)場顯示部分。電信號一般包括連續(xù)量、離散量兩種，實際上還可分成模擬量、開關量、脈沖量等。模擬信號傳輸采用統(tǒng)一信號（4-20mADC等）。
二、傳感器的分類
根據(jù)不同的分類標準，有不同的類型區(qū)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，可分為：輸出為開關量（１和"０或開和關）的開關型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)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，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。
壓阻式傳感器：是根據(jù)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（或稱膜片）可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會產(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測量溫度及與溫度有關的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，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(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200℃～+500℃范圍內(nèi)的溫度。
（一）根據(jù)被測信號的性質，分為物理傳感器和化學傳感器二大類。
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(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。
2.化學傳感器的工作原理基于那些以化學吸附、電化學反應等。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，也不屬于化學類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎?；瘜W傳感器存在技術問題較多，如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性問題等。
（二）按照用途或者使用場合，可分為：
壓敏傳感器、力敏傳感器 、位置傳感器 液面?zhèn)鞲衅?、能耗傳感器 速度傳感器 、熱敏傳感器 加速度傳感器 、射線輻射傳感器 振動傳感器、 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）按照輸出信號類型可分為：
模擬傳感器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。
數(shù)字傳感器——將被測量的非電學量轉換成數(shù)字輸出信號(包括直接和間接轉換)。
膺數(shù)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。
開關傳感器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個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，敏感材料會作出反應。即那些具有特定功能特性的材料，被用來制作傳感器的敏感元件。
(1)按照其所用材料的類別分為：金屬、 聚合物、 陶瓷、 混合物
(2)按材料的物理性質分為：導體、 絕緣體、 半導體、 磁性材料
(3)按材料的晶體結構分為：單晶、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沉積在介質襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，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）按照能量觀點來分類：有源傳感器和無源傳感器
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自被測對象，另一部分由電源提供。
2.無源傳感器：不需要外部電源即可工作，完全通過吸收被測對象的能量來輸出信號。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源傳感器。不需要使用外來接電源的傳感器且可以通過外部獲取到無限制的能源的感應傳感器。
無源傳感器結構簡單，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系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)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出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。
2.動態(tài)特性：是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，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，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。
3.線性度：通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。
擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或將與特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。
4.靈敏度：靈敏度是指傳感器在穩(wěn)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的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系，則靈敏度S是一個常數(shù)；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，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，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。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(wěn)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，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某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨力時，其輸出才會發(fā)生變化。
通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點的分辨力并不相同，因此常用滿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。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。
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-一輸入特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的最大差值△MAX與滿量程輸出F·S的百分比表示。遲滯可由傳感器內(nèi)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別，如何根據(jù)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，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。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(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型
要進行—個具體的測量工作，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(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小；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，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。
在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。
2、靈敏度的選擇
通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，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，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)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(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。
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(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。
在動態(tài)測量中，應根據(jù)信號的特點(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。
4、線性范圍
傳感器的線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(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，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，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。
但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。
5、穩(wěn)定性
傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)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(wěn)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)境進行調查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。
傳感器的穩(wěn)定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應重新進行標定，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期使用而又不能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴格，要能夠經(jīng)受住長時間的考驗。
6、精度
精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。
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足要求的傳感器。
對某些特殊使用場合，無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足使用要求。
一次儀表指現(xiàn)場測量儀表或基地控制表，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，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉型的發(fā)展階段。新型傳感器的特點是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化。微型化是建立在微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術基礎上的。
微電子機械加工技術，包括體微機械加工技術、表面微機械加工技術、LIGA技術（X光深層光刻、微電鑄和微復制技術）、激光微加工技術和微型封裝技術等。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，在微電子技術基礎上，內(nèi)置微處理器，或把微傳感器和微處理器及相關集成電路（運算放大器、A/D或D/A、存貯器、網(wǎng)絡通訊接口電路）等封裝在一起完成了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化、系統(tǒng)化。
除MEMS外，新型傳感器的發(fā)展還有賴于新型敏感材料、敏感元件和納米技術，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(shù)據(jù)融合技術正在形成熱點，它形成于20世紀80年代，它不同于一般信號處理，也不同于單個或多個傳感器的監(jiān)測和測量，而是對基于多個傳感器測量結果基礎上的更高層次的綜合決策過程。有鑒于傳感器技術的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎上，多種功能進一步集成以致于融合，這是必然的趨勢，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術也促進了傳感器技術的發(fā)展。
多傳感器數(shù)據(jù)融合的定義概括：把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計算機技術對其進行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確實性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)層（像素層）融合、特征層融合、決策層（證據(jù)層）融合。由于它比單一傳感器信息有如下優(yōu)點，即容錯性、互補性、實時性、經(jīng)濟性，所以逐步得到推廣應用。應用領域除軍事外，已適用于自動化技術、機器人、海洋監(jiān)視、地震觀測、建筑、空中交通管制、醫(yī)學診斷、遙感技術等方面。
