传感器
定义
中国国家标准对传感器的界定是：能够感受规定的被测量，并按照一定规律把它转换成可用输出信号的器件或装置，一般包含敏感元件与转换元件两部分。[2] 早期版本的国家标准 GB 7665—87 给出了含义相同的表述，并直接把这类器件称为检测装置。[1] 现行《传感器通用术语》把 transducer 与 sensor 并列为对应词。[2]
传感器感知的对象通常是力、压力、温度、流量、位移、速度、加速度、浓度等非电量，输出则以电压、电流等形式为主，因为电信号便于传输、转换、处理和显示。[3] 部分半导体敏感元件能够直接输出电信号，此时其本身即可构成完整的传感器。[4]
由于工作原理是把一种能量形式转换为另一种能量形式，学界也常用「换能器」称呼这类器件，两个名称在不少文献中通用。[1] 输出信号若被规范为标准信号（如 1V～5V 或 4mA～20mA），则习惯上称为变送器，与传感器本身相区别。[3]
原理
典型传感器由敏感元件、转换元件以及信号调节与转换电路构成，有时还包括辅助电源。[2] 敏感元件直接感受被测量，输出与之有确定关系的非电量；转换元件再把这一输出变为电学量。[5] 以应变式压力传感器为例，弹性膜片受压产生变形，贴在膜片上的应变片随之改变电阻值，电桥再把电阻变化转为电压输出。[2]
从数学上看，传感器是一个把输入量 $x$ 映射为输出量 $y$ 的传递环节，理想情形下二者成正比：
其中 $S$ 为灵敏度，即输出变化量与输入变化量之比，$y_0$ 为零点输出。[6] 灵敏度在数值上等于输出—输入特性曲线的斜率，输入与输出呈线性关系时 $S$ 为常数。[6]
flowchart LR
A[被测量：压力、温度、位移等] --> B[敏感元件]
B --> C[转换元件]
C --> D[信号调节与转换电路]
D --> E[可用电信号输出]
F[辅助电源] --> C
F --> D
换能所依据的物理效应多种多样：热电阻利用电阻随温度变化的规律测温，热电偶依靠热电效应产生热电势，压电材料受力产生电荷，霍尔元件则感应磁场。[1] 敏感元件按机理可分为物理类、化学类和生物类，分别基于力热光电声等物理效应、化学反应以及酶和抗体等分子识别功能。[5]
发展历程
早期的感应装置可以追溯到指南针、地动仪和温度计一类器具，它们能把方向、震动或冷热变化显现出来。[7] 17 世纪温度计的出现，使外部世界的变化第一次可以被量化读取。[8]
近代阶段与工业化同步。1883 年恒温器进入市场，1930 年出现了热敏电阻，20 世纪 30 年代以机械式传感器为主。[7][9] 20 世纪 50 年代前后，以电阻式传感器为代表的结构型传感器开始批量生产，传感器大多采用机电结构。[7]
20 世纪 70 年代，集成电路工艺被引入传感器制造，出现了利用半导体等固体材料特性的固态传感器，如热电偶、霍尔和光敏器件。[7] 微机电系统（MEMS）概念在 20 世纪 80 年代中后期成形，使硅机械结构与电子线路的集成成为可能。[10] 1987 年前后，研究者用表面微机械加工在硅片上做出可动微结构，被视为该领域的重要标志。[10][11]
20 世纪 80 年代末起，带有微处理器的智能传感器问世，具备信号处理、误差补偿乃至自诊断能力。[12] 1991 年，亚德诺半导体（ADI）推出用于汽车气囊碰撞监测的高 g 值 MEMS 器件；1993 年出现首个大批量生产的表面微加工加速度计。[7] 2007 年三轴 MEMS 加速度计进入智能手机，成为 MEMS 传感器走向消费电子的分界点。[10]
21 世纪以来，传感器与无线通信、低功耗电路和嵌入式计算相结合，形成无线传感器网络与各类智能传感系统。[13] 中国传感器产业起步相对较晚，2013 年工业和信息化部、科技部等四部委制定了《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》。[7]
应用
工业自动化是最主要的应用方向之一。生产过程中需要用各类传感器监视温度、压力、流量、位移等参数，使设备处于正常或最佳状态，从而保证产品质量。[5] 汽车领域同样依赖传感器，例如车速传感器采集车轮转速后，控制单元据此调节发动机怠速、变速器换挡与冷却风扇开闭。[14]
消费电子中，加速度计、陀螺仪与磁力计等惯性器件被大量装入手机、平板和可穿戴设备，用于姿态与运动感知。[10] 图像传感器把可见光图像转为电信号，是数码相机与成像设备的核心部件，常用电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体结构实现。[1]
环境与医疗领域也在广泛使用。气体传感器用于检测特定气体成分，压力传感器可间接推算流量、液位高度乃至海拔。[1] 除上述领域外，传感器还进入宇宙开发、海洋探测、资源调查、生物工程和文物保护等场合。[5]
局限
传感器输出中总含有与被测量无关的成分。热噪声来自电阻元件的载流子随机运动，1/f 噪声在低频段占主导，电磁场、振动和温度梯度也会干扰有用信号。[15] 动态范围的上限受饱和与非线性限制，下限则由噪声底决定。[15]
迟滞意味着输出还取决于输入的历史路径：同一输入值在上升段和下降段可能给出不同读数，其成因包括材料塑性变形、铁电材料畴翻转以及吸附与脱附过程的动力学差异。[15] 交叉敏感使传感器同时响应非目标参量，例如气体传感器会受湿度影响，多轴器件还会因轴间非正交产生虚假分量。[15][16]
长期使用后性能会缓慢变化。材料老化、表面污染和机械件疲劳都会引起漂移，MEMS 器件中残余应力松弛与蠕变可能使零点输出偏移。[15] 输出还存在量化、时延等限制，采样只能按离散时刻进行，内部处理会带来相对物理输入的滞后。[16]
这些缺陷之间往往互相牵制：把膜片做薄可以提高灵敏度，却可能加剧迟滞；升高工作温度有助于改善化学选择性，却会加快老化。[15] 因此实际器件需要在灵敏度、量程、稳定性与寿命之间折中，并通过标定与信号处理加以补偿。[17]
参见
参考资料
- 图文详情——科普中国资源服务 [引用日期2026-10-29]
- 第1章 传感器概述 [引用日期2026-10-29]
- 称重传感器的使用基础 [引用日期2026-10-29]
- 传感器 资料-电子产品世界 [引用日期2026-10-29]
- 传感器（检测装置）_百度百科 [引用日期2026-10-29]
- 传感器的基本知识-CECA：中国电子元件行业协会 [引用日期2026-10-29]
- 传感装置_百度百科 [引用日期2026-10-29]
- 国产MEMS传感器已不输国外 [引用日期2026-10-29]
- 从机电到MEMS，一文看懂中国传感器设计与制造技术的发展历程 - 您好，欢迎来到上海仪器仪表行业协会 [引用日期2026-10-29]
- MEMS智能传感器技术的新进展 [引用日期2026-10-29]
- [科普中国]-微机械 [引用日期2026-10-29]
- 浅谈传感器的现状以及发展趋势 [引用日期2026-10-29]
- S0924424707000611 [引用日期2026-10-29]
- 传感器的检测装置 - Google Patents [引用日期2026-10-29]
- ieee.org 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- Sensor Measurement - Time delays and latencies [引用日期2026-10-29]
- references [引用日期2026-10-29]