3.2.1 传感器分类
传感器的类型有很多，可以按照测量方式、输出信号类型、用途、工作原理、应用场合等方式进行分类。按照测量方式的不同，可以把传感器分为接触式测量和非接触式测量传感器；按照输出信号是模拟量还是数字量，可分为模拟式传感器和数字式传感器；按照用途，可分为可见光视频传感器、红外视频传感器、温度传感器、气敏传感器、化学传感器、声学传感器、压力传感器、加速度传感器、振动传感器、磁学传感器、电学传感器等；按照工作原理，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器；按照应用场合，可分为军用传感器、民用传感器、军民两用传感器。
常见的传感器一般用于检测周围环境的物理变化，将感受到的信息转换为电子信号的形式输出。常见的传感器如下。
1.温度/湿度传感器
温度/湿度传感器测算周围环境的温度/湿度，将结果转换为电子信号。温度传感器通常使用热敏电阻、半导体温度传感器以及温差电偶来实现温度检测。对于热敏电阻来说，主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性，用于设备的过热保护和温控报警等。对于半导体温度传感器来说，主要是利用半导体的温度敏感性来测量温度，成本低廉且线性度好。对于温差电偶来说，主要是利用温差电现象，把被测端的温度转换为电压和电流的变化；由不同金属材料构成的温差电偶，能够在比较大的范围内测量温度。
湿度传感器主要分为电阻式和电容式。电阻式湿度传感器又称湿敏电阻，利用氯化锂、碳、陶瓷等材料电阻率的湿度敏感性来探测湿度。电容式湿度传感器也称湿敏电容，利用材料介电系数的湿度敏感性来探测湿度。
温度/湿度传感器在测量家庭、工厂、温室大棚等室内环境时应用比较普遍。
温度传感器的种类很多，经常使用的有热电阻PT100、PT1000、Cu50、Cu100，热电偶B、E、J、K、S等。温度传感器不但种类繁多，而且组合形式多样，应根据不同的场所选用合适的产品。温度传感器如图3.6所示。
2.力学传感器
力学传感器（如图3.7所示）通过计算施加在传感器上的力，将结果转换成电子信号。常见的力学传感器有片状、开关状压力传感器，在受到外部压力时内部结构会产生一定的变形或位移，进而转换为电特性的改变，产生相应的电信号。还有一类力学传感器能够通过气压来测定海拔高度。
图3.6 温度传感器
图3.7 力学传感器
3.加速度传感器
加速度传感器（如图3.8所示）可计算施加在传感器上的加速度，并将结果转换成电子信号。加速度传感器常用在智能手机和健身追踪器等智能终端上。
图3.8 加速度传感器
4.光传感器
光传感器（如图3.9所示）可以分为光敏电阻和光电传感器。光敏电阻主要利用各种材料电阻率的光敏感性来进行光探测。光电传感器主要包括光敏二极管和光敏三极管，这两种器件都是利用半导体器件对光照的敏感性来工作的。光敏二极管的反向饱和电流在光照的作用下会显著变大，而光敏三极管在光照时其集电极、发射极导通。此外，光敏二极管和光敏三极管与信号处理电路也可以集成在一个光传感器的芯片上。不同种类的光传感器可以覆盖可见光、红外线、紫外线等波长范围的传感应用。光传感器并不局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最高、应用最多的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。
5.测距传感器
测距传感器（如图3.10所示）通过测算传感器与障碍物之间的距离（一般通过照射红外线和超声波等）来搜集反射结果，根据反射来测量距离，并把结果转换为电子信号。照射仪器包括能够扫描二维平面的激光测距仪。测距传感器常用于汽车等交通工具。
图3.9 光传感器
图3.10 测距传感器
6.磁性传感器
磁性传感器（如图3.11所示）也称霍尔传感器，是利用霍尔效应制成的一种传感器。霍尔效应是指：把一个金属或者半导体材料的薄片置于磁场中，当有电流流过时，形成电流的电子在磁场中运动而受到磁场的作用力，使材料中产生与电流方向垂直的电压差。可通过测量霍尔传感器所产生的电压来计算磁场强度。结合不同的结构，该类传感器能够间接测量电流、振动、位移、速度、加速度、转速等。
图3.11 磁性传感器
7.微机电传感器
微机电系统的英文名称是Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS，是由微机械加工技术（Micromachining）和微电子技术（Microelectronics Technologies）结合而成的集成系统，包括微电子电路（IC）、微执行机构以及微传感器，多采用半导体工艺加工。目前已有的微机电器件包括压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷嘴和硬盘驱动头等。微机电系统的出现体现了当前器件的微型化发展趋势。比较常见的微机电传感器有微机电压力传感器、微机电加速度传感器和微机电气体流速传感器等。
纳米技术和微机电系统（MEMS）技术的应用使传感器的尺寸减小，精度也大大提高。MEMS技术的目标是把信息获取、处理和执行一体化地集成，使成为真正的微电子系统。把电路和运转着的机器装在一个硅芯片上——对于传统的电子机械系统来说，MEMS不仅是真正机电一体化的开始，更为传感器的感知、运算、执行等打开了“物联网”微观领域的大门，其具体应用例如血管内的微型机器人。微机电传感器如图3.12所示。
图3.12 微机电传感器
8.生物传感器
生物传感器（biosensor）（如图3.13所示）的工作原理是生物能够对外界的各种刺激做出反应。生物传感器是对生物物质敏感，并将其浓度转换为电信号以进行检测的仪器。智能交互技术中的电子鼻、电子舌就是运用的生物传感器技术。各种生物传感器的共同结构包括一种或数种相关生物活性材料及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器，二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术对生物信号进行再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。
图3.13 生物传感器
生物传感器按照其感受器中所采用的生命物质可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等。按照传感器器件检测的原理，可分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。按照生物敏感物质相互作用的类型，可分为亲和型传感器和代谢型传感器。
9.智能传感器
图3.14 智能传感器
智能传感器（smart sensor）（如图3.14所示）是具有一定信息处理能力或智能特征的传感器，它具有复合敏感功能，自补偿和计算功能，自检、自校准、自诊断功能，信息存储和传输等功能，并具有集成化的特点。
需要注意的是，这里的“智能”和人工智能中的“智能”有根本的不同，这里所说的“智能”侧重于与传统传感器的对比，而人工智能中的“智能”强调“拟人化”的思辨能力。智能传感器最早来源于太空设备对于传感器处理能力的需求。
由于嵌入式智能技术是实现传感器智能化的重要手段，所以通常把智能传感器的“智能”称为“嵌入式智能”，其特点是具备了微处理器这一器件。嵌入式微处理器具有功耗低、体积小、集成度高和嵌入式软件的高效率、高可靠性等优点，在人工智能技术的推动下，嵌入式技术与人工智能共同构筑物联网的智能感知环境。随着嵌入式智能技术的发展，信息物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems）在自动化与控制领域内逐渐被认为更接近于物联网。CPS利用计算机对物理设备进行监控，融合了自动化技术、信息技术、控制技术和网络技术，注重反馈与控制过程，能够实现对物体实时、动态的控制和服务。虽然CPS在应用和网络上与物联网有相同之处，但在信息采集与控制中存在着差别。
10.变频功率传感器
变频功率传感器（如图3.15所示）对输入的电压、电流信号进行交流采样，再将采样值通过电缆、光纤等传输系统与数字量输入二次仪表相连，数字量输入二次仪表对电压、电流的采样值进行运算，便可获得电压有效值、电流有效值、基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、基波功率、谐波功率等参数。
11.视觉传感器
视觉传感器（如图3.16所示）具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素。图像的清晰程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。例如，若视觉传感器被设定为辨别正确地插有八颗螺栓的机器部件，则传感器应该知道在发现只有七颗螺栓的部件，或者螺栓未对准的部件时“举手”。此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在360°范围内旋转，视觉传感器应都能做出判断。
图3.15 变频功率传感器
图3.16 视觉传感器
12.位移传感器
位移传感器（如图3.17所示）又被称为线性传感器，是把位移转换为电量的传感器。位移传感器是一种属于金属感应的线性器件。
图3.17 位移传感器
在位移传感器的转换过程中有许多物理量（例如压力、流量、加速度等）常常需要先转换为位移，然后再转换为电量。因此位移传感器是一类重要的基本传感器。在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。机械位移包括线位移和角位移。按被测变量变换形式的不同，位移传感器分为模拟式和数字式两种，模拟式又分为物性型（如自发电式）和结构型两种。常用的位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统，这种传感器的相关技术发展迅速，应用日益广泛。
13.液位传感器
液位传感器（静态液位计/液位变送器、水位传感器）（如图3.18所示）是一种测量液位的压力传感器。其中，静压投入式液位变压器（液位计）基于所测液体静压与该液体高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转换为标准电信号。
图3.18 液位传感器
液位传感器通常分为两类：一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位传感器、浮球式液位传感器、磁性液位传感器、投入式液位传感器、电动内浮球液位传感器、电动浮筒液位传感器、电容式液位传感器、磁致伸缩液位传感器、伺服液位传感器等；第二类为非接触式，包括超声波液位传感器、雷达液位传感器等。
14.真空度传感器
真空度传感器（如图3.19所示）采用先进的硅微机械加工技术生产。以集成硅压阻力敏感元件作为传感器的核心元件制成的绝对压力变送器，由于采用硅-硅直接键合或硅-派勒克斯玻璃静电键合形成的真空参考压力腔，以及一系列无应力封装技术及精密温度补偿技术，因而具有稳定性优良、精度高的突出优点，适用于各种情况下绝对压力的测量与控制。
图3.19 真空度传感器
15.酸碱盐浓度传感器
酸碱盐浓度传感器（如图3.20所示）通过测量溶液的电导值来确定其浓度，它可以在线连续检测工业工程中酸、碱、盐在水溶液中的浓度含量。该传感器主要由电导池、电子模块、显示表头和壳体组成。电子模块电路则由激励源、电导池、电导放大器、相敏整流器、解调器、温度补偿、过载保护和电流转换等单元组成。这种传感器主要应用于锅炉给水处理、化工溶液的配置以及环保等工业生产过程。
酸碱盐浓度传感器的工作原理是，在一定的范围内，溶液的酸碱浓度与其电导率的大小成比例。因而，只要测出溶液电导率的大小便可得知酸碱浓度的高低。当被测溶液流入专用电导池时，如果忽略电极极化和分布电容，则它可以等效为一个纯电阻。在有恒压交变电流流过时，其输出电流和电导率呈线性关系，而电导率又与溶液的酸碱浓度成比例关系。因此只要测出溶液中的电流，便可算出酸、碱、盐的浓度。
图3.20 酸碱盐浓度传感器
16.电导率传感器
电导率传感器（如图3.21所示）是在实验室、工业生产和探测领域里被用来测量超纯水、纯水、饮用水、污水等各种溶液的电导性或水标本整体离子浓度的传感器。它是通过测量溶液的电导值来间接测量离子浓度的流程仪表（一体化传感器），可在线连续检测工业生产中水溶液的电导率。
由于电解质溶液是与金属导体一样的电的良导体，因此电流流过电解质溶液时必有电阻作用，且符合欧姆定律。但液体的电阻温度特性与金属导体相反，具有负向温度特性。为区别于金属导体，电解质溶液的导电能力用电导（电阻的倒数）或电导率（电阻率的倒数）来表示。当两个相互绝缘的电极组成电导池时，若在其中间放置待测溶液，并通以恒压交变电流，就形成了电流回路。如果将电压大小和电极尺固定，则回路电流和电导率就存在一定的函数关系。这样，测得待测溶液中流过的电流，就能测出待测溶液的电导率。电导率传感器的结构和电路与酸碱盐浓度传感器相同。
17.电容式物位传感器
电容式物位传感器（如图3.22所示）适用于工业企业进行测量和控制的生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。
图3.21 电导率传感器
图3.22 电容式物位传感器
电容式物位传感器由电容式传感器和电子模块电路组成，它以两线制4～20 m A恒定电流输出为基型，经过转换，以三线或四线方式输出，输出信号形成1～5 V、0～5 V、0～10 m A等标准信号。电容式传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。传感器的电子模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。采用脉宽调制原理进行测量的优点是频率较低，对周围无射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。
18.锑电极酸度传感器
锑电极酸度传感器（如图3.23所示）是集p H检测、自动清洗、电信号转换于一体的工业在线分析仪表，它是由锑电极与参考电极组成的p H值测量系统。在被测酸性溶液中，由于锑电极表面会生成三氧化二锑氧化层，这样在金属锑面与三氧化二锑之间会形成电位差，该电位差的大小取决于三氧化二锑的浓度，该浓度与被测酸性溶液中氢离子的适度相对应。如果把锑、三氧化二锑和水溶液的适度都当作1，其电极电位就可用能斯特公式计算出来。
图3.23 锑电极酸度传感器
锑电极酸度传感器中的固体模块电路由两大部分组成。第一部分是电源。为了现场作用的安全起见，电源部分采用交流24 V为二次仪表供电。这一电源除了为清洗电极提供驱动电源，还应通过电流转换单元转换为相应的直流电压，以供变送电路使用。第二部分是测量传感器电路，它把来自传感器的基准信号和p H酸度信号经放大后送给斜率调整和定位调整电路，以使信号内阻降低并可调节。将放大后的p H信号与温度补偿信号进行叠加后再通过转换电路，最后向二次仪表输出与p H值相对应的4～20 m A恒流电流信号，以完成显示并控制p H值。
19.激光传感器
激光传感器（如图3.24所示）是采用激光技术进行测量的传感器，它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
图3.24 激光传感器
激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。
利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点，激光传感器可实现无接触远距离测量，常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。
20.24 GHz雷达传感器
24 GHz雷达传感器（如图3.25所示）采用高频微波来测量物体的运动速度、距离、运动方向、方位角度信息，采用平面微带天线设计，具有体积小、质量轻、灵敏度高、稳定强等特点，广泛运用于智能交通、工业控制、安防、体育运动、智能家居等行业。工业和信息化部2012年11月19日正式发布《工业和信息化部关于发布24 GHz频段短距离车载雷达设备使用频率的通知》（工信部无〔2012〕548号），明确提出24 GHz频段短距离车载雷达设备作为车载雷达设备的规范。
21.超声波测距离传感器
超声波测距离传感器（如图3.26所示）采用超声波回波测距原理，运用精确的时差测量技术，检测传感器与目标物之间的距离，采用小角度、小盲区超声波传感器，具有测量准确、无接触、防水、防腐蚀、成本低等优点，可用于液位、物位检测，特有的液位、料位检测方式，可保证在液面有泡沫或大的晃动，不易检测到回波的情况下有稳定的输出。超声波测距离传感器的应用包括液位、物位、料位检测和工业过程控制等。
图3.25 24 GHz雷达传感器
图3.26 超声波测距离传感器
22.无线温度传感器
图3.27 无线温度传感器
无线温度传感器（如图3.27所示）将控制对象的温度参数变成电信号，并对接收终端发送无线信号，对系统进行检测、调节和控制。该传感器可直接安装在一般工业热电阻、热电偶的接线盒内，与现场传感元件构成一体化结构。它通常和无线中继、接收终端、通信串口、电子计算机等配套使用，这样不仅节省了补偿导线和电缆，而且减少了信号传递失真和干扰，从而能够获得高精度的测量结果。
无线温度传感器广泛应用于化工、冶金、石油、电力、水处理、制药、食品等自动化行业，具体应用包括：高压电缆上的温度采集；水下等恶劣环境的温度采集；运动物体上的温度采集；不易连线通过的空间传输传感器数据；单纯为降低布线成本选用的数据采集方案；没有交流电源的工作场合的数据测量；便携式非固定场所的数据测量。
23.电阻应变式传感器
电阻应变式传感器（如图3.28所示）中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式等；半导体应变片有薄膜型、扩散型、外延型等。
图3.28 电阻应变式传感器
智能手机中的指纹识别传感器