傳感器（Sensor)是一種常見的卻又很重要的器件，它是感受規(guī)定的被測量的各種量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號的器件或裝置。對于傳感器來說，按照輸入的狀態(tài)，輸入可以分成靜態(tài)量和動態(tài)量。我們可以根據(jù)在各個值的穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出量和輸入量的關(guān)系得到傳感器的靜態(tài)特性。
傳感器的靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度和準(zhǔn)確度等。傳感器的動態(tài)特性則指的是對于輸入量隨著時間變化的響應(yīng)特性。動態(tài)特性通常采用傳遞函數(shù)等自動控制的模型來描述。通常，傳感器接收到的信號都有微弱的低頻信號，外界的干擾有的時候的幅度能夠超過被測量的信號，因此消除串入的噪聲就成為了一項關(guān)鍵的傳感器技術(shù)。
物理傳感器
物理傳感器是檢測物理量的傳感器。它是利用某些物理效應(yīng)，把被測量的物理量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量形式的信號的裝置。其輸出的信號和輸入的信號有確定的關(guān)系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器等。
作為例子，讓我們看看比較常用的光電式傳感器。這種傳感器把光信號轉(zhuǎn)換成為電信號，它直接檢測來自物體的輻射信息，也可以轉(zhuǎn)換其他物理量成為光信號。其主要的原理是光電效應(yīng)：當(dāng)光照射到物質(zhì)上的時候，物質(zhì)上的電效應(yīng)發(fā)生改變，這里的電效應(yīng)包括電子發(fā)射、電導(dǎo)率和電位電流等。
顯然，能夠容易產(chǎn)生這樣效應(yīng)的器件成為光電式傳感器的主要部件，比如說光敏電阻。這樣，我們知道了光電傳感器的主要工作流程就是接受相應(yīng)的光的照射，通過類似光敏電阻這樣的器件把光能轉(zhuǎn)化成為電能，然后通過放大和去噪聲的處理，就得到了所需要的輸出的電信號。這里的輸出電信號和原始的光信號有一定的關(guān)系，通常是接近線性的關(guān)系，這樣計算原始的光信號就不是很復(fù)雜了。其它的物理傳感器的原理都可以類比于光電式傳感器。
物理傳感器的應(yīng)用范圍是非常廣泛的，我們僅僅就生物醫(yī)學(xué)的角度來看看物理傳感器的應(yīng)用情況，之后不難推測物理傳感器在其他的方面也有重要的應(yīng)用。
比如血壓測量是醫(yī)學(xué)測量中的最為常規(guī)的一種。我們通常的血壓測量都是間接測量，通過體表檢測出來的血流和壓力之間的關(guān)系，從而測出脈管里的血壓值。測量血壓所需要的傳感器通常都包括一個彈性膜片，它將壓力信號轉(zhuǎn)變成為膜片的變形，然后再根據(jù)膜片的應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電信號。在電信號的峰值處我們可以檢測出來收縮壓，在通過反相器和峰值檢測器后，種傳感器外形我們可以得到舒張壓，通過積分器就可以得到平均壓。
讓我們再看看呼吸測量技術(shù)。呼吸測量是臨床診斷肺功能的重要依據(jù)，在外科手術(shù)和病人監(jiān)護(hù)中都是必不可少的。比如在使用用于測量呼吸頻率的熱敏電阻式傳感器時，把傳感器的電阻安裝在一個夾子前端的外側(cè)，把夾子夾在鼻翼上，當(dāng)呼吸氣流從熱敏電阻表面流過時，就可以通過熱敏電阻來測量呼吸的頻率以及熱氣的狀態(tài)。
再比如最常見的體表溫度測量過程，雖然看起來很容易，但是卻有著復(fù)雜的測量機理。體表溫度是由局部的血流量、下層組織的導(dǎo)熱情況和表皮的散熱情況等多種因素決定的，因此測量皮膚溫度要考慮到多方面的影響。熱電偶式傳感器被較多的應(yīng)用到溫度的測量中，通常有桿狀熱電偶傳感器和薄膜熱電偶傳感器。
由于熱電偶的尺寸非常小，精度比較高的可做到微米的級別，所以能夠比較精確地測量出某一點處的溫度，加上后期的分析統(tǒng)計，能夠得出比較全面的分析結(jié)果。這是傳統(tǒng)的水銀溫度計所不能比擬的，也展示了應(yīng)用新的技術(shù)給科學(xué)發(fā)展帶來的廣闊前景。
從以上的介紹可以看出，僅僅在生物醫(yī)學(xué)方面，物理傳感器就有著多種多樣的應(yīng)用。傳感器的發(fā)展方向是多功能、有圖像的、有智能的傳感器。傳感器測量作為數(shù)據(jù)獲得的重要手段，是工業(yè)生產(chǎn)乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理傳感器又是最普通的傳感器家族，靈活運用物理傳感器必然能夠創(chuàng)造出更多的產(chǎn)品，更好的效益。
光纖傳感器
近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機械性能，絕緣、無感應(yīng)的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。
所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庠谡穹�、相位、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸?shù)墓馀c參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位發(fā)生變化，根據(jù)這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸?shù)南辔皇芡饨缬绊懙撵`敏度很高，利用干涉技術(shù)能夠檢測出10的負(fù)4次方弧度的微小相位變化所對應(yīng)的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠?qū)⒑荛L的光纖盤成直徑很小的光纖圈，以增加利用長度，獲得更高的靈敏度。
光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器。當(dāng)光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力發(fā)生很大的變化。聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。光纖陀螺也是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導(dǎo)彈等的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。如圖就是光纖傳感器渦輪流量計的原理。
另外一個大類的光纖傳感器是利用光纖的傳感器。其結(jié)構(gòu)大致如下：傳感器位于光纖端部，光纖只是光的傳輸線，將被測量的物理量變換成為光的振幅，相位或者振幅的變化。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖相結(jié)合。光纖的導(dǎo)入使得實現(xiàn)探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡便，但是精度比第一類傳感器稍低。
光纖在傳感器家族中是后期之秀，它憑借著光纖的優(yōu)異性能而得到廣泛的應(yīng)用，是在生產(chǎn)實踐中值得注意的一種傳感器。
仿生傳感器
仿生傳感器，是一種采用新的檢測原理的新型傳感器，它采用固定化的細(xì)胞、酶或者其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透而發(fā)展起來的一種新型的信息技術(shù)。這種傳感器的特點是機能高、壽命長。在仿生傳感器中，比較常用的是生體模擬的傳感器。
仿生傳感器按照使用的介質(zhì)可以分為：酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞器傳感器、組織傳感器等。在圖中我們可以看到，仿生傳感器和生物學(xué)理論的方方面面都有密切的聯(lián)系，是生物學(xué)理論發(fā)展的直接成果。在生體模擬的傳感器中，尿素傳感器是最近開發(fā)出來的一種傳感器。下面就以尿素傳感器為例子介紹仿生傳感器的應(yīng)用。
尿素傳感器，主要是由生體膜及其離子通道兩部分構(gòu)成。生體膜能夠感受外部刺激影響，離子通道能夠接收生體膜的信息，并進(jìn)行放大和傳送。當(dāng)膜內(nèi)的感受部位受到外部刺激物質(zhì)的影響時，膜的透過性將產(chǎn)生變化，使大量的離子流入細(xì)胞內(nèi)，形成信息的傳送。其中起重要作用的是生體膜的組成成分膜蛋白質(zhì)，它能產(chǎn)生保形網(wǎng)絡(luò)變化，使膜的透過性發(fā)生變化，進(jìn)行信息的傳送及放大。生體膜的離子通道，由氨基酸的聚合體構(gòu)成，可以用有機化學(xué)中容易合成的聚氨酸的聚合物（L一谷氨酸，PLG)為替代物質(zhì)，它比酶的化學(xué)穩(wěn)定性好。PLG是水溶性的，本不適合電機的修飾，但PLG和聚合物可以合成嵌段共聚物，形成傳感器使用的感應(yīng)膜。
生體膜的離子通道的原理基本上與生體膜一樣，在電極上將嵌段共聚膜固定后，如果加感應(yīng)PLG保性網(wǎng)絡(luò)變化的物質(zhì)，就會使膜的透過性發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電流的變化，由電流的變化，便可以進(jìn)行對刺激性物質(zhì)的檢測。
尿素傳感器經(jīng)試驗證明是穩(wěn)定性好的一種生體模擬傳感器，檢測下限為10的負(fù)3次方的數(shù)量級，還可以檢測刺激性物質(zhì)，但是暫時還不適合生體的計測。
目前，雖然已經(jīng)發(fā)展成功了許多仿生傳感器，但仿生傳感器的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性和可批量生產(chǎn)性明顯不足，所以仿生傳感技術(shù)尚處于幼年期，因此，以后除繼續(xù)開發(fā)出新系列的仿生傳感器和完善現(xiàn)有的系列之外，生物活性膜的固定化技術(shù)和仿生傳感器的固態(tài)化值得進(jìn)一步研究。
在不久的將來，模擬生體功能的嗅覺、味覺、聽覺、觸覺仿生傳感器將出現(xiàn)，有可能超過人類五官的敏感能力，完善目前機器人的視覺、味覺、觸覺和對目的物進(jìn)行操作的能力。我們能夠看到仿生傳感器應(yīng)用的廣泛前景，但這些都需要生物技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們拭目以待這一天的到來。
紅外傳感器
紅外技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1)輻射計，用于輻射和光譜測量；（2)搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運動進(jìn)行跟蹤；（3)熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖象；（4)紅外測距和通信系統(tǒng)；混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。
紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。下面以熱探測器為例子來分析探測器的原理。
熱探測器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。
