家用电器中传感器的应用及发展趋势

家用电器中传感器的应用及发展趋势

[摘要]：在信息化社会，几乎没有任何一种科学技术的发展和应用能够离得开传感器的支持。现代家用电器中传感器已得到普遍应用。温度传感器，光敏传感器以及声波传感器等都走进了人们的生活。绝大部分的日常生活与信息资源的开发、采集、传送和处理都已与传感器息息相关。分析当前信息与技术发展状态，21世纪的先进传感器必须具备小型化、智能化、多功能化和网络化等优良特征。

关键词：温度传感器；光敏传感器；微型化；智能化；多功能化

【Abstract】: The develop and application of technology can not without the support of sensor now. The sensors are widely used in household appliances. Like temperature sensor ,photosensitive sensor and pressure sensor is familiar in our life. The sensors are closely linked with every part of our life.Especially about the information.Now, the development trend of sensors is micro,smart,multifunction and wireless networked.

Key words: Temperature sensor; Photosensitive sensor ; Micro; Smart; Multifunction

为了实现对家用电器的智能化，自动化控制以及安全运行，需要对有些物理变化量进行不断地检测，因而传感器技术得到了广泛的应用。

传感器在家电中的应用

超声波传感器

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柴油机测试技术作业

超声波为频率20kHz以上的声波信号，它在空间是以直线方式传播。由于它具有波长短，绕射现象小，反射能力强(方向性好)，能定向传播，在空气中传播速度较慢（为340m/s左右）以及在传播过程中的衰减很小等特点。因此，可以根据这些特点，制成多种不同功能的超声波传感器。超声波传感器在电脑程控电风扇等家用电器上得到广泛应用。

超声波传感器是实现声电转换的装置，所以，又称为超声波换能器。超声波传感器既能发射出超声波信号，又能接受发射出去的超声波的回波，并能将其转换成电信号。

超声波传感器有专用型和兼用型两种。专用型超声波传感器由发射器和接收器两个独立部分组成，其发射器专门负责发送超声波；兼用型超声波传感器既可发送超声波（相当于发送器），又可接受(相当于接受器)。超声波传感器的中心频率有23kHz,40kHz,75kHz,200kHz和400kHz等多种类型。其中家用电器用超声波传感器的中心频率一般为40kHz。

家用电器用超声波传感器，一般是利用压电效应原理制成。它是双晶压电振子结构，也就是将双压电陶瓷片以相反方向粘贴在一起。工作时在长度上，一片伸长，而另一片缩短。在双晶子的两面涂敷有薄膜电极。双晶子呈正方形结体，振子的两边由圆弧形突起部分支撑着，这两个支点就是振子振动的结点。在金属板的中央设有圆锥形振子，在发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，能够高频率发送超声波信号；在接受超声波时，圆锥形振子能够使超声波的振动集中于振子的中心，高效应产生电信号。

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在发射器的双晶子振子上加40kHz的脉冲电压信号，就会引起双压电陶瓷片的伸长与缩短变化，即发送出频率为40kHz的超声波。超声波使接受器的压电元件发生应变效应，产生一面为正，另一面为负的电压，也就产生了与超声波频率（40kHz）相同的电压信号。

温度传感器

温度检测是家用电器中最常用的物理检测，利用温度传感器可以将温度的变化转换为电信号，以此对家用电器进行智能检测。家用电器常用的温度传感器主要有温敏电阻，热电偶以及温敏晶体等元件。

温敏电阻是利用半导体电阻（或电流）随温度变化特性，而制成的感温元件。它主要包括正温度体系数的温敏电阻（PTC）和负温度系数温敏电阻（NTC）两种类型。

PTC温敏电阻，一般是用钛酸钡掺和微量稀土元素，采用陶瓷工艺制成的半导体元件。钛酸钡半导体元件的特殊成分和晶体结构，时期具有一种奇妙的特性——PTC特性。即从居里点温度开始，PT元件呈现正温度系数特性，其电阻值随温度的上升而急剧增大（可达几个数量级）。当电阻增大到一定值时，PTC元件的电阻值随温度的变化而缓慢变，使元件自身有一定恒温范围。因此，PTC温敏电阻具有温度自限能力

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PTC元件的居里点温度，电阻变化率以及元件自身的电阻值等参数，取决于掺入钛酸钡中的微量元素的种类，数量和烧结工艺等因素。如掺入锡（Sn）,锶（Sr）等元素，可使居里点向低温方向移动；若掺入铅（Pb）等元素，可使居里点向高温方向移动。利用这种掺杂特性，可以将居里点温度控制在一定范围内（一般为100~300℃），以适应不同的应用。

NTC温敏电阻也是一种半导体陶瓷元件，它是用锰（Mn），钴（Co）,镍（Ni）和铁（Fe）等金属氧化物按一定比例混合，用陶瓷工艺制成。NTC温敏电阻分低温型（-60~300℃）和高温型(>600℃)种。另外，还有一种具有开关特性的NTC温敏电阻，又称为符文临界温敏电阻（CTR），它有一个突变的温度点并且，这个温度点可以通过掺入的锗（Ge）,镍（Ni），钨（W）等金属元素在一定范围内调整。

1821年，塞贝克发现，对两种不同导体的结点进行加热时会产生热电势。热电偶就是利用塞贝克效应制成的温敏传感器。当两种不同的导体组成闭合回路是时，若两端结点温度不同（分别为To和T），回路中就会产生电流，相应的电势称为热电势，这种装置即称为热电偶。

热电势是由接触电势和温差电势两部分组成，其大小是与两端点的温差以及材料的性质有关。理论和实验证明，在A,B两导体间接入第三种材料C，只要结点2和结点3的温度相同（A,B两导体的结点为1），则与节点直接相连时的热电势也相同。若使To为设定的温度（恒定不变），额热电势仅与T端（感温端）的温度有关。利用热电偶的这一特性，可制成用于检测温度的热敏传感器。常用的热电偶温敏传感器有铂铑——铂热电偶，镍铬——镍铝热电偶，镍铬——镍硅热电偶和铜——康铜热电偶。

热电偶一般都设有保护装置，以延长其使用寿命。其保护装置不同，就构成了不同结构的热电偶。如金属套管热电偶，铠装热电偶和绝缘层封装热电偶等.另外，现代家用电器中还常用晶体管温敏传感器和集成温敏传感器等传感技术。

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红外传感技术

红外传感技术是将红外辐射能量变化转换成电信号的装置，它是根据热电效应和光子效应原理制成。运用热点效应制成的传感器称为热释电型红外传感器；运用光子效应原理制成的传感器称为量子（光子）型传感器。热释型红外传感器多用于检测温度，所以又称为热敏传感器。它主要是用热释电材料LiTaO3制成的热释型电元件构成。主要热释型电元件的温度发生变化，传感器表面电荷就会发生变化。同样，当热释型电元件吸收红外线后，其结晶体的温度会发生变化，使结晶体表面的电荷变的不平衡，把这种不平衡以电压变化的信号输出，就可检测红外线。

光电动型红外传感器，是在Ge,InSb,InGaAs,HgCdTe等半导体基片上形成PN结，当接受到红外线的照射，就会产生光电动势。家用电器上一般采用光电型红外线传感器，如红外光敏二极管，红外发光二极管以及光敏晶体管等元件。

压电式传感器

在某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上变产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”。

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压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适合动态测量。

家用电器洗衣机中的甩干机就是利用的压电式测力传感器，来测量衣物的重量，从而控制甩干的时间。

发展趋势

微型化

为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标(包括精确性、可靠性、灵敏性等)的要求越来越严格;与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式;而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代;后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。

目前，几乎所有的传感器都在由传统的结构化生产设计向基于计算机辅助设计(CAD)的模拟式

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工程化设计转变，从而使设计者们能够在较短的时间内设计出低成本、高性能的新型系统，这种设计手段的巨大转变在很大程度上推动着传感器系统以更快的速度向着能够满足科技发展需求的微型化的方向发展。

对于微机电系统(MEMS)的研究工作始于20世纪60年代，其研究范畴涉及材料科学、机械控制、加工与封装工艺、电子技术以及传感器和执行器等多种学科，是一个极具前景的新兴研究领域。MEMS的核心技术是研究微电子与微机械加工与封装技术的巧妙结合，期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。经过几十年的发展，尤其最近十多年的研究与发展，MEMS技术已经显示出了巨大的生命力，此项技术的有效采用将信息系统的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一个新的高度。在当前技术水平下，微切削加工技术已经可以生产出来具有不同层次的3D微型结构，从而可以生产出体积非常微小的微型传感器敏感元件，象毒气传感器、离子传感器、光电探测器这样的以硅为主要构成材料的传感/探测器都装有极好的敏感元件。目前，这一类元器件已作为微型传感器的主要敏感元件被广泛应用于不同的研究领域中。由计算机辅助设计(CAD)技术和微机电系统(MEMS)技术引发的传感器研发制造已经进入微型化时代。

就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大量不同应用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响;目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度/加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等。

智能化

智能化传感器(Smart Sensor)是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用领域，如分布式实时探测、网络探测和多信号探测方面一直颇受欢迎，产生的影响较大。

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智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。这一类传感器就相当于是微型机与传感器的综合体一样，其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。如智能化压力传感器，主传感器为压力传感器，用来探测压力参数，辅助传感器通常为温度传感器和环境压力传感器。采用这种技术时可以方便地调节和校正由于温度的变化而导致的测量误差，而环境压力传感器测量工作环境的压力变化并对测定结果进行校正;而硬件系统除了能够对传感器的弱输出信号进行放大、处理和存储外，还执行与计算机之间的通信联络。

通常情况下，一个通用的检测仪器只能用来探测一种物理量，其信号调节是由那些与主探测部件相连接着的模拟电路来完成的;但智能化传感器却能够实现所有的功能，而且其精度更高、价格更便宜、处理质量也更好。与传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优点:

(1) 智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节，能够对所测的数值及其误差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判断，能够借助于一览表对非线性信号进行线性化处理，借助于软件滤波器滤波数字信号。此外，还能够利用软件实现非线性补偿或其它更复杂的环境补偿，以改进测量精度。

(2) 智能化传感器具有自诊断和自校准功能，可以用来检测工作环境。当工作环境临近其极限条件时，它将发出告警信号，并根据其分析器的输入信号给出相关的诊断信息。当智能化传感器由于某些内部故障而不能正常工作时，它能够借助其内部检测链路找出异常现象或出了故障的部件。

(3) 智能化传感器能够完成多传感器多参数混合测量，从而进一步拓宽了其探测与应用领域，而微处理器的介入使得智能化传感器能够更加方便地对多种信号进行实时处理。此外，其灵活的配置功能既能够使相同类型的传感器实现最佳的工作性能，也能够使它们适合于各不相同的工作环境。

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(4) 智能化传感器既能够很方便地实时处理所探测到的大量数据，也可以根据需要将它们存储起来。存储大量信息的目的主要是以备事后查询，这一类信息包括设备的历史信息以及有关探测分析结果的索引等;

(5) 智能化传感器备有一个数字式通信接口，通过此接口可以直接与其所属计算机进行通信联络和交换信息。此外，智能化传感器的信息管理程序也非常简单方便，譬如，可以对探测系统进行远距离控制或者在锁定方式下工作，也可以将所测的数据发送给远程用户等。

多功能传感器

如前所述，通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。

概括来讲，多功能传感器系统主要的执行规则和结构模式包括:

(1) 多功能传感器系统由若干种各不相同的敏感元件组成，可以用来同时测量多种参数。譬如，可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起(即将热敏元件和湿敏元件分别配置在同一个传感器承载体上)制造成一种新的传感器，这样，这种新的传感器就能够同时测量温度和湿度。

(2) 将若干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中，从而构成一种高度综合化和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件是被综装在同一块硅片中的，它们无论何时都工作在同

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一种条件下，所以很容易对系统误差进行补偿和校正。

(3) 借助于同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息。以线圈为例，它所表现出来的电容和电感是各不相同的。

(4) 在不同的激励条件下，同一个敏感元件将表现出来不同的特征。而在电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下，由若干种敏感元件组成的一个多功能传感器的特征可想而知将会是多么的千差万别！有时候简直就相当于是若干个不同的传感器一样，其多功能特征可谓名副其实。

无线网络化

无线网络对我们来说并不陌生，比如手机，无线上网，电视机。传感器对我们来说也不陌生，比如温度传感器、压力传感器，还有比较新颖的气味传感器。但是，把二者结合在起来，提出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)这个概念，却是近几年才发生的事情。

这个网络的主要组成部分就是一个个可爱的传感器节点。说它们可爱，是因为它们的体积都非常小巧。这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器。

科学技术的发展以及传感器的广泛应用，使得人们对传感器技术越来越重视，认识到它是影响人们生活水平的重要因素之一。因此对传感器的开发成为目前最热门的研究课题之一。传感器技术的发展趋势可以从以下几方面来看。一是开发新材料，新工艺和开发新型传感器；二是实现传感器的多功能，高精度，集成化和智能化；三是通过传感器与其他学科的交叉整合，实现无线网络化。

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随着传感器的不断发展和应用，使得人们的生活不断得到改善，不断趋于自动化和智能化。

参考文献：

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