傳感器（Sensor）是一種常見的卻又很重要的器件，它是感受規定的被測量的各種量并按一定規律將其轉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，輸入可以分成靜態量和動態量。我們可以根據在各個值的穩定狀態下，輸出量和輸入量的關系得到傳感器的靜態特性。

　　傳感器的靜態特性的主要指標有線性度、遲滯、重復性、靈敏度和準確度等。傳感器的動態特性則指的是對于輸入量隨著時間變化的響應特性。動態特性通常采用傳遞函數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鍵的傳感器技術。

　　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，把被測量的物理量轉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換成為電信號，它直接檢測來自物體的輻射信息，也可以轉換其他物理量成為光信號。其主要的原理是光電效應：當光照射到物質上的時候，物質上的電效應發生改變，這里的電效應包括電子發射、電導率和電位電流等。

　　顯然，能夠容易產生這樣效應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的光的照射，通過類似光敏電阻這樣的器件把光能轉化成為電能，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系，通常是接近線性的關系，這樣計算原始的光信號就不是很復雜了。其它的物理傳感器的原理都可以類比于光電式傳感器。

　　物理傳感器的應用范圍是非常廣泛的，我們僅僅就生物醫學的角度來看看物理傳感器的應用情況，之后不難推測物理傳感器在其他的方面也有重要的應用。

　　比如血壓測量是醫學測量中的最為常規的一種。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，它將壓力信號轉變成為膜片的變形，然后再根據膜片的應變或位移轉換成為相應的電信號。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。呼吸測量是臨床診斷肺功能的重要依據，在外科手術和病人監護中都是必不可少的。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，把夾子夾在鼻翼上，當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。

　　再比如最常見的體表溫度測量過程，雖然看起來很容易，但是卻有著復雜的測量機理。體表溫度是由局部的血流量、下層組織的導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，加上后期的分析統計，能夠得出比較全面的分析結果。這是傳統的水銀溫度計所不能比擬的，也展示了應用新的技術給科學發展帶來的廣闊前景。

　　從以上的介紹可以看出，僅僅在生物醫學方面，物理傳感器就有著多種多樣的應用。傳感器的發展方向是多功能、有圖像的、有智能的傳感器。傳感器測量作為數據獲得的重要手段，是工業生產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造出更多的產品，更好的效益。

　　光纖傳感器

　　近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發展。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。光纖具有很多優異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能，絕緣、無感應的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區），或者對人有害的地區（如核輻射區），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的新技術，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，還可以完成現有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環境里，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，從而使得光纖內傳輸的光在振幅、相位、頻率、偏振等方面發生變化。測量臂傳輸的光與參考臂的參考光互相干涉（比較），使輸出的光的相位（或振幅）發生變化，根據這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖中傳輸的相位受外界影響的靈敏度很高，利用干涉技術能夠檢測出10的負4 次方弧度的微小相位變化所對應的物理量。利用光纖的繞性和低損耗，能夠將很長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。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產生微彎曲，而其傳光能力發生很大的變化。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、導彈等的高性能慣性導航系統。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。其結構大致如下：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。在這種傳感器系統中，傳統的傳感器和光纖相結合。光纖的導入使得實現探針化的遙測提供了可能性。這種光纖傳輸的傳感器適用范圍廣，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，它憑借著光纖的優異性能而得到廣泛的應用，是在生產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，它采用固定化的細胞、酶或者其他生物活性物質與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來生物醫學和電子學、工程學相互滲透而發展起來的一種新型的信息技術。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可以分為：酶傳感器、微生物傳感器、細胞器傳感器、組織傳感器等。在圖中我們可以看到，仿生傳感器和生物學理論的方方面面都有密切的聯系，是生物學理論發展的直接成果。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用。

　　尿素傳感器，主要是由生體膜及其離子通道兩部分構成。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，并進行放大和傳送。當膜內的感受部位受到外部刺激物質的影響時，膜的透過性將產生變化，使大量的離子流入細胞內，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，它能產生保形網絡變化，使膜的透過性發生變化，進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成，可以用有機化學中容易合成的聚氨酸的聚合物（L一谷氨酸，PLG）為替代物質，它比酶的化學穩定性好。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PLG保性網絡變化的物質，就會使膜的透過性發生變化，從而產生電流的變化，由電流的變化，便可以進行對刺激性物質的檢測。

　　尿素傳感器經試驗證明是穩定性好的一種生體模擬傳感器，檢測下限為10的負3次方的數量級，還可以檢測刺激性物質，但是暫時還不適合生體的計測。

　　目前，雖然已經發展成功了許多仿生傳感器，但仿生傳感器的穩定性、再現性和可批量生產性明顯不足，所以仿生傳感技術尚處于幼年期，因此，以后除繼續開發出新系列的仿生傳感器和完善現有的系列之外，生物活性膜的固定化技術和仿生傳感器的固態化值得進一步研究。

　　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，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、觸覺和對目的物進行操作的能力。我們能夠看到仿生傳感器應用的廣泛前景，但這些都需要生物技術的進一步發展，我們拭目以待這一天的到來。