第1章 传感器概述

“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。传感器技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。

在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。一、传感器技术概述一、传感器技术概述

传感器——感觉，感知；传送（Sensor、Transducer）人体系统：人类有五大感觉器官，即眼、耳、鼻、舌、皮肤。通过这些感觉器官感知外界信息。机器系统：机器系统中，传感器是各种机械和电子设备的感觉器官。感知光、色、温度、压力、声音、湿度、气味及辐射等。一、传感器技术概述外界信息感官人脑肢体人体系统传感器计算机执行器机器系统人机系统的机能对应关系“机电五官”一、传感器技术概述传感器有些性能超过人的感官：（1）测量人体无法感知的量（3）测量范围宽、精确高、可靠性好（2）恶劣环境下工作例如：温度传感器：-196℃~1800℃

压力传感器：0.01~10000kPa

精度：0.1%~0.01%

可靠度：8~9级一、传感器技术概述现代信息技术的三大支柱之一

传感器技术（信息采集）通信技术（信息传输）计算机技术（信息处理）

在信息系统中分别起到“感官”、“神经”和“大脑”的作用。

现代测量与自动控制的首要环节传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的“五官”。没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实现的。二、传感器技术的作用和地位衡量国家综合实力的重要标志传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。

日本：传感器技术列为计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器等六大核心技术之一。在21世纪技术预测中将传感器列为首位。

美国：传感器及信号处理列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。

欧洲：传感器技术作为优先发展的重点技术。

中国：国家重点科技项目中，传感器列在重要位置。二、传感器技术的作用和地位传感器技术的应用遍及各个领域传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等极其广泛的领域。毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。二、传感器技术的作用和地位4D彩超捕捉到难得一见的胎儿出生前微笑（美联社图片）二、传感器技术的作用和地位信息处理电信电话科技测试设备控制交通控制输电系统机床机器人家用电器照相机汽车飞机船舶气象海洋环境污染医疗防火光能利用热能利用土木建筑农林机械能利用货币金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量传感器技术的应用领域三、传感器技术的应用自动检测与自动控制系统石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业。造纸木材烘干烟草加工芯片生产化工纺织三、传感器技术的应用汽车与传感器

传统：行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量。

安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、汽车“黑匣子”。

环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置。三、传感器技术的应用传感器在机器人上的应用

单能机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验）。检测臂的位置和角度传感器。隧道凿岩机器人汽车焊装生产线三、传感器技术的应用传感器在机器人上的应用

智能机器人：判断能力。视觉传感器、触觉传感器。用于水下探测的机器人用于家庭服务的机器人三、传感器技术的应用传感器在机器人上的应用

智能机器人：埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘。法老咒语：“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”小机器人挑战法老咒语，代替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道。“金字塔漫游者”机器人

5×1×1，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。三、传感器技术的应用传感器与家用电器自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院。三、传感器技术的应用传感器与遥感技术飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波。船舶：超声波传感器。微波红外接收传感器红外线分布差异矿藏埋藏地区地面三、传感器技术的应用在军事技术领域的应用“……改变那种认为军事力量主要是军舰、坦克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转为重视诸如传感器这类东西的作用。”“信息时代的军事革命”—美国参联会副主席欧文斯上将特种武器观察、侦察、探测三、传感器技术的应用传感器在医疗及人体医学上的应用医用传感器：人体内部温度、血液、呼吸流量、肿瘤、心音、腔内压力、心脑电波。传感器与航空及航天飞行器：控制在预定轨道上。速度、加速度、飞行距离测量：陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器。周围环境、内部设备监控、本身状态。三、传感器技术的应用三、传感器技术的应用传感器技术的应用遍及各个领域传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等极其广泛的领域。毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。第1章传感器概述1.1传感器的组成与分类11.2传感器的一般特性1.3传感器的标定31.4传感器的发展方向421.1传感器的组成与分类1.1.1

传感器的定义传感器(Sensor/Transducer)是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，主要是电量。输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要满足测控系统的应用要求。能量转换输入量输出量电量（便于传输、转换、处理、显示）物理量、化学量、生物量等附:传感器的定义示意图传感器的定义示意图1.1传感器的组成与分类1.1.2传感器的组成1.1传感器的组成与分类辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。被测量电量敏感元件转换元件转换电路直接感受被测量转化为电量参数敏感元件的输出作为转换元件的输入附：传感器组成示意图传感器组成示意图1.1传感器的组成与分类(1)敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。弹性敏感元件1.1传感器的组成与分类实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，感受被测量时直接输出电量，如热电偶。(2)转换元件T’①②BAT热电偶1.1传感器的组成与分类压电式加速度传感器有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。例如：压电式加速度传感器，质量块是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。1.1传感器的组成与分类(2)转换元件敏感元件辅助电路转换元件被测非电量有用非电量有用电量基本转换电路电量弹性体极板支架绝缘材料定极板动极板被测非电量：外界压力敏感元件：弹性体有用非电量：极板间距变化传感元件：平行板电容器有用电量：电容量C大吨位电容式称重传感器1.1传感器的组成与分类(2)转换元件敏感元件辅助电路转换元件被测非电量有用非电量有用电量基本转换电路电量(3)转换电路转换电路是传感器的主要组成环节：因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。

1.1传感器的组成与分类1.1.3传感器的分类按被测物理量分类

热量、比热容、压差、力、力矩…按工作原理分类

基于物理、化学和生物原理

可分为电阻式、电感式、电容式、热电式…按能量的关系分类可分为有源传感器和无源传感器按输出信号的性质分类可分为模拟传感器和数字传感器1.1传感器的组成与分类结构型传感器利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点：传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。

各种弹性敏感元件传感器1.1传感器的组成与分类物性型传感器利用物质定律构成的，如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。物性型传感器的性能随材料的不同而异。如光电管，利用了物质法则中的外光电效应，特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如所有半导体传感器、所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。

半导体气体传感器1.1传感器的组成与分类能量控制型传感器在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号。这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、外光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。霍尔传感器1.1传感器的组成与分类能量转换型传感器能量转换型传感器，又称有源型或发生器型传感器。传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、内光电效应等的传感器都属于此类传感器。光电传感器1.1传感器的组成与分类传感器特性：主要是指输出与输入之间的关系。传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。动态特性：当输入量随时间较快地变化时，输出与输入之间关系称为动态特性。静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时，输出与输入之间关系称为静态特性。快变信号

考虑输出的动态特性,即随时间变化的特性；

慢变信号

研究静态特性，即不随时间变化的特性。1.2传感器的一般特性

传感器的静态特性定义：被测量处于稳定状态下的输入输出关系。1．线性度传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。1.2.1传感器的静态特性传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，静态特性数学模型可用下列多项式代数方程表示：式中 y—输出量； x—输入量； a0—零点输出； a1—理论灵敏度； a2、a3、…、an—非线性项系数。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn1.2.1传感器的静态特性实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入了非线性补偿电路或者计算机软件法等补偿环节。非线性的方次不高，输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段。使传感器输出—输入特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。1.2.1传感器的静态特性表示在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度。通常用相对误差表示：

——最大非线性绝对误差；

——满量程输出。FullScale1.2传感器的一般特性

非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。①理论拟合；②端点连线平移拟合；③端点连线拟合；④过零旋转拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合1.2.1传感器的静态特性理论拟合过零旋转拟合端点连线拟合端点平移拟合几种直线拟合方法1.2.1传感器的静态特性0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法最小二乘法拟合y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为Δi=yi-(kxi+b)最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式。设拟合直线方程：1.2.1传感器的静态特性即得到k和b的表达式为系数k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。最小二乘法拟合1.2.1传感器的静态特性各种直线拟合方法的特点1.2.1传感器的静态特性因此，传感器输出曲线的斜率就是灵敏度。线性特性的传感器，特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。K=Δy/Δx传感器输出的变化量Δy与引起该变化量的输入变化量Δx之比即为静态灵敏度，表达式为1.2.1传感器的静态特性2．灵敏度3．迟滞传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞，如下图所示:迟滞特性1.2.1传感器的静态特性迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差可由下式计算：

式中：

——正反行程输出值间的最大差值。1.2.1传感器的静态特性0yx⊿HmaxyFS迟滞特性

迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。

传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示，即式中△Hmax—正反行程间输出的最大差值。1.2.1传感器的静态特性4．重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度，如图所示:重复性1.2传感器的一般特性△Rmax1正行程的最大重复性偏差△Rmax2反行程的最大重复性偏差yx0⊿Rmax2⊿Rmax1检测时也可选取几个测试点，对应每一点多次从同一方向趋近。重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。重复性误差可用正反行程中最大偏差表示：获得输出值系列yi1，yi2，yi3，…，yin

，算出最大值与最小值之差或3σ作为重复性偏差ΔRi，在几个ΔRi中取出最大值ΔRmax作为重复性误差：yFS1.2.1传感器的静态特性1.2.2传感器的动态特性传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。1.2.2传感器的动态特性以动态测温的问题为例说明传感器动态特性。在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下，都存在动态测温问题，如图所示:动态测温1.2.2传感器的动态特性常系数线性传感器微分方程：1.2.2传感器的动态特性传感器常见的动态输入：

脉冲输入正弦输入阶跃输入任意输入1.2.2传感器的动态特性1.一阶传感器热电偶、液注式温度计等1.2.2传感器的动态特性微分方程：a1(dy/dt)+a0y(t)=b0x(t)τ—时间常数(τ=a1/a0)；K——静态灵敏度(K=b0/a0)时间常数τ越小，系统的频率特性越好1.2.2传感器的动态特性一阶传感器的单位阶跃响应1.2.2传感器的动态特性2.二阶传感器加速度计

CD式测速传感器YD式测速传感器1.2.2传感器的动态特性二阶传感器微分方程：ω0—固有角频率

ω0=2π/τξ—阻尼比

K—静态灵敏度 K=b0/a01.2.2传感器的动态特性二阶传感器的单位阶跃响应1.2.2传感器的动态特性1.3传感器的标定 传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时确定出不同使用条件下的误差关系。传感器的标定工作可分为如下两方面：新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递；经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。传感器的标定分为静态标定和动态标定。静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定目的是确定传感器的动态特性参数，如固有频率和阻尼比等。1.3传感器的标定1.3.1传感器的静态特性标定1．静态标准条件没有