传感器与检测技术第2章 传感器概述

第2章传感器概述 2.1传感器的根本概念

2.1.1传感器的定义与组成

1.传感器的定义

传感器的英文是“Sensor〞,来源于拉丁语“Sense〞,意思是“感觉〞、“知觉〞等。传感器的通俗定义可表述为“信息拾取的器件或装置〞。其严格定义在国家标准GB7665—87中的表述是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成〞,包含以下几方面的意思:

(1)传感器首先是一种测量器件或装置,它的作用表达在测量上。2.传感器的组成

传感器的种类繁多,其工作原理、性能特点和应用领域各不相同,故结构、组成差异很大。由于电量具有便于传输、转换、处理、显示等特点,因此传感器输出信号通常是电信

号形式(如:电压、电流等各种电参数),即传感器将非电量转换成电量输出。所以传感器通常由敏感元件、转换元件及根本转换电路三局部组成,如图2－1所示。图2－1传感器组成框图2.1.2传感器的分类

1.按被测物理量分类

按被测量的性质进行分类,有利于准确表达传感器的用途,对人们系统地使用传感器很有帮助。如位移传感器用于测量位移等。本书主要就是按这一分类方法作为编写体系来

介绍各种类型的传感器的。

2.按传感器工作原理分类

按工作原理分类是传感器最常见的分类方法,这种分类方法将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据,有利于对传感器工作原理的阐述和对传感器的深

入研究与分析。如电感式传感器、电容式传感器等。

3.按传感器转换能量的情况分类

按照传感器的能量转换情况,传感器可分为能量控制型和能量转换型传感器两大类。

①能量转换型:又称发电型,不需外加电源而将被测能量转换成电能输出,这类传感器有压电式、热电偶、光电池等。

②能量控制型:又称参量型,需外加电源才能输出电能量。这类传感器有电阻、电感、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等。4.按传感器结构分类

按传感器的结构构成可分为结构型、物性型和复合型传感器。

(1)结构型:被测参数变化引起传感器的结构变化,使输出电量变化,利用物理学中场的定律和运动定律等构成,如电感式、电容式。这类传感器的特点是其性能以传感器中元件相对结构(位置)的变化为根底,而与其材料特性关系不大。

(2)物性型:利用某些物质的某种性质随被测参数变化的原理构成。传感器的性能与材料密切相关,如压电传感器、各种半导体传感器等。这类传感器的“敏感元件〞就是材料

本身,无所谓“结构变化〞,因此,通常具有响应速度快的特点,而且易于实现小型化、集成化和智能化。

(3)复合型传感器那么是结构型和物性型传感器的组合,同时兼有二者的特征。

5.按传感器输出信号的形式分类

(1)模拟式:传感器输出为模拟量。

(2)数字式:传感器输出为数字量,如编码器式传感器。

下面列出根据被测量、测量原理、传感基理、输出形式和电源形式等进行的分类表,如表2－1所示。2.1.3传感器的命名与代号

1.传感器的命名2.传感器的代号图2－2传感器产品代号及格式

(1)主称:传感器代号C。

(2)被测量:用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。常用的被测量代码如表2－3所示。

表2－3被测量代号举例

(3)转换原理:用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。转换原理代码如表2－4所示。

(4)序号:用一个阿拉伯数字标记,厂家自定,用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。当产品性能参数不变,仅在局部有改动或变动时,其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等(其中I、Q不用)。

例如:应变式位移传感器:CWYYB20;光纤压力传感器:CYGX2。表2－4转换原理代号举例图2－3传感器的图形符号在使用这种图形符号时应注意以下几个问题:

(1)表示转换原理的限定符号应写进正方形内,表示被测量的限定符号应写进三角形内,如图2－4(a)所示。

(2)无须强调具体的转换原理时,传感器的图形符号可以简化,如图2－4(b)所示。

(3)对于传感器的电气引线,应根据接线图设计需要,从正方形的三条边线垂直引出。

如果引线需要接地或接壳体、接线板,应按照GB4728.

2中的规定绘制,如图2－5所示。图2－4传感器的图形符号说明图2－5传感器的电气引线图2－6用文字符号表示方式图2－7典型传感器的图形符号

(2)石英晶体材料。石英晶体材料包括压电石英晶体和熔凝石英晶体(又称石英玻璃),它具有极高的机械品质因数和非常好的温度稳定性。同时,天然的石英晶体还具有良好的压电特性。因此,可采用石英晶体材料来研制一些微型化的高精密传感器。3)传感器的多功能化开展

一般的传感器多为单个参数测量的传感器,近年来,出现了利用一个传感器实现多参数测量的多功能传感器。如一种同时检测Na+、K+和H+离子的传感器,可检测血液中的钠、钾和氢离子的浓度,对诊断心血管疾患非常有意义。该传感器的尺寸为2.5mm×0.5mm×0.5mm,可直接用导管送到心脏内进行检测。

气体传感器在多功能方面的进步最具代表性。如一种多功能气体传感器能够同时测量H2S、C8H18、C10H20O、NH3四种气体。该传感器的敏感结构共有6个用不同敏感材料制成的局部,其敏感材料分别是ZnO、SnO2、WO3、ZnO(Pt)、WO3(Pt)、SnO2(Pb),它们分别对上述四种被测气体均有响应,但其相应的灵敏度差异很大,利用其从不同敏感局部输出的差异,即可测出被测气体的浓度。

2.2传感器的一般特性

2.2.1传感器的静态特性

当被测对象处于静态,也即传感器的输入量为常量或随时间作缓慢变化时,传感器输出与输入之间呈现的关系称为静态特性。静态特性是通过在使用前对传感器进行标定或定期校验获得的。静态标准工作条件规定是指没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测量);环境温度一般为室温

(20±5)℃;相对湿度不大于85%;大气压力为(10137±7800)Pa((760±60)mmHg)的情况。

由高精度输入量发生器给出一系列数值的、准确的、不随时间变化的输入量xi(i=1,2,…,n),用高精度测量系统测定被校传感器对应输出量yi(i=1,2,…,n),从而得出

(yi,xi)系列值得出的数表、曲线或所求得的数学表达式表征的被校传感器的输入输出关系。1.灵敏度(Sensitivity)

传感器灵敏度是传感器输出变化量与引起此变化的输入变化量之比,表示传感器对被测量变化的反响能力,如图2－8所示。图2－8灵敏度从图2－8(a)可以看出,线性传感器的特性曲线是一条直线,其灵敏度是该直线的斜率,为一个常数。直线的斜率越大,线性传感器的灵敏度K

越高,即(2－1)从如图2－8(b)可以看出,对于非线性传感器,其灵敏度K

是一个随工作点而变的变量,不是常数,即(2－2)从灵敏度定义可知,灵敏度是一个有量纲的数。当讨论某一灵敏度时,必须确切地说明它的单位。例如,压力传感器的灵敏度用KP表示,单位是mV/Pa。假设输入与输出量的量纲相同,那么灵敏度无量纲,此时常用“放大倍数〞一词代替灵敏度。当某检测系统是由灵敏度分别为K1、K2、K3等多个相互独立的环节组成时,系统的总灵敏度K为(2－3)式(2-3)说明某检测系统的总灵敏度等于各个环节灵敏度的乘积。2.线性度(Linearity)

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。从传感器的性能来看,希望其输出与输入的关系具有线性特性,这样可以使显示仪表刻度均匀,在整个测量范围内具有相同的灵敏度,并且不必采用线性化环节,从而简化传感器的内部结构。但实际的传感器由于存在着迟滞、蠕变、摩擦等因数的影响,使输出与输入的对应关系为非线性,为了标定和数据处理方便,要对传感器的输出与输入的关系曲线进行线性化处理。

在被测量处于稳定状态时,假设传感器的非线性不严重,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,使传感器的输入输出特性线性化,这种方法叫拟合直线法。传感器的线性度也称为非线性误差γ

L,其表示方法是在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值ΔLmax与满量程输出值Y

FS(FS是FullScale满量程的缩写)之比的百分数来表示,即(2－4)显然,选取的拟合直线不同,所得的线性度值也不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差,并考虑使用与计算方便。常用的拟合直线方法有以下几种:(1)理论直线法。通常取零点(0%)为起始点,满量程输出(100%)为终止点,连接这两点的直线(y

=kx)即为理论直线。如图29(a)所示,以传感器的理论特性线作为拟合直线,它与实际测试值无关。该方法的优点是简单、方便,但通常ΔLmax很大。

(2)端点线法。取传感器标定出的零点输出平均值为起始点,满量程输出平均值为终止点,连接这两点的直线(y=a0

+kx)为端基拟合直线。如图2-9(b)所示,以此直线为基准可计算出实际曲线与拟合曲线的偏差程度。这种方法很简便,但ΔLmax也很大。

(3)端点平移法。以传感器校准曲线两端点间的连线平移所得的直线作拟合直线,该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正、负偏差相等并且最小,如图2-9(c)所示。

(4)最小二乘法。这种方法按最小二乘原理求取拟合直线,该直线能保证传感器校准数的残差平方和最小。虽然最小二乘法的拟合精度很高,但校准曲线相对拟合直线的最大

偏差绝对值并不一定最小,最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。图2－9不同的拟合方法

3.迟滞(Hysteresis)

传感器的迟滞特性是在输入量由小到大(正行程)及输

入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线出现

的不重合程度。也就是说,尽管输入为同一输入量,但输出

信号的大小却不相等,这个差值称为迟滞误差γH,如图

2－10所示。

传感器的迟滞误差的表示方法是用正、反向输出量的最

大偏差ΔHmax与满量程输出YFS的之比的百分数来表示,即(2－5)4.重复性(Repeatability)

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续屡次变化时,所得特性曲线不一致的程度。各条特性曲线越靠近,那么说明重复性越好。

传感器输出特性曲线的重复特性如图2－11所示。

图2－11中,正行程的最大重复性偏差为ΔRmax1,反行程的最大重复性偏差为ΔRmax2。传感器的重复性也称为重复误差γR,其表示方法是重复性偏差(取这两个最大偏差中之较大者为ΔRmax)与满量程输出YFS之比的百分数,即(2－6)2.2.2传感器的动态特性

1.传感器的频率响应特性

由控制理论可知,在初始条件为零时,传感器输出的傅里叶变换和输入的傅里叶变换之比,即为频率响应函数。这样传感器的频率响应函数为(2－7)式中,a0

、a1

、…、an

及b0

、b1

、…、bm

是与传感器结构特性有关的常数。图2－12典型对数幅频特性2.传感器的阶跃响应特性

当给静止的传感器输入一个单位阶跃信号时,其输出信号称为阶跃响应。衡量阶跃响应的指标如图2－13所示,模拟传感器的动态特性指标如表2－5所示。图2－13一阶、二阶系统的阶跃响应曲线 2.3传感器的性能指标

2.3.1传感器的主要性能指标

传感器的优劣一般通过假设干主要性能指标来表征。除了前面已介绍的特性参数,如线性度、迟滞、重复性、灵敏度、频率特性、阶跃响应特性外,还常用测量范围、量程、零位、

分辨力、阈值、输入/输出电阻、稳定性、漂移、准确度、过载能力、可靠性以及与环境相关的参数、使用条件等。

(1)测量范围(MeasuringRange):传感器所能测量到的最小输入量Xmin与最大输入量Xmax之间的范围。(2)量程(Span):又称“满度值〞,表征传感器测量范围的上限值Xmax与下限值Xmin的代数差Xmax-Xmin;当输入量在量程范围以内时,传感器正常工作,并保证预定的性能。

(3)零位(Zero):当输入量为零时,传感器的输出量不为零的数值。零位值应从测量结果中设法消除。(4)分辨力(Resolution):表征传感器能检测到被测量的最小变化量的能力,是一个有量纲的数。即被测量的变化小于分辨力,那么传感器无反响。对于数字式传感器或仪表,一般可以认为其指示值的最后一位数值就是它的分辨力。例如,当某位(常称3位半)数字式电子温度计的示值+180.6℃,该温度计的分辨力为0.1℃,那么被测温度的变化量小于±0.1℃时,数字式温度计的最后一位数不变,仍指示原值。将分辨力除以仪表的满度量程,再以百分数表示时那么称为分辨率。(5)阈值(Threshold):表征当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加,能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值,即零点附近的分辨力。有的传感器在零位

附近有严重的非线性,形成所谓“死区〞(DeadBand),那么将死区的大小作为阈值;更多情况下,阈值主要取决于传感器噪声的大小,因而有的传感器只给出了噪声电平。阈值大的传

感器其迟滞误差一定大,而分辨力未必差。(6)输入与输出电阻(InputResistanceandOutputResistance):输入电阻与输出电阻

对于组成检测系统的各环节甚为重要。前一环节的输出电阻相当于后一环节的信号源内阻,后一环节的输入电阻相当于前面环节的负载。假设希望前级输出信号无损失地传送给后

级,根据全电路欧姆定律可知信号源的内阻应为零,即前级环节对后级环节而言相当于理想电压源,其内阻即输出电阻应为0;后续输入电阻承接了全部电压信号,故输入电阻理想值为∞。这样前后环节为独立环节,各环节之间不需要阻抗变换器。

(7)稳定性(Stability):传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点,相隔4h、8h或一定的工作次数后,再读出输出值,前后两

次输出值之差即为稳定性误差。稳定性一般以室温条件下经过规定时间间隔后,传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示,有时也有用标定的有效期来表示;可用相对

误差表示,也可用绝对误差表示。(8)漂移(Drift):在外界的干扰下,在一定时间间隔内,传感器输出量存在着有与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移(说明零点不稳定的漂移)与灵敏度漂移(说明灵敏度有变化的漂移),如图2－14所示。

零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移(时漂)和温度漂移(温漂)。时漂是指在规定条件下,零点或灵敏度随时间的缓慢变化;温漂为周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。测试时先将传感器置于一定的温度(如室温)下,将其输出调至零点或某一特定点,使温度上升或下降一定的度数(如5℃或10℃)再读出输出值,前后两次输出值之差即为温漂误差。漂移反映了传感器工作的稳定性,对于需要长时间运行的传感器,这个指标更为重要。图2－14传感器的漂移(9)精度(Accuracy):表征传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度,是评价传感器静态性能的综合性指标。测量误差越小,传感器的精度越高。

传感器的精度S用其量程范围内的最大根本误差与满度量程输出之比的百分数来表示,根本误差是传感器在规定的正常工作条件下所具有的测量误差,由系统误差和随机误差两局部组成。其迟滞误差与线性误差所表示的误差为传感器的系统误差,重复性所表示的误差为随机误差,即(2－8)式中,Δx为测量范围内允许的最大根本误差。(2－9)例如,某传感器在90000h的运行中发生了12次故障,那么MTBF=90000/12=7500h。MTBF说明发生一次故障的平均时间间隔。单位时间内(一般以小时计)发生故障的平均次数称为平均故障率,用λ表示:(2－10)根据传感器所用元件的各自故障率和元件所处不同工作条件(工作强度)和加权系数,可以计算出仪表的故障率λ,从而得到仪表的MTBF。此外,仪表的MTBF也可直接通过可靠性实验或现场运行等实验方法来估计。在选用传感器时,不应片面追求其线性度要好、灵敏度要高、迟滞要小、重复性要优、分辨力要强,而是要根据检测的具体要求,首先保证主要性能指标。一般传感器的工作要求是:高精度、低本钱、