《传感器技术》课件第1章

第1章传感器技术基础1.1传感器的定义及组成1.2传感器的基本特性1.3传感器的标定1.4传感器的命名及技术指标1.5传感器的选择与使用 1.1传感器的定义及组成

1.1.1传感器的定义

在工程技术中，传感器是人体“五官”的工程模型。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。这一定义包含了几个方面的含意：(1)能感受被测量敏感，灵敏地反映被测量的变化；

(2)传感器的输出与输入之间满足一定的规律，且具有一定的精度；

(3)可用输出信号通常是指便于传输、转换、处理和显示的信号，目前主要是电信号，电信号有很多形式，如电压、电流、电容、电阻、频率等，输出信号的形式由传感器的原理确定，随着科学的发展，输出信号将来也可能是光信号或其它的信号；

(4)被测量可以是物理量，也可以是化学量、生物量或其它的量。1.1.2传感器的组成与分类

1.传感器的组成

一般将传感器的组成定义为：“传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成”。根据此定义可知，传感器是由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，如图1.1.1所示。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分转换元件；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。在实际应用中，传感器的具体构成方法视被测对象、转换原理、使用环境及性能要求等具体情况的不同而有很大差异。图1.1.1传感器组成

2.传感器的分类

传感器技术是一门知识密集型技术，它与许多学科有关。传感器的原理各种各样，其种类十分繁多，传感器的分类方法很多，国内外尚无统一的分类方法，一般按如下几种方法进行分类。

(1)按输入被测量分类

这种方法是根据输入物理量的性质进行分类，如温度、压力、位移、速度、湿度等传感器。这种分类方法给使用者提供了方便，使大家容易根据被测量对象来选择所需的传感器。

(2)按输出信号形式分类

这种分类方法是根据传感器输出信号的不同来进行分类，有模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器的特点是输出的信号为模拟量；数字式传感器的特点是输出的信号为数字量，数字传感器便于和计算机联用，且抗干扰性强。

(3)按工作原理分类

这种分类方法是按传感器的工作原理分类，如应变式、电容式、压电式、磁电式等，如表1.1.1所示。本书是按该分类方法来介绍各种传感器的，对于初学者和应用传感器的工程技术人员来说，应先从工作原理出发，了解各种各样的传感器。

1.1.3传感器的作用与地位

传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。传感器与人的感官一一对应，相当于人眼(视觉)的光传感器，如光敏元件、电荷耦合器件(CCD)、图像传感器和光敏二极管等；相当于入耳(听觉)的音响传感器，如传声器、压电元件等；相当于人皮肤(触觉)的振动传感器、温度传感器和压力传感器；相当于人舌头(味觉)的味觉传感器，如氧化物、离子传感器等；相当于人鼻子(嗅觉)的嗅觉传感器，如生物化学元件等。目前，传感器技术早己渗透到诸如工农业生产、交通运输、环境保护、海洋探测、资源调查、健康管理、生物工程、宇宙开发、文物保护等极其广泛的领域。可以说，从宏观的茫茫宇宙探索到研究微观粒子的世界，从各种复杂的工程系统到日常生活的衣食住行，几乎每一个现代化项目都离不开各种各样的传感器。传感器的作用包括以下几方面：

(1)信息的收集

科学研究中的计量测试、产品制造与销售中所需的计量等都需由测量而获得准确的定量数据。对某种特定要求，需检测目标物的存在状态，把某状态信息传换为数据，对系统或装置的运行状态进行监测，发现异常情况时，发出告警信号并启动保护电路工作，这样可以对系统或装置进行正常运行与安全管理。判断产品是否合格，或是人体各部位的异常诊断等都需由传感器的测量来完成。

(2)信息数据的交换

把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信号数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据，或者读出并记录在各种媒介体上的信息并进行转换，例如，磁盘与光盘的信息读出磁头就是一种传感器。

(3)控制信息的采集

检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。1.1.4传感器技术的发展动向

传感器技术的发展动向主要有两个方面：一是传感器本身的基础研究；二是与电子技术以及计算机技术组合在一起的传感器系统的研究。前者是研究新型传感器，后者是研究新材料、新工艺以及将检测功能与信号处理技术相结合，向集成化、智能化方向发展。

1.发现新现象

目前的传感器物理型居多，而化学型和生物型较少。即使是物理型也有许多方面有待于进一步深入研究和开发。根据物理学家们列出的“效应周期表”，仅在热、磁、电三者之间就存在54种有关效应，到目前为止实际发现并被利用的不足20种，这说明大量未发现的效应需要发现、开发与利用，而发现新现象与新效应则可扩大传感器的检测极限和应用领域，其意义极为深远。例如，日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感技术的重大突破，其灵敏度比霍尔器件高，仅次于超导量子干涉器件，而其制造工艺远比超导量子干涉器件简单，它可用于磁成像技术，具有广泛的推广价值。

2.开发新材料

随着材料科学的迅猛发展，人们已设计制造出各种用于传感器的功能材料，而新材料又是开发新传感器的基础。近年来，半导体材料发展很快，在气敏、热敏、光敏传感器中得到广泛应用；有机材料也是制造力敏、气敏、湿敏、光敏和离子敏传感器的重要材料；光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，它被制成多种传感器，以光信号传输代替电信号传输，具有耐高温、防爆、抗电磁干扰、远传等优点，这是由其它材料制成的传感器所不能比拟的；格外引入注目的生物传感器，是由生物敏感材料构成，有的生物传感器的某些性能已超过人的感官，受到各国学者的高度重视。

3.集成化、多功能化

将敏感元件和放大电路、运算电路、温度和线性补偿电路等利用IC技术，制作在同一芯片上或制成混合式的传感器。从点到一维、二维、三维空间图像的检出，而且正向着包含时间系列的四维空间发展，这样同一个传感器不仅能检测一种信号，而且可以检测多种信号。

4.智能化传感器

20多年前，美国Honeywell公司推出了第一个智能传感器。它将硅敏感元件与微处理器的计算、控制能力结合在一起，建立起一种新的传感器概念，从而使传感器技术进入一个新的阶段。智能传感器是一种带微处理器的传感器，具有信息的采集、记忆、诊断、综合和处理等功能。现在符合要求的智能传感器的数量虽然很少，但随着今后的科技发展，将会出现更多更好的智能传感器。 1.2传感器的基本特性

1.2.1传感器的静态特性

1．静态特性

静态特性是指输入的被测参数不随时间而变化，或随时间变化很缓慢时，传感器的输出量与输入量的关系。传感器实际输出与输入关系曲线用下列多项式代数方程表示(1.2.1)图1.2.1传感器静态特性曲线(1.2.2)静态特性曲线是一条直线、传感器的灵敏度为(1.2.3)

2)非线性项仅有偶次项输出—输入特性曲线不对称，这时，在(1.2.1)式中除线性项外，非线性项只是偶次项，即(1.2.4)对应的曲线如图1.2.1(b)所示。

3)非线性项仅有齐次项

在原点附近的相当范围内，输出—输入特性基本成线性，如图1.2.1(C)所示。在这种情况下，在(1.2.1)式中除线性项外，非线性项只是奇次项，即(1.2.5)对应的曲线如图1.2.1(c)所示。

4)一般情况表达式是式(1.2.1)，对应的特性曲线如图1.2.1(d)所示。

2.静态特性指标

衡量传感器静态特性优劣的主要指标有：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨率、稳定性、漂移和静态误差等。

1)线性度

理想传感器的输出与输入呈线性关系。然而，实际的传感器即使在量程范围内，输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的，总存在一定的非线性，线性度就是评价非线性程度的参数，其定义为：传感器的输出—输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称为该传感器的“非线性误差”或称“线性度”。通常用相对误差表示其大小，即(1.2.6)式中，△max—输出输入量实际关系曲线与拟合直线之间的最大偏差值；yFS—满量程输出。拟合直线的方法很多。不同的拟合直线，非线性误差也不同。选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。最简单的是端基线性度的拟合直线，只需校正传感器的零点和对应于最大输入量xmax的最大输出值yFS点，将这两点连成直线便得到该传感器的拟合直线，此法简单方便，但精度不高。根据误差理论，采用最小二乘法来确定拟合直线，其拟合精度最高。

2)迟滞

迟滞特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出—输入特性曲线不重合的程度，如图1.2.2所示。也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料内摩擦、积尘等。图1.2.2迟滞特性迟滞误差大小一般由实验方法确定，用最大输出差值△max与满量程输出yFS的百分比来表示，即(1.2.7)

3)重复性

重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得到的各特性曲线不一致的程度，如图1.2.3所示。多次重复测试的曲线越重合，说明重复性越好，误差也小。重复性误差只能用实验方法确定。为了衡量传感器的重复特性，一般采用输出最大重复性偏差△max与满量程yFS的百分比来表示，即(1.2.8)重复性误差也常用绝对误差表示。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，获得输出系列值，算出最大值与最小值之差作为重复性偏差，然后在几个重复性偏差中取出最大值△max作为重复性误差。图1.2.3重复性

4)灵敏度

灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比，用k来表示。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，如图1.2.4(a)所示，其表达式为(1.2.9)非线性传感器的灵敏度不是常数，如图1.2.4(b)所示，其表示式为(1.2.10)例如，某位移传感器在位移变化1mm时，输出电压变化有300mV，则其灵敏度为300mV／mm。

图1.2.4传感器灵敏度1.2.2传感器的动态特性

大多数情况下，传感器的输入信号是随时间变化的，这时要求传感器时刻精确地跟踪输入信号，按照输入信号的变化规律输出信号。当传感器输入信号的变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号的变化加快，传感器随动跟踪性能会逐渐下降。输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程叫做响应。动态特性就是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。响应特性即动态特性，是传感器的重要特性之一。

1.传感器的传递函数

假设传感器在输入输出存在线性关系(即传感器是线性的，特性不随时间变化)的范围内使用，则它们之间的关系可用高阶常系数线性微分方程表示：(1.2.12)当其初值为0时，对上式进行拉氏变换即可得系统传递函数H(s)的一般式为(1.2.13)式中，Y(s)—传感器输出量的拉氏变换式；Y(s)—传感器输入量的拉氏变换式；s—拉氏算子，为复数。

传递函数在数学上的定义是：初始条件为零时，输出量(响应函数)的拉氏变换与输入量(激励函数)的拉氏变换之比。传递函数表示系统本身的传输、转换特性，与激励及系统的初始状态无关。同一传递函数可能表征着两个完全不同的物理(或其它)系统，但说明它们有相似的传递特性。当传递函数式（1.2.12）中，只有a0与b0不为零(1.2.13)称为零阶系统。这种传感器的输出能精确地跟踪输入，电位器式传感器就是一种零阶系统。除系数a1，a0，b0外，其它系数均为零的系统称为一阶系统。一阶系统的传递函数为(1.2.14)

2．传感器的动态响应

输入信号从某一稳定状态到另一稳定状态时，输出信号也跟着变比。输出信号到达新的稳定状态以前的响应特性叫做瞬态响应，当时间t趋于无穷大时传感器的输出状态叫做频率响应。研究传感器的瞬态响应常用阶跃信号，因为它是最基本的瞬变信号。研究频率响应时常用正弦信号，因为任何周期性信号都可以看成是正弦函数的迭加。

1)瞬态响应

对于一阶系统的传惑器，设在t=0时，x和y均为0；当t＞0时，有一单位阶跃信号输入，如图1.2.5(a)所示，此时方程(1.2.11)变为(1.2.15)此时该齐次方程的通解为(1.2.16)而该非齐次方程的特解为(1.2.17)因此方程的解为(1.2.18)(1.2.19)式(1.2.19)画成曲线，如图1.2.5(b)所示。输出的初值为零，随着时间的推移，y接近于l，当t=τ时，y=0.63。在一阶惯性系统中，时间常数τ值是决定响应速度的重要参数。图1.2.5一阶传感器的阶跃响应将一阶传感器的传递函数式(1.2.13)中的s用jω代替后，即可得频率特性表达式，即(1.2.20)幅频特性(1.2.21)相频特性(1.2.22)图1.2.6为一阶传感器的频率响应特性曲线。从式(1.2.22)、式(1.2.23)和图1.2.6看出，时间常数τ越小，频率响应特性越好。当ωτ<<1时，A(ω)≈1，，表明传感器输出与输入为线性关系，且相位差也很小，输出y(t)比较真实地反映了输入x(t)的变化规律，因此，减小τ可改善传感器的频率特性。图1.2.6一阶传感器频率特性 1.3传感器的标定

1.3.1标定的方法及组成

1．传感器的标定

传感器的标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量与输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。

传感器的标定有两层含义：一个是确定传感器的性能指标，另一个是明确这些性能指标所适用的工作环境。

2．传感器标定的基本方法

传感器标定的基本方法是将已知的被测量(亦即标准量)输入给待标定的传感器，同时得到传感器的输出量，对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。

3．传感器标定系统的组成

传感器标定时，所用测量设备的精度通常要比待标定传感器的精度高一个数量级(至少要高1/3以上)。为了保证各种被测量量值的一致性和准确性，很多国家都建立了一系列计量器具(包括传感器)检定的组织和规程、管理办法。我国由国家计量局、中国计量科学研究院和部、省、市计量部门以及一些大企业的计量站进行制定和实施。国家计量局(1989年后由国家技术监督局)制定和发布了力值、长度、压力、温度等一系列计量器具规程，并于1985年9月公布了《中华人民共和国计量法》，其中规定：计量检定必须按照国家计量检定系统表进行。计量检定系统表是建立计量标准、制定检定规程、开展检定工作、组织量值传递的重要依据。工程测试中传感器的标定，应在与其使用条件相似的环境下进行。为获得较高的标定精度，应将传感器及其配用的电缆(尤其象电容式压电式传感器等)、放大器等测试系统一起标定。

根据系统的用途，输入可以是静态的也可以是动态的，因此传感器的标定有静态和动态标定两种。但应注意：由于一个已知的动态源不能独立存在，因此，动态响应通常建立在静态标定的基础上。1.3.2传感器的静态标定

静态标定就是输入到传感器的信号是一个不随时间变化而等于常量的标定。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。传感器的静态特性是在静态标准条件下标定的。

1.静态标定条件

所谓静态标定条件主要是指没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测量)，环境温度为20℃±5℃，相对湿度不大于85%，大气压力为101.32kPa±7.998kPa等条件。

2．静态特性的标定方法

对传感器进行静态标定时，首先要创造一个静态标准条件，其次是选定与被标定传感器精度要求相适应的具有一定等级的标定用仪器设备，然后才能对传感器的静态特性进行标定。标定过程及步骤如下：

(1)将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点；

(2)根据传感器量程分点情况，由小到大、逐点递增输入标准量值，并记录下与各点输入值相对应的输出值；

(3)将输入量值由大到小逐点递减，同时记录下与各点输入值相对应的输出值；

(4)按(2)、(3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次(一般为3～10次)测试，将得到的输出—输入测试数据用表格列出或画成曲线；

(5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以得到传感器校正曲线，进而可以确定出传感器的灵敏度、线性度、迟滞和重复性。1.3.3传感器的动态标定

传感器动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。有时，根据需要也要对横向灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定。

传感器动态标定实质上就是通过实验得到传感器动态性能指标的具体数值，也称为实验确定法。实验确定法常因传感器形式不同而不完全一样，一般可分为阶跃信号响应法、正弦信号响应法、随机信号响应法和脉冲信号响应法。传感器的动态标定方法有绝对标定法和比较法。绝对标定法精度高，但所需设备复杂，标定不方便，常用于高精度传感器与标准传感器的标定。比较法则是由灵敏度已知的标准传感器与待标定传感器同时感受相同的被测信号。

同静态标定一样，在对传感器进行动态标定时，需对传感器输入一种标准激励信号。常用的标准激励信号有周期性信号(正弦信号、三角波信号、方波脉冲信号)和瞬时变化信号(阶跃信号、半正弦波等)，并测出其在动态输入信号激励时响应的输出量值，然后绘出响应曲线。

利用上述标定系统采用逐点比较法可以标定待标定传感器的频率响应。随着技术的进步，在上述方法的基础上，出现了连续扫描法。连续扫描法的原理是将标准被测量与内装或外加的标准传感器组成闭环扫描系统，使待标定传感器在连续扫描过程中被测量，并记下待标定传感器的输出随频率变化的曲线。通常频率偏差以参考灵敏度为准，各点灵敏度相对于该灵敏度的偏差用分贝数给出。这种方法操作简单，效率很高。

需要说明的是，由于传感器种类繁多，标定设备与方法各异，各种传感器的标定项目也有所区别。此外，随着技术的不断进步，不仅标准发生器与标准测试系统在不断改进，利用微型计算机进行数据处理、自动绘制特性曲线以及自动控制标定过程的系统也在各种传感器的标定中出现。

1.4传感器的命名及技术指标

1.4.1传感器的命名方法及代号

中华人民共和国国家标准GB7666—87规定了传感器的命名方法及代号，并将其作为统一传感器命名及代号的依据，本标准适用于传感器的生产、科学研究、教学以及其它相关领域。

1.传感器的命名方法

一种传感器产品的名称，应由主题词加四级修饰语构成。

(1)主题词—传感器；

(2)第一级修饰语—被测量，包括修饰被测量的定语；

(3)第二级修饰语—转换原理．一般可后续以“式”字；

(4)第三级修饰语—特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件以及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字；

(5)第四级修饰语—主要技术指标(量程、精确度、灵敏度范围等)。

2.传感器命名的应用

应用的场合不同，命名方法也不完全相同，譬如：

(1)题目中的用法。本命名法在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合，应采用上述所规定的顺序。如，传感器、色压、应变[计]式、放大[型]、0～3500kPa。

(2)正文中的用法。作为产品名称，在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，应采用与上述相反的顺序。如，0～3500kPa放大[型]应变[计]式色压传感器。

(3)修饰语的省略。当对传感器的产品名称简化表征时，除第一级修饰语外，其它各级可视产品的具体情况任选或省略。

(4)在侧重传感器科学研究的文献、报告及有关教材中，为便于对传感器进行原理及其分类的研究，允许只采用第二级修饰语，省略其它各级修饰语。

3．传感器的代号

传感器的完整代号应包括以下四部分：(1)主称(传感器)；(2)被测量；(3)转换原理；(4)序号。各部分代号的表述格式如图1.4.1所示。在被测量、转换原理、序号三部分代号之间须用连字符“—”连接。图1.4.1传感器代号表述格式传感器代号各部分的意义如下:

(1)第一部分—主称(传感器)，用汉语拼音字母“C”标记。

(2)第二部分—被测量，用其一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记，如表1.4.1。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则取汉语拼音的第二个大写字母作代号，以此类推。对于有两个或两个以上被测量的多功能传感器，应作同样处理。当被测量为离于、粒子或气体时，可用其元素符号、粒于符号或分子式加圆括号()表示。

(3)第三部分—转换原理，用其一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记，如表1.4.2。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则用其汉语拼音的第二个大写字母作代号，以此类推。

(4)第四部分—序号，用阿拉伯数字标记。序号可表征产品设计特征、性能参数、产品系列等。如果传感器产品的主要性能参数不改变，仅在局部有改进或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写汉语拼音字母A、B、C、……(其中I、O两个字母不用)。序号及其内涵可由传感器生产厂家自选决定。

4.传感器代号标记举例

（1）应变式位移传感器（2）光纤式压力传感器（3）谐振式压力传感器1.4.2传感器的技术指标

传感器的技术指标是衡量和评价传感器性能好坏的重要条件和主要依据。由于传感器应用广泛，类型较多，使用要求千差万别，传感器性能的基本参数、环境参数、可靠性等性能指标较多，表1.4.1列出了几个方面的技术指标，对于一种具体的传感器而言，并不是全部指标都是必需的。此外，按照不同的需要，可列出一些特定含义的指标，在上述各项指标中，也有对于一些性能参数采用不同特征参数表达的情况。 1.5传感器的选择与使用

1.5.1传感器的正确选择

由于传感器的研制和发展很快，传感器的种类和型号较多，对传感器的选择就变得更加灵活。同一测量任务可用多种传感器完成，但是其测量成本、技术条件限制等往往是不一样的。因此，针对具体测量对象、测量目的，选择合适的测量传感器就必须有一定的标准。为了选择最适合于测试目的的传感器，—般按照如下原则进行：

1.根据测量条件进行选择

(1)测量的目的；

(2)被测量的性质；

(3)测量范围；

(4)输入信号的幅值、频带宽度；

(5)精度要求；

(6)测量所需要的时间。

2．根据传感器的性能进行选择

(1)精度；

(2)稳定度；

(3)响应速度；

(4)模拟量与数字量；

(5)输出量幅值；

(6)对被测物体产生的负载效应；

(7)校正周期；

(8)超标准过大的输入信号保护。

3.根据传感器的使用环境条件进行选择

(1)安装现场条件及情况；

(2)环境条件(湿度、温度、振动等)；

(3)信号传输距离；

(4)需要现场提供的