傳感器概述

我們生活的世界是由物質(zhì)組成的，一切物質(zhì)都處在永恒不停的運動之中。物質(zhì)的運動形式很多，它們通過化學現(xiàn)象或物理現(xiàn)象表現(xiàn)出來。表征物質(zhì)特性或其運動形式的參數(shù)很多，根據(jù)物質(zhì)的電特性，可分為電量和非電量兩種。1.1電量與非電量：電量：是指物理學中的電學量，如電流、電壓、電阻、電容、電感等；非電量：除電量之外的一些參數(shù)。如壓力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、溫度、濃度、酸堿度等。

隨著科學技術(shù)的不斷進步和自動化水平的提高，對被測量動態(tài)變化過程的測量和遠距離的檢測都提出了更高的要求，這樣就提出了傳感器技術(shù)的非電量電測方法。

非電量的測量不能直接使用一般電工儀表和電工儀器測量，因為一般電工儀器和電工儀表要求輸入的是電信號，這些儀器只能測量電量。非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電量，再進行測量。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件就是傳感器。（1）可進行微量檢測、精度高、反映速度快；（2）實現(xiàn)遠距離遙控及遙測；（3）實現(xiàn)無損檢測；（4）能連續(xù)進行測量、記錄及顯示；（5）可采用計算機技術(shù)對測量數(shù)據(jù)進行運算、存儲及信息處理；（6）測量安全可靠。非電量電測法的優(yōu)點：1.2非電量電測系統(tǒng)傳感器：獲得的信息正確與否，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的測量精度。測量電路：用來將傳感器輸出的信號進行處理和變換，使其輸出的信號便于顯示或記錄。顯示電路：電信號顯示成被測非電量的數(shù)值。記錄裝置：進行記錄或由打印機將數(shù)據(jù)打印出來。1.3傳感器的定義我國國家標準（GB7665-87）中說，傳感器（Transducer/Sensor）的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。我們的定義是：傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。（1）傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；（2）它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；（3）它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電物理量，但主要是電物理量；（4）輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。從字面上看，傳感器的作用是一感二傳：感受被測信息，并傳送出去。含義：1.4傳感器的組成：傳感器通常由敏感元件、傳感元件、測量電路和電源組成。敏感元件：是直接感受被測量（一般為非電量）并輸出與被測量成確定關(guān)系的其他量（也可包括電量）的元件。如：膜片和波紋管可把被測壓力變成位移量。傳感元件：可以直接或間接感受被測量并輸出電量。如：熱電偶、熱敏電阻，直接感受被測量并輸出電量變化。測量電路：能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示記錄，控制和處理的有用信號的電路。如：電橋、放大、阻抗匹配等電路。電源：提供器件工作的能源。（1）有的傳感器很簡單，有的則很復雜，大多是開環(huán)系統(tǒng)，有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)；（2）有的傳感器需要外加電源才能工作，例如：應(yīng)變片組成的電橋、差動變壓器等；有的傳感器不需要外加電源才能工作。例如：壓電晶體等；（3）有的傳感器，傳感元件不只一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。說明：

（4）不是所有的傳感器必須包括敏感元件和傳感元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，則它同時兼做傳感元件。如：熱電偶直接感受被測量并輸出電量變化。（5）敏感元件與傳感元件在結(jié)構(gòu)上常是裝在一起的，而測量電路為了減少外界的影響也希望和它們裝在一起，不過由于空間的限制或者其他原因，測量電路常裝在電箱中。盡管如此，因為不少傳感器要在通過測量電路后才能輸出電信號，從而決定了測量電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。（6）傳感器轉(zhuǎn)換能量的理論基礎(chǔ)都是利用物理學、化學、生物學現(xiàn)象和效應(yīng)來進行能量形式的變換。傳感器技術(shù)就是掌握和完善這些轉(zhuǎn)換的方法和手段，是涉及傳感器能量轉(zhuǎn)換原理、材料選取與制造、器件設(shè)計等多項綜合技術(shù)。1.5傳感器的分類

由某一原理設(shè)計的傳感器可以同時測量多種非電物理量，而有時一種非電物理量又可以用幾種不同傳感器測量。

根據(jù)被測量的性質(zhì)進行分類，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器及轉(zhuǎn)矩傳感器等。被測量可分為基本被測量和派生被測量兩類。例如：力可視為基本被測量，從力可派生出壓力、重量、應(yīng)力和力矩等派生被測量。當需要測量這些被測量時，只要采用力傳感器就可以了。1.5.1按被測物理量分類

基本被測量派生被測量位移線位移長度、厚度、應(yīng)變、振動、磨損、平面度角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動速度線速度速度、振動、流量、動量角速度轉(zhuǎn)速、角振動加速度線加速度振動、沖擊、質(zhì)量角加速度角振動、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量力壓力重量、應(yīng)力、力矩時間頻率周期、計數(shù)、統(tǒng)計分布溫度

熱容、氣體速度、渦流光

光通量與密度、光譜分布濕度

水分、水氣、露點

1.5.2按傳感器工作原理分類一、電參量式傳感器電阻式傳感器：利用變阻器將被測非電量轉(zhuǎn)換為電阻信號的原理制成。電容式傳感器：改變電容的幾何尺寸或改變介質(zhì)的性質(zhì)和含量，從而使電容量發(fā)生改變的原理制成。電感式傳感器:利用改變磁路幾何尺寸、磁體位置來改變電感或互感的電感量或壓磁效應(yīng)原理制成。二、磁電式傳感器磁電式傳感器：利用導體和磁場發(fā)生相對運動而在導體兩端輸出感應(yīng)電動勢的。霍爾式傳感器、磁柵式傳感器。三、壓電式傳感器利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)。四、光電式傳感器首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電器件變換成電信號。可分為光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導纖維式。五、氣電式傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成氣壓變化或氣流量變化信號，再進一步轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。六、熱電式傳感器根據(jù)熱電效應(yīng)做成。七、波式傳感器超聲波式、微波式等。八、射線式九、半導體式傳感器以半導體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導體材料內(nèi)載流子濃度或分布的變化。1.5.3按信號變換特性分：

傳感器

1.5.4按能量關(guān)系分：

傳感器

傳感器的特性主要是輸出與輸入之間的關(guān)系。當輸入量為常量或變化極慢時，這一關(guān)系就稱為靜特性；當輸入量隨時間較快地變化時，這一特性就稱為動特性。

人們總是希望傳感器的輸出與輸入具有確定的對應(yīng)關(guān)系，而且最好呈線性關(guān)系。但一般情況下，輸出輸入不會符合所要求的線性關(guān)系，同時由于存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動等各種因素的影響，以及外界條件的影響，使輸出輸入對應(yīng)關(guān)系的唯一確定性也不能實現(xiàn)。圖中的外界影響不可忽視，影響程度取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制，有時也可以對外界條件加以限制。圖中的誤差因素就是衡量傳感器特性的主要技術(shù)指標。1.6傳感器的靜特性傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器轉(zhuǎn)換的被測量數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出與輸入的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標有：線性度、靈敏度、遲滯和重復性。1．線性度傳感器的線性度是指傳感器實際輸出一輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即式中：——線性度；

——最大非線性絕對誤差；

——輸出滿度值。

線性度又稱為非線性誤差。通常總是希望輸出——輸入特性曲線成為線性，但實際的輸出——輸入特性只能接近線性，實際曲線與理論直線之間存在的偏差就是傳感器的非線性誤差。由圖可見，除圖1.1(a)為理想特性外，其他都存在非線性，都應(yīng)進行線性處理。

2．靈敏度傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定標準條件下，輸出變化量與輸入變化量的比值，即式中：

K——靈敏度，線性傳感器的靈敏度是個常數(shù)；

——輸出量的變化量；

——輸入量的變化量。

3．遲滯傳感器的遲滯是指傳感器輸入量增大行程期間和輸入量減小行程期間，輸出——輸入特性曲線不重合的程度。產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的主要原因是傳感器的機械部分不可避免地存在著間隙、摩擦及松動等。rH=±(1/2)(Δm/yfs)×100%Δm：正反行程間輸出的最大差值。

4．重復性傳感器的重復性是指傳感器輸入量在同一方向做全量程內(nèi)連續(xù)重復測量所得輸出——輸入特性曲線不一致的程度。產(chǎn)生不一致的原因與產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象是相同的。

圖中正行程的最大重復性偏差為Δm2，反行程的最大重復性偏差為Δm1。重復性偏差取這兩個偏差之中較大者為Δm，再以滿量程yfs輸出的百分數(shù)表示，即rR=±(Δm/yfs)×100%5.穩(wěn)定性傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，也稱零點飄移。測試時先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定點，相隔4小時或8小時或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差為穩(wěn)定性誤差。7溫度穩(wěn)定性又稱溫度飄移。指傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化。測試時先將傳感器置于一定溫度，將其輸出調(diào)至零點或某一特定點，使溫度上升或下降到一定的度數(shù)，再讀出輸出值，前后量詞輸出值之差為溫度穩(wěn)定性誤差。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干oC的絕對誤差或相對誤差表示。八、抗干擾穩(wěn)定性傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。

在實際測量中，大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，這就要求傳感器的輸出不僅能精確地反映被測量的大小，還要正確地再現(xiàn)被測量隨時間變化的規(guī)律。傳感器的動態(tài)特性，是指在測量動態(tài)信號時傳感器的輸出反映被測量的大小和隨時間變化的能力。動態(tài)特性差的傳感器在測量過程中，將會產(chǎn)生較大的動態(tài)誤差。1.7傳感器的動態(tài)特性1.9傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著電子計算機、生產(chǎn)自動化、現(xiàn)代信息、軍事、交通、化學、環(huán)保、能源、海洋開發(fā)、遙感、宇航等科學技術(shù)的發(fā)展，對傳感器的需求量與日俱增，其應(yīng)用的領(lǐng)域已滲入到國民經(jīng)濟的各個部門以及人們的日常文化生活之中。可以說，從太空到海洋，從各種復雜的工程系統(tǒng)到人們?nèi)粘Ｉ畹囊率匙⌒校茧x不開各種各樣的傳感器；傳感技術(shù)對國民經(jīng)濟的發(fā)展日益起著巨大的作用