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一、传感器基本概念和特性

传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一。传感器技术的水平高低是衡量一个国家科技发展水平的主要标志之一。传感器已广泛应用于工业自动化、航天技术、军事领域、机器人开发、环境检测、医疗卫生、家电行业等各学科和工程领域，据有关资料统计，一台大型发电机组需要约3000个传感器，一个大型石油化工厂需要大约6000个传感器，一个钢铁厂需要约20000个，一个电站需要约5000个。阿波罗宇宙飞船用了1200多个传感器，其运载火箭用了2000多个传感器。

1.传感器的定义、组成和分类

（1）传感器的定义

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。它获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。但目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。一般也称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号陆续输送给后续配套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等。

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转换电路组成。如图1-1所示。

敏感元件是传感器的核心，它在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。如图1-2中弹簧管就属于敏感元件。当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。

被测量通过敏感元件转换后，再经转换元件转换成电参量，如图1-2中的电位器，通过机械传动结构将角位移转化成电阻的变化。

测量转换电路的作用是将转换元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。在图1-2中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压U_o。

（2）传感器分类

传感器的种类繁多，分类不尽相同。

按被测的量分类，可分为位移、力、力矩、转速、加速度、温度、流量、流速等传感器。这种分类明确表明了传感器的用途，便于使用者选用。

按测量原理分类，可分为电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器，这种分类表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和应用。

按传感器能量转换形式分类，可分为能量变换型（发电型）和能量控制型（参量型）两种。

能量变换型传感器在进行信号转换时不需另外提供能量，就可将输入信号能量变换为另一种能量形式输出，例如热电偶传感器、压电式传感器等。图1-3所示为能量变换型热电偶传感器。能量控制型传感器工作时必须有外加电源，例如电阻、电感、电容、霍尔式等传感器。图1-4所示为霍尔式传感器。

按传感器工作机理分类，分为结构型传感器和物性型传感器。

结构型传感器在被测量变化时传感器结构发生改变，从而引起输出电量变化。图1-5所示传感器就属于这种传感器，当外加压力变化时，电容极板发生位移，引起电容值变化，输出电压也发生变化。物性型传感器利用物质的物理或化学特性随被测参数变化而变化的原理制成，一般没有可动结构部分，易小型化，例如各种半导体传感器，图1-6所示为物性型光电管。

（3）传感器的命名和代号

传感器的命名由主题词加四级修饰语构成。主题词为传感器；第一级修饰语描述被测量；第二级修饰语描述转换原理；第三级修饰语描述特征，包括传感器结构、性能、材料、敏感元件及其它必要的性能特征；第四级修饰语描述主要技术指标，包括量程、精确度、灵敏度等。

例：传感器CWY—YB—20，C表示传感器，WY表示被测量是位移，YB表示转换原理是应变式，20表示传感器序号。

2.传感器的基本特性

传感器的特性主要指输出与输入之间的关系，它有静特性、动特性之分。静特性是指当输入量为常量或变化极慢时，被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系；动特性是指输入量随时间变化的响应特性。这里仅介绍传感器静特性的一些指标。

传感器输入输出作用图如图1-7所示。

（1）线性度

传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。实际的传感器大多为非线性，如果不考虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示为

　　（1-1）

式中　a₀——输入量x为零时的输出量；

a₁，a₂，…，a_n——非线性项系数。

静特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节，如采用非线性补偿电路或利用计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。但如果传感器非线性的程度不高，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，使传感器的输出—输入特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度），通常用相对误差r_L表示，即

　　（1-2）

式中　ΔL_max——最大非线性绝对误差；

Y_FS——满量程输出。

图1-8所示是常用的几种直线拟合方法。从图中可以看出，即使是同类传感器，拟合直线不同，其线性度也是不同的。选取拟合直线的方法很多，用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。

（2）灵敏度

灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量增量Δx的比值，即

　　（1-3）

对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性曲线的斜率，即S为常数，而非线性传感器的灵敏度为一变量，用S=dy/dx表示。传感器的灵敏度如图1-9所示。

（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，如图1-10所示，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因是传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷，例如弹性敏感元件的弹性滞后，运动部件摩擦，传动机构存在间隙、紧固件松动等。

迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差γ_H可由下式计算

　　（1-4）

（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1-11所示。重复性误差属于随机误差，常用标准偏差表示：

　　（1-5）

也可用正反行程中的最大偏差表示，即

　　（1-6）

（5）分辨力与阈值

分辨力是指传感器能检测到被测量的最小增量。分辨力可用绝对值表示，也可用满量程的百分数表示。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。

对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般可认为该仪表的最末位的数值就是该仪表的分辨力。

（6）稳定性

稳定性包括稳定度和环境影响量两方面。

稳定度是指传感器在所有条件均不变情况下，能在规定的时间内维持其示值不变的能力。稳定度以示值的变化量与时间的比值来表示。例如，某传感器中仪表输出电压在4h内的最大变化量为1.2mV，则用1.2mV/4h表示稳定度。

环境影响量是指由于外界环境变化而引起的示值的变化量。示值变化由两个因素组成：零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移是指在受外界环境影响后，已调零的仪表的输出不再为零。零点漂移在测量前是可以发现的，应重新调零，但在不间断测量过程中，零点漂移是在附加在读数上的，因而很难发现。