第一章 传感器概述

现代生产与生活中，传感器几乎无处不在。人类认知周围的世界靠的是身体的生物体器官。例如，当人们看东西时，物体的影像经过瞳孔和晶状体落到视网膜上，视网膜上的视神经细胞在受到光刺激后，将光信号转变成生物电信号，通过神经系统传递给大脑进行处理后，在脑海里就形成了一幅幅视觉图像，这就是人类通过自身的感觉器官认识外面事物的方式之一。但是，人类的这种感知能力是有限的，这跟人类的进化息息相关，所谓“用进废退”!比如我们的眼睛，对红外光和紫外光就没有反应，耳朵也不能听到超声波和次声波，人类要更好地认识世界，就要借助外界能力来协助，因此，传感器就诞生了。

进入电气化时代之后，各种用途的传感器又将人类对这种外界信息的感知能力和需求进行了极大地扩展与延伸。比如冰箱，为什么可以自动地开和停，完全不用人的干预就能按照设定的温度可靠地运行呢？主要靠的就是检测温度的传感器！冰箱运行时由温度传感器感受到温度变化后，根据设定值的要求输出一个确定的数据状态，再通过冰箱的电气控制系统根据数据状态发出控制指令，从而就可以自动地控制压缩机电动机的启动和停止。当然，用于控制信号的采集只是传感器诸多应用的一个方面。只要传感器能有效地感知到被测物理量，根据不同的用途，进行不同的处理，就可以有更广泛的应用。比如，数码相机，就是由图像传感器感受光信号，然后根据光信号的强弱转换成相应的数字量信号，再由数据处理系统处理后按照确定的数据属性和地址加载到显示屏上。

因此，传感器作为信息采集工具，在当今信息时代的重要性越来越成为人们的共识。传感器技术也就成为了现代信息技术的支柱之一，是自动测控系统可靠工作的重要保证。随着科学技术的发展，现代工业生产自动化、智能化、信息化要求的提高，以及人类对安全环保、智能家居、舒适生活环境的追求，各领域对传感器的依赖性越来越大。传感器技术的研发和应用已经成为国内外重点发展的高技术领域，传感器技术也成为新技术革命的关键因素。掌握和应用传感器原理及技术，也就成为了电子及电气控制技术领域从业人员必须具备的基本技能与素养。§1—1

传感器的基础知识1．掌握传感器的定义。2．熟悉传感器的基本组成。一、传感器的定义在现阶段，我们所说的自动化控制都是指电气自动化，因为电信号的测量与处理最为迅速和便捷。在自动控制的自动检测系统中，需要用传感器把自然界的物质信息，包括各种物理量、化学量和生物量形态的信息，转换为电信号。通过信号调理装置输出给电气控制系统、显示器、记录仪等便于人们识别和阅读的设备。传感器是构成自动检测与自动控制系统的首要的、决定性的组成部分，能否选择合适的传感器决定着能否构件合理的自动检测与自动控制系统。传感器获取信息的准确程度关系到整个自动检测与自动控制系统能否准确完成功能，传感器对现代化科学技术、现代化农业以及工业自动化的发展起着基础和支柱作用，已被世界各国列为关键技术之一。可以说，没有传感器就没有现代化科学技术，没有传感器也没用人类现代化的生活。传感器技术已经成为科学技术和国民经济发展水平的标志之一。

根据中华人民共和国国家标准（GB/T7665-2005）的定义：“传感器（Transducer/sensor）是一种能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，通常由敏感元件和转换元件组成。”传感器的定义包含了以下几方面的含义：（1）传感器是一种测量装置，能完成检测任务。（2）它的输入量是某种被测量，有可能是物理量、也可能是化学量、生物量等。（3）它的输出量是某种物理量，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。（4）输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。

传感器定义：二、传感器的组成根据传感器的定义，传感器的组成如图1-1-1所示。图1-1-1传感器的组成示意图

其中：1.敏感元件直接感受被测物理量，并且输出与被测量成确定关系的某一种物理量的元件。如在热敏电阻传感器中敏感元件为热敏电阻，直接感受温度的变化并导致自身电阻值的变化。2.转换元件将感受到的非电量直接转换成电量是转换元件。一般不直接感受被测量。例如，应变电阻传感器中的应变电阻就是转换元件，它跟弹性应变体紧密结合为一体，在弹性应变体受力变形时，将弹性应变体的弹性变形变成自身电阻值的变化。而这里的弹性应变体则属于我们所说的敏感元件。3.测量与变送电路是将传感元件输出的电信号转换为便于显示、控制和处理的有用电信号的电路，使用较多的是电桥电路和线性放大电路以及数字处理单元。处理后的电信号可以是模拟量，也可以是数字量或者某种计算机通讯模式下的数据信息。有的还包括显示器，可直接在传感器上显示出所测量的物理量。4.辅助电源是为传感元件和测量电路提供工作电源。

从传感器的应用的角度看，在大多数的实际应用中使用的都是成品传感器，这时，我们就只关注传感器的外特性，即测量的物理量的连接与获取以及变换输出的电参量就可以了，不必考虑传感器的内部结构与电路，因为那是制造者的事情。这样就可以使传感器的应用变得简单明了、重点突出，因此，图1-1-1就变成了如图1-1-2所示的组成示意图。图1-1-2传感器应用时的组成示意图

这样，大多数情况下的传感器的使用就变成了传感器的选择和现场的敏感元件的固定、安装与接线；传感器的电源连接以及传感器的输出量的连接。§1—2

传感器的主要性能指标1．掌握传感器的静、动态特性。2．熟悉测量误差及其分类。

在传感器的每个应用领域，都要求传感器能感受被测非电量的变化，然后将这种变化变换成能真实表达非电量变化的电参量。我们把传感器的这种能力称为传感器的基本特性，即输入、输出特性。传感器的基本特性通常还可以分为静态特性和动态特性。一、传感器的静态特性静态特性是指输入的被测量不随时间变化，或随时间变化缓慢时，传感器的输出量与输入量的关系，主要有线性度、灵敏度、分辨率和迟滞等。1.传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳定工作状态下输出量的变化△y与输入量的变化△x的比值。它是输入/输出特性曲线的斜率，即：

（式1-2-1）

如果传感器的输出量和输入量的关系为线性关系，则灵敏度K是一个常数，即特性曲线的斜率。否则，它将随输入量的变化而变化。通过提高灵敏度，可以得到较高的测量精度。但灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性也往往越差。灵敏度与测量范围示意图如图1-2-1所示。图1-2-1灵敏度与测量范围示意图2.传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是一条曲线而非一直线。在实际测量中，为使仪表具有均匀的刻度，常用一条拟合直线近似地代替实际的特性曲线。线性度（线性误差）就是这个近似度的一个性能指标。线性传感器和拟合直线的传感器如图1-2-2所示。图1-2-2线性传感器和拟合直线的传感器

3.传感器的分辨率分辨率是指传感器可能感受到被测量的最小变化的能力。如果输入量有了一个非零值的缓慢变化而且超过一定数值时，传感器的输出不发生变化，则说明传感器对此输入量不能分辨。4.迟滞性传感器在正向（输入量增大）、反向（输入量减小）行程中输出—输入曲线不重合的程度称迟滞特性，如图1-2-3所示。迟滞现象说明对应于同一大小的输入信号，传感器的输出信号的大小不相等，没有唯一性。造成迟滞现象的原因是传感器的机械部分和结构材料方面存在的不可避免的弱点，如轴承摩擦、间隙、禁固件的松动等，一般也是制造问题。图1-2-3传感器的迟滞性示意图

传感器的迟滞误差大小可用式1-2-2表示：

式中，为正向曲线与反向曲线之间的最大差值，为传感器的量程。5.重复性是指传感器在输入量按同一测量方向上全量程多次测试时，所得到的测量数据或绘制的曲线不一致的程度，如图1-2-4所示。图12-4传感器的重复性偏差示意图重复性好的传感器误差也小，重复性误差的产生与迟滞性误差的产生有相同的原因。（式1-2-2）6.稳定性与漂移传感器的稳定性有长期和短期之分。一般指一段时间以后，传感器的输出和初始标定时的输出之间的差值。通常用不稳定度来表征其输出稳定的程度。传感器的漂移是指传感器在外界干扰下输出量出现与输入量无关的变化。漂移有很多种，如温度漂移就是指环境温度变化而引起的传感器输出的零点或示值的变化。从应用的角度讲，传感器静特性的提高和保证措施基本就不用考虑，是厂家制造的问题，课程中不予以涉及，只须了解这些指标并根据测量需要选择恰当的参数即可。二、传感器的动态特性传感器在测量随时间变化的输入量时其输出/输入关系称为动态特性。动态特性反映的是传感器跟踪迅速变化的信号的响应能力，当信号变化过于迅速时，传感器有可能不能做出及时的响应。当输入量随时间变化时，如果传感器能立即不失真地产生响应，即传感器的输出量随时间变化的规律与输入量随时间变化的规律一致，具有与输入量相同的时间函数，这种传感器就是具有理想动态特性的传感器。比如，测量压力的传感器，当压力突然增加时，由于测压的敏感原件的变形效应存在滞后，所以压力表的示值会有一点时间的滞后才能达到稳定的准确值，如图1-2-5所示。图1-2-5测量响应滞后示意图

传感器的动态特性涉及具体传感器复杂的数学模型和电路结构，也是需要传感器的厂家在生产时根据不同的需求进行控制的一个重要指标。作为应用，我们根据需要做出恰当的选择即可。三、传感器的测量误差及其分类任何测量都是有误差的，只要误差在允许的范围之内就是合格的，传感器的误差的表达参数为传感器的精度。传感器示值