第1章 傳感器概述

“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學技術”的觀點已為全世界所公認。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認識自然、改造自然的有力工具。傳感器技術作為信息科學的一個重要分支，與計算機技術、自動控制技術和通信技術等一起構成了信息技術的完整學科。

在人類進入信息時代的今天，人們的一切社會活動都是以信息獲取與信息轉換為中心，傳感器作為信息獲取與信息轉換的重要手段，是信息科學最前端的一個陣地，是實現(xiàn)信息化的基礎技術之一。一、傳感器技術概述一、傳感器技術概述

傳感器——感覺，感知；傳送（Sensor、Transducer）人體系統(tǒng)：人類有五大感覺器官，即眼、耳、鼻、舌、皮膚。通過這些感覺器官感知外界信息。機器系統(tǒng)：機器系統(tǒng)中，傳感器是各種機械和電子設備的感覺器官。感知光、色、溫度、壓力、聲音、濕度、氣味及輻射等。一、傳感器技術概述外界信息感官人腦肢體人體系統(tǒng)傳感器計算機執(zhí)行器機器系統(tǒng)人機系統(tǒng)的機能對應關系“機電五官”一、傳感器技術概述傳感器有些性能超過人的感官：（1）測量人體無法感知的量（3）測量范圍寬、精確高、可靠性好（2）惡劣環(huán)境下工作例如：溫度傳感器：-196℃~1800℃

壓力傳感器：0.01~10000kPa

精度：0.1%~0.01%

可靠度：8~9級一、傳感器技術概述現(xiàn)代信息技術的三大支柱之一

傳感器技術（信息采集）通信技術（信息傳輸）計算機技術（信息處理）

在信息系統(tǒng)中分別起到“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。

現(xiàn)代測量與自動控制的首要環(huán)節(jié)傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，計算機的“五官”。沒有傳感器對原始信息進行精確、可靠的捕獲和轉換，一切測量和控制都是不可能實現(xiàn)的。二、傳感器技術的作用和地位衡量國家綜合實力的重要標志傳感器與傳感器技術的發(fā)展水平是衡量一個國家綜合實力的重要標志，也是判斷一個國家科學技術現(xiàn)代化程度與生產(chǎn)水平高低的重要依據(jù)。

日本：傳感器技術列為計算機、通訊、激光、半導體、超導和傳感器等六大核心技術之一。在21世紀技術預測中將傳感器列為首位。

美國：傳感器及信號處理列為對國家安全和經(jīng)濟發(fā)展有重要影響的關鍵技術之一。

歐洲：傳感器技術作為優(yōu)先發(fā)展的重點技術。

中國：國家重點科技項目中，傳感器列在重要位置。二、傳感器技術的作用和地位傳感器技術的應用遍及各個領域傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國防、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、商檢質檢、甚至文物保護等極其廣泛的領域。毫不夸張地說：幾乎每個現(xiàn)代化項目，以至各種復雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。二、傳感器技術的作用和地位4D彩超捕捉到難得一見的胎兒出生前微笑（美聯(lián)社圖片）二、傳感器技術的作用和地位信息處理電信電話科技測試設備控制交通控制輸電系統(tǒng)機床機器人家用電器照相機汽車飛機船舶氣象海洋環(huán)境污染醫(yī)療防火光能利用熱能利用土木建筑農(nóng)林機械能利用貨幣金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量傳感器技術的應用領域三、傳感器技術的應用自動檢測與自動控制系統(tǒng)石油、化工、電力、鋼鐵、機械等加工工業(yè)。造紙木材烘干煙草加工芯片生產(chǎn)化工紡織三、傳感器技術的應用汽車與傳感器

傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動機旋轉速度、燃料剩余量。

安全：安全氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、汽車“黑匣子”。

環(huán)保：排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置。三、傳感器技術的應用傳感器在機器人上的應用

單能機器人：生產(chǎn)用的自動機械式（加工、組裝、檢驗）。檢測臂的位置和角度傳感器。隧道鑿巖機器人汽車焊裝生產(chǎn)線三、傳感器技術的應用傳感器在機器人上的應用

智能機器人：判斷能力。視覺傳感器、觸覺傳感器。用于水下探測的機器人用于家庭服務的機器人三、傳感器技術的應用傳感器在機器人上的應用

智能機器人：埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘。法老咒語：“不論是誰騷擾了法老的安寧，死神之翼將在它的頭上降臨。”小機器人挑戰(zhàn)法老咒語，代替科學家勇探胡夫金字塔內(nèi)部秘道?！敖鹱炙握摺睓C器人

5×1×1，地面探測雷達、超聲波傳感器（測石頭厚度）。三、傳感器技術的應用傳感器與家用電器自動電飯鍋、吸塵器、空調器、電子熱水器、風干器、電熨斗、電風扇、洗衣機、洗碗機、照相機、電冰箱、電視機、錄像機、家庭影院。三、傳感器技術的應用傳感器與遙感技術飛機及航天飛行器：近紫外線、可見光、遠紅外線、微波。船舶：超聲波傳感器。微波紅外接收傳感器紅外線分布差異礦藏埋藏地區(qū)地面三、傳感器技術的應用在軍事技術領域的應用“……改變那種認為軍事力量主要是軍艦、坦克和飛機的概念，把我們的注意力放在思考信息和電信技術所能提供的軍事力量上來。這場軍事革命標志著一種轉變，即從重視軍艦、坦克和飛機，轉為重視諸如傳感器這類東西的作用?！薄靶畔r代的軍事革命”—美國參聯(lián)會副主席歐文斯上將特種武器觀察、偵察、探測三、傳感器技術的應用傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學上的應用醫(yī)用傳感器：人體內(nèi)部溫度、血液、呼吸流量、腫瘤、心音、腔內(nèi)壓力、心腦電波。傳感器與航空及航天飛行器：控制在預定軌道上。速度、加速度、飛行距離測量：陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器。周圍環(huán)境、內(nèi)部設備監(jiān)控、本身狀態(tài)。三、傳感器技術的應用三、傳感器技術的應用傳感器技術的應用遍及各個領域傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國防、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、商檢質檢、甚至文物保護等極其廣泛的領域。毫不夸張地說：幾乎每個現(xiàn)代化項目，以至各種復雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。第1章傳感器概述1.1傳感器的組成與分類11.2傳感器的一般特性1.3傳感器的標定31.4傳感器的發(fā)展方向421.1傳感器的組成與分類1.1.1

傳感器的定義傳感器(Sensor/Transducer)是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。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。它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，主要是電量。輸入輸出的轉換規(guī)律（關系）已知，轉換精度要滿足測控系統(tǒng)的應用要求。能量轉換輸入量輸出量電量（便于傳輸、轉換、處理、顯示）物理量、化學量、生物量等附:傳感器的定義示意圖傳感器的定義示意圖1.1傳感器的組成與分類1.1.2傳感器的組成1.1傳感器的組成與分類輔助電源敏感元件轉換元件基本轉換電路被測量電量敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，把輸入轉換成電路參量。基本轉換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉換電路（簡稱轉換電路），便可轉換成電量輸出。被測量電量敏感元件轉換元件轉換電路直接感受被測量轉化為電量參數(shù)敏感元件的輸出作為轉換元件的輸入附：傳感器組成示意圖傳感器組成示意圖1.1傳感器的組成與分類(1)敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。彈性敏感元件1.1傳感器的組成與分類實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉換元件)組成，感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。(2)轉換元件T’①②BAT熱電偶1.1傳感器的組成與分類壓電式加速度傳感器有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路。例如：壓電式加速度傳感器，質量塊是敏感元件，壓電片（塊）是轉換元件。有些傳感器，轉換元件不只一個，要經(jīng)過若干次轉換。1.1傳感器的組成與分類(2)轉換元件敏感元件輔助電路轉換元件被測非電量有用非電量有用電量基本轉換電路電量彈性體極板支架絕緣材料定極板動極板被測非電量：外界壓力敏感元件：彈性體有用非電量：極板間距變化傳感元件：平行板電容器有用電量：電容量C大噸位電容式稱重傳感器1.1傳感器的組成與分類(2)轉換元件敏感元件輔助電路轉換元件被測非電量有用非電量有用電量基本轉換電路電量(3)轉換電路轉換電路是傳感器的主要組成環(huán)節(jié)：因為不少傳感器要在通過轉換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。

1.1傳感器的組成與分類1.1.3傳感器的分類按被測物理量分類

熱量、比熱容、壓差、力、力矩…按工作原理分類

基于物理、化學和生物原理

可分為電阻式、電感式、電容式、熱電式…按能量的關系分類可分為有源傳感器和無源傳感器按輸出信號的性質分類可分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器1.1傳感器的組成與分類結構型傳感器利用物理學中場的定律構成的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。物理學中的定律一般是以方程式給出的。對于傳感器，這些方程式就是許多傳感器在工作時的數(shù)學模型。這類傳感器的特點：傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎，而不是以材料特性變化為基礎。

各種彈性敏感元件傳感器1.1傳感器的組成與分類物性型傳感器利用物質定律構成的，如虎克定律、歐姆定律等。物質定律是表示物質某種客觀性質的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。如光電管，利用了物質法則中的外光電效應，特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關系。又如所有半導體傳感器、所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。

半導體氣體傳感器1.1傳感器的組成與分類能量控制型傳感器在信息變化過程中，傳感器將從被測對象獲取的信息能量用于調制或控制外部激勵源，使外部激勵源的部分能量載運信息而形成輸出信號。這類傳感器必須由外部提供激勵源，如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這一類傳感器?；趹冸娮栊⒋抛栊?、熱阻效應、外光電效應、霍爾效應等的傳感器也屬于此類傳感器?；魻杺鞲衅?.1傳感器的組成與分類能量轉換型傳感器能量轉換型傳感器，又稱有源型或發(fā)生器型傳感器。傳感器將從被測對象獲取的信息能量直接轉換成輸出信號能量，主要由能量變換元件構成，不需要外電源。如基于壓電效應、熱電效應、內(nèi)光電效應等的傳感器都屬于此類傳感器。光電傳感器1.1傳感器的組成與分類傳感器特性：主要是指輸出與輸入之間的關系。傳感器輸出與輸入關系可用微分方程來描述。理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，即得到靜態(tài)特性。因此，傳感器的靜態(tài)特性只是動態(tài)特性的一個特例。動態(tài)特性：當輸入量隨時間較快地變化時，輸出與輸入之間關系稱為動態(tài)特性。靜態(tài)特性：當輸入量為常量，或變化極慢時，輸出與輸入之間關系稱為靜態(tài)特性。快變信號

考慮輸出的動態(tài)特性,即隨時間變化的特性；

慢變信號

研究靜態(tài)特性，即不隨時間變化的特性。1.2傳感器的一般特性

傳感器的靜態(tài)特性定義：被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下的輸入輸出關系。1．線性度傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關系的線性程度。輸出與輸入關系可分為線性特性和非線性特性。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性傳感器的輸出輸入關系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，靜態(tài)特性數(shù)學模型可用下列多項式代數(shù)方程表示：式中 y—輸出量； x—輸入量； a0—零點輸出； a1—理論靈敏度； a2、a3、…、an—非線性項系數(shù)。各項系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn1.2.1傳感器的靜態(tài)特性實際使用中，為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關系，因此引入了非線性補償電路或者計算機軟件法等補償環(huán)節(jié)。非線性的方次不高，輸入量變化范圍較小時，可用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段。使傳感器輸出—輸入特性線性化，所采用的直線稱為擬合直線。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性表示在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法來線性化。采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度。通常用相對誤差表示：

——最大非線性絕對誤差；

——滿量程輸出。FullScale1.2傳感器的一般特性

非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應是獲得最小的非線性誤差。另外，還應考慮使用是否方便，計算是否簡便。①理論擬合；②端點連線平移擬合；③端點連線擬合；④過零旋轉擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合1.2.1傳感器的靜態(tài)特性理論擬合過零旋轉擬合端點連線擬合端點平移擬合幾種直線擬合方法1.2.1傳感器的靜態(tài)特性0yyixy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘法擬合y=kx+b若實際校準測試點有n個，則第i個校準數(shù)據(jù)與擬合直線上響應值之間的殘差為Δi=yi-(kxi+b)最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值，即對k和b一階偏導數(shù)等于零，求出a和k的表達式。設擬合直線方程：1.2.1傳感器的靜態(tài)特性即得到k和b的表達式為系數(shù)k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。最小二乘法擬合1.2.1傳感器的靜態(tài)特性各種直線擬合方法的特點1.2.1傳感器的靜態(tài)特性因此，傳感器輸出曲線的斜率就是靈敏度。線性特性的傳感器，特性曲線的斜率處處相同，靈敏度k是一常數(shù)，與輸入量大小無關。K=Δy/Δx傳感器輸出的變化量Δy與引起該變化量的輸入變化量Δx之比即為靜態(tài)靈敏度，表達式為1.2.1傳感器的靜態(tài)特性2．靈敏度3．遲滯傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程期間其輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯，如下圖所示:遲滯特性1.2.1傳感器的靜態(tài)特性遲滯大小通常由實驗確定。遲滯誤差可由下式計算：

式中：

——正反行程輸出值間的最大差值。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性0yx⊿HmaxyFS遲滯特性

遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對誤差表示。檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。

傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。遲滯特性一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分數(shù)表示，即式中△Hmax—正反行程間輸出的最大差值。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性4．重復性重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度，如圖所示:重復性1.2傳感器的一般特性△Rmax1正行程的最大重復性偏差△Rmax2反行程的最大重復性偏差yx0⊿Rmax2⊿Rmax1檢測時也可選取幾個測試點，對應每一點多次從同一方向趨近。重復性是指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。重復性誤差可用正反行程中最大偏差表示：獲得輸出值系列yi1，yi2，yi3，…，yin

，算出最大值與最小值之差或3σ作為重復性偏差ΔRi，在幾個ΔRi中取出最大值ΔRmax作為重復性誤差：yFS1.2.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.2傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。動態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時間函數(shù)。實際上除了具有理想的比例特性外，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。1.2.2傳感器的動態(tài)特性以動態(tài)測溫的問題為例說明傳感器動態(tài)特性。在被測溫度隨時間變化或傳感器突然插入被測介質中以及傳感器以掃描方式測量某溫度場的溫度分布等情況下，都存在動態(tài)測溫問題，如圖所示:動態(tài)測溫1.2.2傳感器的動態(tài)特性常系數(shù)線性傳感器微分方程：1.2.2傳感器的動態(tài)特性傳感器常見的動態(tài)輸入：

脈沖輸入正弦輸入階躍輸入任意輸入1.2.2傳感器的動態(tài)特性1.一階傳感器熱電偶、液注式溫度計等1.2.2傳感器的動態(tài)特性微分方程：a1(dy/dt)+a0y(t)=b0x(t)τ—時間常數(shù)(τ=a1/a0)；K——靜態(tài)靈敏度(K=b0/a0)時間常數(shù)τ越小，系統(tǒng)的頻率特性越好1.2.2傳感器的動態(tài)特性一階傳感器的單位階躍響應1.2.2傳感器的動態(tài)特性2.二階傳感器加速度計

CD式測速傳感器YD式測速傳感器1.2.2傳感器的動態(tài)特性二階傳感器微分方程：ω0—固有角頻率

ω0=2π/τξ—阻尼比

K—靜態(tài)靈敏度 K=b0/a01.2.2傳感器的動態(tài)特性二階傳感器的單位階躍響應1.2.2傳感器的動態(tài)特性1.3傳感器的標定 傳感器的標定是通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關系。同時確定出不同使用條件下的誤差關系。傳感器的標定工作可分為如下兩方面：新研制的傳感器需進行全面技術性能的檢定，用檢定數(shù)據(jù)進行量值傳遞；經(jīng)過一段時間的儲存或使用后對傳感器的復測工作。傳感器的標定分為靜態(tài)標定和動態(tài)標定。靜態(tài)標定目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。動態(tài)標定目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如固有頻率和阻尼比等。1.3傳感器的標定1.3.1傳感器的靜態(tài)特性標定1．靜態(tài)標準條件沒有