第2章 传感器

2.1 传感器概述

2.1.1 传感器的组成

传感器通常是指能感受并能按一定规律将所感受的被测非电量（包括物理量、化学量、生物量等）转换成便于处理和传输的电量（一般为电量，也有少数为其他物理量，如光信号）的器件或装置。不难理解，在传感器中包含两个必不可少的内容：一是拾取信息，二是将拾取到的信息进行变换，使之变成为一种与被测量有确定函数关系且便于处理和传输的物理量，多数为电量。

传感器一般由敏感元件、转换元件组成。由于集成技术的发展，近代传感器往往除敏感元件、转换元件外，还包含有测量电路及辅助电源，用方框图表示，如图2.1.1所示。

敏感元件是指传感器中能直接感受和响应被测非电量，并将其送到“转换元件”转换成电量的部分。

转换元件是指传感器中能将敏感元件感受和响应的被测非电量转换成适于传输和测量的电信号部分。

测量电路是指将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。有的传感器不仅具有测量功能，而且具有根据输入的多种信息加以选择和判断的功能。这种发展趋势的特点表现在以传感器为核心，同时结合了各种先进技术和方法，从而形成了一个新的技术领域，这就是“传感技术”或“传感器”技术。

随着科学技术的发展，传感器已逐步向小型化、集成化和智能化方向发展。

2.1.2 传感器的分类

传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分，另一种是按传感器的工作原理来分。

按被测物理量划分，常见的传感器有温度传感器、湿度传感器、光传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等；按工作原理，可划分为电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势式传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器和生物传感器。

① 电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器和电涡流式传感器等。

电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式和压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变力、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。

电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成，主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。

电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的，主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。

磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成，主要用于流量、转速和位移等参数的测量。

电涡流式传感器是利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成，主要用于位移、厚度等参数的测量。

② 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。

③ 光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。

④ 电势式传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成的，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。

⑤ 电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。

⑥ 半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。

⑦ 谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用于压力的测量。

⑧ 电化学式传感器是以离子导电为基础制成的。根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。

⑨ 生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质判定某种物质是否存在，其浓度是多少，进而利用电化学的方法进行电信号转换的传感器。

2.1.3 传感器的参数

描述传感器的参数很多，名词和定义也不完全统一，因此首先要弄清各参数的含义。传感器的静态参数如图2.1.2所示。

1. 静态参数

① 精确度（准确度）：表示测量结果与被测量的（约定）真值之间的一致程度。两者之差称为绝对误差，绝对误差与被测量（约定）真值之比称为相对误差。精确度反映了测量结果中系统误差与随机误差的综合。精确度常用等级来表示，如0.1、0.5、1.0级的传感器，表示它们的精确度分别为0.1%、0.5%和1%。

② 灵敏度与稳定度：灵敏度表示传感器的输出变化量ΔY与引起此变化的输入变化量ΔX之比。灵敏度可能与激励值有关。稳定度是指在规定条件下，传感器保持其特性恒定不变的能力。通常，稳定度是对时间而言的。

③ 分辨率：指传感器的指示装置对相邻两个值有效辨别的能力，即为最小检测量。一般认为，模拟式指示装置的分辨率为标尺最小分度值的一半，数字式指示装置的分辨率为末位数的一个字码。

④ 滞后：由于外加输入量的方向（正行程和反行程）不同，传感器对同样的输入值给出不同的输出值，此二者之差的绝对值称为回程误差（回差）或时滞误差。

⑤ 零值误差：指当输入为零时，传感器输出偏离零位的值。

2. 动态参数

常用的动态参数有时间常数τ、上升时间tr、稳定时间ts、过冲量δ、频带宽度BW等，这些参数的定义与放大器中的定义是类似的，如图2.1.3所示。

① τ：在恒定输入条件下，传感器输出从零到稳态值的63%的时间（只适用于一阶系统）。

② tr：在恒定输入条件下，传感器输出从稳态值的10%到90%所经历的时间。

③ ts：在恒定输入条件下，传感器输出上下波动值在稳态值规定百分比以内（如±1%）所经历的最小时间。

④ δ：在恒定输入条件下，传感器输出超过稳态值的最大值。过冲量只在二阶以上系统且阻尼较小时才会发生。

⑤ BW：又称频率响应，在同一幅值不同频率信号输入条件下，传感器输出幅值的变化情况，通常将幅值下降到最大值的的频率定义为上限频率fH和下限频率fL，二者之差定义为带宽BW。如带宽不以为标准，则需注明。上限频率fH与tr之间有一近似式

tr=(0.35～0.45)/fH