第一章 绪论

第一节 传感器概述

一、传感器的定义与基本组成

1.传感器的定义

传感器是一种将某种物理量或化学量转换为另一种物理量的器件或装置，转换之目的是使被测物理量易于识别、处理、存储和显示。传感器在测试系统和自动控制系统中起着极为重要的作用，其转换的另一种物理量就是电量。

传感器对被测物理的转换过程是工程测量和自动控制的首要环节，其作用就相当于人的感觉器官。人要通过眼睛（视觉）、耳朵（听觉）、鼻子（嗅觉）、皮肤（触觉）去感知周围的环境和事物，而测试系统和自动控制系统则是通过传感器来“感知”被测或被控对象的状态（物理量或化学量）。

在测试系统中（图1-1），传感器将被测参量转换为电信号，再经测量电路进行信号处理后，由显示器显示或输入计算机储存。

图1-1 传感器在测试系统中的作用

图1-2 传感器在自动控制系统中的作用

在自动控制系统中（图1-2），传感器将被控对象的状态（某种物理量）转换为电信号，并输送给控制器，控制器根据传感器的电信号对被控对象的状态进行分析判断，并输出控制信号，使执行器工作，从而实现自动控制。

2.传感器的基本组成

不同用途、不同类型的传感器其结构形式和具体的组成部件会有较大的差别，但从总体上讲，传感器主要由传感元件和相应的辅件组成，如图1-3所示。

图1-3 传感器的基本组成

（1）感受元件：直接感受被测量，并将被测量按某种确定的对应关系传递给传感元件。一些传感器的感受元件与传感元件合二为一。

（2）传感元件：又称敏感元件，是传感器的核心，用于将被测物理量转换为相应的电量（电压、电流、脉冲频率等）或电路参量（电阻、电容、电感等）的变化。

（3）转换与传输：将传感元件对应于被测量而变化的电阻、电容、电感等参量转换为相应的电信号输出。一些传感器（磁电式、压电式传感器等）直接由传感元件产生电信号，可以不用转换与传输电路。

（4）传感器电源：向传感器中传感元件和信号转换与传输电路提供电能。一些传感器其传感元件（如电压晶体、电感线圈等）自身可产生电信号，这些传感器不需要电源。

二、传感器的类型

传感器的种类有许多种，通过不同的分类方法对各种各样的传感器进行归类，可对现有传感器的类型和作用有较为全面的了解。

1.按传感（敏感）元件的类型分

按传感器传感元件所属的不同类型分，有压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、应变式传感器、电位计式传感器等。

1）压电式传感器。其传感元件受力时会发生压电效应，产生与被测参量相对应的电信号。压电式传感器通常用于测力、压力、振动等物理量。

2）磁电式传感器。依据电磁感应原理制成的传感器，通常用于测位移、速度或加速度等，也可用于测力、振动等物理量。

3）光电式传感器。依据光电效应原理制成的传感器，在汽车上，光电式传感器主要用于测转速、位置等物理参量。

4）热电式传感器。依据热电效应原理制成的传感器，主要用于测量温度，在汽车上很少使用。

5）应变式传感器。依据金属丝和半导体的电阻应变效应制成的传感器，用于测力、压力、转矩等，也可测量位移、加速度、振动等物理量。

6）电位计式传感器。这类传感器主要用于测量位移，在汽车上应用较多。

不同于上述传感元件的传感器还有热敏电阻式、光敏电阻式、磁敏电阻式、电容式、电感式等多种。由于某一种类型的传感元件可用于多种物理量的测量，而测量同一种物理量的传感元件又可制成不同用途的传感器。例如，利用热敏电阻可制成发动机温度传感器、排气温度传感器、蒸发器温度传感器、燃油温度传感器等汽车用温度传感器。因此，如果按用途命名传感器，传感器则有很多种。

2.按传感器的信号变换特征分

按传感器的传感元件其信号转换特征分，传感器可分为结构型和物性型两大类。

1）结构型传感器。结构型传感器是通过其传感元件的结构产生部分变化或变化后引起场（力场、电场、磁场）的变化，将被测物理量转换为电信号。例如，电位计式传感器、电感类传感器、电容类传感器等均属于结构型传感器。

2）物性型传感器。物性型传感器通过传感元件自身物性的改变，直接产生能反映被测量的电信号。热敏电阻式传感器、光电式传感器、压电式传感器等均属物性型传感器。

3.按信号转换的原理分

按传感器产生电信号的工作原理不同分，可将传感器分为参量式和发电式两大类。

1）参量式传感器。参量式传感器的传感元件随被测物理量的变化而产生相应的电路参数（电阻、电容、电感等）变化，再通过转换与传输电路转换为相应的电信号。电阻类传感器、电感类传感器及电容类传感器等均属于参量式传感器。

2）发电式传感器。发电式传感器的传感元件随被测物理的变化直接产生相应的电信号。光电式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、热电式传感器、霍尔效应式传感器等均属于发电式传感器。

4.按传感器的能量关系分

按传感元件与被测对象之间的能量关系分，传感器可分为能量转换型和能量控制型两种类型。

1）能量转换型传感器。传感器传感元件通过吸收被测对象部分能量产生相应的电信号，工作中有能量的传递，易造成误差。例如，热电偶式温度传感器、弹性压力计式压力传感器等均属能量转换型传感器。

2）能量控制型传感器。传感器由外部供给能量，传感元件随被测量的改变控制外部能量的变化而使传感器产生相应的电信号。例如，参量式传感器须由传感器电源提供电能才能产生电信号，这类传感器均属能量控制型传感器。

5.按输出电信号的形式分

按传感器输出电信号的形式分，可分为模拟式传感器、数字式传感器和开关式传感器等不同的形式。

1）模拟式传感器。随被测量的变化传感器输出连续变化的电信号，由电信号的幅值（大小）反映被测量。

2）数字式传感器。传感器输出脉冲式电信号，由电信号的高低电平或脉冲信号的频率反映被测量。

3）开关式传感器。传感器输出一个设定的低电平或高电平信号，以反映被测量达到某个特定的阈值。

三、传感器的基本特征

传感器在测试系统和自动控制系统中，是一个相对独立的装置，在设计、制造及选用传感器时，都要涉及传感器的性能指标。传感器的性能指标分为静态特性和动态特性两种状态。

1.传感器的静态特性

传感器的静态特性是指被测对象的某种被测物理量恒定不变或非常缓慢变化的情况下，传感器的输出量与输入量（被测量）之间的关系。最理想的传感器静态特性其输入输出之间呈线性关系，即

y=Sx （1-1）

式（1-1）中的S为常数，表示测试系统的灵敏度。测试系统实际的静态特性并非单纯的线性关系。与整个测试系统一样，传感器的实际静态特性也可用非线性、迟滞性、灵敏度和负载作用等来表征。

图1-4 传感器的非线性

1）非线性。传感器实际的输出量与输入量之间呈非线性关系，如图1-4所示。非线性是对静态测量偏离线性的度量，由式（1-2）表示：

式中 A——测试系统的量程；

B——测量范围内最大的非线性偏差。

传感器的非线性大，则传感器信号的误差也大。

2）迟滞性。测试系统在同样的测试条件下，被测量从小到大改变时的传感器信号与被测量从大到小改变时的不一样，这种现象称之为迟滞性，如图1-5所示。迟滞性也被称为回程误差，是造成传感器在静态测量时其信号有误差的原因之一。迟滞性用测试系统量程范围内最大回程误差值H与量程A的比值来度量，即

传感器本身导致回程误差的原因是传感器的材料和结构有滞后现象或有不工作区，例如，磁性材料的磁化、一般材料的受力变形、转换元件的摩擦力及间隙等均是产生回程误差的可能因素。不工作区也称死区，即对传感器的输出无影响的被测量变化范围。

图1-5 传感器的迟滞性

3）灵敏度。传感器的灵敏度S是反映被测量的变化引起传感器输出信号变化的大小程度，灵敏度的定义如下：

式中 dx——输入量（被测量）的微小变化；

dy——输出量（传感器输出信号）的微小变化。

理想的线性传感器，其灵敏度为一常数（直线的斜率）；对非线性度很小的传感器来说，在量程范围内，其灵敏度也近似于常数；而线性很差的传感器信号，其灵敏度则会随被测量的变化而有较大的改变。

4）负载作用。传感器会从被测对象中吸取一部分能量，从而改变了被测参数原真实数值，这种现象称为负载作用。例如，热电式温度传感器从被测对象中吸取了热量、转矩传感器的扭力杆消耗了被测对象的机械能。如果传感器从被测对象中吸取的能量占被测对象的总能量的比例较大，就会影响传感器信号的精度。

2.传感器的动态特性

传感器的动态特性是指在被测量瞬间变化或连续不断变化的情况下，传感器的输入（被测量）与传感器信号输出之间的关系。传感器动态特性的性能参数有响应时间（时间常数）、固有频率、阻尼系数等。

1）响应时间。一些传感器用于动态测量时其信号的产生具有滞后性，通常用时间常数τ来表示。τ反映了传感器信号滞后于被测量变化的时间。这一类传感器由于其输出信号跟不上被测量的变化，因而会产生动态测量误差（衰减失真）。因此，用于动态测量的传感器，要求其动态特性要好。对于整个测试仪器来说，其响应时间通常用3τ或4τ来表示。

2）固有频率和阻尼系数。有些传感器在动态测量时会产生放大失真，即传感器的输出信号表示的量值大于实际的被测量。这类传感器在进行动态测量时也会产生动态误差，表示其动态特性的参数是固有频率ωn和阻尼系数ζ。

3.传感器的标定

传感器的特性标定是指通过实验的方法确定传感器特性的过程，确定传感器静态特性指标的过程称为传感器的静态标定，而确定传感器动态特性参数τ或ωn、ζ的过程则称为动态标定。

在传感器的研制、产品性能评价过程中通常需要对传感器进行特性标定，当传感器与测量电路及显示装置组成测试系统时，则需要对整个测试系统进行静、动态特性的标定。

四、传感器的发展概况

早期的传感器技术以结构型传感器为主，其基本特征是以结构的部分变化或变化后引起场（力场、电场、磁场）的变化来反映被测量。

结构型传感器能够转换的被测量极为有限，物性型传感器的出现和迅速发展，才使测试技术和自动控制技术有了今天的发展水平。物性型传感器利用敏感材料本身的物性随被测量的改变而变化来产生相应的电信号。根据其敏感材料敏感特性的不同，物性型传感器有热敏、光敏、压敏、磁敏、湿敏、声敏、色敏、味敏、化学敏，等等。

虽然敏感材料的种类有限，但由敏感材料构成的传感器可以有很多。这是因为同一种敏感材料可以用于转换不同的被测物理量，即使是转换同一种被测物理量也可以作不同的用途。比如，压敏元件可做成测振动传感器、压力传感器、测力传感器等；又如，以热敏材料做成的温度传感器可用作发动机温度传感器、空调蒸发器温度传感器、室内温度传感器等。

测试技术和自动控制技术进一步发展的关键是传感器技术的发展，现代传感器技术的进一步发展，主要体现在如下三个方面。

（1）新的敏感材料的开发与应用

新的敏感材料不断地出现，例如：新型晶体、陶瓷、高分子材料、超导体、光导纤维、液晶、生物功能材料、凝胶、稀土金属等，以及被称之为“智能材料”的形状记忆合金、具有自增殖能力的生物体等。这些敏感材料的开发与使用，不仅使可测量的范围扩大了，也使传感器的集成化、小型化、更高性能及智能化成为一种发展趋势。

此外，随着对材料性能控制技术的逐渐成熟，原来以敏感材料的特性来设计传感器的传统设计方法将会转变为按传感器的要求来合成所需的敏感材料。这样，传感器测量范围的扩大以及性能的提高将更加迅速。

（2）结构小型化、更轻便

如前所述，新的敏感材料出现，使得传感器从结构型转向了物性型。随着电子技术、微加工技术和集成化工艺等方面的发展，集成化传感器开发应用也成为热点之一。新型传感器结构向着小型化、轻便及器件与电路一体化的方向发展，使其适用性得到进一步提高。

（3）功能高精度、智能化

随着科学技术的发展，对传感器提出更高精度和智能化的要求。集成化传感器可以是同一功能的敏感元件排列成不同的阵列，以适应高精度和不同被测量的需要；也可以是不同功能的敏感元件集成在一起，组成可同时测量不同参量的传感器；或者是传感器与测量电路集成在一起，使传感器具有信号处理、温度补偿等自动调整功能。