4．传感器技术：感知领域的“法宝”

传感器的官方定义为：“能感受规定的被测量事物，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。”从定义可以得知，传感器的主要作用就是感知和采集被测量的事物，并按照一定的规则将其稳定地输出。传感器的构成有很多种，没有明确的结构标准，一般情况下，传感器由两部分组成，分别是预变换器和变换器，有的时候也称为敏感元件和变换元件。结构图如下：

传感器可以完成数据从非电量（即非电气量，如温度、压力、速度、位移、应变、流量、液位等）向电量的转换，但并非所有的非电量都可以采用技术手段直接转变为电量，有的必须要进行预变换，就是将等待测量的非电量先转化为容易变为电量的另一种非电量，而这项工作需要依靠预变换器，即敏感元件，敏感元件能直接感知被测量失误、并输出转换后的中间变量。

变换元件包括转换元件和变换电路，是传感器的核心部件，它可以将敏感元件输出的非电量直接转换成电量，所以又称为变换器。例如，变换器可以把位移量转化为电阻，把温度转化为基于电势能的热电偶变换器。

传感器必须包含这些基本结构，但并不排斥其他功能或组件——可以是内置电源的系统，也可以是无源的网络；可以是存在反馈机制的闭环系统，也可以做成开环。所以，其组成可简单也可复杂，分类方法也有很多种。按照输入被测量，可以分为机械量、热工量、热性参量和状态参量；按信号变换特征，可分为结构型和物性型；按照能量关系，可分为能力转换型和能量控制型；按工作原理，可分为电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器和电化学式传感器。

传感器的内部构造和附加功能虽然不尽相同，但每个传感器有两个基本的特性，分别为静态特性和动态特性。

第一，静态特性。当被测量的事物处于一个稳定状态时，传感器输入值和输出值之间的关系曲线图或数学表达式被称为传感器的静态特性。需要注意的是，定义中的稳定状态并不代表静止状态，而是指事物不随时间变化的一种暂时稳定的状态。例如，某物体的电流、温度在一定时间内不发生变化，我们就说它在这个时间段内达到了稳定状态。而采用试验方法确定传感器静态特性的过程就称为静态校准，在使用了标准的仪器进行校准后，所得到的校准曲线就被看成该传感器的实际特性，主要包括以下几个方面：

（1）线性度。人们为了标注、处理数据更加方便，希望传感器的输入和输出呈线性关系，并能正确反应被测量物的实际数值，也就是真值。但实际上，这种情况是不会出现的。我们假定传感器没有任何迟滞和蠕变现象，则其静态特性可用方程式表示为：

Y=a0+a1x+a2xn+……+anxn

其中，x表示输出量，y表示输入量，a0表示零位输出，a1表示传感器的灵敏度，而a2~an则表示非线性项的待定常数。该多项式有四个曲线图，代表了四种可能出现的情况：

从左到右，第一种为理想曲线，其输出公式非常简单，就是多元一次方程：y=a1x，而传感器的灵敏度则可以表示为：a1=y/x=k=常数。第二种和第三种情况就必须采用多元多次方程，分别表示为：y=a1x+a3x3+a5x5+……和y=a1x+a2x2+a4x4+……最后一种是普遍情况，包含了各种不确定性，其方程式就是上面提到过的Y=a0+a1x+a2xn+……+anxn。

（2）重复性。重复性的官方定义为：“传感器在相同的工作条件下，被测输入量按同一方向做全程连续多次重复测量时，所得输出值（校准曲线）的一致程度。”它反映了传感器的精确度，计算公式为：ΣR=λS/YFoRo=100%。公式中的YFoRo表示理论满量程输出值，计算公式为：YFoRo=|(xm－x1)×k|。其中，x1表示测量下限的输入值，xm对应于测量上限的输入值，而k则表示理论特性直线的斜率。

（3）迟滞性。迟滞的官方定义为：“传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程期间，输入、输出曲线不重合的程度。”迟滞是传感器的一项重要性能指标，迟滞越小的传感器性能越高。当然，迟滞不可能为零，因为机器内部的轴承之间的灰尘、摩擦以及元件的老化、磨损等都是导致迟滞现象的原因，而这些因素是不可能完全避免的。迟滞的大小可以通过试验获得，计算方法就是用输出值在正、反行程间的最大差值除以理论满量程输出值，然后乘以100%。

（4）精度。所谓“精度”，就是反映系统误差和随机误差的综合误差指标，对于不同的环境和不同的传感器，精度的指标要求也不一样。对于数字化温度传感器，精度一般指传感器读回数据与绝对温度的差值，而对于模拟量温度传感器，则又是另一种计算方法。但一个传感器设计完成后，人们一般会用工业上的仪表定义其精度，这时候是用测量范围中最大的绝对误差来测量，被称为百分误差。例如，某个温度传感器的刻度为0~100度，那么在这个测量范围内，其百分误差为0.5/100=0.5%。

（5）灵敏度。灵敏度就是传感器输出量增量与被测输入量增量之比，计算公式为：k=Δy/Δx。在某些特殊情况下，灵敏度计算还要涉及到单位电源的问题。

（6）阈值和分辨力。所谓“阈值”，就是能够测量输出变化的输入最小值。通俗点讲就是，传感器启动后，其输入值从0慢慢增加，只有到达一定的最小数值后才能测量输出变化。而这个最小数值就是阈值。分辨力是指传感器的输入从某个的非零值缓慢增加时，增量超过某个数值，输出才能显示出变化，这个增量就是传感器的分辨力。

（7）时间漂移、零点和灵敏度温度漂移。漂移是指传感器中的干扰信号被放大后产生的数值偏差，是衡量传感器稳定性的重要指标，过大的漂移很容易使整个传感系统瘫痪。目前，对于漂移量的计算并没有统一的标准，一般是按照工作环境和传感器自身情况进行单独分析。

第二，动态特性。动态特性与静态特性是相对的，就是指当被测量随着时间发生变化时，传感器的输入值和输出值之间的曲线图或数学表达式。传感器的动态指标非常重要，其是测量压力、振动或温度变化时，其作用最为明显。幅频动态特性曲线如下：

如图所示，横轴为被测信号的频率，纵轴表示被测信号本身。当被测试信号变化的频率小于f1时，该传感器的输出不受被测信号的影响；当被测信号的变化频率在f0时，该传感器的输出根据被测信号的变化而变化；当被测信号的变化频率在f2时，该传感器的被测试信号大于输出信号，这时候的误差已经相当大，所以一定要时刻关注传感器的动态特性。其性能指标分为时域和频域两种：

（1）时域指标。时域指标由在阶跃函数作用下测定的传感器动态性能而获得。专家们认为，阶跃输入对一个传感器来说非常重要，在阶跃函数的影响下，传感器如果能满足其动态性能指标，那么它就可以应对其他任何函数。每一件传感器在出厂时都会标明它的时域指标，例如，压力传感器的时域指标就是用激波管和记录仪作为标定设备。

（2）频域性能指标。频域指标由在正弦函数作用下测定传感器的动态性能而获取。在标定压力传感器中，常用正弦压力信号发生器标示。其频域的指标一般为通频带、工作频带和相位误差。