1.1 传感器的基础知识
1.1.1 传感器的地位和作用
1.1.1 传感器的地位和作用
在人类文明的发展历史中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着重要的角色。人们借助视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉这五种感觉器官从外界直接获取信息，再通过大脑分析和判断后做出相应反应。随着科学技术的发展，人类在认识和改造自然的活动中，单靠自身的感觉器官已远不能满足要求。因此，一系列代替、加强和补充人类感觉器官功能的方法和手段应运而生，出现了各种用途的传感器，也称为“电五官”。
现代科学技术使人类社会进入了信息时代，来自自然界的物质信息都需要通过传感器进行采集才能获取。如果用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（俗称电脑），而传感器则相当于人的五官（“电五官”）。传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。在计算机的控制作用下通过执行器完成相应的动作。
由图1-1所示的人与机器的功能对应关系可见，作为模拟人体感官的“电五官”（传感器），它是系统对外界获取信息的窗口。如果对象亦视为系统，从广义上讲传感器是系统之间实现信息交流的“接口”，它为系统提供着赖以进行处理和决策所必需的对象信息，它是高度自动化系统乃至现代尖端技术必不可少的关键组成部分。
图1-1 自动化装置与人对比
在工业和国防领域，高度自动化的装置、系统、工厂和设备是传感器的集合地。从工业自动化中的柔性制造系统、计算机集成制造系统、大型发电机组、无人驾驶汽车、多功能武器指挥系统，直至宇宙飞船或星际、海洋探测器等，无不装置数以千计的传感器，昼夜发送各种各样的工况参数，以达到监控运行的目的，成为运行精度、生产速度、产品质量和设备安全的重要保障。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展进入了许多新领域。例如：在宏观上要观察上万光年外的茫茫宇宙，微观上要观察小到无限渺小的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化、短到秒级的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、文物保护等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以及各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
1.1.2 传感器的概念
1.1.2 传感器的概念
1.传感器的定义
顾名思义，传感器是一种传递感觉的器件或装置，它的功能是“一感二传”，即感受被测信息，并传送出去。通常将传感器定义为：能感受规定的被测量并按照一定的规律将其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。
此处的可用输出信号是指便于加工处理、便于传输利用的信号。当今电信号是最容易处理和传输的信号，因此，可以把传感器狭义地定义为：将非电信号转换为电信号的器件。
传感器的定义包括以下四个方面的内容：
①传感器是测量装置，能完成某种检测任务。
②它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。
③它的输出是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，可以是气量、光量、电量，目前主要是电量。
④输出和输入有对应关系，且具有一定的精确度。
2.传感器的组成
传感器的种类繁多，其工作原理、性能特点和应用领域各不相同，所以结构、组成差异很大。但总的来说，传感器通常由敏感元件、转换元件及信号调理电路组成，有时还加上辅助电源，如图1-2所示。
敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分。如由不同热膨胀系数制成的双金属片就是温度敏感元件。敏感元件是传感器的核心，也是研究、设计和制作传感器的关键。例如，图1-3所示的一种气体压力传感器，图中膜盒2的下半部与壳体1固接，上半部通过连杆与磁心4相连，磁心4置于两个电感线圈3中，后者信号调理电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力pa相通，内部与被测量压力p相通。当p变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。
图1-2 传感器组成框图
转换元件是指传感器中能将敏感元件感受（或响应）的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。如将触点的闭合与断开转换成电路电流的通和断。在图1-3中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。
图1-3 气体压力传感器
1—壳体 2—膜盒 3—电感线圈
4—磁心 5—信号调理电路
信号调理电路又称转换电路或测量电路，它的作用是将转换元件输出的电信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。信号调理电路的类型视传感器的工作原理和转换元件的类型而定，一般有电桥电路、阻抗变换电路、振荡电路等。
需要指出的是，并不是所有的传感器都能明显地区分其组成的各个部分，最简单的传感器由一个敏感元件（兼转换元件）组成，它在感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中的质量块是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有的传感器转换元件不止一个，需要经过若干次的转换。
1.1.3 传感器的分类
1.1.3 传感器的分类
通常，一种传感器可以检测多种参数，一种参数又可以用多种传感器测量，所以传感器的分类方法也很多，目前对传感器尚无一个统一的分类方法，比较常用的有以下几种。
1）按照传感器感知外界信息所依据的基本效应分类。可以将传感器分成三大类：基于物理效应的物理传感器；基于化学反应的化学传感器；基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器。
2）按照物理原理分类。可分电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、热电式、波式和辐射式等传感器。这种分类方法有利于对传感器工作原理的阐述和对传感器的深入研究与分析。
3）按被测物理量的不同分类。可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。这种分类方法有利于准确表达传感器的用途，方便使用者选用。
为更加直观、清晰地表述各类传感器的用途，将种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量（见表1-1）。对各派生被测量的测量亦可通过对基本被测量的测量来实现。
表1-1 基本被测量和派生被测量
1.1.4 传感器的命名及图形符号
1.传感器的命名
根据国家标准GB/T 7666—2005《传感器命名法及代码》规定，一种传感器产品的全称由“主题词+四级修饰语”构成。
主题词——传感器；
一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语；
二级修饰语——转换原理，一般可后缀以“式”字；
三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后缀以“型”字；
四级修饰语——主要技术指标（如量程、精度、灵敏度等）。
在有关传感器的统计表格、检索以及计算机汉字处理等场合可以采用上述顺序。例如：传感器，位移，应变（计）式，100mm。而在技术文件、产品样本、学术论文等的陈述句中，作为产品名称一般采用与上述相反的顺序。例如：100mm应变式位移传感器。
2.传感器的代号
国家标准GB/T 7666—2005《传感器命名法及代码》规定，一种传感器的代号应包括以下四部分：
主称——传感器（代号C）；
被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记；
转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记；
序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。
传感器的代号依次为“主称（传感器）被测量-转换原理-序号”，在被测量、转换原理、序号这三部分代号之间需用连字符“-”连接。传感器代号表述格式如图1-4所示。
例如，C WY-YB-10传感器，其中，C：传感器主称，WY：被测量是位移；YB：转换原理是应变式，10：传感器序号。
图1-4 传感器代号表述格式
3.传感器的图形符号
传感器的图形符号由正方形和等边三角形组成，正方形表示转换元件，三角形表示敏感元件，“x”表示被测量，“∗”表示转换原理。传感器的图形符号与几个常用传感器的图形符号如图1-5所示。
图1-5 传感器的图形符号与几个常用传感器的图形符号
a）传感器图形符号 b）电容式压力传感器 c）压电式加速度传感器 d）电位器式压力传感器
在使用这些图形符号时应注意几个问题：当无需强调具体的转换原理时，传感器图用图形符号也可简化，如图1-6a所示，对角线表示内在能量转换功能，（A）、（B）分别表示输入、输出信号。对于传感器的电器引线，应根据接线图设计需要，从正方形的三个边线垂直引出，表示方法如图1-6b所示，如果引线需要接地或接壳体、接线板，应按标准规定绘制。如果某些转换原理难以用图形符号简单、形象地表达，例如离子选择电极式钠离子传感器，也可用文字符号替代，如图1-6c所示。
图1-6 传感器图形绘制
a）简化的图形符号 b）传感器引线 c）钠离子传感器
1.1.5 传感器的基本特性
传感器的特性一般是指输出与输入之间的关系，可用数学函数、坐标曲线和图表等方式表示。根据被测量状态的不同，传感器的特性可分为静态特性和动态特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时，即被测量处于稳定状态时的输入、输出关系。动态特性是指输入量随时间快速变化（如机械振动）时，传感器的输入、输出关系。
由于动态特性的研究方法与控制理论中介绍的研究方法相似，本书不再赘述，这里仅介绍传感器静态特性的一些指标。
（1）测量范围与量程
每种传感器都有其测量范围，通常是由该传感器组成的测量系统（或测量仪表）按规定的精度测量被测量，所能测量出的最大值称为测量上限值，用xmax表示，所能测量出的最小值称为测量下限值，用xmin表示，测量下限值与测量上限值之间的范围称为测量范围。
传感器的量程可用测量范围的大小来表示，即量程就是传感器测量上限值与测量下限值的代数差。
测量下限值xmin与测量上限值xmax对应的输出值分别为输出上限值ymin和输出上限值ymax，则满量程输出值记为
（2）线性度
传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即具有理想的输入与输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性，如果不考虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示为
式中，a0为输入量x为0时的输出量；a1，a2，…，an为非线性项系数。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式各不相同。
静态特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节。如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。但如果传感器非线性的方次不高，输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使传感器输出、输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度），通常用相对误差γL表示，即
式中，ΔLmax为非线性绝对误差；yFS为满量程输出。
由此可见，非线性误差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。图1-7所示是常用的几种直线拟合方法。
①理论拟合：拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关，如图1-7a所示。
②过零旋转拟合：常用于校正曲线过零的传感器，如图1-7b所示。
③端点连线拟合：把校正曲线两端点的连线作为拟合直线，如图1-7c所示。
④端点平移拟合：是在图1-7c的基础上使直线平移，移动距离为原先ΔLmax的1/2。这样，校正曲线分布于拟合直线的两侧，与图1-7c相比，非线性误差减小1/2，提高了精度。
从图中可以看出，即使是同类传感器，拟合直线不同，其线性度也是不同的。选取拟合直线的方法有很多，用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。
图1-7 几种直线拟合方法
a）理论拟合 b）过零旋转拟合 c）端点连线拟合 d）端点平移拟合
（3）灵敏度
灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起的相应输入量增量Δx的比值，即
对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即S=Δy/Δx为常数，而非线性传感器的灵敏度为一变量，用S=dy/dx表示，它实际上就是输入特性曲线上某点的斜率，且灵敏度随着输入量的变化而变化。非线性传感器的灵敏度如图1-8所示。
（4）分辨力与阈值
传感器的分辨力是指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量，是传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果传感器的输入量从某一非零值缓慢地变化，在输入量的变化值未超过某一值时，传感器的输出不会发生变化，只有超过某一数值后才显示有变化，这个输入增量称为传感器的分辨力。有时候用该值相对满量程输入值的百分比表示，则称为分辨率。
图1-8 非线性传感器的灵敏度
如果传感器的输入量从零值开始缓慢地增加，在达到某一最小值后才能测出输出变化，这个最小值就是传感器的阈值。
当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。
阈值说明了传感器的最小可测出的输入量；分辨力说明了传感器的最小可测出的输入变化量。
（5）迟滞
在传感器内部，由于某些元器件具有储能效应，例如：弹性形变、磁滞现象和极化效应等，使得被测量逐渐增加和逐渐减少时，测量得到的上升曲线和下降曲线出现不重合的现象，使传感器特性曲线形成环状，这种现象称为迟滞，如图1-9所示。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等。迟滞大小通常由实验确定。
图1-9 传感器迟滞特性
迟滞误差γH以正、反向输出量的最大偏差与满量程输出之比的百分数表示，即
式中，ΔHmax为正、反行程间输出的最大误差。
（6）重复性
重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程连续多次变动时所得特性曲线间不一致的程度。各条特性曲线越靠近，说明重复性就越好。图1-10所示为输出特性曲线的重复特性，正行程的最大重复性偏差为ΔRmax1，反行程的最大重复性偏差为ΔRmax2。重复性偏差取这两个最大偏差中之较大者，记为ΔRmax。若再以满量程输出的百分数表示，这就是重复误差，即
图1-10 传感器重复性
（7）稳定性
稳定性包括稳定度和环境影响量两方面。稳定度是指传感器在所有条件均不变的情况下，能在规定的时间内维持其示值不变的能力。稳定度用示值的变化量与时间长短的比值来表示。例如，某传感器中仪表输出电压在4h内的最大变化量为1.2mV，则用1.2mV/（4h）表示其稳定度。
环境影响量是指由于外界环境变化而引起的示值的变化量。示值变化由两个因素组成：零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移是指在受外界环境影响后，已调零的仪表的输出不再为零。零点漂移的现象，在测量前是可以发现的，应重新调零，但在不间断测量过程中，零点漂移是附加在读数上的，因而很难发现。
1.1.6 传感器的标定
根据我国计量法，任何一种传感器产品在装配完后都必须按设计指标进行严格的性能鉴定；另外，使用一段时间以后或经过修理，也必须对其主要技术指标进行校准实验，以确保其性能指标达到要求。
传感器的标定是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。传感器的校准是指传感器在使用一段时间以后或经过修理后，必须对其性能参数进行复测和必要的调整、修正，以确保传感器的测量精度的复测调整过程。传感器的标定与校准的本质和方法基本相同。
根据系统用途，输入信号可以是静态的，也可以是动态的，因此传感器的标定也有静态标定和动态标定两种。
1.传感器的静态标定
传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。静态标准条件主要包括没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测量）及环境温度一般为室温（20±5）℃、相对湿度不大于85%、气压为（101±7）kPa等条件。静态标定主要用于检验测试传感器的静态特性指标，如灵敏度、线性度、迟滞和重复性等。
根据传感器的功能，静态标定首先需要建立静态标定系统，其次要选择比被标定传感器的精度高一等级的标定仪器设备。在图1-11所示的应变式测力传感器静态标定系统中，测力机用来产生大小不同的标准力，高精度稳压电源的输出电压经精密电阻箱衰减后向传感器提供稳定的电源电压，其值由数字电压表检测以满足传感器工作电压需求，传感器的输出由高精度数字电压表读出，从而得出传感器输入-输出特性曲线。
图1-11 应变式测力传感器静态标定系统
各种传感器的标定方法不同，一般传感器静态标定步骤如下。
①将传感器的测量范围（全量程）分成若干等间距点。
②根据传感器测量范围的分点情况，由小到大，逐点递增输入标准量值，并记录下与各点输入值相对应的输出值。然后再将输入量由大到小逐点递减，并记录下与各点输入值对应的输出值。
③重复上述两步，对传感器进行正、反行程多次重复测量（一般为3～10次），将得到的输出、输入测试数据用表格列出或画成曲线。
④对测试数据进行处理，根据处理结果就可以确定出传感器的灵敏度、线性度、迟滞和重复性等静态特性指标。
例如，对某型号电子秤进行标定时，可选择不同质量的标准砝码，依次由小到大和由大到小称量砝码，记录电子秤显示的测量数据，经反复测量后得到多组数据，然后进行数学统计和线性分析，得出输入-输出特性曲线，将数据处理得到的特性参数输入电子秤，可提高电子秤的测量精度。
2.传感器的动态标定
一些传感器除了静态特性必须满足要求外，其动态特性也必须满足要求。因此，在静态标准标定后还需要进行动态标定。动态标定是检验测试传感器的动态性能指标，如动态灵敏度、固有频率和频率响应范围等。
传感器进行动态标定时，需要有一标准信号对它激励，常用的标准信号有两类：一是周期函数，如正弦波等。另一是瞬变函数，如阶跃波等。用标准信号激励后得到传感器的输出信号，经分析计算、数据处理，便可以决定其频率特性，即频率响应函数、幅频特性和相频特性、阻尼和动态灵敏度等。