傳感器與檢測技術第2章 傳感器概述

第2章傳感器概述 2.1傳感器的根本概念

2.1.1傳感器的定義與組成

1.傳感器的定義

傳感器的英文是“Sensor〞,來源于拉丁語“Sense〞,意思是“感覺〞、“知覺〞等。傳感器的通俗定義可表述為“信息拾取的器件或裝置〞。其嚴格定義在國家標準GB7665—87中的表述是“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成〞,包含以下幾方面的意思:

(1)傳感器首先是一種測量器件或裝置,它的作用表達在測量上。2.傳感器的組成

傳感器的種類繁多,其工作原理、性能特點和應用領域各不相同,故結構、組成差異很大。由于電量具有便于傳輸、轉換、處理、顯示等特點,因此傳感器輸出信號通常是電信

號形式(如:電壓、電流等各種電參數(shù)),即傳感器將非電量轉換成電量輸出。所以傳感器通常由敏感元件、轉換元件及根本轉換電路三局部組成,如圖2－1所示。圖2－1傳感器組成框圖2.1.2傳感器的分類

1.按被測物理量分類

按被測量的性質進行分類,有利于準確表達傳感器的用途,對人們系統(tǒng)地使用傳感器很有幫助。如位移傳感器用于測量位移等。本書主要就是按這一分類方法作為編寫體系來

介紹各種類型的傳感器的。

2.按傳感器工作原理分類

按工作原理分類是傳感器最常見的分類方法,這種分類方法將物理、化學、生物等學科的原理、規(guī)律和效應作為分類的依據(jù),有利于對傳感器工作原理的闡述和對傳感器的深

入研究與分析。如電感式傳感器、電容式傳感器等。

3.按傳感器轉換能量的情況分類

按照傳感器的能量轉換情況,傳感器可分為能量控制型和能量轉換型傳感器兩大類。

①能量轉換型:又稱發(fā)電型,不需外加電源而將被測能量轉換成電能輸出,這類傳感器有壓電式、熱電偶、光電池等。

②能量控制型:又稱參量型,需外加電源才能輸出電能量。這類傳感器有電阻、電感、霍爾式等傳感器以及熱敏電阻、光敏電阻、濕敏電阻等。4.按傳感器結構分類

按傳感器的結構構成可分為結構型、物性型和復合型傳感器。

(1)結構型:被測參數(shù)變化引起傳感器的結構變化,使輸出電量變化,利用物理學中場的定律和運動定律等構成,如電感式、電容式。這類傳感器的特點是其性能以傳感器中元件相對結構(位置)的變化為根底,而與其材料特性關系不大。

(2)物性型:利用某些物質的某種性質隨被測參數(shù)變化的原理構成。傳感器的性能與材料密切相關,如壓電傳感器、各種半導體傳感器等。這類傳感器的“敏感元件〞就是材料

本身,無所謂“結構變化〞,因此,通常具有響應速度快的特點,而且易于實現(xiàn)小型化、集成化和智能化。

(3)復合型傳感器那么是結構型和物性型傳感器的組合,同時兼有二者的特征。

5.按傳感器輸出信號的形式分類

(1)模擬式:傳感器輸出為模擬量。

(2)數(shù)字式:傳感器輸出為數(shù)字量,如編碼器式傳感器。

下面列出根據(jù)被測量、測量原理、傳感基理、輸出形式和電源形式等進行的分類表,如表2－1所示。2.1.3傳感器的命名與代號

1.傳感器的命名2.傳感器的代號圖2－2傳感器產品代號及格式

(1)主稱:傳感器代號C。

(2)被測量:用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記。常用的被測量代碼如表2－3所示。

表2－3被測量代號舉例

(3)轉換原理:用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記。轉換原理代碼如表2－4所示。

(4)序號:用一個阿拉伯數(shù)字標記,廠家自定,用來表征產品設計特性、性能參數(shù)、產品系列等。當產品性能參數(shù)不變,僅在局部有改動或變動時,其序號可在原序號后面順序地加注大寫字母A、B、C等(其中I、Q不用)。

例如:應變式位移傳感器:CWYYB20;光纖壓力傳感器:CYGX2。表2－4轉換原理代號舉例圖2－3傳感器的圖形符號在使用這種圖形符號時應注意以下幾個問題:

(1)表示轉換原理的限定符號應寫進正方形內,表示被測量的限定符號應寫進三角形內,如圖2－4(a)所示。

(2)無須強調具體的轉換原理時,傳感器的圖形符號可以簡化,如圖2－4(b)所示。

(3)對于傳感器的電氣引線,應根據(jù)接線圖設計需要,從正方形的三條邊線垂直引出。

如果引線需要接地或接殼體、接線板,應按照GB4728.

2中的規(guī)定繪制,如圖2－5所示。圖2－4傳感器的圖形符號說明圖2－5傳感器的電氣引線圖2－6用文字符號表示方式圖2－7典型傳感器的圖形符號

(2)石英晶體材料。石英晶體材料包括壓電石英晶體和熔凝石英晶體(又稱石英玻璃),它具有極高的機械品質因數(shù)和非常好的溫度穩(wěn)定性。同時,天然的石英晶體還具有良好的壓電特性。因此,可采用石英晶體材料來研制一些微型化的高精密傳感器。3)傳感器的多功能化開展

一般的傳感器多為單個參數(shù)測量的傳感器,近年來,出現(xiàn)了利用一個傳感器實現(xiàn)多參數(shù)測量的多功能傳感器。如一種同時檢測Na+、K+和H+離子的傳感器,可檢測血液中的鈉、鉀和氫離子的濃度,對診斷心血管疾患非常有意義。該傳感器的尺寸為2.5mm×0.5mm×0.5mm,可直接用導管送到心臟內進行檢測。

氣體傳感器在多功能方面的進步最具代表性。如一種多功能氣體傳感器能夠同時測量H2S、C8H18、C10H20O、NH3四種氣體。該傳感器的敏感結構共有6個用不同敏感材料制成的局部,其敏感材料分別是ZnO、SnO2、WO3、ZnO(Pt)、WO3(Pt)、SnO2(Pb),它們分別對上述四種被測氣體均有響應,但其相應的靈敏度差異很大,利用其從不同敏感局部輸出的差異,即可測出被測氣體的濃度。

2.2傳感器的一般特性

2.2.1傳感器的靜態(tài)特性

當被測對象處于靜態(tài),也即傳感器的輸入量為常量或隨時間作緩慢變化時,傳感器輸出與輸入之間呈現(xiàn)的關系稱為靜態(tài)特性。靜態(tài)特性是通過在使用前對傳感器進行標定或定期校驗獲得的。靜態(tài)標準工作條件規(guī)定是指沒有加速度、振動、沖擊(除非這些參數(shù)本身就是被測量);環(huán)境溫度一般為室溫

(20±5)℃;相對濕度不大于85%;大氣壓力為(10137±7800)Pa((760±60)mmHg)的情況。

由高精度輸入量發(fā)生器給出一系列數(shù)值的、準確的、不隨時間變化的輸入量xi(i=1,2,…,n),用高精度測量系統(tǒng)測定被校傳感器對應輸出量yi(i=1,2,…,n),從而得出

(yi,xi)系列值得出的數(shù)表、曲線或所求得的數(shù)學表達式表征的被校傳感器的輸入輸出關系。1.靈敏度(Sensitivity)

傳感器靈敏度是傳感器輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比,表示傳感器對被測量變化的反響能力,如圖2－8所示。圖2－8靈敏度從圖2－8(a)可以看出,線性傳感器的特性曲線是一條直線,其靈敏度是該直線的斜率,為一個常數(shù)。直線的斜率越大,線性傳感器的靈敏度K

越高,即(2－1)從如圖2－8(b)可以看出,對于非線性傳感器,其靈敏度K

是一個隨工作點而變的變量,不是常數(shù),即(2－2)從靈敏度定義可知,靈敏度是一個有量綱的數(shù)。當討論某一靈敏度時,必須確切地說明它的單位。例如,壓力傳感器的靈敏度用KP表示,單位是mV/Pa。假設輸入與輸出量的量綱相同,那么靈敏度無量綱,此時常用“放大倍數(shù)〞一詞代替靈敏度。當某檢測系統(tǒng)是由靈敏度分別為K1、K2、K3等多個相互獨立的環(huán)節(jié)組成時,系統(tǒng)的總靈敏度K為(2－3)式(2-3)說明某檢測系統(tǒng)的總靈敏度等于各個環(huán)節(jié)靈敏度的乘積。2.線性度(Linearity)

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。從傳感器的性能來看,希望其輸出與輸入的關系具有線性特性,這樣可以使顯示儀表刻度均勻,在整個測量范圍內具有相同的靈敏度,并且不必采用線性化環(huán)節(jié),從而簡化傳感器的內部結構。但實際的傳感器由于存在著遲滯、蠕變、摩擦等因數(shù)的影響,使輸出與輸入的對應關系為非線性,為了標定和數(shù)據(jù)處理方便,要對傳感器的輸出與輸入的關系曲線進行線性化處理。

在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時,假設傳感器的非線性不嚴重,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,使傳感器的輸入輸出特性線性化,這種方法叫擬合直線法。傳感器的線性度也稱為非線性誤差γ

L,其表示方法是在全量程范圍內實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值ΔLmax與滿量程輸出值Y

FS(FS是FullScale滿量程的縮寫)之比的百分數(shù)來表示,即(2－4)顯然,選取的擬合直線不同,所得的線性度值也不同。選擇擬合直線應保證獲得盡量小的非線性誤差,并考慮使用與計算方便。常用的擬合直線方法有以下幾種:(1)理論直線法。通常取零點(0%)為起始點,滿量程輸出(100%)為終止點,連接這兩點的直線(y

=kx)即為理論直線。如圖29(a)所示,以傳感器的理論特性線作為擬合直線,它與實際測試值無關。該方法的優(yōu)點是簡單、方便,但通常ΔLmax很大。

(2)端點線法。取傳感器標定出的零點輸出平均值為起始點,滿量程輸出平均值為終止點,連接這兩點的直線(y=a0

+kx)為端基擬合直線。如圖2-9(b)所示,以此直線為基準可計算出實際曲線與擬合曲線的偏差程度。這種方法很簡便,但ΔLmax也很大。

(3)端點平移法。以傳感器校準曲線兩端點間的連線平移所得的直線作擬合直線,該直線能保證傳感器正反行程校準曲線對它的正、負偏差相等并且最小,如圖2-9(c)所示。

(4)最小二乘法。這種方法按最小二乘原理求取擬合直線,該直線能保證傳感器校準數(shù)的殘差平方和最小。雖然最小二乘法的擬合精度很高,但校準曲線相對擬合直線的最大

偏差絕對值并不一定最小,最大正、負偏差的絕對值也不一定相等。圖2－9不同的擬合方法

3.遲滯(Hysteresis)

傳感器的遲滯特性是在輸入量由小到大(正行程)及輸

入量由大到小(反行程)變化期間其輸入輸出特性曲線出現(xiàn)

的不重合程度。也就是說,盡管輸入為同一輸入量,但輸出

信號的大小卻不相等,這個差值稱為遲滯誤差γH,如圖

2－10所示。

傳感器的遲滯誤差的表示方法是用正、反向輸出量的最

大偏差ΔHmax與滿量程輸出YFS的之比的百分數(shù)來表示,即(2－5)4.重復性(Repeatability)

重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)屢次變化時,所得特性曲線不一致的程度。各條特性曲線越靠近,那么說明重復性越好。

傳感器輸出特性曲線的重復特性如圖2－11所示。

圖2－11中,正行程的最大重復性偏差為ΔRmax1,反行程的最大重復性偏差為ΔRmax2。傳感器的重復性也稱為重復誤差γR,其表示方法是重復性偏差(取這兩個最大偏差中之較大者為ΔRmax)與滿量程輸出YFS之比的百分數(shù),即(2－6)2.2.2傳感器的動態(tài)特性

1.傳感器的頻率響應特性

由控制理論可知,在初始條件為零時,傳感器輸出的傅里葉變換和輸入的傅里葉變換之比,即為頻率響應函數(shù)。這樣傳感器的頻率響應函數(shù)為(2－7)式中,a0

、a1

、…、an

及b0

、b1

、…、bm

是與傳感器結構特性有關的常數(shù)。圖2－12典型對數(shù)幅頻特性2.傳感器的階躍響應特性

當給靜止的傳感器輸入一個單位階躍信號時,其輸出信號稱為階躍響應。衡量階躍響應的指標如圖2－13所示,模擬傳感器的動態(tài)特性指標如表2－5所示。圖2－13一階、二階系統(tǒng)的階躍響應曲線 2.3傳感器的性能指標

2.3.1傳感器的主要性能指標

傳感器的優(yōu)劣一般通過假設干主要性能指標來表征。除了前面已介紹的特性參數(shù),如線性度、遲滯、重復性、靈敏度、頻率特性、階躍響應特性外,還常用測量范圍、量程、零位、

分辨力、閾值、輸入/輸出電阻、穩(wěn)定性、漂移、準確度、過載能力、可靠性以及與環(huán)境相關的參數(shù)、使用條件等。

(1)測量范圍(MeasuringRange):傳感器所能測量到的最小輸入量Xmin與最大輸入量Xmax之間的范圍。(2)量程(Span):又稱“滿度值〞,表征傳感器測量范圍的上限值Xmax與下限值Xmin的代數(shù)差Xmax-Xmin;當輸入量在量程范圍以內時,傳感器正常工作,并保證預定的性能。

(3)零位(Zero):當輸入量為零時,傳感器的輸出量不為零的數(shù)值。零位值應從測量結果中設法消除。(4)分辨力(Resolution):表征傳感器能檢測到被測量的最小變化量的能力,是一個有量綱的數(shù)。即被測量的變化小于分辨力,那么傳感器無反響。對于數(shù)字式傳感器或儀表,一般可以認為其指示值的最后一位數(shù)值就是它的分辨力。例如,當某位(常稱3位半)數(shù)字式電子溫度計的示值+180.6℃,該溫度計的分辨力為0.1℃,那么被測溫度的變化量小于±0.1℃時,數(shù)字式溫度計的最后一位數(shù)不變,仍指示原值。將分辨力除以儀表的滿度量程,再以百分數(shù)表示時那么稱為分辨率。(5)閾值(Threshold):表征當一個傳感器的輸入從零開始極緩慢地增加,能使傳感器的輸出端產生可測變化量的最小被測輸入量值,即零點附近的分辨力。有的傳感器在零位

附近有嚴重的非線性,形成所謂“死區(qū)〞(DeadBand),那么將死區(qū)的大小作為閾值;更多情況下,閾值主要取決于傳感器噪聲的大小,因而有的傳感器只給出了噪聲電平。閾值大的傳

感器其遲滯誤差一定大,而分辨力未必差。(6)輸入與輸出電阻(InputResistanceandOutputResistance):輸入電阻與輸出電阻

對于組成檢測系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)甚為重要。前一環(huán)節(jié)的輸出電阻相當于后一環(huán)節(jié)的信號源內阻,后一環(huán)節(jié)的輸入電阻相當于前面環(huán)節(jié)的負載。假設希望前級輸出信號無損失地傳送給后

級,根據(jù)全電路歐姆定律可知信號源的內阻應為零,即前級環(huán)節(jié)對后級環(huán)節(jié)而言相當于理想電壓源,其內阻即輸出電阻應為0;后續(xù)輸入電阻承接了全部電壓信號,故輸入電阻理想值為∞。這樣前后環(huán)節(jié)為獨立環(huán)節(jié),各環(huán)節(jié)之間不需要阻抗變換器。

(7)穩(wěn)定性(Stability):傳感器在相當長時間內仍保持其性能的能力。測試時先將傳感器輸出調至零點或某一特定點,相隔4h、8h或一定的工作次數(shù)后,再讀出輸出值,前后兩

次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經過規(guī)定時間間隔后,傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示,有時也有用標定的有效期來表示;可用相對

誤差表示,也可用絕對誤差表示。(8)漂移(Drift):在外界的干擾下,在一定時間間隔內,傳感器輸出量存在著有與被測輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移(說明零點不穩(wěn)定的漂移)與靈敏度漂移(說明靈敏度有變化的漂移),如圖2－14所示。

零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移(時漂)和溫度漂移(溫漂)。時漂是指在規(guī)定條件下,零點或靈敏度隨時間的緩慢變化;溫漂為周圍溫度變化引起的零點或靈敏度漂移。測試時先將傳感器置于一定的溫度(如室溫)下,將其輸出調至零點或某一特定點,使溫度上升或下降一定的度數(shù)(如5℃或10℃)再讀出輸出值,前后兩次輸出值之差即為溫漂誤差。漂移反映了傳感器工作的穩(wěn)定性,對于需要長時間運行的傳感器,這個指標更為重要。圖2－14傳感器的漂移(9)精度(Accuracy):表征傳感器在其全量程內任一點的輸出值與其理論輸出值的偏離程度,是評價傳感器靜態(tài)性能的綜合性指標。測量誤差越小,傳感器的精度越高。

傳感器的精度S用其量程范圍內的最大根本誤差與滿度量程輸出之比的百分數(shù)來表示,根本誤差是傳感器在規(guī)定的正常工作條件下所具有的測量誤差,由系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩局部組成。其遲滯誤差與線性誤差所表示的誤差為傳感器的系統(tǒng)誤差,重復性所表示的誤差為隨機誤差,即(2－8)式中,Δx為測量范圍內允許的最大根本誤差。(2－9)例如,某傳感器在90000h的運行中發(fā)生了12次故障,那么MTBF=90000/12=7500h。MTBF說明發(fā)生一次故障的平均時間間隔。單位時間內(一般以小時計)發(fā)生故障的平均次數(shù)稱為平均故障率,用λ表示:(2－10)根據(jù)傳感器所用元件的各自故障率和元件所處不同工作條件(工作強度)和加權系數(shù),可以計算出儀表的故障率λ,從而得到儀表的MTBF。此外,儀表的MTBF也可直接通過可靠性實驗或現(xiàn)場運行等實驗方法來估計。在選用傳感器時,不應片面追求其線性度要好、靈敏度要高、遲滯要小、重復性要優(yōu)、分辨力要強,而是要根據(jù)檢測的具體要求,首先保證主要性能指標。一般傳感器的工作要求是:高精度、低本錢、