《傳感器原理及應用》課件第1章

第1章傳感器的基本概念與特性1.1基本概念1.2傳感器的分類1.3傳感器的作用和發(fā)展1.4傳感器的一般特性本章小結習題

1.1基本概念

1.1.1傳感器的定義

國家標準（GB7665—87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義為：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。（1）傳感器是測量裝置，能完成檢測任務。例如我

們常見的發(fā)電機，它是一種可以將機械能轉變成電能的轉換裝置，從能量角度上看，它是一種發(fā)電設備，不能稱之為傳感器；但從另一個角度看，人們可以通過發(fā)電機發(fā)電量的大小來測量調速系統的機械轉速，這時發(fā)電機就可以看成是一種用于測量轉速的裝置，是一種速度傳感器，通常稱之為測速發(fā)電機。應用傳感器的目的就是為了獲得被測量的準確信息，這也是本課程的學習目的。（2）傳感器定義中所謂“可用輸出信號”是指便于傳輸、轉換及處理的信號，主要包括氣、光和電等信號，現在一般是指電信號(如電壓、電流、電勢及各種電參數等)，而“規(guī)定

的測量量”一般是指非電量信號，主要包括各種物理量、化學量和生物量等，在工程中常需要測量的非電量信號有力、壓力、溫度、流量、位移、速度、加速度、轉速、濃度等。正是由于這類非電量信號不能像電信號那樣可由電工儀表和電子儀器直接測量，因而就需要利用傳感器技術來實現由非電量到電量的轉換。（3）傳感器的輸入和輸出信號應該具有明確的對應關系，并且應保證一定的精度。

（4）關于“傳感器”這個詞，目前國外還有許多提法，如變換器(transducer)、轉換器(converter)、檢測器(detector)

和變送器(transmitter)等，而根據我們國家的規(guī)定，傳感器

定名為sensor；當傳感器的輸出信號為標準信號(1～5V、

4～20mA)時，稱為變送器，注意二者不要混淆。1.1.2傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、轉換元件、測量電路三部分組成，有時還需外加輔助電源提供轉換能量，如圖1-1所示。圖1-1傳感器組成框圖（1）敏感元件：傳感器中能直接感受被測量的變化并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。敏感元件是傳感器的核心，也是研究、設計和制作傳感器的關鍵。如圖1-2所示是一氣體壓力傳感器的示意圖。膜盒2的下半部與殼體1固定，上半部通過連桿與磁芯4相連，磁芯4置于兩個電感線圈3中，后者接入測量電路5。這里的膜盒就是敏感元件，

其外部與大氣壓力pa相通，內部感受被測壓力p。當p變化時，引起膜盒上半部移動，即輸出相應的位移量。圖1-2氣體壓力傳感器（2）轉換元件：傳感器中能將敏感元件輸出的物理

量轉換成適于傳輸或測量的電信號的部分。在圖1-2中，轉換元件是可變電感線圈3，它把輸入的位移量轉換成電感的

變化。

需要指出的是，并不是所有的傳感器都能明顯地區(qū)分敏感元件和轉換元件兩部分，有的傳感器轉換元件不止一個，需要經過若干次的轉換；有的則是二者合二為一。（3）測量電路：又稱轉換電路或信號調理電路，它的作用是將轉換元件輸出的電信號進行進一步的轉換和處理，如放大、濾波、線性化、補償等，以獲得更好的品質特性，便于后續(xù)電路實現顯示、記錄、處理及控制等功能。測量電路的類型視傳感器的工作原理和轉換元件的類型而定，一般有電橋電路、阻抗變換電路、振蕩電路等。

實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數是開環(huán)系統，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統。最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉換元件)組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是轉換元件。有些傳感器，轉換元件不止一個，要經過若干次轉換。敏感元件與轉換元件在結構上是裝在一起的。而轉換電路為了減小外界的影響也希望和它們裝在一起，不過由于空間的限制或者其他原因，轉換電路常裝入電箱中。然而，因為不少傳感器要在通過轉換電路后才能輸出電信號，所以決定了轉換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。

1.2傳感器的分類

下面將目前廣泛采用的傳感器分類方法作一簡單的介紹。1.根據傳感器的工作原理分類

這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，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，但不便于使用者根據用途選用。按照傳感器工作原理的不同，傳感器可分為電參數式傳感器(包括電阻式、電感式和電容式傳感器)、壓電式傳感器、光電式傳感器(包括一般光電式、光纖式、激光式和紅外式傳感器等)、熱電式傳感器、半導體式傳感器、波式和輻射式傳感器等。這些類型的傳感器大部分是分別基于其各自的物理效應原理命名的。

2.根據傳感器的用途分類

按傳感器的用途來分類，例如位移傳感器、壓力

傳感器、振動傳感器、溫度傳感器等，對人們系統地使用傳感器很有幫助。

3.根據傳感器的材料類別分類

近年來對傳感器材料的開發(fā)研究有較大的進展，用復雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后發(fā)展的方向之一。

1）半導體材料

半導體材料在傳感技術中有較大的優(yōu)勢。它對很多信息量具有敏感特性，又有成熟的集成電路工藝，易于實現多功能化、集成化和智能化，同時也是很好的基底材料，所以是

理想的傳感器材料。其中用得最多的是硅材料。硅質量輕，

具有較高的強度密度比和剛度密度比，因此適合制作傳感器。半導體硅在力敏、熱敏、光敏、磁敏、氣敏、離子敏及其他敏感元件方面均具有廣泛用途。

2）陶瓷材料

陶瓷材料在敏感技術中有較大的技術潛力。它具有耐熱性、耐腐蝕性、多孔性、光電性、介電性及壓電性。利用陶瓷材料已制成了諸如溫度（新型熱敏電阻）、氣體、濕度、光電、離子、超聲及加速、力、陀螺等多種傳感器。

3）磁性材料

許多傳感器都采用磁性材料。目前磁性材料正向非晶化、薄膜化的方向發(fā)展。非晶磁性材料具有磁導率高、矯頑力小、電阻率高、耐腐蝕、硬度大等特點，因而將獲得越來越廣泛的應用。由于非晶體不具有磁的各向同性，因而是一種高磁導率和低損耗的材料，很容易獲得旋轉磁場，所以可以用來制作磁力計或磁通敏感元件，也可以利用應力-磁效應制得高靈敏度的應力傳感器，基于磁致伸縮效應的力敏元件也會得到發(fā)展。

4）智能材料

智能材料是指設計和控制材料的物理、化學、機械、電學等參數，研制出生物體材料所具有的特性或者優(yōu)于生物體材料性能的人造材料。智能材料具備對環(huán)境的自適應判斷功能、自診斷功能、自修復功能、自增強功能等性能。智能材料的探索才剛剛開始，相信不久的將來會有很大的發(fā)展。

1.3傳感器的作用和發(fā)展

1.3.1傳感器的作用

傳感器相當于人體的感覺器官，常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：

光敏傳感器——視覺；聲敏傳感器——聽覺；

氣敏傳感器——嗅覺；化學傳感器——味覺；

壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺。傳感器能將各種非電量（如機械量、化學量、生物量及光學量等）轉換成電量，從而實現非電量的電測技術。在自動控制系統中，檢測是實現自動控制的首要環(huán)節(jié)，沒有對被控對象的精確檢測，就不可能實現精確控制。如數控機床中的位移測量裝置是利用高精度位移傳感器（光柵傳感器或感應同步器）進行位移測量，從而實現對零部件的精密加工?，F代汽車技術的發(fā)展特征之一就是越來越多的部件采用電子控制，電子自動控制的工作要依賴傳感器的信息反繢，傳感器作為汽車電控的關鍵部件，直接影響著汽車技術性能的發(fā)揮。據統計，目前一般轎車上大約有幾十個傳感器，高級轎車上有100多個傳感器，全球的車用傳感器需求量達到12.7億個。這些傳感器主要分布在發(fā)動機控制系統、底盤控制系統和車身控制系統中。下面我們就以汽車傳感器為例，說明傳感器在汽車中的重要作用。發(fā)動機控制用傳感器有多種：①壓力傳感器，反映進氣壓力大小的變化、發(fā)動機油壓、輪胎壓力等；②流量傳感器，測量發(fā)動機吸入的空氣量和燃油流量；③角度傳感器，

檢測曲軸轉角及發(fā)動機轉速等；④溫度傳感器，檢測進氣溫度；⑤水溫傳感器，檢測冷卻液的溫度；⑥爆燃傳感器，安裝在缸體上，專門檢測發(fā)動機的爆燃狀況。利用這些傳感器可以提高發(fā)動機的動力性、降低油耗、減少廢氣、反映故障等。除了過去單純用于發(fā)動機上的傳感器，現在汽車傳感器已擴展到底盤、車身和燈光電氣系統上。

這些系統采用的傳感器有100多種。在種類繁多的傳感器中，常見的有：

進氣壓力傳感器：反映進氣管內的絕對壓力大小的變化，向ECU（發(fā)動機電控單元）提供計算噴油持續(xù)時間的基準信號。

空氣流量計：測量發(fā)動機吸入的空氣量，提供給ECU作為噴油時間的基準信號。節(jié)氣門位置傳感器：測量節(jié)氣門打開的角度，提供給ECU作為斷油、控制燃油/空氣比、點火提前角修正的基準

信號。

曲軸位置傳感器：檢測曲軸及發(fā)動機轉速，提供給ECU作為確定點火正時及工作順序的基準信號。

氧傳感器：檢測排氣中的氧濃度，提供給ECU作為控制燃油/空氣比在最佳值（理論值）附近的基準信號。

進氣溫度傳感器：檢測進氣溫度，提供給ECU作為計算空氣密度的依據。冷卻液溫度傳感器：檢測冷卻液的溫度，向ECU提供發(fā)動機溫度信息。

爆震傳感器：安裝在缸體上專門檢測發(fā)動機的爆燃狀況，提供給ECU根據信號調整點火提前角。

這些傳感器主要應用在變速器、方向器、懸架和ABS上。車身控制系統中也存在大量的傳感器，如自動空調中的溫度傳感器、風量傳感器和日照傳感器；安全氣囊系統中的加速度傳感器；死角報警系統中的超聲波傳感器等。這類傳

感器的主要目標是提高汽車的安全性、可靠性和舒適性。在工業(yè)生產中，傳感器的大量使用，實現了生產的自動化或半自動化，大大地減輕了工人的勞動強度，提高了產品的質量，降低了產品成本。在家用電器和醫(yī)療衛(wèi)生方面，新穎的、智能化的傳感器不斷涌現，使人們的生活越來越輕松、舒適。總而言之，在信息技術不斷發(fā)展的今天，傳感器將會在信息的采集和處理過程中發(fā)揮出巨大的作用。1.3.2傳感器的發(fā)展

傳感器技術的主要發(fā)展動向：一是傳感器本身的基礎研究，即研究新的傳感器材料和工藝，發(fā)現新現象；二是與微處理器組合在一起的傳感器系統的研究，即研究如何將檢

測功能與信號處理技術相結合，向傳感器的智能化、集成化發(fā)展。

1.發(fā)現新現象

傳感器的工作機理是基于各種效應、反應和物理現象的。重新認識如壓電效應、熱釋電現象、磁阻效應等已發(fā)現的物理現象以及各種化學反應和生物效應，并充分利用這些現象與效應設計制造各種用途的傳感器，是傳感器技術領域的重要工作。同時還要開展基礎研究，以求發(fā)現新的物理現象、化學反應和生物效應。各種新現象、反應和效應的發(fā)現可極大地擴大傳感器的檢測極限和應用領域。

2.開發(fā)新材料

隨著物理學和材料科學的發(fā)展，人們已經在很大程度上能夠根據對材料功能的要求來設計材料的組分，并通過對生產過程的控制制造出各種所需的材料。目前最為成熟、先

進的材料技術是以硅加工為主的半導體制造技術。例如，人們利用該項技術設計制造的多功能精密陶瓷氣敏傳感器有很高的工作溫度，彌補了硅（或鍺）半導體傳感器溫度上限低的缺點，可用于汽車發(fā)動機空燃比控制系統，大大地擴展了傳統陶瓷傳感器的使用范圍。有機材料、光導纖維等材料在傳感器上的應用，也已成為傳感器材料領域的重大突破，引起了國內外學者的極大關注。

3.采用微細加工技術

將硅集成電路技術加以移植并發(fā)展，形成了傳感器的微細加工技術。這種技術能將電路尺寸加工到光波長數量級，并能形成低成本超小型傳感器的批量生產。

微細加工技術除全面繼承氧化、光刻、擴散、淀積等微電子技術外，還發(fā)展了平面電子工藝技術、各向異性腐蝕、固相結合工藝和機械切斷技術。利用這些技術對硅材料進行三維形狀的加工，能制造出各式各樣的新型傳感器。例如，利用光刻、擴散工藝已制

造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝已制造出快速響應的氣敏、濕敏傳感器等。日本橫河公司綜合利用微細加工技術，在硅片上構成孔、溝、棱錐、半球等各種形狀的微型機械元件，并制作出了全硅諧振式壓力傳感器。

4.傳感器的智能化

“電五官”與“電腦”的結合就是傳感器的智能化。智能化傳感器不僅具有信號檢測、轉換功能，同時還具有記憶、存儲、解析、統計處理以及自診斷、自校準、自適應等功能。

5.仿生傳感器

傳感器相當于人的五官，且在許多方面超過人體，但在檢測多維復合量方面，傳感器的水平則遠不如人體。尤其是那些與人體生物酶反應相當的嗅覺、味覺等化學傳感器，還遠未達到人體感覺器官那樣高的選擇性。實際上，人體感覺器官由非常復雜的細胞組成并與人腦聯系緊密，配合協調。工程傳感器要完全替代人的五官，則須具備相應復雜細密的結構和相應高度的智能化，這一點目前看來還是不可能的事。

1.4傳感器的一般特性

一般情況下，輸入和輸出不會符合所要求的線性關系，同時由于存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動等各種因素以及外界條件的影響，使輸入、輸出對應關系的唯一確定性也不能實現?？紤]了這些情況之后，傳感器的輸入、輸出作用圖大致如圖1-3所示。圖1-3傳感器輸入、輸出作用圖1.4.1靈敏度

傳感器或檢測系統在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化Δy和引起此變化的輸入變化量Δx的比值，即為其靜態(tài)靈敏度，其表達式為（1-1）式中，kn為靜態(tài)靈敏度。如位移傳感器，當位移量Δx為1μm，輸出量Δy為0.2mV時，靈敏度kn為0.2mV/μm。對于線性傳感器，它的靈敏度就是其特性曲線的斜率，是一個常數，與輸入量大小無關；而對于非線性傳感器，其靈敏度是一個隨工作點而變的變量，如圖1-4所示。一般希望傳感器的靈敏度高，且在滿量程范圍內是恒定的，這樣就可保證在傳感器輸入量相同的情況下，輸出信號盡可能大，從而有利于對被測量的轉換和處理。圖1-4傳感器的靈敏度(a)線性傳感器;(b)非線性傳感器1.4.2分辨力

傳感器能檢測到輸入量的最小變化量的能力稱為分辨力。對于某些傳感器，如電位器式傳感器，當輸入量連續(xù)變化時，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量大小。對于數字式儀表，分辨力就是儀表指示值的最后一位數字所代表的值。當被測量的變化量小于分辨力時，數字式儀表的最后一位數不變，仍指示原值。當

分辨力以滿量程輸出的百分數表示時則稱為分辨率。1.4.3線性度

所謂傳感器的線性度是指其輸出量與輸入量之間的關系曲線偏離理想直線的程度，又稱為非線性誤差。如不考慮遲滯、蠕變等因素，一般傳感器的輸入-輸出特性關系可用n

次多項式表示為

y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn

（1-2）式中，x為輸入量；y

為輸出量；a0為零輸入時的輸出，也叫零位輸出；a1為傳感器線性項系數，也稱為線性靈敏度；a2，a3，…，an為非線性項系數。在不考慮零位輸出的情況下，傳感器的線性度可分為以下幾種情況：

(1)理想線性特性。

當式(1-2)中的a1為常數，而a0=a2=a3=…=an=0時，即

y=a1x(1-3)稱為理想線性特性，如圖1-5(a)所示，這時傳感器的線性最好，這也是我們最希望傳感器所具有的特性。具有該特性的傳感器的靈敏度為直線y=a1x

的斜率，即（1-4）

(2)僅有偶次非線性項。

傳感器的輸入-輸出特性為

y=a0+a2x2+a4x4+…+a2nx2n,n=0,1,2,…（1-5）

由于沒有對稱性，此特性的線性范圍較窄，線性度較差，如圖1-5(b)所示，一般傳感器設計很少采用這種特性。

(3)僅有奇次非線性項。

傳感器的輸入-輸出特性為

y=a1+a3x3+a5x5+…+a2n+1x2n+1,n=0,1,2,…（1-6）

此傳感器特性相對于坐標原點對稱，其線性范圍較寬，線性度較好，如圖1-5(c)所示，是比較接近于理想直線的非線性特性。

(4)普遍情況。

一般情況下，傳感器的輸入-輸出特性為

y=a1x+a2x2+a3x3+…+anxn

（1-7）

普遍情況下的輸入-輸出特性曲線如圖1-5(d)所示。圖1-5傳感器的非線性（a）理想線性特性；（b）僅有偶次非線性項；（c）僅有奇次非線性項；（d）普遍情況在實際使用非線性傳感器時，如果非線性項的次數不高，則在輸入量變化范圍不大的情況下，可采用直線近似地代替實際輸入-輸出特性曲線的某一段，使傳感器的非線性特性得到線性化處理，這里所采用的直線稱為擬合直線。實際輸入-輸出特性曲線與擬合直線的最大相對誤差就是非線性誤差，用γL表示:（1-8）式中，ΔLmax為最大非線性誤差；YFS為量程輸出。目前常用的擬合方法有：①理論擬合；②過零旋轉擬合；③端點連線擬合；④端點連線平移擬合；⑤最小二乘擬合。前四種方法如圖1-6所示。圖中實線為實際輸出的校

正曲線，虛線為擬合直線。圖1-6各種直線擬合方法（a）理論擬合；（b）過零旋轉擬合；（c）端點連線擬合；（d）端點連線平移擬合在圖1-6(a)中，擬合直線為傳感器的理論特性，與實際測試值無關，這種方法稱為理論擬合，應用十分簡便，但一般說來ΔLmax

很大。

圖1-6(b)所示為過零旋轉擬合，常用于校正曲線過零的傳感器。擬合時，使ΔL1=ΔL2=ΔLmax，這種方法也比較簡單，非線性誤差比前一種小很多。圖1-6(c)所示的端點擬合是把實際特性曲線兩端點的連線作為擬合直線。這種方法比較簡便，但ΔLmax

較大。

圖1-6(d)是在圖1-6(c)的基礎上使直線平移，移動距離為圖1-6(c)中ΔLmax的1/2。這條特性曲線分布于擬合直線的兩側，ΔL1=ΔL2=ΔL3=ΔLmax。與圖1-6（c）相比，非線性誤差減小1/2，提高了精度。1.4.4穩(wěn)定性

穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內保持其性能參數的能力。理想的情況是不論什么時候，傳感器的特性參數都不隨時間變化。但實際上，隨著時間的推移，大多數傳感器

的特性會發(fā)生改變。這是因為敏感元件或構成傳感器的部件，其特性會隨時間發(fā)生變化，從而影響了傳感器的穩(wěn)定性。1.4.5電磁兼容性

電磁兼容性即抗干擾性，指傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。

眾所周知傳感器存在著三大前沿技術：可靠性、溫度特性和電磁兼容性。早在20世紀90年代，人們就已經掌握了其中的可靠性和溫度特性。隨著我國自動化系統中變頻器和電動機的廣泛應用，電磁兼容性變得尤其重要。本章小結

傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置,一般處于研究對象或檢測控制系統的最前端，是感知、獲取與檢測信息的窗口。傳感器由敏

感元件、轉換元件、測量電路三部分組成。傳感器是利用物理、化學、生物等學科的某些效應或原理，按照一定制造工藝研制出來的。按某一原理設計的傳感器可以測量多種參數(主要是非電量)，而有時一種非電量又可以采用幾種不同的傳感器來測量。傳感器種類繁多，性能特點各有所長，應用領域十分廣泛。傳感器的特性主要是指傳感器的輸入與輸出之間的關系，根據