传感器教程―1基础知识

11.1传感器的初步认识人们为了从外界获取信息，需要依靠人的五种感觉器官(视、听、嗅、味、触)感受外界信息。在自动控制系统中，也需要获取外界信息，这些需要依靠传感器来完成。所以，传感器相当于人的五官部分(“电五官”)。两者之间的关系可用图1-1表示。另外，对于某些外界信息，人的感觉器官是不可以感受的，如有毒的气体、过热的物体、紫外线、微波等；人的感觉器官无法定量地感受外界信息……这些都需要依靠传感器来完成。可以说传感器是人类五官的延伸。实际上传感器对我们来说并不陌生，在我们的生活和生产中都可以看到它们的身影，如声光控节能开关中的光敏电阻、驻极体话筒、电视机遥控系统的红外接收器件等都是传感器。传感器实际上是一种功能模块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号，然后再利用后续装置或电路对此电信号进行处理。返回2图1-1人体与自控系统的对应关系外界信息返回31.2传感器的定义、组成及分类1.2.1传感器的定义根据中华人民共和国国家标准(GB7665—87)，传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。对此定义需要明确以下几点：传感器是一种能够检测被测量的器件或装置；被测量可以是物理量、化学量或生物量等；输出信号要便于传输、转换、处理、显示等，一般是电参量；输出信号要正确地反映被测量的数值、变化规律等，即两者之间要有确定的对应关系，且应具有一定的精确度。下一页返回41.2传感器的定义、组成及分类1.2.2传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，如图1-2所示。1.敏感元件敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他物理量的元件。如后续章节要介绍的对力敏感的电阻应变片、对光敏感的光敏电阻、对温度敏感的热敏电阻等。2.转换元件转换元件也叫传感元件，是将敏感元件的输出量转换成电参量(电阻、电容等)的元件。有些传感器的敏感元件和转换元件合二为一，它感受被测量并直接输出电参量，如热电偶等；有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。上一页下一页返回5图1-2传感器的组成框图敏感元件转换元件转换电路被测量电参量返回61.2传感器的定义、组成及分类3.转换电路转换电路将转换元件输出的电参量转换为电压、电流或电频率的电路。如果转换元件的输出已经是电压、电流或电频率，则不需要转换电路。1.2.3传感器的分类在实际应用中，传感器种类繁多，同一种被测量可以用不同的传感器来测量，而同一原理的传感器又可以测量多种被测量，所以，传感器的分类标准比较多。目前常用的分类方法有两种：一种是以被测量来分类，如表1-1所示；另一种是以传感器原理来分类。本书采用后一种分类方法编排，如表1-2所示。以被测量来分类时，使用的对象比较明确，适于传感器的选用；以工作原理来分类时，传感器采用的原理比较清楚，适于系统学习。上一页返回71.3传感器的应用领域传感器是获取自然领域中各种信息的主要途径和手段，是构成现代信息技术的三大支柱(传感器技术、通信技术、计算机技术)之一。目前传感器涉及的领域非常广泛。现代家用电器中，大多都应用了传感器技术。电视机、空调、风扇的红外遥控系统中使用的红外接收器件、照相机中的自动曝光装置、电冰箱和电饭煲使用的温度传感器、抽油烟机上的气敏传感器、全自动洗衣机中的水位和浊度传感器等。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或是最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代生产也就失去了基础。下一页返回81.3传感器的应用领域在基础科学研究中，传感器具有突出的地位。例如，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尖端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法获取的信息，没有相应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对研究对象的信息获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测仪器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。在航空航天领域，飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动都需要测量；“阿波罗10号”飞船需要对3295个参数进行检测，其中，温度传感器559个，压力传感器140个，信号传感器501个，遥控传感器142个，专家说：整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体。上一页下一页返回91.3传感器的应用领域楼宇自动化系统是智能建筑的重要组成部分。计算机通过中继器→路由器→网络→显示→网关控制管理各种设备(空调制冷、给水排水、变配电系统、照明系统、电梯、安全防护、自动识别等等)，实现以上功能使用的传感器有温度传感器、湿度传感器、液位传感器、流量传感器、压差传感器、空气压力传感器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器、图像传感器等。国防军事(雷达探测系统、水声目标定位系统、红外制导系统等)、环境保护(空气质量的监控)、医学诊断(各种生化指标、影像资料的获取)、刑事侦查(声音、指纹识别)、交通管理(车流量统计、车速监测、车牌识别)等，这些都离不开传感器。上一页返回101.4传感器的发展趋势传感器的发展趋势包括社会对传感器需求的新动向和传感器新技术的发展趋势这两个方面。1.4.1传感器需求的新动向社会需求是传感器技术发展的强大动力。随着现代科学技术，特别是微电子技术和信息产业的飞速发展，以及“电脑”的普及，传感器在新的技术革命中的地位和作用将更为突出，一股竞相开发和应用传感器的热潮已在世界范围内掀起。这是因为：“电五官”落后于“电脑”的现状，已成为微型计算机进一步开发和应用的一大障碍；许多有竞争力的新产品开发和卓有成效的技术改造，都离不开传感器；传感器的应用直接带来了明显的经济效益和社会效益；传感器普及于社会各个领域，将形成良好的销售前景。下一页返回111.4传感器的发展趋势1.4.2传感器技术的发展趋势当前，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。1.发现新现象，开发新材料新现象、新原理、新材料是发展传感器技术、研究新型传感器的重要基础，每一种新原理、新材料的发现都会伴随着新的传感器种类诞生。2.集成化，多功能化向敏感功能装置和集成化发展，将半导体集成电路技术及其开发思想应用于传感器制造。如采用微细加工技术MEMS制作微型传感器，采用厚膜和薄膜技术制作传感器等。上一页下一页返回121.4传感器的发展趋势3.向未开发的领域挑战到目前为止，开发的传感器大多为物理传感器，今后应积极开发研究化学传感器和生物传感器，特别是智能机器人技术的发展，需要研制各种模拟人的感觉器官的传感器，如已有的机器人力觉传感器、触觉传感器、味觉传感器等。4.智能传感器，具有判断能力学习能力的智能传感器事实上是一种带微处理器的传感器，它具有检测、判断和信息处理功能。上一页返回131.5传感器的命名和代号在GB7666—1987中，国家标准规定了传感器的命名方法和代号，作为统一传感器命名和代号的依据。它适用于传感器的研究、开发、生产、销售、教学等相关领域。1.5.1传感器的命名1.命名的构成传感器的名称由主题词加四级修饰语构成，包括：主题词——传感器；第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语；第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字；第三级修饰语——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，一般可后续以“型”字；第四级修饰语——主要技术指标(量程、精确度、灵敏度等)。传感器命名构成及各级修饰语如表1-3所示。下一页返回141.5传感器的命名和代号2.命名法的使用(1)题目中的用法在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合，应采用上述顺序，如：传感器，位移，应变计[式]，100mm。(2)正文中的用法在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序，如100mm应变计式位移传感器。1.5.2传感器的代号1.传感器代号的构成国家标准中规定，用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完整的代号。包括四个部分：依次为主称(传感器)被测量-转换原理-序号。上一页下一页返回151.5传感器的命名和代号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。若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等(其中I、Q不用)，如应变式位移传感器CWY-YB-20；光纤压力传感器CY-GQ-2。常用被测量代码如表1-4所示，常用转换原理代码如表1-5所示。上一页返回161.6传感器的特性传感器所测量的被测量经常处在变动过程中。例如测量温度时，若温度恒定，传感器的输出值可能十分稳定；若遇到温度不恒定甚至出现突变时，传感器的输出值可能有缓慢起伏或者周期性脉动变化，甚至出现突变的尖锋值。传感器能否将这些被测量的变化不失真地变换成相应的电量，就需要考虑传感器本身的基本特性，即输出-输入特性。该基本特性通常用传感器的静态特性和动态特性来描述。1.6.1传感器的静态特性静态特性表示传感器在被测量处于稳定状态(输入量为常量，或变化非常缓慢)时的输出-输入关系。通常用线性度、灵敏度、分辨力、重复性、迟滞等技术指标来描述传感器的静态特性。下一页返回171.6传感器的特性1.线性度传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的校准设备对传感器进行往复循环测试，得出输出-输入特性(列表或曲线)。通常，希望这个特性(曲线)为线性，这给标定和数据处理带来方便。但实际的输出-输入特性或多或少地都存在着非线性问题，只能接近线性，对比理论直线有偏差，如图1-3所示。实际曲线与其两个端点连线(拟合曲线)之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其最大偏差与理论满量程之比作为评价线性度(或非线性误差)的指标。式中max——输出平均值与拟合直线间的最大偏差；yFS——理论满度值。maxLFS100%LeyL上一页下一页返回18图1-3线性误差返回191.6传感器的特性2.迟滞传感器在正向行程(输入量增大)反向行程(输入量减小)中输出输入曲线不重合称为迟滞。也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器的输出信号大小不相等。一般用两曲线之间输出量的最大差值与满量程输出的百分比来表示迟滞误差，即式中Hmax——正反行程间输出的最大差值。yFS——理论满度值。产生迟滞的原因是：传感器的机械部分、结构材料方面存在不可避免的弱点，如轴承摩擦、间隙等。3.重复性重复性是指传感器的输入量按同一方向变化，作全量程连续多次测量时所得到的曲线不一致的程度。maxHFS100%Hey上一页下一页返回201.6传感器的特性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为ΔRmax，再以ΔRmax与满量程输出yFS的百分比表示，即4.灵敏度传感器输出的变化量Δy与引起该变化量的输入量变化Δx之比即为其静态灵敏度。表达式为即传感器的灵敏度就是校准曲线的斜率。线性传感器特性曲线的斜率处处相同，灵敏度K是常数。以拟合直线作为其特性的传感器，也可认为其灵敏度为一常数，与输入量的大小无关。非线性传感器的灵敏度不是常数，应以dy/dx表示。maxRFS100%ReyyKx上一页下一页返回211.6传感器的特性5.分辨力和阈值分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力可用绝对值表示，也可用与满量程的百分数表示