传感器基础知识

时间：2024-10-04 百科知识版权反馈

【摘要】：传感器技术在军用电子系统的运用促进了武器、作战指挥、控制、监视和通信的智能化。自动化和智能化的核心就是研制由微电脑和各种传感器组成的控制系统。智能传感器是将传感器与计算机集成在一块芯片上的装置，它将敏感技术和信息处理技术相结合，除了感知的本能外，还具有认知能力。

任务描述

传感器是利用各种物理、化学、生物现象将非电学量转换为电学量的器件，传感器可以检测自然界所有的非电学量，它在社会生活中发挥着不可替代的作用。传感器技术是自动控制技术的核心技术。

当今社会的发展就是信息技术的发展。早在20世纪80年代，美国首先认识到世界已进入传感器时代，日本也将传感器技术列为十大技术之首，我国将传感器技术列为国家八五重点科技攻关项目，建成了传感器技术国家重点实验室、微纳米国家重点实验室、国家传感器工程中心等研究开发基地。传感器产业已被国内外公认为是具有发展前途的高技术产业。它以技术含量高、经济效益好、渗透力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。

传感器检测涉及的范畴很广，常见检测涉及的内容见表1-1。

表1-1 检测涉及的内容

任务目标

●能理解传感器的静态特性指标

●学会传感器的定义及组成

任务实施

一、传感器在各领域中的应用

随着现代科技技术的高速发展，人们生活水平的迅速提高，传感器技术越来越受到普遍的重视，它的应用已渗透到国民经济的各个领域。

1.在工业生产过程的测量与控制方面的应用

在工业生产过程中，必须对温度、压力、流量、液位和气体成分等参数进行监测，从而实现对工作状态的监控，诊断生产设备的各种情况，使生产系统处于最佳状态，从而保证产品质量，提高效益。目前，传感器与微机、通信等技术的结合渗透，使工业监测实现了自动化，更具有准确、效率高等优点。如果没有传感器，现代工业生产程度将会大大降低。

2.在汽车电控系统中的应用

随着人们生活水平的提高，汽车已逐渐走进千家万户。传感器在汽车中相当于感官和触角，它能准确地采集汽车工作状态的信息，提高汽车的自动化程度。汽车传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统。普通汽车上装有10～20只传感器，而有的高级豪华车使用的传感器多达300个。因此，传感器已成为汽车电控系统的关键部件，直接影响到汽车技术性能的发挥。

3.在现代医学领域的应用

社会的飞速发展需要人们快速、准确地获取相关信息。医学传感器作为拾取生命体征信息的“五官”，其作用日益显著，并得到广泛应用。例如，在图像处理，临床化学检验，生命体征参数的监护监测，呼吸、神经、心血管疾病的诊断与治疗等方面，传感器的使用十分普遍。可以说，传感器在现代医学仪器设备中已无处不在。

4.在环境监测方面的应用

近年来环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，传感器满足了人们的这一要求。目前，已有相当一部分生物传感器应用于环境监测中，如二氧化硫是酸雨雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂，现在将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上，和氧电极一起制成安培型生物传感器，可对酸雨酸雾样品溶液进行检测，大大简化了检测方法和过程。

5.在军事方面的应用

传感器技术在军用电子系统的运用促进了武器、作战指挥、控制、监视和通信的智能化。传感器在远方战场监视系统、防空系统、雷达系统、导弹系统等方面都有广泛的应用，是提高部队战斗力的重要因素。

6.在家用电器方面的应用

20世纪80年代以来，随着以微电子为中心的技术革命的兴起，家用电器正向自动化、智能化、节能、无环境污染的方向发展。自动化和智能化的核心就是研制由微电脑和各种传感器组成的控制系统。例如，空调器采用微电脑控制配合传感器技术，可以实现压缩机的启动、停机、风门调节、换气等，从而对温度、湿度和空气浊度进行控制。随着人们对家用电器方便、舒适、安全、节能的要求的提高，传感器将越来越广泛地得到应用。

7.在学科研究方面的应用

科学技术的不断发展孕生了许多新的学科领域，无论是宏观的宇宙，还是微观的粒子世界，许多未知现象的研究和规律的探寻都要获取大量人类感官无法直接感知的信息，没有相应的传感器是不可能实现的。

8.在智能建筑领域中的应用

智能建筑是未来建筑的必然趋势，涵盖智能自动化、信息化、生态化等多方面内容，具有微型集成化、高精度、数字化和智能化特征的智能传感器将在智能建筑中占有重要的地位。

二、传感器的发展趋势

科学技术的发展使得人们对传感器技术越来越重视，认识到它是影响人们生活水平的重要因素。随着世界各国现代化步伐的加快，对检测技术的要求也越来越高，因此，对传感器的开发成为目前最热门的研究课题之一。而科学技术尤其是大规模集成电路技术、微型计算机技术、机电一体化技术、微机械和新材料技术的不断进步，则大大促进了现代检测技术的发展。传感器技术发展趋势可以从以下几方面来看:一是开发新材料、新工艺和开发新型传感器;二是实现传感器的多功能、高精度、集成化和智能化;三是通过传感器与其他学科的交叉整合，实现无线网络化。

1.开发新型传感器

传感器的工作机理是基于各种物理(化学或生物)效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制具有新原理的新型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。

2.开发新材料

传感器材料是传感器技术的重要基础，随着传感器技术的发展，除了早期使用的材料如半导体材料、陶瓷材料外，光导纤维、纳米材料、超导材料等相继问世并投入使用。人工智能材料更是将我们带入了一个新的天地，它同时具有三个特征:能感知环境条件的变化(传统传感器);能识别和判断(处理器);能发出指令和自动采取行动(执行器)。随着研究的不断深入，未来将会有更多、更新的传感器材料被开发出来。

3.多功能集成化传感器的开发

传感器集成化包含两种含义:一种是同一功能的多元件并列，目前发展很快的自扫描光电二极管列阵、CCD图像传感器就属此类;另一种含义是功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件，例如把压敏电阻、电桥、电压放大器和温度补偿电路集成在一起的单块压力传感器。

多功能是指一器多能，即一个传感器可以检测两个或两个以上的参数，如最近国内已经研制成功的硅压阻式复合传感器，可以同时测量温度和压力等。

4.智能传感器的开发

智能传感器是将传感器与计算机集成在一块芯片上的装置，它将敏感技术和信息处理技术相结合，除了感知的本能外，还具有认知能力。例如，将多个具有不同特性的气敏元件集成在一个芯片上，利用图像识别技术处理，可得到不同的灵敏模式，然后将这些模式所获取的数据进行计算，与被测气体的模式类比推理或模糊推理，可识别出气体的种类和各自的浓度。

5.多学科交叉融合

无线传感器网络是由大量无处不在的、有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。它是涉及微传感器与微机械、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合技术，其应用已由最初单一的军事领域扩展到反恐、防爆、环境监测、医疗保健、家居、商业、工业等众多领域，有着广泛的应用前景。因此，1999年和2003年美国《商业周刊》和MIT《技术评论》在预测未来技术发展的报告中，分别将其列为21世纪最具影响的21项技术和改变世界的10大新技术之一。

6.加工技术微精细化

随着传感器产品质量档次的提升，加工技术的微精细化在传感器的生产中占有越来越重要的地位。微机械加工技术是近年来随着集成电路工艺发展起来的，将离子束、电子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器制造工艺。例如，溅射、蒸镀等离子体刻蚀、化学气相淀积(CVD)、外延生长、扩散、腐蚀、光刻等。另外一个发展趋势是越来越多的生产厂家将传感器作为工艺品来精雕细琢。无论是一根导线，还是导线防水接头的出孔;无论是一个角落，还是一个细节，传感器的制作都达到了工艺品水平。如柱式传感器的底座易进沙尘及其他物质，而底座一旦进了沙尘或其他物质后，将会对传感器来回摇摆产生影响，日本久保田公司的柱式传感器外加了一个黑色的防尘罩后，显然克服了上述弊端。这个附件的设计不仅充分考虑了用户使用现场的环境要求，而且制作工艺、外观非常考究。

三、传感器及其基本特性

1.传感器的定义

国家标准GB/T7665—2005对传感器的定义是:“能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，通常由敏感元件和转换元件组成。”传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的输出信号多为易于处理的电学量，如电压、电流、频率等。

传感器的组成如图1-2所示。

图1-2 传感器组成框图

图1-2中，敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换成一个与之有确定关系、更易于转换的非电学量。这一非电学量通过转换元件被转换成电学量。转换电路的作用是将转换元件输出的电学量转换成易于处理的电压、电流或频率等电学量。应该指出，有些传感器将敏感元件与传感元件合二为一了。

2.传感器分类

根据某种原理设计的传感器可以同时检测多种物理量，而有时一种物理量又可以用几种传感器测量，传感器有很多种分类方法。虽然目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种:

按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、湿度、流量、气体成分等传感器。

按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。

按传感器输出信号的性质分类，可分为输出为开关量(“1”和“0”，或“开”和“关”)的开关型传感器、输出为模拟量的传感器、输出为脉冲或代码的数字型传感器。

3.传感器数学模型

传感器检测被测量，应该按照规律输出有用信号，因此需要研究其输出与输入之间的关系及特性，理论上用数学模型来表示输出与输入之间的关系和特性。

传感器可以检测静态量和动态量，输入信号不同，传感器表现出来的关系和特性也不尽相同。在这里，将传感器的数学模型分为动态和静态两种，本书只研究静态数学模型。

静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出量与输入量之间的一种函数关系。表示为

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn　(1-13)

式(1-13)中，x为输入量;y为输出量;a0为0输入时的输出，也称零位误差;a1为传感器的线性灵敏度，用k表示;a2、…、an为非线性项系数。

根据传感器的数学模型，一般把传感器分为三种:

理想传感器:静态数学模型表现为y=a1x;

线性传感器:静态数学模型表现为y=a0+a1x;

非线性传感器:静态数学模型表现为y=a0+a1x+a2x2+…+anxn(a2、…、an中至少有一个不为0)。

4.传感器的特性与技术指标

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间的关系。因为输入量和输出量都与时间无关，它们之间的关系即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程来表示，或以输入量为横坐标、把与其对应的输出量作为纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等，传感器的参数指标决定了传感器的性能以及选用传感器的原则。

(1)传感器的灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化Δy对输入量变化Δx的比值。它是输出—输入特性曲线的斜率。

如果传感器的输出和输入之间是线性关系，则灵敏度k是一个常数，数值上等于特性曲线的斜率，否则它将随输入量的变化而变化。

灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器在位移变化1mm时，输出电压变化为200m V，则其灵敏度应表示为200m V/mm。传感器输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。

提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性也往往越差。

(2)传感器的线性度

通常情况下，传感器的实际静态特性输出是一条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线。线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法，如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

式中，Δmax是实际曲线和拟合直线之间的最大差值;Ym为量程。

(3)传感器的分辨力

分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过传感器的分辨力时，其输出才会发生变化。

传感器在满量程范围内各点的分辨力通常并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标，上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨力。

(4)重复性

传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时，所得特性曲线不一致的程度，称为重复性。

式中，Δmax是多次测量曲线之间的最大差值;Ym是传感器的量程。

(5)迟滞特性

迟滞特性是指传感器在正向行程(输入量增大)和反向行程(输入量减小)期间，输入—输出特性曲线不一致的程度。闭合路径称为滞环。

式中，Δmax是正向曲线与反向曲线之间的最大差值;Ym是传感器的量程。

(6)稳定性与漂移

传感器的稳定性有长期和短期之分，一般指一段时间以后，传感器的输出和初始标定时的输出之间的差值。通常用不稳定度来表征其输出的稳定程度。