2.3　传感器基础 

传感器是一种检测装置，能感受到被测参量的信息，并能将感受到的信息，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。其权威的定义为《传感器通用术语》（GB/T 7665—2005）所描述：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律（数学函数法则）转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

简单来说，若把机械设备看做一个机器人，那传感器就是它的耳、鼻、舌、眼、口等那些可以感触到外围世界的感觉器官。

2.3.1　传感器的分类及组成

如同人们在日常生活中通过感觉器官来感知外界环境，做出相应的判断从而决定下一步如何行动一样。传感器的作用实际上就是机械设备的感觉器官，它能把温度、湿度、压力、重力等等一切外界指标，经电子器件（敏感元件、转换器件、转换电路）的信息转换，将测量到的信息转换为可被传输、处理、识别和利用的电信号，其逻辑关系见图2-8。为了方便应用，工程上习惯把敏感元件、转换器件和转换电路这三者统一集成在一块电路板上，因此通常情况下传感器拥有较为简洁的外观，如图2-9所示。

（1）敏感元件

敏感元件是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置，而输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性相关）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。

（2）转换器件

转换器件的作用是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。例如将温度转换成电阻变化，位移转换为电感或电容等传感元件。

（3）转换电路

转换电路将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。

当然以上组成形式也不是一成不变的，有的传感器比上述形式复杂得多，而有些传感器仅拥有上述的几个功能模块，比如有的传感器（如热电偶）只有敏感元件，感受被测量时直接输出电动势；有的传感器由敏感元件和转换元件组成，无须基本转换电路，如压电式加速度传感器；还有的传感器由敏感元件和基本转换电路组成，如电容式位移传感器。 

传感器的分类方式很多，有按输出量的形式进行的分类、有按工作机理的不同进行的分类、有按转换原理的不同进行的分类、有按信息的传递方式不同进行的分类、有按能量的传递方式不同进行的分类等等。较为常用的分类方式是按其检测的目的进行划分的，如可以将测量压力的传感器统一划分为压力传感器、测量温度的传感器划分为温度传感器等，依次类推，可以划分出位移传感器、速度传感器、湿度传感器、亮度传感器等。

2.3.2　传感器的基本特性及性能

传感器的基本特性可大致分为静态特性和动态特性，在静态作用下显示出的输入输出特性关系称为静态特性；反之，在动态作用下表现出的输入输出特征关系称为动态特性。这里主要介绍静态特性，传感器变换的被测量数值处在稳定状态时，传感器的输入输出关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：量程和范围、线性度、重复性、迟滞、灵敏度、分辨力、静态误差、稳定性、漂移等。

①量程和范围——量程是指测量上限和下限的代数差；范围是指仪表能按规定精确度进行测量的上限和下限的区间。例如一个位移传感器的测量下限是-5mm，测量上限是+5mm，则这个传感器的量程为5-（-5）=10mm，测量范围是-5～5mm。

②线性度——传感器的输入输出关系曲线与其选定的拟合直线之间的偏差。

③重复性——传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次测量时，所得特性曲线间的一致程度。

④迟滞——传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程过程中，其输出/输入特性的不重合程度。

⑤灵敏度——传感器输出的变化值与相应的被测量的变化值之比。

⑥分辨力——传感器在规定测量范围内，可能检测出的被测信号的最小增量。

⑦静态误差——传感器在满量程内，任一点输出值相对理论值的偏离程度。

⑧稳定性——传感器在室温条件下，经过规定的时间间隔后，其输出与起始标定时的输出之间的差异。

⑨漂移——在一定时间间隔内，传感器在外界干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。 由于传感器所测量的非电量有不随时间变化或变化很缓慢的，也有随时变化较快的，所以传感器的性能指标除上面介绍的静态特性所包含的各项指标外，还有动态特性，它可以从阶跃响应和频率响应两方面来分析。

2.3.3　传感器的选型

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。

（1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制等。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

（2）灵敏度的选择

通常，在传感器的线性范围内，当然是希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，更有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且方向性要求较高时，则应选择其他方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

（3）频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟的时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而且由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，所以频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生过火的误差。 

（4）线性范围

传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。从理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后，首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求的测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 

（5）稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 

（6）精度

精度是传感器的一个重要性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对于某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。