1.4 传感器及其基本特性

1.4.1 传感器的定义及组成

现代信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术等，计算机相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器则相当于人的感觉器官。如果没有各种精确可靠的传感器去检测原始数据并提供真实的信息，则即使是性能非常优越的计算机，也无法发挥其应有的作用。

1. 传感器的定义

从广义上讲，传感器就是能够感觉外界信息，并能按一定规律将这些信息转换成可用的输出信号的器件或装置。这一概念包含了以下3方面的含义。

（1）传感器是一种能够提取外界信息的装置。

（2）传感器的输入量通常是非电量信号，如物理量、化学量、生物量等；而输出量是便于传输、转换、处理和显示等的物理量，主要是电量信号。例如，电容式传感器的输入量可以是力、压力、位移、速度等非电量信号，输出量则是电压信号。

（3）传感器的输出量与输入量之间精确地保持一定规律。

2. 传感器的组成

传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路3部分组成，如图1.2所示。

（1）敏感元件。敏感元件是传感器中能直接感受被测量的部分，即直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量。例如，弹性敏感元件将压力转换为位移，且压力与位移之间保持一定的函数关系。

（2）转换元件。转换元件是传感器中将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电信号的部分。例如，应变式压力传感器中的电阻应变片将应变转换成电阻的变化。

（3）转换电路。转换电路将电量参数转换成便于测量的电压、电流、频率等电量信号，如交、直流电桥，放大器，振荡器，电荷放大器等。

应该注意，并不是所有的传感器都必须同时包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，则它就同时兼为转换元件，如热电偶；如果转换元件能直接感受被测量，而输出与之成一定关系的电量，则此时的传感器中就没有敏感元件，如压电元件。

1.4.2 传感器的分类

传感器千差万别，种类繁多，分类方法也不尽相同，常用的分类方法有下面几种。

1. 按被测物理量分类

按被测物理量可分为温度、压力、流量、物位、位移、加速度、磁场、光通量等传感器。这种分类方法明确表明了传感器的用途，便于使用者选用，例如，压力传感器用于测量压力信号。

2. 按传感器工作原理分类

按工作原理可分为电阻传感器、热敏传感器、光敏传感器、电容传感器、电感传感器、磁电传感器等。这种分类方法表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和应用。例如，电容传感器就是将被测量转换成电容值的变化。表1.2列出了该分类方法中各类型传感器的名称及典型应用。

3. 按传感器转换能量供给形式分类

按转换能量供给形式，分为能量变换型（发电型）和能量控制型（参量型）两种。

能量变换型传感器在进行信号转换时不需要另外提供能量，就可将输入信号能量变换为另一种形式能量输出，如热电偶传感器、压电式传感器等。

能量控制型传感器在工作时必须有外加电源，如电阻、电感、电容、霍尔式传感器等。

4. 按传感器工作机理分类

按工作机理可分为结构型传感器和物性型传感器。

结构型传感器是指被测量变化时引起了传感器结构发生改变，从而引起输出电量变化。例如，电容压力传感器就属于这种传感器，当外加压力变化时，电容极板发生位移，结构改变引起电容值变化，输出电压也发生变化。

物性型传感器是利用物质的物理或化学特性随被测参数变化的原理构成的，一般没有可动结构部分，易小型化，如各种半导体传感器。

习惯上常把工作原理和用途结合起来命名传感器，如电容式压力传感器、电感式位移传感器等。

1.4.3 传感器的基本特性

传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间的关系。如前所述，传感器测量的参数一般有两种形式：一种是不随时间的变化而变化（或变化极其缓慢）的静态特性；另一种是随时间的变化而变化的动态特性。传感器动态特性的研究方法与控制理论中介绍的相似，故不再重复，下面仅介绍静态特性的一些指标。

传感器的静态特性是指传感器输入信号处于稳定状态时，其输出与输入之间呈现的关系，表示为

式中，y为传感器输出量；x为传感器输入量；a0为传感器的零位输出；a1为传感器的灵敏度；a2、a3、…、an为非线性项系数。

衡量静态特性的主要指标有精确度、稳定性、灵敏度、线性度、迟滞和可靠性等。

（1）精确度。精确度是反映测量系统中系统误差和随机误差的综合评定指标。与精确度有关的指标有精密度、准确度和精确度。

① 精密度：说明测量系统指示值的分散程度。精密度反映了随机误差的大小，精密度高则随机误差小。

② 准确度：说明测量系统的输出值偏离真值的程度。准确度是系统误差大小的标志，准确度高则系统误差小。

③ 精确度：是准确度与精密度两者的总和，常用仪表的基本误差表示。精确度高表示精密度和准确度都高。

图1.3所示的射击例子有助于对准确度、精密度和精确度三个概念的理解。图（a）表示准确度高而精密度低；图（b）表示精密度高而准确度低；图（c）表示准确度和精密度都高，即精确度高。

（2）稳定性。传感器的稳定性常用稳定度和影响系数表示。

① 稳定度：是指在规定工作条件范围和规定时间内，传感器性能保持不变的能力。传感器在工作时，内部随机变动的因素很多，例如，发生周期性变动、漂移或机械部分的摩擦等都会引起输出值的变化。

稳定度一般用重复性的数值和观测时间的长短表示。例如，某传感器输出电压值每小时变化1.5mV，可写成稳定度为1.5mV/h。

② 影响系数：是指由于外界环境变化引起传感器输出值变化的量。一般传感器都有给定的标准工作条件，如环境温度20℃、相对湿度60%、大气压力101.33kPa、电源电压220V等。而实际工作时的条件通常会偏离标准工作条件，这时传感器的输出也会发生变化。

影响系数常用输出值的变化量与影响量变化量的比值表示，如某压力表的温度影响系数为200Pa/℃，即表示环境温度每变化1℃，压力表的示值变化200Pa。

（3）灵敏度。灵敏度S是指传感器在稳态下的输出变化量Δy与输入变化量Δx的比值，即

显然，灵敏度表示静态特性曲线上相应点的斜率。对线性传感器，灵敏度为一个常数；对于非线性传感器，灵敏度则为一个变量，随着输入量的变化而变化，如图1.4所示。

灵敏度的量纲取决于传感器输入、输出信号的量纲。例如，压力传感器灵敏度的量纲可表示为mV/P a。对于数字式仪表，灵敏度以分辨力表示。所谓分辨力，是指数字式仪表最后一位数字所代表的值。一般地，分辨力数值小于仪表的最大绝对误差。

在实际中，一般希望传感器的灵敏度高，且在满量程范围内保持恒定值，即传感器的静态特性曲线为直线。

（4）线性度。线性度γL，又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与其理论拟合直线之间的最大偏差ΔLmax与传感器满量程输出yFS的百分比，即

理论拟合直线的选取方法不同，线性度的数值就不同。图1.5所示为传感器线性度示意图，图中的拟合直线是一条将传感器的零点与对应于最大输入量的最大输出值点（满量程点）连接起来的直线，这条直线叫端基直线，由此得到的线性度称为端基线性度。

实际上，人们总是希望线性度越小越好，即传感器的静态特性接近于拟合直线，这时传感器的刻度是均匀的，读数方便且不易引起误差，容易标定。检测系统的非线性误差多采用计算机来纠正。

（5）迟滞。迟滞是指传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程中输出曲线不重合的现象，如图1.6所示。

迟滞γH用正、反行程输出值间的最大差值ΔHmax与满量程输出yFS的百分比表示，即

造成迟滞的原因很多，如轴承摩擦、间隙、螺钉松动、电路元件老化、工作点漂移、积尘等。迟滞会引起分辨力变差或造成测量盲区，因此一般希望迟滞越小越好。

（6）可靠性。可靠性是指传感器或检测系统在规定的工作条件和规定的时间内，具有正常工作性能的能力。它是一种综合性的质量指标，包括可靠度、平均无故障工作时间、平均修复时间和失效率。

① 可靠度：传感器在规定的使用条件和工作周期内，达到所规定性能的概率。

② 平均无故障工作时间（MTBF）：指相邻两次故障期间传感器正常工作时间的平均值。

③ 平均修复时间（MTTR）：指排除故障所花费时间的平均值。

④ 失效率：指在规定的条件下工作到某个时刻，检测系统在连续单位时间内发生失效的概率。对可修复性的产品，失效率又叫故障率。

失效率是时间的函数，如图1.7所示。一般分为3个阶段：早期失效期、偶然失效期和衰老失效期。