傳感器的特性

1、第四章 引言4.1 傳感器的發(fā)展和作用4.2 什么是傳感器4.3 傳感器的分類(lèi)4.4 傳感器的性能和評(píng)價(jià)4.1 傳感器的發(fā)展和作用 人類(lèi)為了從外界獲取信息, 必須借助于感覺(jué)器官。 人類(lèi)依靠這些器官接受來(lái)自外界的刺激,再通過(guò)大腦分析判斷, 發(fā)出命令而動(dòng)作。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步, 人類(lèi)為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)自然和改造自然, 只靠這些感覺(jué)器官就顯得很不夠了。 于是, 一系列代替、補(bǔ)充、延伸人的感覺(jué)器官功能的各種手段就應(yīng)運(yùn)而生, 從而出現(xiàn)了各種用途的傳感器。 傳感器的歷史可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代, 公元前1000年左右, 中國(guó)的指南針、記里鼓車(chē)已開(kāi)始使用。 埃及王朝時(shí)代開(kāi)始使用的天平, 一直延用到現(xiàn)

2、在。 利用液體膨脹進(jìn)行溫度測(cè)量在16世紀(jì)前后就已出現(xiàn)。 19 世紀(jì)建立了電磁學(xué)的基礎(chǔ), 當(dāng)時(shí)建立的物理法則直到現(xiàn)在作為各種傳感器的工作原理仍在應(yīng)用著。 以電量作為輸出的傳感器，其發(fā)展歷史最短,但是隨著真空管和半導(dǎo)體等有源元件的可靠性的提高,這種傳感器得到飛速發(fā)展。目前只要提到傳感器, 一般是指具有電輸出的裝置。由于集成電路技術(shù)和半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展, 研究開(kāi)發(fā)了性能更好的傳感器。隨著電子設(shè)備水平不斷提高以及功能不斷加強(qiáng), 傳感器也越來(lái)越顯得重要。世界各國(guó)都將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù), 傳感器技術(shù)已成為高新技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的核心技術(shù)之一, 并且發(fā)展十分迅速。 傳感器技術(shù)的發(fā)展十分迅速的原因有如下

3、幾點(diǎn): (1)電子工業(yè)和信息技術(shù)促進(jìn)了傳感器產(chǎn)業(yè)的相應(yīng)發(fā)展。 (2)政府對(duì)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供資助并大力扶植。(3)國(guó)防、空間技術(shù)和民用產(chǎn)品有廣大的傳感器市場(chǎng)。 (4)在許多高新技術(shù)領(lǐng)域可獲得用于開(kāi)發(fā)傳感器的理論和工藝。 從市場(chǎng)來(lái)看, 力、壓力、加速度、物位、溫度、濕度、水分等傳感器將保持較大的需求量。傳感器的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)如表4.1所示。表 4.1傳感器市場(chǎng)結(jié)構(gòu) 近年來(lái), 由于微電子技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù)、納米技術(shù)的迅速發(fā)展, 傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)也將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高: （1）微機(jī)械加工技術(shù)（MEMT）和納米技術(shù)將得到高速發(fā)展。采用MEMT制作的傳感器和微系統(tǒng), 具有體積微小、 低成本、高可

4、靠性等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 （2）新型敏感材料將加速開(kāi)發(fā), 微電子、光電子、生物化學(xué)、信息處理等各學(xué)科的互相交叉、滲透和綜合利用, 將會(huì)研制出一批新穎、先進(jìn)的傳感器。 （3）敏感元件與傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫叫碌拈_(kāi)拓, 二次傳感器和傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用將大幅度增長(zhǎng)。 展望未來(lái), 傳感器將向著小型化、 集成化、 多功能化、 智能化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展, 由微傳感器、 微執(zhí)行器及信號(hào)和數(shù)據(jù)處理器總裝集成的系統(tǒng)越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注。 傳感器市場(chǎng)將會(huì)迅速發(fā)展, 并會(huì)加速新一代傳感器的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。 4.2 什么是傳感器 傳感器是與人的感覺(jué)器官相對(duì)應(yīng)的元件。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7665-87對(duì)傳感器下的定義是: “能夠

5、感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置, 通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。圖4.1為傳感器組成方塊圖。 圖 4.1傳感器組成方塊圖敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路測(cè)量電路電 源電量輸出量被測(cè)量輸入量敏感元件, 是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量（輸入量）的部分。轉(zhuǎn)換元件, 是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺艿幕蝽憫?yīng)的被探測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和（或）測(cè)量的電信號(hào)的部分。4.3 傳感器的分類(lèi) 傳感器種類(lèi)繁多, 功能各異。 由于同一被測(cè)量可用不同轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)探測(cè), 利用同一種物理法則、 化學(xué)反應(yīng)或生物效應(yīng)可設(shè)計(jì)制作出檢測(cè)不同被測(cè)量的傳感器, 而功能大同小異的同一類(lèi)傳感器可用于不同的技

6、術(shù)領(lǐng)域, 故傳感器有不同的分類(lèi)法。 (1)根據(jù)傳感器感知外界信息所依據(jù)的基本效應(yīng), 可以將傳感器分成三大類(lèi): 基于物理效應(yīng)如光、電、聲、磁、熱等效應(yīng)進(jìn)行工作的物理傳感器; 基于化學(xué)反應(yīng)如化學(xué)吸附、選擇性化學(xué)反應(yīng)等進(jìn)行工作的化學(xué)傳感器; 基于酶、抗體、激素等分子識(shí)別功能的生物傳感器。 (2)按工作原理分類(lèi), 可分為應(yīng)變式、 電容式、 電感式、 電磁式、 壓電式、 熱電式等傳感器。 (3)根據(jù)傳感器使用的敏感材料分類(lèi), 可分為半導(dǎo)體傳感器、 光纖傳感器、 陶瓷傳感器、金屬傳感器、高分子材料傳感器、 復(fù)合材料傳感器等等。 (4)按照被測(cè)量分類(lèi), 可分為力學(xué)量傳感器、熱量傳感器、 磁傳感器、光傳感器、

7、放射線(xiàn)傳感器、氣體成分傳感器、 液體成分傳感器、離子傳感器和真空傳感器等等。 (5) 按能量關(guān)系分類(lèi), 可分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型兩大類(lèi)。所謂能量控制型是指其變換的能量是由外部電源供給的, 而外界的變化（即傳感器輸入量的變化）只起到控制的作用。 如用電橋測(cè)量電阻溫度變化時(shí), 溫度的變化改變了熱敏電阻的阻值, 熱敏電阻阻值的變化使電橋的輸出發(fā)生變化（注意電橋的輸出是由電源供給的）。 (6)按傳感器是利用場(chǎng)的定律還是利用物質(zhì)的定律, 可分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。二者組合兼有兩者特征的傳感器稱(chēng)為復(fù)合型傳感器。場(chǎng)的定律是關(guān)于物質(zhì)作用的定律, 例如動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律、電磁場(chǎng)的感應(yīng)定律、 光的干涉現(xiàn)

8、象等。 利用場(chǎng)的定律做成的傳感器, 如電動(dòng)式傳感器、電容式傳感器、激光檢測(cè)器等。物質(zhì)的定律是指物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的規(guī)律。例如彈性體遵從的虎克定律、晶體的壓電性、半導(dǎo)體材料的壓阻、 熱阻、光阻、 濕阻、 霍爾效應(yīng)等。利用物質(zhì)的定律做成的傳感器, 如壓電式傳感器、 熱敏電阻、光敏電阻、光電管等。 (7)按依靠還是不依靠外加能源工作, 可分為有源傳感器和無(wú)源傳感器。有源傳感器敏感元件工作需要外加電源, 無(wú)源傳感器工作不需外加電源。 (8)按輸出量是模擬量還是數(shù)字量, 可分為模擬量傳感器和數(shù)字量傳感器。 表4.2列出了傳感器的分類(lèi)。表4.2傳感器的分類(lèi) 盡管此處列出的傳感器分類(lèi)有較大的概括性, 但由于傳

9、感器的分類(lèi)不統(tǒng)一, 因而這種分類(lèi)很難完備, 例如有的學(xué)者將傳感器作了如下分類(lèi): (1)壓力; (2）力/荷重; (3）位移（厚度）; (4）力矩; (5）角度; (6）角速度（轉(zhuǎn)速）; (7）速度; (8）加速度; (9）角加速度; (10）傾斜角; (11）編碼器; (12）振動(dòng); (13）氣體/煙霧; (14）溫度; (15）熱能; (16）濕度; (17）水份; (18）露點(diǎn); (19）液位; (20）料位; (21）流量; (22）流速；(23）風(fēng)速; (24)電流; (25）電壓; (26）電功率; (27）電頻率; (28）接近開(kāi)關(guān); (29）磁性開(kāi)關(guān); (30）光電開(kāi)關(guān); (31

10、）pH值; (32）電阻率; (33）電導(dǎo)率; (34）水溶氧; (35）生物; (36）紅外線(xiàn); (37）紫外線(xiàn); (38）光纖; (39)離子; (40）激光; (41）超聲波; (42）聲音/噪聲; (43）觸覺(jué); (44）圖像/顏色; (45）密度/粘度; (46）混濁度。 4.4 傳感器的性能和評(píng)價(jià)4.4.1 傳感器的靜態(tài)特性1. 靈敏度靈敏度是描述傳感器的輸出量（一般為電學(xué)量）對(duì)輸入量（一般為非電學(xué)量）敏感程度的特性參數(shù)。 其定義為: 傳感器輸出量的變化值與相應(yīng)的被測(cè)量（輸入量）的變化值之比, 用公式表示為 2. 線(xiàn)性度理想的傳感器輸出與輸入呈線(xiàn)性關(guān)系。 然而, 實(shí)際的傳感器即使在

11、量程范圍內(nèi), 輸出與輸入的線(xiàn)性關(guān)系嚴(yán)格來(lái)說(shuō)也是不成立的, 總存在一定的非線(xiàn)性。 線(xiàn)性度是評(píng)價(jià)非線(xiàn)性程度的參數(shù)。 其定義為: 傳感器的輸出輸入校準(zhǔn)曲線(xiàn)與理論擬合直線(xiàn)之間的最大偏差與傳感器滿(mǎn)量程輸出之比, 稱(chēng)為該傳感器的“非線(xiàn)性誤差”或稱(chēng)“線(xiàn)性度”, 也稱(chēng)“非線(xiàn)性度”。 通常用相對(duì)誤差表示其大小: 圖 4.2 非線(xiàn)性誤差說(shuō)明 式中, ef為非線(xiàn)性誤差（線(xiàn)性度）, max為校準(zhǔn)曲線(xiàn)與理想擬合直線(xiàn)間的最大偏差, YFS為傳感器滿(mǎn)量程輸出平均值, 如圖4.2 所示。 理論線(xiàn)性度: 擬合直線(xiàn)為理論直線(xiàn), 通常以0%作為直線(xiàn)起始點(diǎn), 滿(mǎn)量程輸出100%作為終止點(diǎn)。 端基線(xiàn)性度: 以校準(zhǔn)曲線(xiàn)的零點(diǎn)輸出和滿(mǎn)量程

12、輸出值連成的直線(xiàn)為擬合直線(xiàn)。 獨(dú)立線(xiàn)性度: 作兩條與端基直線(xiàn)平行的直線(xiàn), 使之恰好包圍所有的標(biāo)定點(diǎn), 以與二直線(xiàn)等距離的直線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)。 最小二乘法線(xiàn)性度: 以最小二乘法擬合的直線(xiàn)為擬合直線(xiàn)。 3. 靈敏度界限（閾值） 輸入改變x時(shí), 輸出變化y, x變小, y也變小。但是一般來(lái)說(shuō), x小到某種程度, 輸出就不再變化了, 這時(shí)的x叫做靈敏度界限。 存在靈敏度界限的原因有兩個(gè)。一個(gè)是輸入的變化量通過(guò)傳感器內(nèi)部被吸收, 因而反映不到輸出端上去。 典型的例子是螺絲或齒輪的松動(dòng)。 螺絲和螺帽, 齒條和齒輪之間多少都有空隙, 如果x相當(dāng)于這個(gè)空隙的話(huà), 那么x是無(wú)法傳遞出去的。又例如, 裝有軸承的旋轉(zhuǎn)

13、軸, 如果不加上能克服軸與軸之間摩擦的力矩的話(huà), 軸是不會(huì)旋轉(zhuǎn)的。 第二個(gè)原因是傳感器輸出存在噪聲。如果傳感器的輸出值比噪聲電平小, 就無(wú)法把有用信號(hào)和噪聲分開(kāi)。如果不加上最起碼的輸入值（這個(gè)輸入值所產(chǎn)生的輸出值與噪音的電平大小相當(dāng)）是得不到有用的輸出值的, 該輸入值即靈敏度界限。 靈敏度界限也叫靈敏閾, 門(mén)檻靈敏度, 或閾值。 4. 遲滯差輸入逐漸增加到某一值, 與輸入逐漸減小到同一輸入值時(shí)的輸出值不相等, 叫遲滯現(xiàn)象。遲滯差表示這種不相等的程度。 其值以滿(mǎn)量程的輸出YFS的百分?jǐn)?shù)表示。 式中, max為輸出值在正反行程的最大差值。如圖4.3 所示, max=Y2-Y1。 圖 4.3 遲滯曲

14、線(xiàn) 圖4.3是這種現(xiàn)象稍微夸張了的曲線(xiàn)。 一般來(lái)說(shuō)輸入增加到某值時(shí)的輸出要比輸入下降到該值時(shí)的輸出值小, 正如圖4.3 所示。如存在遲滯差, 則輸入和輸出的關(guān)系就不是一一對(duì)應(yīng)了, 因此必須盡量減少這個(gè)差值。 各種材料的物理性質(zhì)是產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因。 如把應(yīng)力加于某彈性材料時(shí), 彈性材料產(chǎn)生變形, 應(yīng)力雖然取消了但材料不能完全恢復(fù)原狀。又如, 鐵磁體、鐵電體在外加磁場(chǎng)、電場(chǎng)作用下均有這種現(xiàn)象。遲滯也反映了傳感器機(jī)械部分不可避免的缺陷, 如軸承摩擦、 間隙、螺絲松動(dòng)等。各種各樣的原因混合在一起導(dǎo)致了遲滯現(xiàn)象的發(fā)生。 5. 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。 理想的情況是, 不管什么時(shí)候傳感器的靈敏度等特性參數(shù)不隨時(shí)間變化。但實(shí)際上, 隨著時(shí)間的推移, 大多數(shù)傳感器的特性會(huì)改變。這是因?yàn)閭鞲性驑?gòu)成傳感器的部件的特性隨時(shí)間發(fā)生變化, 產(chǎn)生一種經(jīng)時(shí)變化的現(xiàn)象。1.4.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性大多數(shù)情