傳感器及檢測(cè)技術(shù)課件-第1章

第1章傳感器基礎(chǔ)知識(shí)1.1傳感器的概念1.2傳感器的分類1.3傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)1.4傳感器技術(shù)1.5傳感器的基本特性

1.1傳感器的概念

1.傳感器

所謂傳感器(sensor),是指將感受到的物理量、化學(xué)量等信息,按照一定規(guī)律,轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量和傳輸?shù)男盘?hào)的裝置。由于電信號(hào)易于傳輸和處理,因此一般概念上的傳感器是指將非電量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的裝置。

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路三部分組成,有時(shí)還需要加輔助電源,用方塊圖表示,如圖1－1所示。圖1－1傳感器的組成示意圖敏感元件(預(yù)變換器):能夠完成預(yù)變換的器件稱為敏感元件,又稱預(yù)變換器。如在傳感器中各種類型的彈性元件常被稱為敏感元件,并統(tǒng)稱為彈性敏感元件。完成非電量到電量的變換時(shí),并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接變換為電量,往往是將被測(cè)非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量,然后再變換為電量。為了獲取被測(cè)變量的精確數(shù)值,不僅要求敏感元件對(duì)所測(cè)變量的響應(yīng)足夠靈敏,還希望它不受或少受環(huán)境因素的影響。敏感元件與傳感器的區(qū)別在于,傳感器不但對(duì)被測(cè)變量敏感,而且能相應(yīng)地以電信號(hào),如電壓、電流、頻率等形式將其傳送出去。轉(zhuǎn)換元件:將敏感元件輸出的非電量直接轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為轉(zhuǎn)換元件。例如應(yīng)變壓力傳感器中,彈性膜片是敏感元件,它將壓力的變化轉(zhuǎn)換成應(yīng)變輸出,而彈性膜片的應(yīng)變施于電阻應(yīng)變片上,電阻應(yīng)變片將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為電量輸出,因此電阻應(yīng)變片才是轉(zhuǎn)換元件。

需要指出的是,一般的傳感器都包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件,但有一類傳感器,其敏感元件和轉(zhuǎn)換元件可合二為一,如壓電晶體、熱電偶等。

測(cè)量電路:將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量變成便于顯示、記錄、控制和處理的有用電信號(hào)的電路，稱為測(cè)量電路。測(cè)量電路的類型視轉(zhuǎn)換元件的分類而定,經(jīng)常采用的有電橋電路及其他特殊電路,如高阻抗輸入電路、脈沖調(diào)寬電路、振蕩回路等。

2.換能器

與傳感器相關(guān)的還有另外一個(gè)常見(jiàn)名詞——換能器(transducer),在有些產(chǎn)品介紹甚至學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中，經(jīng)常將它與傳感器混同使用。顧名思義,換能器的功能在于將信號(hào)從一種物理形式變換為另一種不同物理形式的相應(yīng)信號(hào)。一般地,自然界中信號(hào)的物理形式有六種,即機(jī)械、熱、電、磁、化學(xué)以及輻射(包括光在內(nèi)的微粒輻射和電磁輻射)。所以,將一類信號(hào)變換成另一類信號(hào)的任何裝置都可稱為換能器。從這一意義上講,換能器可以說(shuō)是傳感器的另一種定義形式。不過(guò),傳感器的含義側(cè)重于擴(kuò)展人們獲取那些感官所不能察覺(jué)的物理量信息的能力,而換能器則意味著輸入量與輸出量不一樣。另外,執(zhí)行器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械量等其他形式的信號(hào),也包括在換能器的范圍內(nèi)。因此,換能器實(shí)際上包括兩種形式,即輸入換能器(物理信號(hào)/電信號(hào))與輸出換能器(電信號(hào)/執(zhí)行或顯示)。前者一般稱為傳感器或探測(cè)器,專用于信息的采集;后者則以執(zhí)行器為主,主要用于功率轉(zhuǎn)換。

3.變送器

變送器是從傳感器發(fā)展而來(lái)的,凡能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器都稱為變送器。常用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為0～5V的電壓信號(hào)或4～20mA的電流信號(hào)。此外,以輸出數(shù)字量為特征的滿足某種傳輸協(xié)議(如現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議)的變送器,也逐步在各種工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。

有了統(tǒng)一的信號(hào)形式和數(shù)值范圍,就便于把各種變送器和其他儀器組成檢測(cè)系統(tǒng)。無(wú)論哪種儀器,只要有同樣標(biāo)準(zhǔn)的輸入電路或接口,就可以從各種變送器獲得被測(cè)量的信息。這樣大大提高了傳感器應(yīng)用的兼容性和互換性,儀器的配套也極為方便,因此,在實(shí)際應(yīng)用中往往變送器的需求大過(guò)傳感器的直接應(yīng)用。不過(guò)，近幾年隨著采集卡的普遍應(yīng)用，工程中直接使用傳感器也變得方便了。

4.轉(zhuǎn)換器

輸出為非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器,必須和特定的儀器或裝置配套,才能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)或調(diào)節(jié)功能。為了加強(qiáng)通用性和靈活性,某些傳感器的輸出可以靠轉(zhuǎn)換器將輸出由非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),使之與帶有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入電路或接口的儀表配套,從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)調(diào)節(jié)功能。

不同標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)可以借助轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。例如,氣/電轉(zhuǎn)換、電/氣轉(zhuǎn)換,能把20～100kPa的空氣壓力與0～10mA的電流相互轉(zhuǎn)換。

電/電轉(zhuǎn)換也可以實(shí)現(xiàn),如4～20mA與0～10mA電流之間的轉(zhuǎn)換。這一類轉(zhuǎn)換器也稱電量傳感器,它的出現(xiàn)順應(yīng)了現(xiàn)在信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)中模塊化的思路。

傳感器輸入量與輸出量的外延正在不斷豐富。

1.2傳感器的分類

一般來(lái)說(shuō),目前人類需要監(jiān)測(cè)的被測(cè)量有多少,傳感器就應(yīng)該有多少種。并且對(duì)于同一種被測(cè)參量,可能采用的傳感器有多種。同樣,同一種傳感器原理也可能被用于多種不同類型被測(cè)參量的檢測(cè)。因此,傳感器的種類繁多,分類的方法也不盡相同。

傳感器通常有按用途和按工作原理兩種分類思路，具體見(jiàn)表1－1。表1－1傳感器常用的兩種分類方式

1.按被測(cè)量分類

如輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、加速度、濕度等非電量時(shí),則相應(yīng)的傳感器稱為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器等。這種分類方法給使用者提供了方便,容易根據(jù)測(cè)量對(duì)象選擇所需要的傳感器,也便于初學(xué)者應(yīng)用。

2.按測(cè)量原理分類

現(xiàn)有傳感器的測(cè)量原理主要是基于電磁原理和固體物理學(xué)理論。如根據(jù)變電阻的原理,相應(yīng)的有電位器式、應(yīng)變式傳感器;根據(jù)變磁阻的原理,相應(yīng)的有電感式、差動(dòng)變壓器式、電渦流式傳感器;根據(jù)半導(dǎo)體有關(guān)理論,相應(yīng)的有半導(dǎo)體力敏、熱敏、光敏、氣敏等固態(tài)傳感器。這是傳感器研究人員所常用的分類方式。這種分類方式有助于減少傳感器的類別數(shù),并使傳感器的研究與信號(hào)調(diào)理電路直接相關(guān)。

3.其他分類

根據(jù)在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)外界激勵(lì)的需要,可以將傳感器分為無(wú)源傳感器和有源傳感器。

有源傳感器也可稱為能量轉(zhuǎn)換型傳感器或前文所述的換能器,其特點(diǎn)在于敏感元件本身能將非電量直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào),例如超聲波換能器(壓/電轉(zhuǎn)換)、熱電偶(熱/電轉(zhuǎn)換)、光電池(光/電轉(zhuǎn)換)等。與有源傳感器相反,無(wú)源傳感器的敏感元件本身無(wú)能量轉(zhuǎn)換能力,而是隨輸入信號(hào)而改變本身的電特性,因此必須采用外加激勵(lì)源對(duì)其進(jìn)行激勵(lì),才能得到輸出信號(hào)。大部分傳感器,如濕敏電容、熱敏電阻、壓敏電阻等都屬于這類傳感器。由于被測(cè)量?jī)H能在傳感器中起能量控制作用,因此也稱為能量控制型傳感器。由于需要為敏感元件提供激勵(lì)源,無(wú)源傳感器通常需要比有源傳感器用更多的引線。傳感器的總體靈敏度也會(huì)受到激勵(lì)信號(hào)幅度的影響。此外,激勵(lì)源的存在可能增加在易燃易爆氣體環(huán)境中引起爆炸的危險(xiǎn),在某些特殊場(chǎng)合需要引起足夠的重視。根據(jù)輸出信號(hào)的類型,可以將傳感器分為模擬傳感器與數(shù)字傳感器。模擬傳感器將測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào),其輸出信號(hào)中的信息一般由信號(hào)的幅度表達(dá)。輸出為方波信號(hào),其頻率或占空比隨被測(cè)參量變化而變化的傳感器稱為準(zhǔn)數(shù)字傳感器。由于這類信號(hào)可直接輸入到微處理器內(nèi),利用微處理器內(nèi)的計(jì)數(shù)器即可獲得相應(yīng)的測(cè)量值,因此,準(zhǔn)數(shù)字傳感器與數(shù)字電路具有很好的兼容性。 1.3傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)

1.測(cè)控系統(tǒng)框圖

傳感器能將被測(cè)物體的參量轉(zhuǎn)換為電信號(hào),從而成為檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在應(yīng)用方面,傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)也是密不可分的。

一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的首要任務(wù)就是測(cè)量,而測(cè)量的目的一般無(wú)外乎兩個(gè):其一是用于客體對(duì)象的監(jiān)測(cè),例如對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度/濕度的測(cè)量、環(huán)境中大氣壓力及空氣污染物的測(cè)量、醫(yī)院中病人狀態(tài)的監(jiān)測(cè)等;其二則是用于控制。圖1－2檢測(cè)控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.傳感器在系統(tǒng)中的作用

被測(cè)參量是指測(cè)控對(duì)象指定的物理/化學(xué)參量,如溫度、濕度、壓力等。

傳感器一般處于測(cè)控系統(tǒng)的兩個(gè)部分:一是位于輸入端,與被測(cè)對(duì)象接觸,采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息;另一是位于輸出端,采集輸出量的變化并將之送回反饋通道,實(shí)現(xiàn)控制量的調(diào)節(jié)。

傳感器的性能好壞直接影響系統(tǒng)性能。如果傳感器不能靈敏地感受被測(cè)量,或者不能把感受到的被測(cè)量精確地轉(zhuǎn)換成電信號(hào),其他儀表和裝置的精確度再高也無(wú)意義。這一點(diǎn)在現(xiàn)代儀器系統(tǒng)中表現(xiàn)尤其明顯。計(jì)算機(jī),尤其是單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展,測(cè)量數(shù)據(jù)的智能化快速處理及顯示存儲(chǔ)早已經(jīng)不是什么困難的事情,但前提是系統(tǒng)必須由傳感器提供準(zhǔn)確可靠的信息。如果傳感器的水平與計(jì)算機(jī)的水平不相適應(yīng),計(jì)算機(jī)便不能充分發(fā)揮應(yīng)有的作用和效益。

3.信號(hào)調(diào)理

傳感器所產(chǎn)生的電信號(hào)一般非常弱,必須經(jīng)過(guò)放大處理后才能利用電纜線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)獲取(DAQ)模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理。有些傳感器的輸出信號(hào)雖然強(qiáng),但許多DAQ部件的輸入范圍固定(如±10V,0～5V等),與傳感器的輸出范圍往往不符,因此必須對(duì)傳感器的輸出范圍進(jìn)行再調(diào)整。此外,傳感器信號(hào)中的無(wú)用噪聲必須盡可能過(guò)濾掉或最小化,以得到“干凈”的信號(hào)。所謂信號(hào)調(diào)理,即對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行再加工,使其更適合于后續(xù)的信號(hào)傳輸及處理。

信號(hào)調(diào)理單元在測(cè)量系統(tǒng)中的位置如圖1－3所示。實(shí)際上,信號(hào)調(diào)理與檢測(cè)電路之間的界限并不一定很清楚,有時(shí)還會(huì)合二為一,因此有些文獻(xiàn)中也將電阻抗-電壓轉(zhuǎn)換電路,如電阻、電感、電容等的檢測(cè)電路歸為信號(hào)調(diào)理電路。圖1－3信號(hào)調(diào)理在測(cè)量系統(tǒng)中的位置圖1－4典型的信號(hào)獲取系統(tǒng)

4.系統(tǒng)的模塊化和接口

實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)是通過(guò)傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)的有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)的。由于傳感器種類繁多,涉及的知識(shí)面寬廣,因此要求測(cè)量系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)人員了解和掌握全部有關(guān)知識(shí)是不現(xiàn)實(shí)的。將系統(tǒng)進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化,相關(guān)技術(shù)人員就可以在不必深入了解每個(gè)功能模塊的內(nèi)部原理及結(jié)構(gòu)的情況下,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及維護(hù),模塊化的測(cè)量系統(tǒng)如圖1－5所示。圖1－5模塊化的測(cè)量系統(tǒng)隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展,在實(shí)際應(yīng)用中具體的功能模塊可能并不總是被分成截然不同的部分,但在最終利用傳感器的輸出信號(hào)之前,一般都需要對(duì)其進(jìn)行某種信號(hào)處理。

所謂接口,是指實(shí)現(xiàn)兩功能模塊之間電氣參數(shù)連接的部分。接口電路可以工作在同一電氣參數(shù)范圍,如將傳感器輸出的模擬信號(hào)調(diào)整成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào);也可將信號(hào)從一種形式(如圖1－6所示)變換到另一個(gè)形式,如模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路。圖1－6測(cè)量系統(tǒng)中可能涉及的物理量的形式在傳感器與測(cè)量系統(tǒng)的接口方面,傳感器的輸出阻抗決定了接口電路所需的輸入阻抗。傳感器的輸出為電壓信號(hào)時(shí),要求接口電路有高的輸入阻抗,以便使檢測(cè)電壓接近傳感器的輸出電壓,如圖1－7(a)所示。相反,如傳感器的輸出為電流信號(hào)(如圖1－7(b)所示),則要求接口電路的輸入阻抗低,以便使輸入電流接近傳感器的輸出電流。圖1－7傳感器輸出信號(hào)形式與接口電路的阻抗

1.4傳感器技術(shù)

1.4.1傳感器技術(shù)學(xué)科特點(diǎn)

傳感器技術(shù)是當(dāng)今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)之一,也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志,它與負(fù)責(zé)信息傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù),擔(dān)負(fù)信息處理的計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱,是現(xiàn)代社會(huì)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)。沒(méi)有傳感器提供的可靠、準(zhǔn)確的信息,通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)就成為無(wú)源之水。圖1－8傳感器技術(shù)學(xué)科特點(diǎn)1.4.2傳感器的材料

傳感器的敏感原理是一些物理現(xiàn)象或化學(xué)現(xiàn)象,而傳感器的具體實(shí)現(xiàn)則是依靠一些能有效表現(xiàn)這些現(xiàn)象的材料。由于制作一種傳感器有很多種材料可供選擇,同時(shí)一種材料又可能對(duì)很多信息具有敏感特性,因此傳感器所涉及的材料問(wèn)題錯(cuò)綜復(fù)雜,傳感器材料的定義和分類至今沒(méi)有統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化。傳感器材料大致可分為敏感材料和輔助材料兩大類。例如,電阻應(yīng)變計(jì)主要需要四種材料:電阻敏感柵、基底、粘結(jié)劑和引出線。電阻敏感柵材料屬敏感材料,其他三種屬輔助材料。

輔助材料是傳感器不可缺少的組成部分,對(duì)輔助材料的選擇與應(yīng)用是否合理將直接影響傳感器的特性、穩(wěn)定性、可靠性和壽命。應(yīng)根據(jù)傳感器不同的應(yīng)用場(chǎng)合,選擇符合特殊要求的輔助材料。例如,傳感器用的保護(hù)材料就有耐腐蝕材料、抗核輻射材料、抗高溫氧化材料、抗電磁干擾材料、耐磨抗沖刷材料、防爆材料等。

敏感材料是傳感器材料的核心,它決定了傳感器的作用機(jī)理。它的品種繁多,性能要求嚴(yán)格。按照敏感材料的材質(zhì)分類,可分為半導(dǎo)體材料、敏感陶瓷材料、金屬與合金材料、無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料、生化材料等。1.4.3檢測(cè)技術(shù)

檢測(cè)技術(shù)是根據(jù)傳感器工作所依據(jù)的物理效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)、生物反應(yīng)等機(jī)理,對(duì)信號(hào)采集、處理的技術(shù)。它涉及電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、激光技術(shù)、光纖技術(shù)、聲控技術(shù)、遙感技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等。1.4.4工藝加工技術(shù)

加工工藝是傳感器從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵。由于傳感器研究的跨學(xué)科性,現(xiàn)代加工制造技術(shù)中的各種工藝手段在傳感器領(lǐng)域都有所體現(xiàn)。尤其是以多個(gè)零部件組裝而成的結(jié)構(gòu)型傳感器,如應(yīng)變電阻式傳感器、渦街流量傳感器、電渦流傳感器等,其敏感原理早已為大家所熟知,而加工工藝則各有千秋。傳感器的性能,尤其是溫度穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo),也有很大差異。因此,各個(gè)生產(chǎn)廠家大都有自己獨(dú)特的加工工藝,對(duì)關(guān)鍵技術(shù)往往諱莫如深。傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸變化范圍很大,幾乎所有的現(xiàn)代加工技術(shù)都在傳感器領(lǐng)域中得到了不同程度的應(yīng)用。微機(jī)械加工技術(shù)以及集成電路生產(chǎn)工藝在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用,為傳感器的小型化、微型化乃至智能化提供了一個(gè)重要手段,可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)小型、可靠的傳感器,已經(jīng)成為傳感器生產(chǎn)的重要工藝手段。圖1－9給出了迄今為止各種加工技術(shù)所能達(dá)到的精度和被加工物體的大小。從此圖中可以看出,機(jī)械加工精度最高1μm,集成電路的掩膜精度可達(dá)10m,用移動(dòng)原子的處理方法精度可達(dá)零點(diǎn)幾納米。圖1－9應(yīng)用不同加工方法得到的加工精度傳統(tǒng)的機(jī)械量傳感器,如位移、壓力、流量傳感器,其敏感元件的尺寸一般比較大,且往往由多個(gè)零部件組合而成,因此也有人稱之為結(jié)構(gòu)型傳感器,其生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度依生產(chǎn)批量而定。這類傳感器(即使是那些大批量生產(chǎn)的傳感器)的加工工藝一般都包括人工調(diào)整環(huán)節(jié)。大量的生產(chǎn)廠家仍然采用機(jī)械加工結(jié)合手工調(diào)整的方式進(jìn)行。電阻應(yīng)變式傳感器因結(jié)構(gòu)、材料、選用器件、量程和用途的不同,以及生產(chǎn)廠家工藝裝備、檢測(cè)手段、標(biāo)定設(shè)備的差異,致使其不可能有統(tǒng)一的工藝。但其原理和組成基本相同,都少不了彈性體、應(yīng)變計(jì)和測(cè)量電路,所以有許多相似之處?？傮w來(lái)說(shuō),傳感器的加工工藝可概括為:原材料的物理化學(xué)分析與力學(xué)性能測(cè)試工藝→彈性體的鍛造、機(jī)加工及熱處理工藝→彈性體的穩(wěn)定化處理工藝→彈性體的整體清洗,貼片面的準(zhǔn)備工藝→應(yīng)變計(jì)的篩選、配組工藝→應(yīng)變計(jì)的粘貼、加壓及固化工藝→組橋、布線及性能粗測(cè)工藝→線路補(bǔ)償與調(diào)整工藝→傳感器整機(jī)老化處理工藝→防潮密封工藝→性能檢測(cè)與標(biāo)定工藝。 1.5傳感器的基本特性

理想的傳感器應(yīng)該具有如下特點(diǎn):

(1)傳感器的輸出量?jī)H對(duì)特定的輸入量敏感。(2)傳感器的輸出量與輸入量呈惟一的、穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,且最好是線性關(guān)系。(3)傳感器的輸出量可實(shí)時(shí)反映輸入量的變化。

在實(shí)際應(yīng)用中,傳感器是在特定而具體的環(huán)境中使用的,因此傳感器本身的結(jié)構(gòu)、電子電路器件、電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及各種環(huán)境因素的存在均可能影響到傳感器的整體性能,具體如圖1－10所示。圖1－10影響傳感器性能的因素1.5.1靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指在穩(wěn)態(tài)條件下,傳感器的輸出與輸入的關(guān)系。典型的傳感器靜態(tài)特性曲線描述方式為

其中,y為輸出量,x為輸入量。理想的傳感器輸出輸入特性是線性的,即輸出與輸入間的關(guān)系滿足：y=f（x）y=a1x+a0其中，a0、a1為常數(shù)。這種線性特性無(wú)疑是最理想的特性。其優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)可大大簡(jiǎn)化傳感器的理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算。

(2)為標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來(lái)很大方便,只要知道線性輸出-輸入特性上的兩點(diǎn)(一般畫零點(diǎn)和滿度值)就可以確定其余各點(diǎn)避免了非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié),后續(xù)儀表制作、安裝、調(diào)試容易,提高了測(cè)量精度。

(3)避免了非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié),后續(xù)儀表制作、安裝、調(diào)試容易,提高了測(cè)量精度。

1．測(cè)量范圍、上下限及量程

每個(gè)傳感器都有其測(cè)量范圍,它是該儀表按規(guī)定的精度進(jìn)行測(cè)量的被測(cè)變量的范圍。測(cè)量范圍的最小值和最大值分別稱為測(cè)量下限(Xmin)和測(cè)量上限(Xman),簡(jiǎn)稱下限和上限,見(jiàn)圖1-11.

傳感器的量程可以用來(lái)表示其測(cè)量范圍的大小,是其測(cè)量上限值與下限值的代數(shù)差,即：量程=測(cè)量上限值-測(cè)量下限值。圖1-11測(cè)量上下限、量程、滿量程輸出值、靈敏度使用下限與上限可完全表示傳感器的測(cè)量范圍,也可確定其量程。例如,某壓力傳感器的測(cè)量范圍為-400~+400mmHg或表示為±400mmHg，其量程為800mmHg。這說(shuō)明當(dāng)輸入壓力在-400~+400mmHg之間變化時(shí),該傳感器可有相應(yīng)的線性輸出,超出這一范圍時(shí),傳感器的輸出值也可能會(huì)隨壓力變化而有相應(yīng)的改變,但無(wú)法保證輸出量與具體壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)際傳感器的正負(fù)上下限也可以不相等,如某醫(yī)用血壓傳感器的下限值是-50mmHg(真空)，上限值是450mmHg，則其測(cè)量范圍可表示為-50~+450mmHg，量程可表示為450mmHg-（-50mmHg）=500mmHg。由此可見(jiàn),給出儀表的測(cè)量范圍便知其上下限及量程,反之只給出量程,卻無(wú)法確定其上下限及測(cè)量范圍。

2.滿量程輸出值（YFS）

滿量程FS（FullSpan）對(duì)應(yīng)的輸出值記為YFS=Ymax-Ymin(見(jiàn)圖1-11)

3.零點(diǎn)遷移和量程遷移

測(cè)量范圍的另一種表示方法是給出儀表的零點(diǎn),即測(cè)量下限值及儀表的量程。由前面的分析可知,只要傳感器的零點(diǎn)和量程確定了,其測(cè)量范圍也就確定了。這是一種更為常用的表示方式。

在實(shí)際使用中,由于測(cè)量要求或測(cè)量條件的變化,需要改變傳感器的零點(diǎn)或量程,為此可以對(duì)傳感器進(jìn)行零點(diǎn)和量程的調(diào)整。通常將零點(diǎn)的變化稱為零點(diǎn)遷移,而量程的變化則稱為量程遷移。

以被測(cè)變量值相對(duì)于量程的百分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo),記為X,以輸出值相對(duì)滿量程輸出值的百分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo),記為Y,可得到特性曲線圖，如圖1－12所示(假設(shè)傳感器特性是線性的)。圖1－12零點(diǎn)遷移和量程遷移示意圖考慮單純的零點(diǎn)遷移情況,如線段2所示,此時(shí)量程不變,其斜率亦保持不變,線段2只是線段1的平移,理論上零點(diǎn)遷移到了原輸入值的-25%處,終點(diǎn)遷移到了原輸入值的75%處,而量程仍為100%。考慮單純的量程遷移情況,如線段3所示,此時(shí)零點(diǎn)不變,線段仍通過(guò)坐標(biāo)系原點(diǎn),但斜率發(fā)生了變化,理論上量程遷移到了原來(lái)的70%處。

由于受傳感器測(cè)量范圍和輸入通道對(duì)輸入信號(hào)的限制,實(shí)際的特性曲線通常只限于正邊形ABCD內(nèi)部,即用實(shí)線表示部分;虛線部分只是理論上的結(jié)果,無(wú)實(shí)際意義。因此,線段2的實(shí)際效果是傳感器有效使用范圍遷移到原來(lái)的25%～100%,測(cè)量范圍遷移到原來(lái)的0～75%。線段3的實(shí)際效果是傳感器有效使用范圍遷移到原來(lái)的0～100%,測(cè)量范圍遷移到原來(lái)的0～70%。同理,考慮圖中線段4所示的量程遷移情況,其理論上零點(diǎn)沒(méi)有遷移,量程遷移到原來(lái)的140%,而實(shí)際上只保持了原來(lái)有效范圍的0～71.4%,測(cè)量范圍則仍為原來(lái)的0～100%。

4.靈敏度和分辨率

靈敏度是傳感器的輸出增量與輸入增量之比,記為S:S=△Y/△X=YFS/量程對(duì)于線性傳感器或非線性傳感器的近似線性段,靈敏度就是傳感器特性直線段的斜率。因此,量程遷移就意味著靈敏度的改變而如果僅僅是零點(diǎn)遷移則靈敏度不變。靈敏度是有量綱的物理量。表示對(duì)應(yīng)固定輸入量的輸出值。例如，某位移傳感器靈敏度為100mV/mm，表示該傳感器對(duì)應(yīng)1mm的位移變化就有100mV的輸出電壓變化。對(duì)于非線性傳感器,靈敏度可用其一階導(dǎo)數(shù)形式表示，但市場(chǎng)上的傳感器產(chǎn)品一般會(huì)為用戶提供線性特性輸出。

容易與靈敏度混淆的是分辨率。它是指輸出能響應(yīng)和分辨的最小輸入量。分辨率是靈敏度的一種反映,一般說(shuō)儀表的靈敏度高,則其分辨率同樣也高。因此實(shí)際中主要希望提高儀表的靈敏度,從而保證其分辨率較好。

5.線性度

它是傳感器特性曲線與其規(guī)定的擬合直線之間的最大偏差△max與傳感器滿量程輸出YFS之比的百分?jǐn)?shù)。

值得注意的是,線性度的具體值與具體采取的擬合直線計(jì)算方法有很大的關(guān)系,這一點(diǎn)從圖1－13就可以看出來(lái)。同樣的傳感器數(shù)據(jù),采用不同的擬合直線可得到不同的線性度指標(biāo)。目前擬合直線的獲得有多種標(biāo)準(zhǔn),一般是以在標(biāo)稱輸出范圍中和標(biāo)定曲線的各點(diǎn)偏差平方之和最小(即最小二乘法原理)的直線作為擬合直線。但在研究或應(yīng)用過(guò)程中,應(yīng)參照具體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。圖1－13傳感器的線性度

6.誤差

傳感器所測(cè)值稱為示值,它是被測(cè)真值的反映。嚴(yán)格地說(shuō),被測(cè)真值只是一個(gè)理論值,因?yàn)闊o(wú)論采用何種傳感器,測(cè)得的值都有誤差。實(shí)際中通常采用適當(dāng)精度的儀表測(cè)出的(或用特定的方法確定的)約定真值代替真值。例如使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量機(jī)構(gòu)標(biāo)定過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)行測(cè)量,其測(cè)量值即可作為約定真值。

示值與公認(rèn)的約定真值之差稱為絕對(duì)誤差,也就是通常所指的誤差。

絕對(duì)誤差=示值-約定真值絕對(duì)誤差與約定真值之比稱為相對(duì)誤差,常用百分?jǐn)?shù)表示,即雖然用相對(duì)誤差來(lái)衡量精度比較合理,但儀表多應(yīng)用在接近上限值的量,因而量程取代約定真值則得到引用誤差如下式所示：×100%×100%

可能造成傳感器誤差的來(lái)源很多,但基本上可分為五種類型:介入誤差、應(yīng)用誤差、特性參數(shù)誤差、動(dòng)態(tài)誤差及環(huán)境誤差。

1)介入誤差

這類誤差來(lái)源于傳感器敏感元件的介入對(duì)所測(cè)系統(tǒng)的環(huán)境造成的改變。實(shí)際上,幾乎所有傳感器均存在這種介入誤差,只不過(guò)影響程度不同。如流體壓力傳感器,當(dāng)傳感器尺寸相對(duì)于所測(cè)系統(tǒng)而言太大時(shí),傳感器的安裝就可能會(huì)影響到被測(cè)量環(huán)境的壓力分布,這種誤差就會(huì)凸現(xiàn)出來(lái)。再如加速度傳感器,當(dāng)傳感器本身質(zhì)量大到一定程度時(shí),傳感器的存在就很可能影響到所測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

2)應(yīng)用誤差

這類誤差在實(shí)際應(yīng)用中最為常見(jiàn),主要問(wèn)題在于使用者對(duì)具體傳感器原理缺乏了解或測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷。例如,當(dāng)溫度傳感器用于測(cè)量空氣環(huán)境溫度時(shí),傳感器的放置位置不合適或傳感器與固體之間的熱絕緣不好均可能造成誤差。

3)特性參數(shù)誤差

顧名思義,這類誤差來(lái)源于傳感器本身的特性參數(shù),也是傳感器生產(chǎn)者及使用者考慮最多的誤差。由于這類誤差是傳感器本身固有的特性,因此使用者所能做的就是在選取傳感器時(shí)予以充分考慮。尤其是在量程、閾值及分辨率等方面。

4)動(dòng)態(tài)誤差

大部分傳感器的特性參數(shù)是在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下通過(guò)標(biāo)定測(cè)試得到的,因此當(dāng)所測(cè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí),傳感器的反應(yīng)存在滯后。人們?cè)谌粘Ｉ钪畜w會(huì)最深的恐怕要屬體溫計(jì)。老式的水銀溫度計(jì)固然反應(yīng)慢,目前市場(chǎng)上的電子體溫計(jì)一般也要數(shù)分鐘才能得到結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中,如需測(cè)量快速變化的參量,必須考慮傳感器對(duì)快變輸入信號(hào)的反應(yīng)能力的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。

5)環(huán)境誤差

各種環(huán)境參量均可能帶來(lái)誤差。最常見(jiàn)的為溫度,另外,振動(dòng)、沖擊、電磁場(chǎng)、化學(xué)腐蝕、電源電壓波動(dòng)等因素均可造成誤差。尤其是電源電壓波動(dòng)的影響,在使用交流市電作為測(cè)量系統(tǒng)的電源時(shí)必須予以充分考慮。

7.滯環(huán)、死區(qū)和回差

由于傳感器內(nèi)部的某些元件具有儲(chǔ)能效應(yīng),例如彈性變形、磁滯現(xiàn)象等,其作用使得檢驗(yàn)所得的實(shí)際上升曲線和實(shí)際下降曲線常出現(xiàn)不重合的情況,從而使得傳感器的特性曲線形成環(huán)狀,如圖1－14(a)所示。該種現(xiàn)象即稱為滯環(huán)。顯然,在出現(xiàn)滯環(huán)現(xiàn)象時(shí),儀表的同一輸入值常對(duì)應(yīng)多個(gè)輸出值,并出現(xiàn)誤差。同時(shí),由于傳感器內(nèi)部的某些元件可能還具有死區(qū)效應(yīng),例如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦和間隙等,其作用亦可使得檢驗(yàn)所得的實(shí)際上升曲線和實(shí)際下降曲線常出現(xiàn)不重合的情況。這種死區(qū)效應(yīng)使得傳感器輸入在小到一定范圍后不足以引起輸出的任何變化,而這一范圍則稱為死區(qū)?？紤]傳感器特性曲線呈線性關(guān)系的情況,其特性曲線如圖1－14(b)所示。因此,存在死區(qū)的儀表要求輸入值大于某一限度才能引起輸出的變化,死區(qū)也稱為不靈敏區(qū)。理想情況下,不靈敏區(qū)的寬度是靈敏區(qū)寬度的2倍。

也可能某個(gè)傳感器既具有儲(chǔ)能效應(yīng),也具有死區(qū)效應(yīng),其綜合效應(yīng)將是以上兩者的結(jié)合。典型的特性曲線如圖1－14(c)所示。圖1－14滯環(huán)、死區(qū)、綜合效應(yīng)分析在以上各種情況下,實(shí)際上升曲線和實(shí)際下降曲線間都存在差值,其最大的差值稱為回差,亦稱變差,或來(lái)回變差。而通常以回差與滿量程輸出值之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示這一特性參量遲滯:

8.重復(fù)性和再現(xiàn)性

在同一工作條件下,同方向連續(xù)多次對(duì)同一輸入值進(jìn)行測(cè)量所得的多個(gè)輸出值之間相互一致的程度稱為重復(fù)性,它不包括滯環(huán)和死區(qū)。例如,在圖1－15中列出了在同一工作條件下測(cè)出的3條實(shí)際上升曲線,其重復(fù)性就是指這3條曲線在同一輸入值處的離散程度。實(shí)際上,重復(fù)性常選用上升曲線的最大離散程度和下降曲線的最大離散程度兩者中的最大值與滿量程輸出值之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示:圖1－15重復(fù)性和再現(xiàn)性