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4.4 傳感器的性能和評價4.1 傳感器的發(fā)展和作用 人類為了從外界獲取信息, 必須借助于感覺器官。 人類依靠這些器官接受來自外界的刺激,再通過大腦分析判斷, 發(fā)出命令而動作。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類社會的進(jìn)步, 人類為了進(jìn)一步認(rèn)識自然和改造自然, 只靠這些感覺器官就顯得很不夠了。 于是, 一系列代替、補充、延伸人的感覺器官功能的各種手段就應(yīng)運而生, 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)古時代, 公元前1000年左右, 中國的指南針、記里鼓車已開始使用。 埃及王朝時代開始使用的天平, 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, 傳感器也越來越顯得重要。世界各國都將傳感器技術(shù)列為重點發(fā)展的高新技術(shù), 傳感器技術(shù)已成為高新技術(shù)競爭的核心技術(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: (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)政府對傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供資助并大力扶植。(3)國防、空間技術(shù)和民用產(chǎn)品有廣大的傳感器市場。 (4)在許多高新技術(shù)領(lǐng)域可獲得用于開發(fā)傳感器的理論和工藝。 從市場來看, 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。傳感器的市場結(jié)構(gòu)如表4.1所示。表 4.1傳感器市場結(jié)構(gòu) 近年來, 由于微電子技術(shù)、微機械加工技術(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、靠性等獨特的優(yōu)點。 （2）新型敏感材料將加速開發(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_拓, 二次傳感器和傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用將大幅度增長。 展望未來, 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)行器及信號和數(shù)據(jù)處理器總裝集成的系統(tǒng)越來越引起人們的廣泛關(guān)注。 傳感器市場將會迅速發(fā)展, 并會加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。 4.2 什么是傳感器 傳感器是與人的感覺器官相對應(yīng)的元件。 國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7665-87對傳感器下的定義是: “能夠

5、感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置, 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)換元件信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路測量電路電 源電量輸出量被測量輸入量敏感元件, 是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量（輸入量）的部分。轉(zhuǎn)換元件, 是指傳感器中能將敏感元件感受的或響應(yīng)的被探測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和（或）測量的電信號的部分。4.3 傳感器的分類 傳感器種類繁多, 功能各異。 由于同一被測量可用不同轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)探測, 利用同一種物理法則、 化學(xué)反應(yīng)或生物效應(yīng)可設(shè)計制作出檢測不同被測量的傳感器, 而功能大同小異的同一類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: 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、激素等分子識別功能的生物傳感器。 (2)按工作原理分類, 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, 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)按照被測量分類, 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, 可分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型兩大類。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。 如用電橋測量電阻溫度變化時, 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為復(fù)合型傳感器。場的定律是關(guān)于物質(zhì)作用的定律, 例如動力場的運動定律、電磁場的感應(yīng)定律、 光的干涉現(xiàn)

8、象等。 利用場的定律做成的傳感器, 如電動式傳感器、電容式傳感器、激光檢測器等。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源傳感器。有源傳感器敏感元件工作需要外加電源, 無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。表4.2傳感器的分類 盡管此處列出的傳感器分類有較大的概括性, 但由于傳

9、感器的分類不統(tǒng)一, 因而這種分類很難完備, 例如有的學(xué)者將傳感器作了如下分類: (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; (13）氣體/煙霧; (14）溫度; (15）熱能; (16）濕度; (17）水份; (18）露點; (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）接近開關(guān); (29）磁性開關(guān); (30）光電開關(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; (37）紫外線; (38）光纖; (39)離子; (40）激光; (41）超聲波; (42）聲音/噪聲; (43）觸覺; (44）圖像/顏色; (45）密度/粘度; (46）混濁度。 4.4 傳感器的性能和評價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)的被測量（輸入量）的變化值之比, 用公式表示為 2. 線性度理想的傳感器輸出與輸入呈線性關(guān)系。 然而, 實際的傳感器即使在

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

12、輸出值連成的直線為擬合直線。 獨立線性度: 作兩條與端基直線平行的直線, 使之恰好包圍所有的標(biāo)定點, 以與二直線等距離的直線作為擬合直線。 最小二乘法線性度: 以最小二乘法擬合的直線為擬合直線。 3. 靈敏度界限（閾值） 輸入改變x時, 輸出變化y, x變小, y也變小。但是一般來說, x小到某種程度, 輸出就不再變化了, 這時的x叫做靈敏度界限。 存在靈敏度界限的原因有兩個。一個是輸入的變化量通過傳感器內(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。 螺絲和螺帽, 齒條和齒輪之間多少都有空隙, 如果x相當(dāng)于這個空隙的話, 那么x是無法傳遞出去的。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, 軸是不會旋轉(zhuǎn)的。 第二個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, 就無法把有用信號和噪聲分開。如果不加上最起碼的輸入值（這個輸入值所產(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 圖4.3是這種現(xiàn)象稍微夸張了的曲線。 一般來說輸入增加到某值時的輸出要比輸入下降到該值時的輸出值小, 正如圖4.3 所示。如存在遲滯差, 則輸入和輸出的關(guān)系就不是一一對應(yīng)了, 因此必須盡量減少這個差值。 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, 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、電場作用下均有這種現(xiàn)象。遲滯也反映了傳感器機械部分不可避免的缺陷, 如軸承摩擦、 間隙、螺絲松動等。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較長的時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。 理想的情況是, 不管什么時候傳感器的靈敏度等特性參數(shù)不隨時間變化。但實際上, 隨著時間的推移, 大多數(shù)傳感器的特性會改變。這是因為傳感元件或構(gòu)成傳感器的部件的特性隨時間發(fā)生變化, 產(chǎn)生一種經(jīng)時變化的現(xiàn)象。1.4.2 傳感器的動態(tài)特性大多數(shù)情