项目一　传感器认知

项目说明

通过传感器的图片展示及实物演示，了解各种传感器一般外形及其测量的物理量，掌握传感器的组成及分类，了解传感器的作用及发展趋势，理解传感器的特性及命名方法，掌握测量误差及其分类等基本知识。

相关知识

一、传感器的定义及作用

根据国家标准GB/T 7665—2005，传感器（Transducer/Sensor）的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。其包含以下几个方面的意思：

（1）传感器是测量装置，能完成检测任务。

（2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。

（3）输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。

（4）输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。

关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的内涵相同或相似。所以近来已逐渐趋向统一，大都使用传感器这一名称了。

但是，在我国还经常有把“传感器”和“敏感元件”等同使用的情况。当从仪器仪表学科的角度强调是一种感受信号的装置时，称其为“传感器”，而从电子学的角度强调它是一种能感受信号的电子元件时，称其为“敏感元件”。两种不同的提法在大多数情况下并不矛盾。例如，热敏电阻器，既可以称其为“温度传感器”，也可以称之为“热敏元件”。但在有些情况下则只能概括地用“传感器”一词来称谓。例如，利用压敏元件作为敏感元件，并具有质量块、弹按和阻尼等结构的加速度传感器，很难用“敏感元件”类的词称谓，而用“传感器”则更为贴切。

传感器在很多行业都有着重要的应用，而且现在有很多行业试图在开放利用传感器来实现自动化，传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，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。传感器目前最重要的应用领域主要涉及机械制造，医疗设备，汽车电子产业，通信技术等领域。

新技术革命的到来，世界进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域。例如，在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察微小的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到10-24s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

二、传感器的组成

传感器通常由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，组成框图如图1-1所示。

（1）敏感元件（Sensitive Element）：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

图1-2是一种气体压力传感器的示意图。膜盒2的下半部与壳体1固定连接，上半部通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力Pa相通，内部感受被测压力P。当P变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。

（2）转换元件（Transduction Element）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数量。

在图1-2中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。再如压电晶体、热电偶等。

（3）转换电路（Transduction Circuit）：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。

应当指出，不是所有的传感器均由以上三部分组成。实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。如图1-3所示，两种不同的金属材料一端连接在一起，放在被测温度中，另一端为参考端，温度为零，则在回路将产生一个与温度有关的电动势，从而进行温度测量。

有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。图1-4所示为压电式加速度传感器，其中质量块是敏感元件，压电片（块）是转换元件。因转换元件的输出已是电量，无须转换电路。

有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。

敏感元件与转换元件在结构上常是装在一起的，而转换电路为了减小外界的影响也希望和它们装有一起，不过由于空间的限制或者其他原因，转换电路常装入电箱中。尽管如此，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电量信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。另外，一般情况下，转换电路的后续电路，如信号放大、处理、显示等电路就应包括在传感器的组成范围之内。

三、传感器的分类

传感器的分类方法很多，主要有如下几种：

（1）按被测量分类，可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速与流量、液面、热学量、化学量、生物量传感器等。这种分类有利于选择传感器、应用传感器。

（2）按照工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。这种分类有利于研究、设计传感器，有利于对传感器的工作原理进行阐述。

（3）按敏感材料不同分为半导体传感器、陶瓷传感器、石英传感器、光导纤维传感器、金属传感器、有机材料传感器、高分子材料传感器等。这种分类法可分出很多种类。

（4）按照传感器输出量的性质分为模拟传感器和数字传感器。其中，数字传感器便于与计算机联合使用，且抗干扰性较强，如脉冲盘式角度数字传感器、光栅传感器等。传感器数字化是今后的发展趋势。

（5）按应用场合不同分为工业用、农用、军用、医用、科研用、环保用和家电用传感器等。若按具体使用场合，还可分为汽车用、船舰用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。

（6）根据使用目的的不同，又可分为计测用、监视用、检查用、诊断用、控制用和分析用传感器等。

表1-1是按传感器转换原理分类给出了各类型的名称及典型应用。各种传感器由于原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不可能相同。但是有些一般要求却基本是共同的，例如可靠性、静态精度、动态性能、抗干扰能力、通用性、小的轮廓尺寸、低成本、低能耗等，其中传感器的工作可靠性、静态精度和动态性能是最基本的要求。

四、传感器的基本特性

传感器是实现传感功能的基本部件，传感器的输入-输出关系特性是传感器的基本特性。传感器的各种性能指标都是根据传感器输入与输出对应关系进行描述的。传感器的输入-输出特性是其外部特性，但却是由其内部参数决定的，不同的传感器的内部参数决定了它具有不同的外部特性。

传感器所测量的物理量基本上有两种形式，一种是稳态（静态或准静态）的形式，这种信号不随时间变化（或变化很缓慢），另一种是动态（周期变化或瞬态）的形式，这种信号是随时间变化而变化的。由于输入物理量状态不同，传感器要尽量准确地反映输入物理量的状态，因此所表现出来的输出-输入特性也不同，即存在所谓的静态特性和动态特性。

1.传感器的静态特性

1）线性度

线性度是评价非线性程序的参数。其定义是：传感器的输出/输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称为该传感器的“非线性误差”或称“线性度”。线性特性示意图如图1-5所示。

描述传感器最有效的方法是传感器的数学模型。在静态条件下，若不考虑迟滞及蠕变，则传感器的输出量y与输入量x的关系可由一代数方程表示，称为传感器的静态数学模型，即

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn　　（1-1）

式中　a0——无输入时的输出，即零位输出；

a1——传感器的线性灵敏度；

a2，a3，…，an——非线性项的待定常数。

设a0=0，即不考虑零位输出，则静态特性曲线过原点。一般可分为以下几种典型情况。

（1）理想的线性特性

当a2=a3=…=an=0时，静态特性曲线是一条直线，如图1-6所示，传感器的静态特性为

y=a1x　　（1-2）

（2）无奇次非线性项

当a3=a5=…=0时，静态特性为

y=a1x+a2x2+a4x4+…　　（1-3）

对应曲线如图1-7所示。因不具有对称性，线性范围较窄，线性度较差，所以传感器设计时一般很少采用这种特性。

（3）无偶次非线性项

当a2=a4=…=0时，静态特性为

y=a1x+a3x3+a5x5+…　　（1-4）

对应曲线如图1-8所示。特性曲线关于原点对称，在原点附近有较宽的线性区。线性度较好，灵敏度为该曲线的斜率。

（4）一般情况

特性曲线过原点，但不对称。

y（x）=a1x+a2x2+…+anxn　　（1-5）

y（-x）=-a1x+a2x2-a3x3+a4x4-a5x5…　　（1-6）

y（x）-y（-x）=2（a1x+a3x3+a5x5+…）　　（1-7）

对应曲线如图1-9所示。这就是将两个传感器接成差动形式可拓宽线性范围的理论根据。

借助实验方法确定传感器静态特性的过程称为静态校准。

当满足静态标准条件的要求，且使用的仪器设备具有足够高的精度时，测得的校准特性即为传感器的静态特性。

由校准数据可绘制成特性曲线，通过对校准数据或特性曲线的处理，可得到数学表达式形式的特性，及描述传感器静态特性的主要指标。

传感器的校准曲线与选定的拟合直线的偏离程度称为传感器的线性度，又称非线性误差。

eL=（±Δymax/yF.S.）×100％　　（1-8）

式中　yF.S.——传感器的满量程输出值（F.S.是Fullscale的缩写）；

Δymax——校准曲线与拟合直线的最大偏差。

选定拟合直线的过程，就是传感器的线性化过程，直线拟合的方法有理论拟合、过零旋转拟合、端点连线拟合、端点连线平移拟合、最小二乘法拟合、最小包容拟合、最佳直线拟合等。如图1-10至图1-14所示。图中实线为实际输出校正曲线，虚线为拟合直线。

（1）理论拟合法。如图1-10所示，理论直线以传感器的理论特性直线作为拟合直线，它与实际测试值无关，其优点是简单、方便，但通常最大正、负偏差很大。

（2）过零旋转拟合法。如图1-11所示，常用于曲线过零的传感器。其优点是简单，非线性误差比前一种小。

（3）端点连线拟合法。如图1-12所示，对应的线性度称端点线性度。简单直观，拟合精度较低。最大正、负偏差不相等。

（4）端点连线平移拟合法。如图1-13所示，对应的线性度称独立线性度。最大正、负偏差相等。

（5）最小二乘拟合直线法。如图1-14所示，这种方法按最小二乘法原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。这种方法拟合精度很高。也是最常用的方法，但校准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最小，最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。

2）灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值，用Sn来表示，即Sn=输出量的变化/输入量的变化=dy/dx。

对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率。非线性传感器的灵敏度为一变量，一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出-输入特性为直线。

3）迟滞（迟环）

迟滞特性表明传感器在正反行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度，也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，这就是迟滞现象。如图1-15所示。

例：一个电子秤称重。

加砝码（x）　　10g—　50g—100g—200g

电桥输出（y1）　　0.5mV—2mV—4mV—10mV

减砝码输出（y2）　　1mV—5mV—8mV—10mV

产生这种现象的主要原因是由敏感元件材料的物理性质缺陷造成，如弹性元件的滞后，铁磁体、铁电体在外加磁场、电场也有这种现象。或者是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等。

迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示，即

式中，ΔHmax=y2-y1为正、反行程输出值间的最大差值。

4）重复性

重复性：指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。如图1-16所示。

重复性误差：属于随机误差，常用正反行程中的最大偏差表示，即

式中，Δymax为Δymax1和Δymax2这两个偏差中的较大者。

因重复性误差属随机误差，故按标准偏差来计算重复性指标更合适，用σmax表示各校准点标准偏差中的最大值，则重复性误差可表示为

标准偏差可以根据贝塞尔公式来计算：

检测误差：可选取几个测试点，对应每一点多次从同一方向趋近，获得输出值系列，算出最大值与最小值之差或3倍标准差作为重复性偏差，在几个中取出最大值作为重复性误差。

5）分辨力与阈值

传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力。对于某些传感器，如电位器式传感器，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。一般模拟式仪表的分辨力规定为最小刻度分格值的一半，对于数字式仪表，分辨力就是仪表指示值的最后一位数字所代表的值。当被测量的变化量小于分辨力时，数字式仪表的最后1位数不变，仍指示原值。当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。

阈值是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”（Dead Band），则将死区的大小作为阈值；更多情况下，阈值主要取决于传感器噪声的大小，因而有的传感器只给出噪声电平。

6）测量范围及量程

传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。传感器测量范围的上限值与下限值的代数差，称为量程。

7）稳定性

稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。理想的情况是不论什么时候，传感器的特性参数都不随时间变化。但实际上，随着时间的推移，大多数传感器的特性会发生改变。这是因为敏感元件或构成传感器的部件，其特性会随时间发生变化，从而影响了传感器的稳定性。

稳定性一般以室温条件下经过一段规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，称为稳定性误差。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差来表示。

2.传感器的动态特性

传感器的动态特性是指传感器对激励（输入）的响应（输出）特性。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数。但实际上除了具有理想的比例特性的环节外，输出信号将不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。

研究传感器动态特性的方法及其指标，研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。由于输入信号的时间函数形式是多种多样的，在时域内研究传感器的响应特性时，只能研究几种特定的输入时间函数，如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等的响应特性。在频域内研究动态特性一般是采用正弦函数得到频率响应特性。动态特性好的传感器暂态响应时间很短或者频率响应范围很宽。

3.传感器的技术指标

对于一种具体的传感器，并不是全部指标都必需，只要根据自己的实际需要保证主要的参数即可。表1-2列出了传感器的一些常用指标。

五、传感器的命名与代号

国家标准GB/T 7665—2005规定了传感器的命名方法及图形符号，并将其作为统一传感器命名及图形符号的依据。

1.传感器的命名

一种传感器产品的名称，应由主题词加四级修饰语构成。

主题词——传感器。

第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语。

第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字。

第三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件以及其他必要的性能特征，一般可后续以“型”字。

第四级修饰语——主要技术指标（量程、测量范围、精度等）。

本命名法在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合，使用所规定的顺序。

示例l：传感器，位移，应变[计]式，100mm；

注：[ ]内的词，在不引起混淆时，可省略（下同）。

示例2：传感器，声压，电容式，100～160dB；

示例3：传感器，加速度，压电式，±20g；

示例4：传感器，压力，压阻式，[单晶]硅，600kPa；

示例5：传感器，差压，谐振式，智能型，35kPa。

在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序。

示例1：100mm应变式位移传感器；

示例2：100～160dB电容式声压传感器；

示例3：±20g压电式加速度传感器；

示例4：600kPa[单晶]硅压阻式压力传感器；

示例5：35kPa智能[型]谐振式差压传感器。

当对传感器的产品名称命名时，除第一级修饰语外，其他各级可视产品的具体情况任选或省略。

示例l：业已购进150只各种测量范围的半导体压力传感器。

示例2：广告中介绍了我厂生产的电容式液位传感器。

示例3：附加的测试范围只适用于差压传感器。

示例4：购100mm位移传感器10只。

示例5：加速度传感器可用作汽车安全气囊。

2.传感器的代号

一般规定用大写汉语拼音字母（或国际通用标志）和阿拉伯数字构成传感器完整的代号。传感器的完整代号应包括以下四部分：

（1）主称（传感器）；

（2）被测量；

（3）转换原理；

（4）序号。

四部分代号表述格式应为：

在被测量、转换原理、序号三部分代号之间须有“-”连接。

第一部分——主称（传感器），用汉语拼音字母“C”标记。

第二部分——被测量，用其一个或两个汉字汉语拼音的第一个大写字母标记（见表1-3），当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则用其汉语拼音的第二个大写字母作代号，依此类推。当被测量有国际通用标志时，应采用国际通用标志。当被测量为离子、粒子或气体时，可用其元素符号、粒子符号或分子式加圆括号“（ ）”表示。

续表

第三部分——转换原理，用其一个或两个汉字汉语拼音的第一个大写字母标记（见表1-4）。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则用其汉语拼音的第二个大写字母作代号，依此类推。

第四部分——序号，用阿拉伯数字标记。序号可表征产品设计特征、性能参数、产品系列等。如果传感器产品的主要性能参数不改变，仅在局部有改进或改动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写汉语拼音字母A，B，C，…（其中I、O两个字母不用）。序号及其内涵可由传感器生产厂家自行决定。

示例1：压阻式压力传感器：代号为CY-YZ-2.5。

示例2：电容式加速度传感器：代号为CA-DR-±5。

示例3：电磁式流量传感器：代号为CLL-DC-10。

示例4：霍尔式电流传感器：代号为CDL-HE-1200。

示例5：温度传感：代号为C W-800A。

示例6：压电式心音传感器：代号为CXY-YD-12。

示例7：氢离子活度传感器：代号为C（H+）-12。

六、传感器的发展趋势

近年来，传感器技术新原理、新材料和新技术的研究更加深入、广泛，新品种、新结构、新应用不断涌现。

1.“五化”成为传感器发展的重要趋势

1）智能化

两种发展轨迹齐头并进。一个方向是多种传感功能与数据处理、存储、双向通信等的集成，可全部或部分实现信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通信，以及内部自检、自校、自补偿、自诊断等功能，具有低成本、高精度的信息采集、可数据存储和通信、编程自动化和功能多样化等特点，如美国凌力尔特公司（Linear Technology Corporation）的智能传感器安装了ARM架构的32位处理器。另一个方向是软传感技术，即智能传感器与人工智能相结合，目前已出现各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器，并已经在智能家居等方面得到利用，如日本电气股份有限公司（NEC Corporation）开发出了对大量的传感器监控实施简化的新方法“不变量分析技术”，并已面向基础设施系统投入使用。

2）可移动化

无线传感网技术应用加快。无线传感网技术的关键是克服节点资源限制（能源供应、计算及通信能力、存储空间等），并满足传感器网络扩展性、容错性等要求。该技术被美国麻省理工学院（MIT）的《技术评论》杂志评为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。目前研发重点主要在路由协议的设计、定位技术、时间同步技术、数据融合技术、嵌入式操作系统技术、网络安全技术、能量采集技术等方面。迄今，一些发达国家及城市在智能家居、精准农业、林业监测、军事、智能建筑、智能交通等领域对技术进行了应用。如，从MIT独立出来的Voltree Power LLC公司受美国农业部的委托，在加利福尼亚州的山林等处设置温度传感器，构建了传感器网络，旨在检测森林火情，减少火灾损失。

3）微型化

微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）传感器研发异军突起。随着集成微电子机械加工技术的日趋成熟，MEMS传感器将半导体加工工艺（如氧化、光刻、扩散、沉积和蚀刻等）引入传感器的生产制造，实现了规模化生产，并为传感器微型化发展提供了重要的技术支撑。近年来，日本、美国、欧盟等在半导体器件、微系统及微观结构、速度测量、微系统加工方法/设备、麦克风/扬声器、水平/测距/陀螺仪、光刻制版工艺和材料性质的测定/分析等技术领域取得了重要进展。目前，MEMS传感器技术研发主要在以下几个方向：

（1）微型化的同时降低功耗；

（2）提高精度；

（3）实现MEMS传感器的集成化及智慧化；

（4）开发与光学、生物学等技术领域交叉融合的新型传感器，如MOMES传感器（与微光学结合）、生物化学传感器（与生物技术、电化学结合），以及纳米传感器（与纳米技术结合）。

4）集成化

多功能一体化传感器受到广泛关注。传感器集成化包括两类：一种是同类型多个传感器的集成，即同一功能的多个传感元件用集成工艺在同一平面上排列，组成线性传感器（如CCD图像传感器）。另一种是多功能一体化，如几种不同的敏感元器件制作在同一硅片上，制成集成化多功能传感器，集成度高、体积小，容易实现补偿和校正，是当前传感器集成化发展的主要方向。如意法半导体（ST）集团提出把组合了多个传感器的模块作为传感器中枢来提高产品功能；东芝公司（Toshiba Corporation）已开发出晶圆级别的组合传感器，并发布能够同时检测脉搏、心电、体温及身体活动等4种生命体征信息，并将数据无线发送至智能手机或平板电脑等的传感器模块SILMEE（Smart healthcare Intelligent Monitor Engine& Ecosystem）。

5）多样化

新材料技术的突破加快了多种新型传感器的涌现。新型敏感材料是传感器的技术基础，材料技术研发是提升性能、降低成本和技术升级的重要手段。除了传统的半导体材料、光导纤维等，有机敏感材料、陶瓷材料、超导、纳米和生物材料等成为研发热点，生物传感器、光纤传感器、气敏传感器、数字传感器等新型传感器加快涌现。如光纤传感器是利用光纤本身的敏感功能或利用光纤传输光波的传感器，有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、绝缘性好、体积小、耗电少等特点，目前已应用的光纤传感器可测量的物理量达70多种，发展前景广阔；气敏传感器能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出，具有稳定性好、重复性好、动态特性好、响应迅速、使用维护方便等特点，应用领域非常广泛。另据BCCResearch公司指出，生物传感器和化学传感器有望成为增长最快的传感器细分领域，预计2019年的年均复合增长率可达9.7％。

2.未来值得关注的四大领域

随着材料科学、纳米技术、微电子等领域前沿技术的突破以及经济社会发展的需求，四大领域可能成为传感器技术未来发展的重点。

1）可穿戴式应用

据美国ABI调查公司预测，2017年可穿戴式传感器的数量将会达到1.6亿。以谷歌眼镜为代表的可穿戴设备是最受关注的硬件创新。谷歌眼镜内置多达10余种的传感器，包括陀螺仪传感器、加速度传感器、磁力传感器、线性加速传感器等，实现了一些传统终端无法实现的功能，如使用者仅需眨一眨眼睛就可完成拍照。当前，可穿戴设备的应用领域正从外置的手表、眼镜、鞋子等向更广阔的领域扩展，如电子肌肤等。日前，东京大学已开发出一种可以贴在肌肤上的柔性可穿戴式传感器。该传感器为薄膜状，在1m2面积上的质量只有3g，是普通纸张的1/27左右，厚度也只有2μm。

2）无人驾驶

美国IHS公司指出，推进无人驾驶发展的传感器技术应用正在加快突破。在该领域，谷歌公司的无人驾驶车辆项目开发取得了重要成果，通过车内安装的照相机、雷达传感器和激光测距仪，以20次/秒的间隔，生成汽车周边区域的实时路况信息，并利用人工智能软件进行分析，预测相关路况未来动向，同时结合谷歌地图来进行道路导航。谷歌无人驾驶汽车已经在内华达州、佛罗里达州和加利福尼亚州获得上路行使权。奥迪、奔驰、宝马和福特等全球汽车巨头均已展开无人驾驶技术研发，有的车型已接近量产。

3）医护和健康监测

国内外众多医疗研究机构，包括国际著名的医疗行业巨头在传感器技术应用于医疗领域方面已取得重要进展。如罗姆公司目前正在开发一种使用近红外光（NIR）的图像传感器，其原理是照射近红外光LED后，使用专用摄像元件拍摄反射光，通过改变近红外光的波长获取图像，然后通过图像处理使血管等更加鲜明地呈现出来。一些研究机构在能够嵌入或吞入体内的材料制造传感器方面已取得进展。如美国佐治亚理工学院正在开发具备压力传感器和无线通信电路等的体内嵌入式传感器，该器件由导电金属和绝缘薄膜构成，能够根据构成的共振电路的频率变化检测出压力的变化，发挥完作用之后就会溶解于体液中。

4）工业控制

2012年，GE公司在《工业互联网：突破智慧与机器的界限》报告中提出，通过智能传感器将人机连接，并结合软件和大数据分析，可以突破物理和材料科学的限制，并将改变世界的运行方式。报告同时指出，美国通过部署工业互联网，各行业可实现1％的效率提升，15年内能源行业将节省1％的燃料（约660亿美元）。2013年1月，GE在纽约一家电池生产企业共安装了1万多个传感器，用于监测生产时的温度、能源消耗和气压等数据，而工厂的管理人员可以通过iPad获取这些数据，从而对生产进行监督。此外，荷兰壳牌、富士电机等跨国公司也都在该领域采取了行动。

七、传感器的标定与校准

所谓标定，就是在传感器正式出厂投入使用之前，采用更高一级的基准仪器，给它加上已知的标准输入信号（如给测力传感器加上已知的标准负荷），以得出其输出量与输入量之间的对应关系。根据静态标定的结果可以画出相应的标定曲线。根据动态标定可以测定传感器或仪表的动态特性，确定其可应用频率范围及动态误差大小。

传感器在标定后的实际使用过程中，为了保证工作的可靠性，需要定期或不定期地重复进行全部或部分标定操作，并进行适当的调整（修正、补偿等），或者对某一特性的指标进行校验和调整，这就是所谓校准。

标定和校准就其实验内容来说，都是测定传感器的特性参数。校准可进一步分为静态校准与动态校准。

静态校准是指以静态标准量作为输入信号，测定输出-输入曲线，从中确定线性度、灵敏度和滞后量等静态特性参数，校准时所用基准仪表的精度至少比被校准传感器的精度要高一级。例如，在油压式压力表校验器上校准压力表时，对于0.5级以下的普通压力表，一般采用与标准压力表比较的方法来进行校准，此时所用标准压力表的精度至少要比被校压力表高2级；对于0.5级以上的标准压力表，则采用与砝码相比较的方法来校准，校准时先输入从小到大的各种标准压力，在被校压力表上读出指示值；再输入从大到小的标准压力，读出指示值，把这些数值列成表格并绘成曲线，即可根据这种压力表的输出-输入曲线确定其线性度、灵敏度和迟滞等特性参数。

动态校准是指以正弦信号或阶跃信号等典型信号作为传感器的输入信号来测定传感器的动态响应特性。

对于零阶传感器（如测量位移的电位器式传感器）来说，不存在动态特性，其唯一的参数是静态灵敏度，可通过静态校准来测定。

对于一阶传感器来说，其静态灵敏度K也用静态校准测定，而与动态响应有关的参数只有一个时间常数τ，可用多种方法测定。一个最简单的方法是用阶跃输入测出其输出量达到终值的63.2％所经历的时间作为时间常数。但此法没有涉及响应的全过程，其测量结果不很准确，而且无法判断该传感器是否真正是一阶的。若用频率响应法测试，则可以更可靠地证实传感器性能是否是一阶的，但此时的输入信号应为正弦波，而非电量的正弦波一般是难以获得的。

对于二阶传感器来说，其静态灵敏度K仍用静态校准法求得，而阻尼率ξ和固有角频率ω0则可在阶跃测试中用各种方法求得。

应当指出，目前许多传感器的校准方法尚待进行进一步研究和统一。

八、测量误差及其分类

任何测量都存在误差，只要误差在允许范围内即可认为符合标准。传感器也不例外，所谓传感器的误差，即传感器实际输出值与理论输出值的差值。因此在设计与制造传感器时，允许有误差，但必须在规定的误差范围之内。

1.传感器的误差

由传感器的定义可知，传感器可将未知的物理量转换成可知的电信号，其误差也就是测量误差。下面介绍有关测量的部分名词。

1）真值

被测量本身具有的真实量值称为真值。真值是一个理想的概念，一般是不知道的。但在某些特定情况下，真值又是可知的，如一个整圆的圆周角为360°等。

2）约定真值

由于真值往往是未知的，所以一般用基准器的量值来代替真值，称作约定真值，它与真值之间的误差可以忽略不计。

3）实际值

误差理论指出，在排除了系统误差的前提下，对于精度测量，测量次数为无限多时，测量结果的算术平均值接近于真值，因而可将它视为被测量的真值。但是测量次数是有限的，故按有限测量次数得到的算术平均值只是统计平均值的近似值。而且由于系统误差不可能完全被排除掉，故通常只能把精度更高一级的标准器具所测量得的值作为“真值”。为了强调它并非是真正的“真值”，故把它称为实际值。

4）标称值

测量器具上所标出用来参考的数值。

5）示值

由测量器具读数装置所指示出来的被测量的数值。

6）测量误差

用器具进行测量时，所测量出来的数值与被测量的实际值之间的差值。

2.误差的分类

在测量中由不同因素产生的误差是混合在一起出现的。为了便于分析和研究误差的性质、特点和消除方法，下面将对误差进行分类讨论。

1）按表示方法分类

（1）绝对误差：绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。设被测量真值为A0，器具的标称值或示值为x，则绝对误差Δx为

Δx=x-A0　　（1-13）

由于一般无法求得真值A0，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值（作为实际值）A代替真值A0，必须指出，A并不等于A0，一般来说，A总比x更接近于A0。X与A之差常称为器具的示值误差，记为

Δx=x-A　　（1-14）

通常即以此值来代表绝对误差，绝对误差一般只适用于标准器具的校准。

（2）相对误差：相对误差是绝对误差Δx与被测量的约定值之比。实际测量中，相对误差有下列表示形式：

①实际相对误差：实际相对误差γA是用绝对误差Δx与被测量的实际值A的百分比来表示的相对误差：

②示值相对误差：示值相对误差γx是用绝对误差Δx与器具的示值x的百分比来表示的相对误差

③满度（或引用）相对误差：满度相对误差γm又称满度误差，是用绝对误差Δx与器具的满度值xm之比来表示的相对误差

在式（1-17）中，当Δx取为最大值Δxmax时，满度（或引用）相对误差就被用来确定仪表的精度等级S（如0.5％<满度，或引用相对误差≤1％时，则称精度等级为1级），即

当仪表显示值下限不为零时，精度等级S应用式（1-19）表达：

式中，Xmax和Xmin分别为仪表刻盘上的上限和下限。

我国电工仪表等级分为七级，即0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级、5.0级。

（3）允许误差：允许误差是根据技术条件的要求，规定某一类器具误差不应超过的最大范围。

2）按误差出现的规律分布

（1）系统误差：系统误差，是按某种已知的函数规律变化而产生的误差，又分为：

①恒定系统误差：指在一定条件下，误差的数值及符号都保持不变的系统误差。

②变值系统误差：指在一定条件下，误差按某一确切规律变化的系统误差。根据其变化规律又可分为以下几种情况：

a.累进性系统误差：指在整个测量过程中误差的数值逐渐增加或逐渐减少的系统误差。

b.周期性系统误差：指在整个测量过程中误差的数值发生周期性变化的系统误差。

c.按复杂规律变化的系统误差：这类误差变化规律十分复杂，一般用曲线，表格或经验公式来表示。

系统误差表明了一个测量结果偏离真值的程度。系统误差越小，测量就越准确，所有还经常用准确度一词来表征系统误差的大小。

（2）随机误差：随机误差又称偶然误差，它是由未知变化规律产生的误差。随机误差表现了测量结果的分散性。经常用精密度一词来表征随机误差的大小，随机误差越小，精密度越高。

（3）粗大误差（过失误差）：粗大误差指在一定条件下测量结果显著地偏离其实际值时所对应的误差。在测量及数据处理中，当发现某次测量结果所对应的误差特别大时，应认真判断该误差是否属粗大误差，如属粗大误差，该值应舍去不用。

3）按误差来源分类

（1）工具误差：指测量工具本身不完善引起的误差，包括：

①读数误差：由以下几种原因产生：

a.校准误差：指检测系统在定标时，用标准器具对其指定的某些定标点进行定标时所产生的误差。

b.检测系统分辨率不高所致的误差。

②内部噪声引起的误差，主要指电子器件内部产生的噪声。

③此外还有灵敏度不足引起的误差，器件老化引起的误差，检测系统工作条件变化引起的误差等。

（2）方法误差：指测量时方法不完善、所依据的理论不严密以及对被测量定义不明确等诸多因素所产生的误差，有时也称为理论误差。

4）按被测量随时间变化的速度分类

（1）静态误差：指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢或基本不变时的测量误差。

（2）动态误差：指在被测量随时间变化很快的过程中测量所产生的附加误差。

5）按使用条件分类

（1）基本误差：指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。检测系统的精确度就是由基本误差决定的。

（2）附加误差：当使用条件偏离规定的标准条件时，除基本误差外还会产生附加误差。

6）按误差与被测量的关系分类

（1）定值误差：指误差对被测量来说是一个定值，不随被测量变化。

（2）累积误差：在整个检测系统量程内误差值Δx与被测量x成比例变化，即

Δx=γsx　　（1-20）

式中　γs——比例常数。

项目实施

一、认识各类传感器

图1-17至图1-25所示为各种传感器的图片，熟悉这些图片及相应的实物做到可以确认传感器的类型。

二、分析各类传感器

通过查询文献、网络搜寻等方法，收集各类传感器的信息。将它们的类别、基本原理、优缺点以及适用范围填入表1-5中。

续表

项目拓展与评价

一、训练题目与要求

电子秤静态特性测试

按其最大称重量，用一个电子秤由小到大取10个不同重量的砝码（或组合10个砝码重量）。将砝码从小到大进行称重，记录显示值；再将砝码从大到小进行称重，记录显示值。重复3次。以砝码重量为横坐标，显示值为纵坐标，绘出电子秤称重误差曲线、重复性曲线和迟滞曲线。

二、考核与评价

考核标准见表1-6。

思考与习题

1.从功能上讲，传感器由哪些部分组成？

2.传感器是如何分类的？

3.何为传感器静态特性？静态特性主要技术指标有哪些？

4.什么是传感器的线性度？常用的拟合方法有哪几种？

5.在常见的家用电器中，分别使用了什么功能的传感器？

6.传感器有什么作用？列举出3种以上的传感器分类方法。

7.传感器的型号有几部分组成，各部分有何意义？

8.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。

9.有三台测温仪表，量程均为0～800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5％，选那台仪表合理？

10.什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？