2.1 传感器

传感器是现代信息技术（传感器技术→信息采集，通信技术→信息传输，计算机技术→信息处理）的三大支柱（传感器技术、通信技术、计算机技术）之一，传感器技术、通信技术、计算机技术在控制系统中起着“感官”“神经”和“大脑”的作用。传感器是现代测量与自动控制系统的首要部件，是信息的源头，没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量与控制就无从谈起，可以说，现代化的工程项目和控制系统离不开各式各样的传感器。

2.1.1 传感器的基本概念

1.传感器的定义与结构组成

传感器是一种检测器件或装置，能够感受被测量量，并能将感受到的信息按一定规律转换成可用信号。

传感器的定义包含的意思：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②传感器的输入是某一种可被测量的物理量、化学量、生物量等；③传感器的输出是某种物理信号，这种信号应便于传输、转换、处理、显示，多为电信号，也可能是气压、光强等物理信号；④传感器的输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。

传感器通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的敏感元件是指能直接感受和响应被测量量的单元，传感器的转换元件是指将敏感元件的感受或者响应转换成适于传输和测量的电信号的单元。信号调节与转换电路的作用是把转换元件输出的弱信号转换为便于显示、记录、处理和控制的电信号（通常为电压或电流）。由于不同种类的传感器的检测原理不同，因此，传感器输出的电信号也有多种形式。例如，连续信号与离散信号；周期性信号与非周期性信号；电压、电流、频率信号等。

传感器的结构组成如图2.1所示。

2.传感器的分类

传感器种类和规格繁多，功能各异，工作原理和使用条件各不相同，分类方法也多种多样。现将常采用的分类方法归纳如下：

（1）按传感器输入的物理量和测量对象的不同分类

分为位移、压力、速度、温度、称重、湿度、光线、流量、气体成分等传感器。

这种分类方法明确地说明了传感器的用途，使用者可以方便地根据测量对象选择所需要的传感器。但这种分类方法将原理不同的传感器归为一类，因此对掌握传感器的一些基本原理及分析方法是不利的。

（2）按传感器工作与检测原理分类

分为电阻式、电容式、电感式、压电式、电磁式、磁阻式、光电式、压阻式、热电偶式、核辐射式、半导体式等传感器。进一步细分，例如，根据变电阻原理，有电位器式、应变片式、压阻式等传感器；根据电磁感应原理，有电感式、差压式、电涡流式、电磁式、磁阻式等传感器；根据半导体有关理论，有半导体力敏、热敏、光敏、气敏、磁敏等固态传感器。

传感器的工作与检测原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学效应和生物效应等机理。

这种分类方法便于传感器专业工作者从原理与设计上作归纳性的分析研究，避免了传感器的名目过于繁多，故最常采用。

有时也把用途和原理结合起来命名，例如电感式位移传感器、压电式力传感器等。

（3）按传感器输出信号的性质分类

分为数字式传感器和模拟式传感器。

数字式传感器是指能直接将非电量转换为数字量，可以直接用于数字显示和计算，可直接配合计算机，具有抗干扰能力强、传输距离远等优点。这类传感器可分为脉冲、频率和数码输出三类。例如光栅传感器等。

模拟式传感器是指将被测非电量转换成连续变化的电压或电流，如果要求配合数字显示器或数字计算机，需要配备A-D转换装置。

（4）按敏感元件与被测对象之间的能量关系分类

分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。

能量转换型（又称有源式、自源式、发电式）传感器是指在进行信号转换时不需要另外提供能量，直接由被测对象输入能量，把输入信号能量变换为另一种形式的能量输出的传感器。有源式传感器类似一台微型发电机，它能将输入的非电能量转换成电能输出，传感器本身不需外加电源，信号能量直接从被测对象取得。因此只要配上必要的放大器就能驱动显示记录仪表。这种传感器有压电式、压磁式、电磁式、电动式、热电偶、光电池、霍尔元件、磁致伸缩式、电致伸缩式、静电式等传感器。这类传感器中，有一部分能量的转换是可逆的，也可以将电能转换为机械能或其他非电量，如压电式、压磁式、电动式等传感器。

能量控制型（又称无源式、他源式、参量式）传感器是指在进行信号转换时，需要先供给能量，即从外部供给辅助能源使传感器工作，且由被测量量来控制外部供给能量的变化的传感器。对于无源式传感器，被测非电量只是对传感器中的能量起控制或调制作用，需通过测量电路将它变为电压量或电流量，然后进行转换、放大，以驱动指示或记录仪表，配用的测量电路通常是电桥电路或谐振电路。这种传感器有电阻式、电容式、电感式、差动变压器式、涡流式、热敏电阻、光敏管、光敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻等传感器。

（5）按传感器的结构参数在信号变换过程中是否发生变化分类

分为物性型传感器和结构型传感器。

物性型传感器是指在实现信号的变换过程中结构参数基本不变，利用某些物质材料（敏感元件）本身的物理或化学性质的变化而实现信号变换的传感器。这种传感器一般没有可动结构部分，易小型化，故也被称作固态传感器，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。例如热电偶，压电石英晶体，热电阻以及力敏、热敏、湿敏、气敏、光敏等半导体传感器。

结构型传感器是指依靠传感器机械结构的几何形状或尺寸（即结构参数）的变化而将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，实现信号变换，从而检测出被测信号的传感器。例如电容式、电感式、应变片式、电位差计式等传感器。

（6）按传感器与被测对象的关联方式（是否接触）分类

分为接触式和非接触式传感器。

接触式传感器，例如电位差计式、应变式、电容式、电感式等传感器。接触式的优点是传感器与被测对象视为一体，传感器的标定无须在使用现场进行，缺点是传感器与被测对象接触会对被测对象的状态或特性产生或多或少的影响。

非接触式传感器可以消除由于传感器介入而带来的对被测量的影响，提高了测量的准确性，同时也使传感器的使用寿命增加。但是，非接触式传感器的输出会受到被测对象与传感器之间介质或环境的影响，因此，传感器的标定必须在使用现场进行。

（7）按作用形式分类

分为主动型和被动型传感器。

主动型传感器又分为作用型和反作用型传感器，此种传感器对被测对象能发出一定的探测信号，能检测探测信号在被测对象中所产生的变化，或由探测信号在被测对象中产生某种效应而形成检测信号。检测探测信号变化方式的称为作用型，检测产生响应而形成信号方式的称为反作用型。雷达与无线电频率范围探测器是作用型的实例，而光声效应分析装置与激光分析器是反作用型的实例。

被动型传感器只是接收被测对象本身产生的信号，例如红外辐射温度计、红外摄像装置等。

（8）按照制造工艺和制造材料分类

按照制造工艺分为集成、薄膜、厚膜等传感器；按照制造材料分为金属、聚合物、半导体、陶瓷、混合物等传感器。

（9）按应用领域分类

分为工业、民用、科研、医疗、农用、军用等传感器。

2.1.2 传感器的基本特性

传感器的输入-输出特性就是其基本特性。由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，传感器对快变信号与慢变信号的反应大不相同。对应快变信号，研究随时间变化的动态特性；对于慢变信号，研究不随时间变化的静态特性。因此，传感器的基本特性又分为静态特性和动态特性。

1.静态特性

传感器的静态特性是指对于静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间的相互关系。表征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性、漂移和稳定性等。

（1）线性度

线性度是指传感器的输出和输入呈线性关系的程度。传感器的理想输入-输出特性应该是线性的，因为这有助于简化传感器的数据处理。但传感器的实际输入-输出特性大多有一定程度的非线性，如果传感器的非线性项的幂次不高，在输入量变化范围不大的条件下，可以用最小二乘法来求出拟合直线，用以代表实际特性曲线，该直线称为拟合直线，这就是传感器非线性特性的“线性化”。

（2）灵敏度

灵敏度是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值。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个变化量。静态曲线越陡则灵敏度越高，静态曲线越平坦则灵敏度越小。灵敏度实际上是一个放大倍数，它体现了传感器将被测量的微小变化放大为显著变化的输出信号的能力，即传感器对输入变量微小变化的敏感程度。

（3）分辨率

分辨率是传感器能够感知或检测到的最小输入信号的增量。分辨率可以用增量的绝对值或增量与满量程的百分比来表示。通常，灵敏度越高，分辨率越高。另外，阈值是指传感器输入零点附近的分辨率。

（4）迟滞

迟滞现象与回程误差密切相关，回程误差是指在相同测量条件下，对应同一个大小的输入信号，传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输入-输出特性曲线不重合的现象。在整个测量范围内产生的最大滞环误差称为迟滞误差。

（5）重复性

重复性表示传感器在输入量按同一方向做全程多次测试时所得的输入-输出特性曲线一致的程度。多次测试曲线越重合，重复性越好，误差也越小。

（6）漂移

漂移是指传感器在外界的干扰下，输入量不变的情况下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化的现象。漂移包括时间漂移、温度漂移、灵敏度漂移和零点漂移。漂移将影响传感器的稳定性。产生漂移的原因主要有两个：一个是传感器自身结构参数发生老化，例如零点漂移，它是在规定条件下，一个恒定的输入在规定时间内的输出在标称范围最低值处（即零点）的变化；另一个是在测试过程中周围的环境（如温度、湿度、压力等）发生变化，这种情况最常见的是温度漂移，它是由周围环境温度变化引起的输出变化。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度时输出值的变化量与温度变化量之比来表示。

（7）稳定性

传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。

2.动态特性

动态特性是指传感器在输入变化时的输出响应特性。实际工程中，常用对某些标准输入信号的响应来表示传感器的动态特性。这是因为对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，且传感器对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往是知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号为阶跃信号和正弦波信号，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。例如，阶跃输入时的时域动态特性常用指标为延迟时间、上升时间、响应时间、超调量等。

除理想状态外，多数传感器的输入信号是随时间变化的，由于传感器的敏感材料对不同的变化会表现出一定程度的惯性和迟滞，因此，输出信号不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入与输出之间的差异就是动态误差。一个动态特性好的理想传感器，其输出随时间变化的规律能再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数。

2.1.3 传感器的选型准则

现代传感器的原理与结构千差万别，这使得它们的工作原理、结构形式、使用环境、应用条件、任务目的存在很大不同，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个物理量测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备才能够进一步确定。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。

1.传感器的选用涉及的因素

无论选用何种传感器，都要考虑可靠性、静态精度、动态性能、灵敏度、分辨率、抗干扰能力、量程、能耗、成本、测量方式、安装方式等共性因素。

1）与测量条件有关的因素：测量的目的、被测试量的选择、测量范围、输入信号的幅值、频带宽度、精度要求、测量所需要的时间。

2）与传感器技术指标有关的因素：精度、稳定度、响应特性、模拟量与数字量、输出幅值、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入信号的保护。

3）与使用环境条件有关的因素：环境条件（湿度、温度、振动等）、安装现场条件及情况、信号传输距离、所需现场提供的功率容量。

4）与购买和维修有关的因素：价格、零配件的储备、服务与维修制度、保修时间、交货日期。

2.传感器的选型准则

（1）传感器类型

工程设计时，应该根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。这需要分析多种因素后确定采用何种工作原理的传感器。因为即使是测量同一物理量，也有多种工作原理的传感器可供选用，关于哪一种工作原理的传感器更为合适，这需要根据被测量量的特点和传感器的使用条件具体问题具体分析。考虑的因素主要有量程的大小、被测位置对传感器体积的要求、测量方式为接触式还是非接触式、信号的引出方式、传感器的来源、价格能否承受、购买还是自行研制。在权衡这些因素后，确定传感器的类型，下一步才是传感器具体性能指标的选型。

（2）精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它关系到整个测量系统的测量精度和控制设备的控制精度。传感器的精度越高，其价格也越昂贵。因此，传感器的精度选型是在成本与性能之间进行平衡与协调。

如果测量目的是定性分析，则选用重复精度高的传感器，不宜选用绝对量值精度高的传感器；如果测量目的是定量分析，必须获得精确的测量值，则需选用精度等级能满足要求的传感器。某些时候，要求传感器的精度越高越好。例如，现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精度、主轴的回转运动误差、振动及热形变等时，往往要求测量精度为0.001~0.1mm。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器，但自制传感器的性能必须经计量部门检测，并能够满足使用要求。

（3）灵敏度

设计者通常愿意在传感器的线性范围内，选择高灵敏度的传感器，这是因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量越小，即被测量量的微小变化就会使得传感器有较大的输出。但是，高灵敏度的传感器在使用时，与被测量量无关的外界噪声也容易混入，并被放大系统放大，这又会影响测量精度。传感器的灵敏度越高，干扰噪声就会越大。因此，应该选择有较高信噪比（SNR）的传感器以减少干扰。值得注意的是，传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量量是一维矢量，且对其方向性要求较高时，则应选择传感器单向灵敏度高而其他方向灵敏度低的传感器；如果被测量量是多维矢量，则要求传感器的交叉灵敏度尽可能低。

（4）稳定性

稳定性是指使用一段时间后的传感器其性能保持不变的能力。除传感器本身结构外，使用环境是影响传感器稳定性的主要因素。因此，选择的传感器必须要有良好的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行评估，根据使用环境选择传感器，或采取补偿措施以减小环境对传感器性能的影响。例如，选择电阻应变式传感器时应考虑湿度的影响；选择变极距型电容式传感器和光电传感器时，应考虑环境灰尘、油剂浸入间隙时会改变电容器的介质和感光性质；选择磁电式传感器或霍尔效应元件时，应考虑周围电磁场带来的测量误差；选择滑线电阻式传感器时，应考虑表面的灰尘会引入噪声。实际的机械自动化系统或自动检测装置中，工作环境往往比较恶劣，其灰尘、油剂、温度、振动等干扰严重，这时传感器的选用必须优先考虑稳定性因素。

另外，传感器在超过使用期后，应重新进行标定和校准，以确保传感器的性能稳定。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，对传感器稳定性要求更加严格，一方面要选择那些能够耐受长时间工作的传感器，另一方面要创造或保持良好的使用环境。

（5）频率响应特性

传感器的频率响应特性是指在所测频率范围内尽量保持不失真。但实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，设计者和用户希望延迟时间越短越好。一般物性型传感器（例如利用光电效应、压电效应的传感器）响应时间短，工作频率宽；而结构型传感器（例如电感、电容、磁电等传感器）由于受到结构特性的影响、机械系统惯性质量的限制，其固有频率低、工作频率范围窄。

在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响，在选用时，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）选择响应特性，以免产生过大的误差。

（6）线性范围

传感器的线性范围是指输出与输入呈正比的范围，是和灵敏度紧密相关的一个参数，理论上在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，且能保证一定的测量精度。例如，机械式传感器的弹性元件，其材料的弹性极限是决定测量量程的基本因素。当超过弹性极限时，将产生非线性误差。因此，当输入量增大时，除非有专门的非线性校正措施，传感器不应在非线性区域工作，更不能在饱和区域内工作。有些需在较强的噪声干扰下进行的测试工作，被测信号叠加干扰信号后也不应进入非线性区。因此，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。选择传感器时，要考虑其量程是否满足工程实际要求。

实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便，但要注意其非线性误差在允许范围内。例如，变极距型电容、电感传感器，均采用在初始间隙附近的近似线性区内工作。

（7）测量方式

传感器在实际条件下的工作方式也是选择传感器时必须考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏性与非破坏性测量、在线与非在线测量等。在机械系统中，往往采用非接触测量方式对运动部件的被测量量进行测量。例如，对于回转轴的误差、振动、转矩等被测量量，往往需要非接触式测量。这是因为对部件的接触式测量不仅造成对被测系统的影响，还存在许多实际困难。例如，测量头的磨损、接触状态的变动，信号采集也不易妥善解决，易造成测量误差。采用电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器，会很方便。但若选用电阻应变片，则需配以遥测应变仪。又例如，对于生产过程监测或产品质量在线检测等，宜采用涡流探伤、超声波探伤、核辐射探伤及声发射检测等，尽可能选用非破坏性测量方式。

（8）在线测试

在线测试是与实际情况保持同步的测试方法。许多自动化过程检测与控制系统往往要求在线检测。例如，在加工过程中对工件表面粗糙度进行检测，以往的光切法、干涉法、触针法等都无法运用，取而代之的是激光、光纤或图像检测法。

（9）其他原则

选用传感器时还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等因素。还要综合考虑环境噪声、传递距离、输出方式、安装限制等因素。

2.1.4 传感器的标定与校准

传感器的标定是指通过试验建立传感器输出与输入之间的特性，并确定不同使用条件下的误差。

传感器的校准是指传感器使用、存储一段时间后，需对其主要技术指标进行复测。校准和标定的本质是一样的，标定与校准的目的是确保测量的准确、统一和合法性。

对传感器进行标定与校准需以国家和地方计量部门的有关检定规程为依据，选择正确的标定条件和适当的仪器设备，按照规定的程序进行。

对传感器进行标定是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。在标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。

1.传感器标定的意义

传感器标定是系统设计、制造和使用传感器的一个重要环节。任何传感器在制造、装配完毕后都需对设计指标进行标定试验，以保证量值的准确传递。

对新研制的传感器也必须进行标定试验，这样才能用标定数据进行量值传递，而标定数据又可作为改进传感器设计的重要依据。

对出现故障的传感器，若经修理还可继续使用，修理后也必须再次进行标定，这是为防止它的某些指标发生变化而产生误差。

2.传感器标定的分类

（1）根据被测量量分类

1）绝对标定法。被测量量是由高精度的设备产生并测量其大小，这种方法的特点是标定精度高，标定设备复杂。

2）相对标定法。又称比较标定法，被测量量是用根据绝对标定法标定好的标准传感器来测量的，这种方法的特点是简单易行，但标定精度较低。

（2）根据标定的内容分类

1）静态标定。传感器静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。对传感器进行静态特性标定，首先是创造一个静态标准条件，其次是确定标定仪器设备（标准量具）精度等级，要求标准量具的精度等级比被标定传感器至少高一个等级，附加设备的精度又必须比标准量具精度至少高一个等级，然后才能开始对传感器进行静态特性标定。传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的，静态标准是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度为室温（20±5）℃、相对湿度≤85%、大气压力为（760±60）mmHg^[1]的情况。

以静态标定的比较法为例，标定步骤是，传感器全量程（测量范围）等间隔分点标定→正、反行程往复循环一定次数（一般为3~10次）逐点标定（输入标准量，测试传感器相应的输出量）→列出传感器输出-输入数据表格或绘制输出-输入特性曲线→数据处理获取传感器的线性度、灵敏度、迟滞和重复性等静态指标。

2）动态标定。传感器动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。有时，根据需要也要对温度响应、环境影响等进行标定。确定动态参数的方法很多，一般是通过实验确定，例如测量传感器的阶跃响应、正弦响应、线性输入响应、白噪声、机械振动法等。

动态标定信号多为阶跃信号或正弦信号，分为一阶传感器的动态标定和二阶传感器的动态标定。一阶传感器只有一个时间常数，二阶传感器则有固有频率和阻尼比两个参数。动态标定的过程：动态标定→研究动态响应→确定动态响应参数。以动态参数标定的正弦信号响应法为例，标定步骤是，测量传感器正弦稳态响应的幅值和相角→得到稳态正弦输出信号与输入信号的幅值比和相位差→逐渐改变输入正弦信号的频率→重复前述过程可得到幅频和相频特性曲线→由幅频和相频特性曲线确定传感器的动态特性参数。

值得注意的是，传感器制造出来之后，自身的测量精度就客观确定了。对传感器进行标定的结果可能因所用的标定装置或标定数据处理方法不同而出现差异。一个高精度的传感器，如果标定方法不当，则很可能在实测中产生较大的误差；反之，一个精度不太高的传感器，如果标定方法得当，反而可能在实测中产生较小的误差。显然，提高标定设备、指示仪器的精度有助于提高标定精度。按有关规定，标定设备、指示仪器的精度都有最低要求。在此规定上，标定设备和指示仪器的精度越高，标定的精度也越高。另外，数据处理的方法很多，不同的方法有不同的精度，因此，提高对标定数据处理的精度也很重要。还应注意的是，应该尽力减小环境变化引起的误差。传感器一般由制造厂在实验室内按规定条件进行标定，而设计人员和用户通常希望传感器的标定状态尽可能模拟实际测量状态，但在实验室内不可能模拟各种使用状态。使用状态改变引起测试数据变化时，将会给测量带来明显的误差。因此，过程设计与使用传感器时就应考虑这一因素的影响。为了获得较高的标定精度，应将传感器及其配用的电缆、放大器等测试系统一起标定。某些环境条件对传感器输出的影响不可消除时，可在特定条件下标定，并给出在不同条件下标定值的修正系数或修正公式。若能在测量现场进行标定，则实测效果会更好。