傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

1.1傳感器的初步認(rèn)識(shí)1.2傳感器的定義、組成及分類(lèi)1.3傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域1.4傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

1.5傳感器的命名和代號(hào)1.6傳感器的特性1.7傳感器的標(biāo)定

1.1傳感器的初步認(rèn)識(shí)

人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，需要依靠人的五種感覺(jué)器官(視、聽(tīng)、嗅、味、觸)感受外界信息。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，也需要獲取外界信息，這些需要依靠傳感器來(lái)完成。所以，傳感器相當(dāng)于人的五官部分(“電五官”)。兩者之間的關(guān)系可用圖1-1表示。另外，對(duì)于某些外界信息，人的感覺(jué)器官是不可以感受的，如有毒的氣體、過(guò)熱的物體、紫外線、微波等；人的感覺(jué)器官無(wú)法定量地感受外界信息……這些都需要依靠傳感器來(lái)完成?？梢哉f(shuō)傳感器是人類(lèi)五官的延伸。實(shí)際上傳感器對(duì)我們來(lái)說(shuō)并不陌生，在我們的生活和生產(chǎn)中都可以看到它們的身影，如聲光控節(jié)能開(kāi)關(guān)中的光敏電阻、駐極體話筒、電視機(jī)遙控系統(tǒng)的紅外接收器件等都是傳感器。傳感器實(shí)際上是一種功能模塊，其作用是將來(lái)自外界的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后再利用后續(xù)裝置或電路對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行處理。返回1.2傳感器的定義、組成及分類(lèi)

1.2.1傳感器的定義根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665—87)，傳感器是能夠感受規(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。對(duì)此定義需要明確以下幾點(diǎn)：傳感器是一種能夠檢測(cè)被測(cè)量的器件或裝置；被測(cè)量可以是物理量、化學(xué)量或生物量等；輸出信號(hào)要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，一般是電參量；輸出信號(hào)要正確地反映被測(cè)量的數(shù)值、變化規(guī)律等，即兩者之間要有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)具有一定的精確度。下一頁(yè)返回1.2傳感器的定義、組成及分類(lèi)1.2.2傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如圖1-2所示。1.敏感元件敏感元件是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的其他物理量的元件。如后續(xù)章節(jié)要介紹的對(duì)力敏感的電阻應(yīng)變片、對(duì)光敏感的光敏電阻、對(duì)溫度敏感的熱敏電阻等。2.轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件也叫傳感元件，是將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換成電參量(電阻、電容等)的元件。有些傳感器的敏感元件和轉(zhuǎn)換元件合二為一，它感受被測(cè)量并直接輸出電參量，如熱電偶等；有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不止一個(gè)，要經(jīng)過(guò)若干次轉(zhuǎn)換。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.2傳感器的定義、組成及分類(lèi)3.轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換為電壓、電流或電頻率的電路。如果轉(zhuǎn)換元件的輸出已經(jīng)是電壓、電流或電頻率，則不需要轉(zhuǎn)換電路。1.2.3傳感器的分類(lèi)在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器種類(lèi)繁多，同一種被測(cè)量可以用不同的傳感器來(lái)測(cè)量，而同一原理的傳感器又可以測(cè)量多種被測(cè)量，所以，傳感器的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)比較多。目前常用的分類(lèi)方法有兩種：一種是以被測(cè)量來(lái)分類(lèi)，如表1-1所示；另一種是以傳感器原理來(lái)分類(lèi)。本書(shū)采用后一種分類(lèi)方法編排，如表1-2所示。以被測(cè)量來(lái)分類(lèi)時(shí)，使用的對(duì)象比較明確，適于傳感器的選用；以工作原理來(lái)分類(lèi)時(shí)，傳感器采用的原理比較清楚，適于系統(tǒng)學(xué)習(xí)。上一頁(yè)返回1.3傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

傳感器是獲取自然領(lǐng)域中各種信息的主要途徑和手段，是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱(傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù))之一。目前傳感器涉及的領(lǐng)域非常廣泛?，F(xiàn)代家用電器中，大多都應(yīng)用了傳感器技術(shù)。電視機(jī)、空調(diào)、風(fēng)扇的紅外遙控系統(tǒng)中使用的紅外接收器件、照相機(jī)中的自動(dòng)曝光裝置、電冰箱和電飯煲使用的溫度傳感器、抽油煙機(jī)上的氣敏傳感器、全自動(dòng)洗衣機(jī)中的水位和濁度傳感器等。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或是最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說(shuō)，沒(méi)有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。下一頁(yè)返回1.3傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域在基礎(chǔ)科學(xué)研究中，傳感器具有突出的地位。例如，對(duì)深化物質(zhì)認(rèn)識(shí)、開(kāi)拓新能源新材料等具有重要作用的各種尖端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超弱磁場(chǎng)等等。顯然，要獲取大量人類(lèi)感官無(wú)法獲取的信息，沒(méi)有相應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對(duì)研究對(duì)象的信息獲取存在困難，而一些新機(jī)理和高靈敏度的檢測(cè)儀器的出現(xiàn)，往往會(huì)導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開(kāi)發(fā)的先驅(qū)。在航空航天領(lǐng)域，飛行的速度、加速度、位置、姿態(tài)、溫度、氣壓、磁場(chǎng)、振動(dòng)都需要測(cè)量；“阿波羅10號(hào)”飛船需要對(duì)3295個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，其中，溫度傳感器559個(gè)，壓力傳感器140個(gè)，信號(hào)傳感器501個(gè)，遙控傳感器142個(gè)，專(zhuān)家說(shuō)：整個(gè)宇宙飛船就是高性能傳感器的集合體。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.3傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)是智能建筑的重要組成部分。計(jì)算機(jī)通過(guò)中繼器→路由器→網(wǎng)絡(luò)→顯示→網(wǎng)關(guān)控制管理各種設(shè)備(空調(diào)制冷、給水排水、變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯、安全防護(hù)、自動(dòng)識(shí)別等等)，實(shí)現(xiàn)以上功能使用的傳感器有溫度傳感器、濕度傳感器、液位傳感器、流量傳感器、壓差傳感器、空氣壓力傳感器、煙霧傳感器、氣體傳感器、紅外傳感器、玻璃破碎傳感器、圖像傳感器等。國(guó)防軍事(雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)、水聲目標(biāo)定位系統(tǒng)、紅外制導(dǎo)系統(tǒng)等)、環(huán)境保護(hù)(空氣質(zhì)量的監(jiān)控)、醫(yī)學(xué)診斷(各種生化指標(biāo)、影像資料的獲取)、刑事偵查(聲音、指紋識(shí)別)、交通管理(車(chē)流量統(tǒng)計(jì)、車(chē)速監(jiān)測(cè)、車(chē)牌識(shí)別)等，這些都離不開(kāi)傳感器。上一頁(yè)返回1.4傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

傳感器的發(fā)展趨勢(shì)包括社會(huì)對(duì)傳感器需求的新動(dòng)向和傳感器新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)這兩個(gè)方面。1.4.1傳感器需求的新動(dòng)向社會(huì)需求是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，特別是微電子技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，以及“電腦”的普及，傳感器在新的技術(shù)革命中的地位和作用將更為突出，一股競(jìng)相開(kāi)發(fā)和應(yīng)用傳感器的熱潮已在世界范圍內(nèi)掀起。這是因?yàn)椋骸半娢骞佟甭浜笥凇半娔X”的現(xiàn)狀，已成為微型計(jì)算機(jī)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的一大障礙；許多有競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和卓有成效的技術(shù)改造，都離不開(kāi)傳感器；傳感器的應(yīng)用直接帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；傳感器普及于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，將形成良好的銷(xiāo)售前景。下一頁(yè)返回1.4傳感器的發(fā)展趨勢(shì)1.4.2傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)前，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動(dòng)向，一是開(kāi)展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)傳感器的新材料和新工藝；二是實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化與智能化。1.發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)新材料新現(xiàn)象、新原理、新材料是發(fā)展傳感器技術(shù)、研究新型傳感器的重要基礎(chǔ)，每一種新原理、新材料的發(fā)現(xiàn)都會(huì)伴隨著新的傳感器種類(lèi)誕生。2.集成化，多功能化向敏感功能裝置和集成化發(fā)展，將半導(dǎo)體集成電路技術(shù)及其開(kāi)發(fā)思想應(yīng)用于傳感器制造。如采用微細(xì)加工技術(shù)MEMS制作微型傳感器，采用厚膜和薄膜技術(shù)制作傳感器等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.4傳感器的發(fā)展趨勢(shì)3.向未開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域挑戰(zhàn)到目前為止，開(kāi)發(fā)的傳感器大多為物理傳感器，今后應(yīng)積極開(kāi)發(fā)研究化學(xué)傳感器和生物傳感器，特別是智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，需要研制各種模擬人的感覺(jué)器官的傳感器，如已有的機(jī)器人力覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器、味覺(jué)傳感器等。4.智能傳感器，具有判斷能力學(xué)習(xí)能力的智能傳感器事實(shí)上是一種帶微處理器的傳感器，它具有檢測(cè)、判斷和信息處理功能。

上一頁(yè)返回1.5傳感器的命名和代號(hào)

在GB7666—1987中，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了傳感器的命名方法和代號(hào)，作為統(tǒng)一傳感器命名和代號(hào)的依據(jù)。它適用于傳感器的研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、教學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域。1.5.1傳感器的命名1.命名的構(gòu)成傳感器的名稱(chēng)由主題詞加四級(jí)修飾語(yǔ)構(gòu)成，包括：主題詞——傳感器；第一級(jí)修飾語(yǔ)——被測(cè)量，包括修飾被測(cè)量的定語(yǔ)；第二級(jí)修飾語(yǔ)——轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字；第三級(jí)修飾語(yǔ)——特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字；第四級(jí)修飾語(yǔ)——主要技術(shù)指標(biāo)(量程、精確度、靈敏度等)。傳感器命名構(gòu)成及各級(jí)修飾語(yǔ)如表1-3所示。下一頁(yè)返回1.5傳感器的命名和代號(hào)2.命名法的使用(1)題目中的用法在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計(jì)表格、圖書(shū)索引、檢索以及計(jì)算機(jī)漢字處理等特殊場(chǎng)合，應(yīng)采用上述順序，如：傳感器，位移，應(yīng)變計(jì)[式]，100mm。(2)正文中的用法在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣本、學(xué)術(shù)論文、教材及書(shū)刊的陳述句子中，作為產(chǎn)品名稱(chēng)應(yīng)采用與上述相反的順序，如100mm應(yīng)變計(jì)式位移傳感器。1.5.2傳感器的代號(hào)1.傳感器代號(hào)的構(gòu)成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，用大寫(xiě)漢語(yǔ)拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成傳感器完整的代號(hào)。包括四個(gè)部分：依次為主稱(chēng)(傳感器)被測(cè)量-轉(zhuǎn)換原理-序號(hào)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.5傳感器的命名和代號(hào)主稱(chēng)——傳感器，代號(hào)C。被測(cè)量——用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫(xiě)字母標(biāo)記。轉(zhuǎn)換原理——用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫(xiě)字母標(biāo)記。序號(hào)——用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，廠家自定，用來(lái)表征產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。若產(chǎn)品性能參數(shù)不變，僅在局部有改動(dòng)或變動(dòng)時(shí)，其序號(hào)可在原序號(hào)后面順序地加注大寫(xiě)字母A、B、C等(其中I、Q不用)，如應(yīng)變式位移傳感器CWY-YB-20；光纖壓力傳感器CY-GQ-2。常用被測(cè)量代碼如表1-4所示，常用轉(zhuǎn)換原理代碼如表1-5所示。上一頁(yè)返回1.6傳感器的特性

傳感器所測(cè)量的被測(cè)量經(jīng)常處在變動(dòng)過(guò)程中。例如測(cè)量溫度時(shí)，若溫度恒定，傳感器的輸出值可能十分穩(wěn)定；若遇到溫度不恒定甚至出現(xiàn)突變時(shí)，傳感器的輸出值可能有緩慢起伏或者周期性脈動(dòng)變化，甚至出現(xiàn)突變的尖鋒值。傳感器能否將這些被測(cè)量的變化不失真地變換成相應(yīng)的電量，就需要考慮傳感器本身的基本特性，即輸出-輸入特性。該基本特性通常用傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來(lái)描述。1.6.1傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性表示傳感器在被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)(輸入量為常量，或變化非常緩慢)時(shí)的輸出-輸入關(guān)系。通常用線性度、靈敏度、分辨力、重復(fù)性、遲滯等技術(shù)指標(biāo)來(lái)描述傳感器的靜態(tài)特性。下一頁(yè)返回1.6傳感器的特性1.線性度傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，利用一定等級(jí)的校準(zhǔn)設(shè)備對(duì)傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試，得出輸出-輸入特性(列表或曲線)。通常，希望這個(gè)特性(曲線)為線性，這給標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來(lái)方便。但實(shí)際的輸出-輸入特性或多或少地都存在著非線性問(wèn)題，只能接近線性，對(duì)比理論直線有偏差，如圖1-3所示。實(shí)際曲線與其兩個(gè)端點(diǎn)連線(擬合曲線)之間的偏差稱(chēng)為傳感器的非線性誤差。取其最大偏差與理論滿(mǎn)量程之比作為評(píng)價(jià)線性度(或非線性誤差)的指標(biāo)。

式中max——輸出平均值與擬合直線間的最大偏差；yFS——理論滿(mǎn)度值。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.6傳感器的特性2.遲滯傳感器在正向行程(輸入量增大)反向行程(輸入量減小)中輸出輸入曲線不重合稱(chēng)為遲滯，如圖1-4所示。也就是說(shuō)，對(duì)應(yīng)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器的輸出信號(hào)大小不相等。一般用兩曲線之間輸出量的最大差值與滿(mǎn)量程輸出的百分比來(lái)表示遲滯誤差，即式中Hmax——正反行程間輸出的最大差值。yFS——理論滿(mǎn)度值。產(chǎn)生遲滯的原因是：傳感器的機(jī)械部分、結(jié)構(gòu)材料方面存在不可避免的弱點(diǎn)，如軸承摩擦、間隙等。3.重復(fù)性重復(fù)性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎肓堪赐环较蜃兓?，作全量程連續(xù)多次測(cè)量時(shí)所得到的曲線不一致的程度。圖1-5所示為校正曲線的重復(fù)特性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.6傳感器的特性正行程的最大重復(fù)性偏差為ΔRmax1，反行程的最大重復(fù)性偏差為ΔRmax2。重復(fù)性偏差取這兩個(gè)最大偏差中之較大者為ΔRmax，再以ΔRmax與滿(mǎn)量程輸出yFS的百分比表示，即4.靈敏度傳感器輸出的變化量Δy與引起該變化量的輸入量變化Δx之比即為其靜態(tài)靈敏度。表達(dá)式為即傳感器的靈敏度就是校準(zhǔn)曲線的斜率。線性傳感器特性曲線的斜率處處相同，靈敏度K是常數(shù)。以擬合直線作為其特性的傳感器，也可認(rèn)為其靈敏度為一常數(shù)，與輸入量的大小無(wú)關(guān)。非線性傳感器的靈敏度不是常數(shù)，應(yīng)以dy/dx表示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.6傳感器的特性5.分辨力和閾值分辨力是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量。分辨力可用絕對(duì)值表示，也可用與滿(mǎn)量程的百分?jǐn)?shù)表示。當(dāng)一個(gè)傳感器的輸入從零開(kāi)始極緩慢地增加，只有達(dá)到了某一最小值后，才能測(cè)出輸出變化，這個(gè)最小值就稱(chēng)為傳感器的閾值。事實(shí)上閾值是傳感器在零點(diǎn)附近的分辨力。分辨力說(shuō)明了傳感器可測(cè)出的最小可測(cè)出的輸入變量，而閾值則說(shuō)明了傳感器的可測(cè)出的最小輸入量。6.穩(wěn)定性穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長(zhǎng)期穩(wěn)定性描述其穩(wěn)定性，它是指在室溫條件下，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，如1天、1個(gè)月或1年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定性來(lái)表征其輸出的穩(wěn)定程度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.6傳感器的特性7.漂移漂移指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測(cè)輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移與靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移(時(shí)漂)和溫度漂移(溫漂)。時(shí)漂是指在規(guī)定條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；溫漂為周?chē)鷾囟茸兓鸬牧泓c(diǎn)或靈敏度漂移。1.6.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性

在實(shí)際測(cè)量中，不僅要求傳感器具有良好的靜態(tài)特性，而且應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出輸入之間的關(guān)系。在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，由于被測(cè)量要隨時(shí)間變化，此時(shí)傳感器如果不能快速響應(yīng)并正確地提取信號(hào)，測(cè)量工作就無(wú)法進(jìn)行。例如，在做人體的心電圖檢查時(shí)，如果不能準(zhǔn)確地將人體心臟隨時(shí)間跳動(dòng)的狀況及時(shí)檢測(cè)出來(lái)，并迅速打印，那么就不能為醫(yī)生進(jìn)行診斷提供依據(jù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.6傳感器的特性動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時(shí)間的變化規(guī)律將高精度地反映輸入量隨時(shí)間的變化規(guī)律，即它們具有同一個(gè)時(shí)間函數(shù)。但是，除了理想情況外，實(shí)際傳感器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不會(huì)具有相同的時(shí)間函數(shù)，由此將引起動(dòng)態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)特性常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)描述。1.6.3改善傳感器性能的技術(shù)途徑1.傳感器噪聲及其減小措施傳感器噪聲是指除了被測(cè)信號(hào)之外在傳感器中出現(xiàn)的一切不需要的信號(hào)，它可由傳感器內(nèi)部產(chǎn)生，也可從外部隨信號(hào)混入。一般而言，噪聲呈不規(guī)則的變化。傳感器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路元件等產(chǎn)生的噪聲以及電源產(chǎn)生的噪聲。例如，光電真空管放射不規(guī)則電子，半導(dǎo)體載流子擴(kuò)散等產(chǎn)生的噪聲。降低元件的溫度可減小熱噪聲，對(duì)電源變壓器采用靜電屏蔽可減小交流脈動(dòng)噪聲等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.6傳感器的特性從外部混入傳感器的噪聲，按其產(chǎn)生原因可分為機(jī)械噪聲(如振動(dòng)，沖擊)、音響噪聲、熱噪聲(如熱輻射使元件相對(duì)位移或性能變化)、電磁噪聲和化學(xué)噪聲等。對(duì)振動(dòng)等機(jī)械噪聲可采用防振臺(tái)或?qū)鞲衅鞴潭ㄔ谫|(zhì)量很大的基礎(chǔ)臺(tái)上加以抑制；而消除音響噪聲的有效辦法是把傳感器用隔音器材圍上或放在真空容器里；消除電磁噪聲的有效辦法是屏蔽和接地或使傳感器遠(yuǎn)離電源線、使輸出線屏蔽、輸出線絞擰在一起等。2.改善傳感器性能的技術(shù)途徑我們總是希望傳感器的輸出與輸入成唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最好是線性關(guān)系，但是一般情況下，輸出與輸入不會(huì)符合所要求的線性關(guān)系，同時(shí)由于存在著遲滯、蠕變、摩擦等因素的影響，使輸出輸入對(duì)應(yīng)關(guān)系的唯一性也不能實(shí)現(xiàn)，因此外界的影響不可忽視。影響程度取決于傳感器本身，可通過(guò)傳感器本身的改善來(lái)加以抑制，有時(shí)也可以對(duì)外界條件加以限制。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.6傳感器的特性(1)結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇根據(jù)實(shí)際的需要和可能，合理選擇材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳感器，確保主要指標(biāo)，放棄對(duì)次要指標(biāo)的要求，以求得到較高的性?xún)r(jià)比，同時(shí)滿(mǎn)足使用要求，即使對(duì)于主要的參數(shù)也不能盲目追求高指標(biāo)。(2)差動(dòng)技術(shù)差動(dòng)技術(shù)是非常有效的一種方法，如電阻應(yīng)變式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器中都應(yīng)用了差動(dòng)技術(shù)，不僅減小了非線性誤差，而且靈敏度提高了一倍，抵消了共模誤差。(3)平均技術(shù)常用的平均技術(shù)有誤差平均和數(shù)據(jù)平均。常用多點(diǎn)測(cè)量方案與多次采樣平均。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.6傳感器的特性(4)穩(wěn)定性處理造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時(shí)間的推移或環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。為了提高傳感器性能的穩(wěn)定性，應(yīng)該對(duì)材料、元器件或傳感器整體進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處理。使用傳感器時(shí)，如果測(cè)量要求較高，必要時(shí)也應(yīng)對(duì)附加的調(diào)整元件、后接電路的關(guān)鍵元器件進(jìn)行防老化處理。(5)屏蔽、隔離與干擾抑制屏蔽、隔離與干擾抑制可以有效削弱或消除外界影響因素對(duì)傳感器的作用。如對(duì)于電磁干擾，可以采取屏蔽、隔離措施，也可以用濾波等方法抑制。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.6傳感器的特性(6)零位法、微差法與閉環(huán)技術(shù)這些技術(shù)可供設(shè)計(jì)或應(yīng)用傳感器時(shí)，用以消除或削弱系統(tǒng)誤差。(7)補(bǔ)償與校正補(bǔ)償與校正可以利用電子技術(shù)通過(guò)線路(硬件)來(lái)解決，也可以采用微型計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。(8)集成化、智能化與信息融合集成化、智能化與信息融合將大大擴(kuò)大傳感器的功能，改善傳感器的性能，提高性?xún)r(jià)比。

上一頁(yè)返回1.7傳感器的標(biāo)定

任何一種傳感器在裝配完后都必須按設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行全面嚴(yán)格的性能鑒定。使用一段時(shí)間后(中國(guó)計(jì)量法規(guī)定一般為一年)或經(jīng)過(guò)修理，也必須對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，以確保傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到要求。傳感器標(biāo)定就是利用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器進(jìn)行定度的過(guò)程，從而確立傳感器輸出量和輸入量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。為了保證各種被測(cè)量量值的一致性和準(zhǔn)確性，很多國(guó)家都建立了一系列計(jì)量器具(包括傳感器)檢定的組織、規(guī)程和管理辦法。我國(guó)由原國(guó)家計(jì)量局、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院和部、省、市計(jì)量部門(mén)以及一些企業(yè)的計(jì)量站進(jìn)行制定和實(shí)施。國(guó)家計(jì)量局(1989年后改為國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局)制定和發(fā)布了力值、長(zhǎng)度、壓力、溫度等一系列計(jì)量器具規(guī)程，并于1985年9月公布了《中華人民共和國(guó)計(jì)量法》。下一頁(yè)返回1.7傳感器的標(biāo)定工程測(cè)量中傳感器的標(biāo)定，應(yīng)在與其使用條件相似的環(huán)境下進(jìn)行。為獲得較高的標(biāo)定精度，應(yīng)將傳感器及其配用的電纜(尤其是電容式、壓電式傳感器等)、放大器等測(cè)試系統(tǒng)一起標(biāo)定。根據(jù)系統(tǒng)的用途，輸入可以是靜態(tài)的也可以是動(dòng)態(tài)的，因此傳感器的標(biāo)定有靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩種。1.7.1傳感器的靜態(tài)標(biāo)定傳感器的靜態(tài)標(biāo)定主要用于檢驗(yàn)測(cè)試傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。根據(jù)傳感器的功能，靜態(tài)標(biāo)定首先需要建立靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)，其次要選擇與被標(biāo)定傳感器的精度相適應(yīng)的一定等級(jí)的標(biāo)定用儀器設(shè)備。如圖1-6所示為應(yīng)變式測(cè)力傳感器靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備系統(tǒng)框圖。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.7傳感器的標(biāo)定測(cè)力機(jī)用來(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力，高精度穩(wěn)壓電源經(jīng)精密電阻箱衰減后向傳感器提供穩(wěn)定的電源電壓，電源電壓值，傳感器的輸出由高精度數(shù)字電子表讀出。由上述系統(tǒng)可知，傳感器的靜態(tài)指標(biāo)系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：被測(cè)物理量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，如測(cè)力機(jī)；被測(cè)物理量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，如標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度—量規(guī)等；被標(biāo)定傳感器所配接的信號(hào)調(diào)節(jié)器和顯示、記錄器等，所配接的儀器精度應(yīng)是已知的，也作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備。各種傳感器的標(biāo)定方法不同，常用力、壓力、位移傳感器標(biāo)定。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.7傳感器的標(biāo)定具體標(biāo)定步驟如下：①將傳感器測(cè)量范圍分成若干等間距點(diǎn)；②根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，輸入量由小到大逐漸變化，并記錄各輸入輸出值；③再將輸入值由大到小逐漸變化，同時(shí)記錄各輸入輸出值；④重復(fù)上述②③兩步，對(duì)傳感器進(jìn)行正反行程多次重復(fù)測(cè)量，將得到的測(cè)量數(shù)據(jù)用表格列出或繪制曲線；⑤進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理結(jié)果確定傳感器的線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1.7傳感器的標(biāo)定1.7.2傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定一些傳感器除了靜態(tài)特性必須滿(mǎn)足要求外，其動(dòng)態(tài)特性也需要滿(mǎn)足要求。因此，在進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)和標(biāo)定后還需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，以便確定它們的動(dòng)態(tài)靈敏度、固有頻率和頻響范圍等。傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定時(shí)，需有一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)它激勵(lì)，常用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)有兩類(lèi)：一類(lèi)是周期函數(shù)，如正弦波等；另一類(lèi)是瞬變函數(shù)，如階躍波等。用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)激勵(lì)后得到傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)分析計(jì)算、數(shù)據(jù)處理，便可確定其頻率特性，即幅頻特性、阻尼和動(dòng)態(tài)靈敏度等。返回上一頁(yè)圖1-1人體與自控系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

返回圖1-2傳感器的組成框圖

返回表1-1按被測(cè)量來(lái)分類(lèi)

被測(cè)量類(lèi)別被測(cè)量熱工量溫度、熱量、比熱、壓力、壓差、真空度、流量、流速、風(fēng)速機(jī)械量位移(線位移、角位移)、尺寸、形狀、力、力矩、應(yīng)力、重量、質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、線速度、振動(dòng)幅度、頻率、加速度、噪聲物性和成分量氣體化學(xué)成分、液體化學(xué)成分、酸堿度(pH)、鹽度、濃度、粘度、密度、比重狀態(tài)量顏色、透明度、磨損量、材料內(nèi)部裂縫或缺陷、氣體泄漏、表面質(zhì)量返回表1-2按傳感器的原理來(lái)分類(lèi)

序號(hào)工作原理序號(hào)工作原理1電阻式8光電式(紅外式、光導(dǎo)纖維式)2電感式9諧振式3電容式10霍爾式4阻抗式11超聲波式5磁電式12同位素式6熱電式13電化學(xué)式7壓電式14微波式返回表1-3傳感器命名構(gòu)成及各級(jí)修飾語(yǔ)舉例一覽表

主題詞第一級(jí)修飾語(yǔ)被測(cè)量第二級(jí)修飾語(yǔ)轉(zhuǎn)換原理第三級(jí)修飾語(yǔ)特征描述第四級(jí)修飾語(yǔ)技術(shù)指標(biāo)范圍、量程、精確度、靈敏度單位傳感器速度加速度加加速度沖擊振動(dòng)力重量(稱(chēng)重)壓力電位器[式]電阻[式]電流[式]電感[式]電容[式]電渦流[式]電熱[式]電磁[式]直流輸出交流輸出頻率輸出數(shù)字輸出雙輸出放大離散增量積分聲壓力矩姿態(tài)位移液位流量溫度熱流電化學(xué)[式]電離[式]壓電[式]壓阻[式]應(yīng)變計(jì)[式]諧振[式]伺服[式]磁阻[式]開(kāi)關(guān)陀螺渦輪齒輪轉(zhuǎn)子振動(dòng)元件波紋管波登管膜盒下一頁(yè)表1-3傳感器命名構(gòu)成及各級(jí)修飾語(yǔ)舉例一覽表主題詞第一級(jí)修飾語(yǔ)被測(cè)量第二級(jí)修飾語(yǔ)轉(zhuǎn)換原理第三級(jí)修飾語(yǔ)特征描述第四級(jí)修飾語(yǔ)技術(shù)指標(biāo)范圍、量程、精確度、靈敏度單位熱通量可見(jiàn)光照度濕度粘度濁度離子活[濃]度電流磁場(chǎng)馬赫數(shù)射線光電[式]光化學(xué)[式]光纖[式]激光[式]超聲[式](核)輻射[式]熱電熱釋電膜片離子敏感FET熱絲半導(dǎo)體陶瓷聚合物固體電解質(zhì)自源粘貼非粘貼焊接返回上一頁(yè)表1-4常用被測(cè)量代碼表

測(cè)量代號(hào)被測(cè)量代號(hào)被測(cè)量代號(hào)被測(cè)量代號(hào)加速度A角速度JS