1、傳感器技術傳感器技術第第1 1章章 傳感器技術基礎傳感器技術基礎教材： 傳感器原理與應用黃賢武、鄭筱霞，電子科大出版社、高等教育出版社2022年年3月月21日星期一日星期一光纖光柵位移計光纖光柵位移計索尼索尼700700采用的新型采用的新型CMOSCMOS傳感傳感器器2022年年3月月21日星期一日星期一2022年年3月月21日星期一日星期一一一 傳感器的概念與發展傳感器的概念與發展 1 11 1 傳感器基本概念傳感器基本概念 傳感器（傳感器（transducer/sensortransducer/sensor）的）的定義定義是：是：能感受規定的能感受規定的被測量被測量并按并按一定的規律一定的

2、規律轉換成轉換成可用可用輸出信號輸出信號的的器件器件或或裝置裝置，通常由敏感元件和轉換，通常由敏感元件和轉換元件組成。元件組成。其中，敏感元件其中，敏感元件（sensing elementsensing element）是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件轉換元件（transducer elementtransducer element）是指傳感器中）是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號以及其它某種可用信號的部分。輸或測量的電信號以及其它某種可用信號的部分。202

3、2年年3月月21日星期一日星期一 傳感器傳感器狹義地定義狹義地定義為：能把外界為：能把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件。非電信息轉換成電信號輸出的器件。 可以預料，當人類跨入光子時代，光可以預料，當人類跨入光子時代，光信息成為更便于快速、高效地處理與傳輸信息成為更便于快速、高效地處理與傳輸的可用信號時，傳感器的概念將隨之發展的可用信號時，傳感器的概念將隨之發展成為：能把外界信息轉換成光信號輸出的成為：能把外界信息轉換成光信號輸出的器件。器件。 2022年年3月月21日星期一日星期一 傳感器的任務就是感知與測量。在人傳感器的任務就是感知與測量。在人類文明史的歷次產業革命中，感受、處理類文明史的

4、歷次產業革命中，感受、處理外部信息的傳感技術一直扮演著一個重要外部信息的傳感技術一直扮演著一個重要的角色。的角色。 在在1818世紀產業革命以前，傳感技術由世紀產業革命以前，傳感技術由人的感官實現：人的感官實現：人觀天象而仕農耕，察火人觀天象而仕農耕，察火色以冶銅鐵。色以冶銅鐵。 從從1818世紀產業革命以來，特別是在世紀產業革命以來，特別是在2020世紀信息革命中，傳感技術越來越多地由世紀信息革命中，傳感技術越來越多地由人造感官，即工程傳感器來實現。人造感官，即工程傳感器來實現。2022年年3月月21日星期一日星期一 目前，工程傳感器應用如此廣泛，以至可目前，工程傳感器應用如此廣泛，以至可以

5、說任何機械電氣系統都離不開它。現代以說任何機械電氣系統都離不開它。現代工業、現代科學探索、特別是現代軍事都工業、現代科學探索、特別是現代軍事都要依靠傳感器技術。要依靠傳感器技術。 一個大國如果沒有自身傳感技術的不一個大國如果沒有自身傳感技術的不斷進步，必將處處被動。斷進步，必將處處被動。2022年年3月月21日星期一日星期一 現代技術的發展，創造了多種多樣的工程傳感器。現代技術的發展，創造了多種多樣的工程傳感器。工程傳感器可以輕而易舉地測量人體所無法感知工程傳感器可以輕而易舉地測量人體所無法感知的量，如紫外線、紅外線、超聲波、磁場等。的量，如紫外線、紅外線、超聲波、磁場等。 從這個意義上講，工

6、程傳感器超過人的感官能力。從這個意義上講，工程傳感器超過人的感官能力。有些量雖然人的感官和工程傳感器都能檢測，但有些量雖然人的感官和工程傳感器都能檢測，但工程傳感器測量得工程傳感器測量得更快、更精確。更快、更精確。 例如雖然人眼和光傳感器都能檢測可見光，進行例如雖然人眼和光傳感器都能檢測可見光，進行物體識別與測距，但是人眼的視覺殘留約為物體識別與測距，但是人眼的視覺殘留約為0 01s1s，而光晶體管的響應時間可短到納秒以下；人眼的而光晶體管的響應時間可短到納秒以下；人眼的角分辨率為角分辨率為11，而光柵測距的精確度可達，而光柵測距的精確度可達1”1”； 激光定位的精度在月球距離激光定位的精度在

7、月球距離3 3104km104km范圍內可達范圍內可達10cm10cm以下；以下；2022年年3月月21日星期一日星期一 工程傳感器可以把人所不能看到的物體通過數據工程傳感器可以把人所不能看到的物體通過數據處理變為視覺圖像。處理變為視覺圖像。CTCT技術就是一個例子，它把技術就是一個例子，它把人體的內部形貌用斷層圖像顯示出來，其他的例人體的內部形貌用斷層圖像顯示出來，其他的例子還有遙感技術。子還有遙感技術。 但是目前工程傳感器在以下幾方面還遠比不上人但是目前工程傳感器在以下幾方面還遠比不上人類的感官：多維信息感知、多方面功能信息的感類的感官：多維信息感知、多方面功能信息的感知功能、對信息變化的

8、微分功能、信息的選擇功知功能、對信息變化的微分功能、信息的選擇功能、學習功能、對信息的聯想功能、對模糊量的能、學習功能、對信息的聯想功能、對模糊量的處理能力以及處理全局和局部關系的能力。這正處理能力以及處理全局和局部關系的能力。這正是今后傳感器智能化的一些發展方向。是今后傳感器智能化的一些發展方向。2022年年3月月21日星期一日星期一 隨著信息科學與微電子技術，特別是微型隨著信息科學與微電子技術，特別是微型計算機與通信技術的迅猛發展，近期傳感計算機與通信技術的迅猛發展，近期傳感器的發展走上了與微處理器內微型計算機器的發展走上了與微處理器內微型計算機相結合的必由之路，智能（化）傳感器的相結合的

9、必由之路，智能（化）傳感器的概念應運而生。概念應運而生。 傳感器技術傳感器技術，則是涉及傳感（檢測）原理、，則是涉及傳感（檢測）原理、傳感器件設計、傳感器開發和應用的綜合傳感器件設計、傳感器開發和應用的綜合技術，因此傳感器技術涉及多學科交叉研技術，因此傳感器技術涉及多學科交叉研究。究。2022年年3月月21日星期一日星期一12 傳感器的構成與分類傳感器的構成與分類 傳感器一般由敏感元件、轉換元件、調理電路組傳感器一般由敏感元件、轉換元件、調理電路組成。成。 敏感元件敏感元件是構成傳感器的核心，是指能直接感測是構成傳感器的核心，是指能直接感測或響應被測量的部件。或響應被測量的部件。 轉換元件轉換

10、元件是指傳感器中能將敏感元件感測或響應是指傳感器中能將敏感元件感測或響應的被測量轉換成可用的輸出信號的部件，通常這的被測量轉換成可用的輸出信號的部件，通常這種輸出信號以電量的形式出現。種輸出信號以電量的形式出現。 調理電路調理電路是把傳感元件輸出的電信號轉換成便于是把傳感元件輸出的電信號轉換成便于處理、控制、記錄和顯示的有用電信號所涉及的處理、控制、記錄和顯示的有用電信號所涉及的有關電路。有關電路。 2022年年3月月21日星期一日星期一圖圖 1-1 為傳感器組成框圖：為傳感器組成框圖： 圖圖 1-1 傳感器組成框圖傳感器組成框圖轉 換轉 換元元 件件敏 感敏 感元元 件件調 理調 理電電 路

11、路 輔助電源輔助電源被測量被測量電量電量2022年年3月月21日星期一日星期一 傳感器主要按其傳感器主要按其工作原理和被測量工作原理和被測量來分類。來分類。 傳感器按其工作原理，一般可分為傳感器按其工作原理，一般可分為物理型、化學物理型、化學型和生物型型和生物型三大類；三大類； 按被測量按被測量輸入信號分類，一般可以分為溫度、輸入信號分類，一般可以分為溫度、壓力、流量、物位、加速度、速度、位移、轉速、壓力、流量、物位、加速度、速度、位移、轉速、力矩、濕度、粘度、濃度等傳感器。力矩、濕度、粘度、濃度等傳感器。 傳感器按其工作原理分類便于學習研究，把握本傳感器按其工作原理分類便于學習研究，把握本質

12、與共性；質與共性； 按被測量來分類，能很方便地表示傳感器的功能，按被測量來分類，能很方便地表示傳感器的功能，便于選用。便于選用。 本書的編排主要是按其工作原理分類，最后安排本書的編排主要是按其工作原理分類，最后安排一章參數檢測內容從被測量角度討論傳感器原理一章參數檢測內容從被測量角度討論傳感器原理應用。應用。 2022年年3月月21日星期一日星期一 物理型傳感器物理型傳感器又可分為又可分為結構型傳感器和物性型傳結構型傳感器和物性型傳感器感器。 物性傳感器是利用某些功能材料本身所具有的內物性傳感器是利用某些功能材料本身所具有的內在特性及效應感受被測量，并轉換成電信號的傳在特性及效應感受被測量，并

13、轉換成電信號的傳感器。在物性傳感器中，敏感元件與轉換元件合感器。在物性傳感器中，敏感元件與轉換元件合為一體，一次完成為一體，一次完成“被測非電量一有用電量被測非電量一有用電量”的的直接轉換。直接轉換。 結構型傳感器是以結構為基礎，利用某些物理規結構型傳感器是以結構為基礎，利用某些物理規律來感受被測量，并將其轉換成電信號的傳感器。律來感受被測量，并將其轉換成電信號的傳感器。這里需要加入轉換元件，實現這里需要加入轉換元件，實現“被測非電量被測非電量有有用非電量用非電量有用電量有用電量”的間接轉換。的間接轉換。2022年年3月月21日星期一日星期一 按照敏感元件輸出能量的來源又可以把傳感器分按照敏感

14、元件輸出能量的來源又可以把傳感器分成如下三類：成如下三類：（1 1）自源型）自源型 為僅含有轉換元件的最簡單、最基為僅含有轉換元件的最簡單、最基本的傳感器構成型式。此型式的特點是，不需外本的傳感器構成型式。此型式的特點是，不需外能源；其轉換元件具有從被測對象直接吸取能量，能源；其轉換元件具有從被測對象直接吸取能量，并轉換成電量的電效應；但輸出能量較弱，如熱并轉換成電量的電效應；但輸出能量較弱，如熱電偶、壓電器件等。電偶、壓電器件等。（2 2）帶激勵源型）帶激勵源型 它是轉換元件外加輔助能源它是轉換元件外加輔助能源的構成型式。這里的輔助能源起激勵作用，它可的構成型式。這里的輔助能源起激勵作用，它

15、可以是電源，也可以是磁源。如某些磁電式和霍爾以是電源，也可以是磁源。如某些磁電式和霍爾等電磁感應式傳感器即屬此型。特點是：不需要等電磁感應式傳感器即屬此型。特點是：不需要變換（測量）電路即可有較大的電量輸出。變換（測量）電路即可有較大的電量輸出。 2022年年3月月21日星期一日星期一 （3 3）外源型）外源型 由利用被測量實現阻抗變化的轉由利用被測量實現阻抗變化的轉換元件構成，它必須通過外電源經過測量電路在換元件構成，它必須通過外電源經過測量電路在轉換元件上加入電壓或電流，在才能獲得電量輸轉換元件上加入電壓或電流，在才能獲得電量輸出。這些電路又稱出。這些電路又稱“信號調理與轉換電路信號調理與

16、轉換電路”。常。常用的如電橋。放大器。振蕩器、阻抗變換器和脈用的如電橋。放大器。振蕩器、阻抗變換器和脈沖調寬電路等。沖調寬電路等。 自源型和帶激勵源型，由于其轉換元件起著能量自源型和帶激勵源型，由于其轉換元件起著能量轉換的作用，故謂轉換的作用，故謂“能量轉換型傳感器能量轉換型傳感器”，外源，外源型又稱能量控制型。型又稱能量控制型。 能量轉換型傳感器中用到的物理效應有：壓電效能量轉換型傳感器中用到的物理效應有：壓電效應、磁致伸縮效應、熱釋電效應、光電動勢效應、應、磁致伸縮效應、熱釋電效應、光電動勢效應、光電放射效應、熱電效應、光子滯后效應等等。光電放射效應、熱電效應、光子滯后效應等等。2022年

17、年3月月21日星期一日星期一 能量轉換型傳感器中用到的物理效應有：應變電能量轉換型傳感器中用到的物理效應有：應變電阻效應、磁阻效應、熱阻效應、光電阻效應、霍阻效應、磁阻效應、熱阻效應、光電阻效應、霍爾效應、約瑟夫森效應以及阻抗（電阻、電容、爾效應、約瑟夫森效應以及阻抗（電阻、電容、電感）幾何尺寸的控制等等。電感）幾何尺寸的控制等等。 對傳感器的基本要求如下：對傳感器的基本要求如下：（1 1）足夠的容量足夠的容量傳感器的工作范圍或量程足夠傳感器的工作范圍或量程足夠大；具有一定過載能力。大；具有一定過載能力。（2 2）靈敏度高，精度適當靈敏度高，精度適當即要求其輸出信號與即要求其輸出信號與被測輸入

18、信號成確定關系（通常為線性），且比被測輸入信號成確定關系（通常為線性），且比值要大；傳感器的靜態響應與動態響應的準確度值要大；傳感器的靜態響應與動態響應的準確度能滿足要求。能滿足要求。2022年年3月月21日星期一日星期一（3 3）響應速度快，工作穩定、可靠性好。響應速度快，工作穩定、可靠性好。（4 4）適用性和適應性強適用性和適應性強體積小，重量輕，動作體積小，重量輕，動作能量小，對被測對象的狀態影響小；內部噪聲小能量小，對被測對象的狀態影響小；內部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通而又不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通用或標準形式，以便與系統對接。用或標準形式，以便與系統

19、對接。（5 5）使用經濟使用經濟成本低，壽命長，且便于使用、成本低，壽命長，且便于使用、維修和校準。維修和校準。2022年年3月月21日星期一日星期一表表1 傳感器的分類傳感器的分類分分 類類 法法型型 式式說說 明明按構成基本效應分按構成基本效應分物理型、物理型、化學型、生物型化學型、生物型分別以轉換中的物理效應、化學效應等命名分別以轉換中的物理效應、化學效應等命名按構成原理分按構成原理分結構型結構型以其轉換元件結構參數特性變化實現信號轉換以其轉換元件結構參數特性變化實現信號轉換物性型物性型以其轉換元件物理特性變化實現信號轉換以其轉換元件物理特性變化實現信號轉換按能量關系分按能量關系分能量轉

20、換型能量轉換型傳感器輸出量直接由被測量能量轉換而得傳感器輸出量直接由被測量能量轉換而得能量控制型能量控制型傳感器輸出量能量由外源供給傳感器輸出量能量由外源供給, ,但受被測輸入量但受被測輸入量控制控制按作用原理分按作用原理分應變式、電容式、應變式、電容式、壓電式、熱電式等壓電式、熱電式等以傳感器對信號轉換的作用原理命名以傳感器對信號轉換的作用原理命名按輸入量分按輸入量分位移、壓力、溫度、位移、壓力、溫度、流址、氣體等流址、氣體等以被測量命名（即按用途分類法）以被測量命名（即按用途分類法）按輸出量分按輸出量分模擬式模擬式輸出量為模擬信號輸出量為模擬信號數字式數字式輸出量為數字信號輸出量為數字信號

21、2022年年3月月21日星期一日星期一13 傳感器技術的發展趨勢傳感器技術的發展趨勢（一）傳感器的集成化和微型化（一）傳感器的集成化和微型化 所謂集成化，就是在同一芯片上，或將眾多同類所謂集成化，就是在同一芯片上，或將眾多同類型的單個傳感器件集成為一維、二維陣列型傳感型的單個傳感器件集成為一維、二維陣列型傳感器，或將傳感器件與調理、補償等處理電路集成器，或將傳感器件與調理、補償等處理電路集成一體化。前一種集成化使傳感器在可見光圖像傳一體化。前一種集成化使傳感器在可見光圖像傳感器、電容指紋傳感器中已經實現，并正在向更感器、電容指紋傳感器中已經實現，并正在向更高密度發展。目前高密度發展。目前, ,

22、在紅外成像信號檢測領域在紅外成像信號檢測領域, ,世世界各國都熱衷于二維混合紅外焦平面陣列界各國都熱衷于二維混合紅外焦平面陣列IRFPAs(Infrared Focal-Plane Arrays), IRFPAs(Infrared Focal-Plane Arrays), 結構結構如圖如圖1-21-2所示。后一種集成化傳感器將處理電路集所示。后一種集成化傳感器將處理電路集成一體化，極大地方便了使用。目前市場上已有成一體化，極大地方便了使用。目前市場上已有多種中低精度的產品，但高精度集成化傳感器仍多種中低精度的產品，但高精度集成化傳感器仍有待研發。有待研發。2022年年3月月21日星期一日星期一

23、圖圖 1-2 二維混合紅外焦平面陣列二維混合紅外焦平面陣列2022年年3月月21日星期一日星期一（二）傳感器的數字化與智能化（二）傳感器的數字化與智能化 為了使傳感器與計算機直接相連接，發展數字化傳感器是為了使傳感器與計算機直接相連接，發展數字化傳感器是很重要的。數字技術是信息技術的基礎，數字化又是智能很重要的。數字技術是信息技術的基礎，數字化又是智能化的前提，智能式傳感器離不開傳感器的數字化。化的前提，智能式傳感器離不開傳感器的數字化。 所謂智能化傳感器（所謂智能化傳感器（Smart SensorsSmart Sensors）是以專用微處理器）是以專用微處理器控制的、具有雙向通信功能的傳感器

24、系統。它不僅具有信控制的、具有雙向通信功能的傳感器系統。它不僅具有信號檢測、轉換和處理功能，同時還具有存儲、記憶、自補號檢測、轉換和處理功能，同時還具有存儲、記憶、自補償、自診斷等多種功能。按構成模式，智能式傳感器有分償、自診斷等多種功能。按構成模式，智能式傳感器有分立模塊式和集成一體式之分。立模塊式和集成一體式之分。 預計未來的預計未來的1010年，傳感器智能化將首先發展成由硅微傳感年，傳感器智能化將首先發展成由硅微傳感器、微處理器、微執行器和接口電路等多片模塊組成的閉器、微處理器、微執行器和接口電路等多片模塊組成的閉環傳感器系統。如果通過集成技術進一步將上述多片相關環傳感器系統。如果通過集

25、成技術進一步將上述多片相關模塊全部制作在一個芯片上形成單片集成，就可形成更高模塊全部制作在一個芯片上形成單片集成，就可形成更高級的智能傳感器了。級的智能傳感器了。 2022年年3月月21日星期一日星期一新型片式汽車尾氣傳感器新型片式汽車尾氣傳感器G G系列新型傳感器系列新型傳感器2022年年3月月21日星期一日星期一2022年年3月月21日星期一日星期一2022年年3月月21日星期一日星期一新型接近開關傳感器新型接近開關傳感器2022年年3月月21日星期一日星期一還有兩點要特別指出：還有兩點要特別指出： 第一第一，固態功能材料（如半導體、電介質、超導體等）固態功能材料（如半導體、電介質、超導體

26、等）的進一步開發，以及集成技術、微機械加工技術的不斷完的進一步開發，以及集成技術、微機械加工技術的不斷完善，為傳感器的集成化、微型化和智能化開辟了廣闊的前善，為傳感器的集成化、微型化和智能化開辟了廣闊的前景。如今，傳感器的發展有一股強勁的勢頭，這就是正在景。如今，傳感器的發展有一股強勁的勢頭，這就是正在擺脫傳統的結構設計與生產，而轉向優先選用硅材料，以擺脫傳統的結構設計與生產，而轉向優先選用硅材料，以微機械加工技術為基礎，以仿真程序為工具的微結構設計，微機械加工技術為基礎，以仿真程序為工具的微結構設計，來研制各種敏感機理的集成化、陣列化、智能化硅微傳感來研制各種敏感機理的集成化、陣列化、智能化

27、硅微傳感器。這一現代傳感器技術國外稱之為器。這一現代傳感器技術國外稱之為“專用集成微型傳感專用集成微型傳感器技術器技術”ASIMASIM（Application specific integrated Application specific integrated microtransducermicrotransducer）。這種硅微傳感器一旦付諸實用，將）。這種硅微傳感器一旦付諸實用，將對眾多高科技領域對眾多高科技領域特別是航空航天、遙感遙測、環境特別是航空航天、遙感遙測、環境保護、生物醫學和工業自動化領域有著重大的影響。保護、生物醫學和工業自動化領域有著重大的影響。 2022年年3月月2

28、1日星期一日星期一 第二，第二，微傳感器網絡正在研究。隨著通信技術、微傳感器網絡正在研究。隨著通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發展和日益嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發展和日益成熟成熟, ,具有感知能力、計算能力和通信能力的微型具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內出現。由這些微型傳感傳感器開始在世界范圍內出現。由這些微型傳感器構成的傳感器網絡引起了人們的極大關注器構成的傳感器網絡引起了人們的極大關注. .這種這種傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術分布式信息處理技術和通信技術,

29、,能夠協作地實時能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息監測對象的信息, ,并對這些信息進行處理并對這些信息進行處理, ,獲得詳獲得詳盡而準確的信息盡而準確的信息, ,傳送到需要這些信息的用戶。傳傳送到需要這些信息的用戶。傳感器網絡是信息感知和采集的一場革命。傳感器感器網絡是信息感知和采集的一場革命。傳感器網絡作為一個全新的研究領域網絡作為一個全新的研究領域, ,在基礎理論和工程在基礎理論和工程技術兩個層面向科技工作者提出了大量的挑戰性技術兩個層面向科技工作者提出了大量的挑戰性研究課題。研究課題。2022年年3月月21日星

30、期一日星期一（三）開發新型傳感器（三）開發新型傳感器 鑒于傳感器的工作機理是基于各種效應和定律，由此啟發鑒于傳感器的工作機理是基于各種效應和定律，由此啟發人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發展高性能、出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。其中利用量多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。其中利用量子力學諸效應研制的高靈敏閾傳感器，用來檢測極微弱信子力學諸效應研制的高靈敏閾傳感器，用來檢測極微弱信號，是傳感器技術發展的新趨勢之一。例如：利用核

31、磁共號，是傳感器技術發展的新趨勢之一。例如：利用核磁共振吸收效應的磁敏傳感器，可將檢測限擴展到地磁強度的振吸收效應的磁敏傳感器，可將檢測限擴展到地磁強度的10102 2；利用約瑟夫遜效應的熱噪聲溫度傳感器，可測量；利用約瑟夫遜效應的熱噪聲溫度傳感器，可測量10106K6K的超低溫；以及由于光子滯后效應的利用，出現了的超低溫；以及由于光子滯后效應的利用，出現了響應速度極快的紅外傳感器，等等。響應速度極快的紅外傳感器，等等。 利用化學效應和生物效應開發的可供實用的生物傳感器正利用化學效應和生物效應開發的可供實用的生物傳感器正在引起關注。生物傳感器對信息的高選擇性和靈敏度吸引在引起關注。生物傳感器對

32、信息的高選擇性和靈敏度吸引眾多科學人員從多方面開展研究。眾多科學人員從多方面開展研究。 傳感器今后的研發工作主要在開展基礎研究、擴大傳感器傳感器今后的研發工作主要在開展基礎研究、擴大傳感器的功能與應用范圍兩個大方面。的功能與應用范圍兩個大方面。2022年年3月月21日星期一日星期一二二 傳感器技術基礎傳感器技術基礎2 21 1 傳感器的特性與指標傳感器的特性與指標 2 21 11 1 傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性 靜態特性表示傳感器在被測輸入量各個值靜態特性表示傳感器在被測輸入量各個值處于穩定狀態時的輸出處于穩定狀態時的輸出輸入關系，研輸入關系，研究靜態特性主要考慮其非線性、滯后、重究靜態

33、特性主要考慮其非線性、滯后、重復、靈敏度、分辨力等方面。復、靈敏度、分辨力等方面。 2022年年3月月21日星期一日星期一 1 線性度線性度 線性度又稱非線性，是表征傳感器輸出線性度又稱非線性，是表征傳感器輸出輸入輸入校準曲線與所選定的擬合直線（作為工作直線）校準曲線與所選定的擬合直線（作為工作直線）之間的吻合（或偏離）程度的指標。通常用相對之間的吻合（或偏離）程度的指標。通常用相對誤差來表示線性度或非線性誤差，即誤差來表示線性度或非線性誤差，即 式式(2-1)(2-1)式中式中 L Lmaxmax輸出平均值與擬合直線間的最大輸出平均值與擬合直線間的最大偏差；偏差； y yF.S.F.S.理論

34、滿量程輸出值。理論滿量程輸出值。%100.maxyLeSFL2022年年3月月21日星期一日星期一 傳感器的輸出傳感器的輸出輸入關系或多或少地存在非線輸入關系或多或少地存在非線性問題，在不考慮遲滯、蠕變、不穩定性等因素性問題，在不考慮遲滯、蠕變、不穩定性等因素的情況下，其靜態特性可用下列多項式代數方程的情況下，其靜態特性可用下列多項式代數方程表示：表示： 式（式（2-22-2） 式中式中 y y 輸出量；輸出量； x x 輸入量；輸入量； 零點輸出；零點輸出； 理論靈敏度；理論靈敏度； 非線性項系數非線性項系數nnxaxaxaxaay3322100a1anaaa,322022年年3月月21日星

35、期一日星期一 各項系數不同，決定了特性曲線的具體形式。靜各項系數不同，決定了特性曲線的具體形式。靜態特性曲線可實際測試獲得，在非線性誤差不太態特性曲線可實際測試獲得，在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的方法來線性化。大的情況下，總是采用直線擬合的方法來線性化。顯然，選定的擬合直線不同，計算所得的線性度顯然，選定的擬合直線不同，計算所得的線性度數值也就不同。選擇擬合直線應保證獲得盡量小數值也就不同。選擇擬合直線應保證獲得盡量小的非線性誤差，并考慮使用與計算方便。的非線性誤差，并考慮使用與計算方便。 下面介紹幾種目前常用的下面介紹幾種目前常用的擬合方法擬合方法： 2022年年3月月21日

36、星期一日星期一 （1）理論直線法理論直線法 以傳感器的理論特性線作為以傳感器的理論特性線作為擬合直線，它與實際測試值無關。優點是簡單、擬合直線，它與實際測試值無關。優點是簡單、方便，但通常方便，但通常LmaxLmax很大。很大。 （2 2）端點線法端點線法 以傳感器校準曲線兩端點間的連以傳感器校準曲線兩端點間的連線作為擬合直線。其方程式為線作為擬合直線。其方程式為 式（式（2-3） 式中式中 b和和k分別為截距和斜率，這種方分別為截距和斜率，這種方法也很簡便，但通常法也很簡便，但通常Lmax也很大。也很大。 kxbykxby2022年年3月月21日星期一日星期一 （3）“最佳直線最佳直線”法法

37、 這種方法以這種方法以“最佳直線最佳直線”作為擬合直線，該直線能保證傳感器正反行程校作為擬合直線，該直線能保證傳感器正反行程校準曲線對它的正、負偏差相等并且最小，由此所準曲線對它的正、負偏差相等并且最小，由此所得的線性度稱為得的線性度稱為“獨立線性度獨立線性度”。顯然，這種方。顯然，這種方法的擬合精度最高。通常情況下，法的擬合精度最高。通常情況下，“最佳直線最佳直線”只能用圖解法或通過計算機解算來獲得。只能用圖解法或通過計算機解算來獲得。 （4）最小二乘法）最小二乘法 這種方法按最小二乘原理求這種方法按最小二乘原理求取擬合直線，該直線能保證傳感器校準數據的殘取擬合直線，該直線能保證傳感器校準數

38、據的殘差平方和最小。差平方和最小。 最小二乘法的擬合精度很高，但校準曲線相對擬最小二乘法的擬合精度很高，但校準曲線相對擬合直線的最大偏差絕對值并不一定最小，最大正、合直線的最大偏差絕對值并不一定最小，最大正、負偏差的絕對值也不一定相等。負偏差的絕對值也不一定相等。2022年年3月月21日星期一日星期一幾種不同的擬合方法如圖幾種不同的擬合方法如圖2-1所示所示 （a a）理論直線法）理論直線法2022年年3月月21日星期一日星期一（b b）端點線法）端點線法 2022年年3月月21日星期一日星期一（c c）“最佳直線最佳直線”法法 2022年年3月月21日星期一日星期一 2 回差（滯后）（回差（

39、滯后）（Hysteresis） 回差回差是反映傳感器在正（輸人量增大）反（輸入是反映傳感器在正（輸人量增大）反（輸入量減小）行程過程中輸出量減小）行程過程中輸出輸入曲線的不重合輸入曲線的不重合程度的指標。通常用正反行程輸出的最大差值程度的指標。通常用正反行程輸出的最大差值HmaxHmax計算，并以相對值表示（見圖計算，并以相對值表示（見圖2-22-2）。）。 %100.maxyHeSFH式（式（2-42-4） 2022年年3月月21日星期一日星期一圖圖22 回差（滯后）特性回差（滯后）特性2022年年3月月21日星期一日星期一3 重復性（重復性（Repeatability） 重復性重復性是衡量

40、傳感器在同一工作條件下，輸入量是衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續多次變動時，所得特性按同一方向作全量程連續多次變動時，所得特性曲線間一致程度的指標。各條特性曲線越靠近，曲線間一致程度的指標。各條特性曲線越靠近，重復性越好。重復性越好。 重復性誤差反映的是校準數據的離散程度，屬隨重復性誤差反映的是校準數據的離散程度，屬隨機誤差，因此應根據標準偏差計算，即機誤差，因此應根據標準偏差計算，即 %100.maxyaeSFR式（式（2-62-6） 2022年年3月月21日星期一日星期一式中式中 yi某校準點之輸出值；某校準點之輸出值； yi輸出值的算術平均值；輸出值的算術平均值；

41、 n n 測量次數。測量次數。 按上述方法計算所得重復性誤差不僅反映了某按上述方法計算所得重復性誤差不僅反映了某一傳感器輸出的一致程度，而且還代表了在一一傳感器輸出的一致程度，而且還代表了在一定置信概率下的隨機誤差極限值。定置信概率下的隨機誤差極限值。 2022年年3月月21日星期一日星期一4 靈敏度（靈敏度（Sensitivity） 靈敏度靈敏度是傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之是傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比，線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率，比，線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率，即即 ，非線性傳感器的靈敏度不是常數，非線性傳感器的靈敏度不是常數，應以應以 表示。表示。 實

42、用上由于外源傳感器的輸出量與供給傳感器的實用上由于外源傳感器的輸出量與供給傳感器的電源電壓有關，其靈敏度的表達往往需要包含電電源電壓有關，其靈敏度的表達往往需要包含電源電壓的因素。例如某位移傳感器，當電源電壓源電壓的因素。例如某位移傳感器，當電源電壓為為1V時，每時，每1mm位移變化引起輸出電壓變化位移變化引起輸出電壓變化100 mV，其靈敏度可表示為，其靈敏度可表示為 100（ ）。）。 xyKdxdyVmmmVVmmmV2022年年3月月21日星期一日星期一5 分辨力（分辨力（Resolution） 分辨力分辨力是傳感器在規定測量范圍內所能檢是傳感器在規定測量范圍內所能檢測出的被測輸入量的

43、最小變化量。有時用測出的被測輸入量的最小變化量。有時用該值相對滿量程輸入值之百分數表示，則該值相對滿量程輸入值之百分數表示，則稱為分辨率。稱為分辨率。2022年年3月月21日星期一日星期一6 閾值（閾值（Threshold） 閾值閾值是能使傳感器輸出端產生可測變化量是能使傳感器輸出端產生可測變化量的最小被測輸入量值，即零位附近的分辨的最小被測輸入量值，即零位附近的分辨力。有的傳感器在零位附近有嚴重的非線力。有的傳感器在零位附近有嚴重的非線性，形成所謂性，形成所謂“死區死區”，則將死區的大小，則將死區的大小作為閾值；更多情況下閾值主要取決于傳作為閾值；更多情況下閾值主要取決于傳感器的噪聲大小，因

44、而有的傳感器只給出感器的噪聲大小，因而有的傳感器只給出噪聲電平。噪聲電平。2022年年3月月21日星期一日星期一 7 7 穩定性（穩定性（StabilityStability） 又稱長期穩定性，即傳感器在相當長時間內仍保持其性又稱長期穩定性，即傳感器在相當長時間內仍保持其性能的能力。穩定性一般以室溫條件下經過一規定的時間能的能力。穩定性一般以室溫條件下經過一規定的時間間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示，有時也用標定的有效期來表示。來表示，有時也用標定的有效期來表示。 8 8 漂移（漂移（Drift)Drift) 漂移指在一定時

45、間間隔內，傳感器輸出量存在著與被測漂移指在一定時間間隔內，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移與靈輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移與靈敏度漂移。敏度漂移。 零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移（時漂）和零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移（時漂）和溫度漂移（溫漂）。時漂是指在規定條件下，零點或靈溫度漂移（溫漂）。時漂是指在規定條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫漂為周圍溫度變化引起的零敏度隨時間的緩慢變化；溫漂為周圍溫度變化引起的零點或靈敏度漂移。點或靈敏度漂移。 2022年年3月月21日星期一日星期一9 靜態誤差（精度）（靜態誤差（精度）（Pr

46、ecision） 這是評價傳感器靜態性能的綜合性指標，指傳這是評價傳感器靜態性能的綜合性指標，指傳感器在滿量程內任一點輸出值相對其理論值的可感器在滿量程內任一點輸出值相對其理論值的可能偏離（逼近）程度。它表示采用該傳感器進行能偏離（逼近）程度。它表示采用該傳感器進行靜態測量時所得數值的不確定度。靜態誤差的計靜態測量時所得數值的不確定度。靜態誤差的計算是將非線性、回差、重復性誤差按幾何法綜合，算是將非線性、回差、重復性誤差按幾何法綜合，即即 222RHLseeee若仍用相對誤差表示靜態誤差，則有若仍用相對誤差表示靜態誤差，則有 %10032.yeSFS式（式（2-82-8） 2022年年3月月2

47、1日星期一日星期一212 傳感器的動態特性傳感器的動態特性 動態特性是反映傳感器隨時間變化的輸入量的響應特性。動態特性是反映傳感器隨時間變化的輸入量的響應特性。用傳感器測試動態量時，希望它的輸出量隨時間變化的關用傳感器測試動態量時，希望它的輸出量隨時間變化的關系與輸入量隨時問變化的關系盡可能一致，但實際并不盡系與輸入量隨時問變化的關系盡可能一致，但實際并不盡然，因此需要研究它的動態特性然，因此需要研究它的動態特性分析其動態誤差。它分析其動態誤差。它包括兩部分：包括兩部分：1 1）輸出量達到穩定狀態以后與理想輸出量）輸出量達到穩定狀態以后與理想輸出量之間的差別；之間的差別；2 2）當輸入量發生躍

48、變時，輸出量由一個穩）當輸入量發生躍變時，輸出量由一個穩態到另一個穩態之間的過渡狀態中的誤差、由于實際測試態到另一個穩態之間的過渡狀態中的誤差、由于實際測試時輸入量是千變萬化的，且往往事先并不知道，故工程上時輸入量是千變萬化的，且往往事先并不知道，故工程上通常采用輸入通常采用輸入“標準標準”信號函數的方法進行分析，并據此信號函數的方法進行分析，并據此確立若干評定動態特性的指標。常用的確立若干評定動態特性的指標。常用的“標準標準”信號函數信號函數是正弦函數與階躍函數。本節將分析傳感器對正弦輸入的是正弦函數與階躍函數。本節將分析傳感器對正弦輸入的響應（頻率響應）和階躍輸入的響應（階躍響應）特性及響

49、應（頻率響應）和階躍輸入的響應（階躍響應）特性及性能指標。性能指標。 2022年年3月月21日星期一日星期一在不考慮各種靜態誤差的條件下，可以用常在不考慮各種靜態誤差的條件下，可以用常系數線性微分方程描述單輸入系數線性微分方程描述單輸入x、單輸出、單輸出y傳傳感器動態特性，以下為其動態數學模型：感器動態特性，以下為其動態數學模型： xdtdxxxydtdyyybbdtabdtabaadtdadtdammmmmmnmnnmn0111101111式（式（2-92-9） 2022年年3月月21日星期一日星期一設設x(t)x(t)、y(t)y(t)的初始條件為零，對上式兩邊逐項進的初始條件為零，對上式

50、兩邊逐項進行拉氏變換，可得：行拉氏變換，可得： sXssXsXsXsYssYsYsYbbsbsbaasasammmmnnnn01110111式（式（2-102-10） 由此得傳遞函數：由此得傳遞函數： aasasabbsbsbsssXsYsHnnnnmmmm01110111 式式(2-11)(2-11) 2022年年3月月21日星期一日星期一 傳遞函數是拉氏變換算子傳遞函數是拉氏變換算子S S的有理分式，所的有理分式，所有系數都是實數，這是由傳感器的結構參有系數都是實數，這是由傳感器的結構參數決定的。分子的階次數決定的。分子的階次m m不能大于分母的階不能大于分母的階次次n n，這是由物理條件

51、決定的。分母的階次，這是由物理條件決定的。分母的階次用來代表傳感器的特征：用來代表傳感器的特征： n n0 0時，稱為零階；時，稱為零階； n n1 1時，稱一階；時，稱一階； n n2 2時，為二階；時，為二階； n n更大時，為高階。更大時，為高階。 分析方法完全借鑒于電路分析課程或控制原理課分析方法完全借鑒于電路分析課程或控制原理課程中的相應內容，只不過輸入量為非電量。程中的相應內容，只不過輸入量為非電量。2022年年3月月21日星期一日星期一2 21 12 21 1 傳感器的頻率響應特性傳感器的頻率響應特性將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號輸入傳感器，將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號

52、輸入傳感器，其輸出信號的幅值、相位與頻率之間的關系稱為頻率其輸出信號的幅值、相位與頻率之間的關系稱為頻率響應特性。設輸入幅值為響應特性。設輸入幅值為x x、角頻率為、角頻率為的正弦量的正弦量 tXxsin則獲得的輸出量為則獲得的輸出量為 tYysin式中式中Y Y、分別為輸出量的幅值和初相角。分別為輸出量的幅值和初相角。 2022年年3月月21日星期一日星期一在傳遞函數式（在傳遞函數式（2-112-11）中令）中令s=js=j，代入得：，代入得： aajajabbjbjbjjjXjYnnnnmmmm01110111 式式(2-12)(2-12)式（式（2-122-12）將傳感器的動態響應從時域

53、轉換到頻）將傳感器的動態響應從時域轉換到頻域，表示輸出信號與輸入信號之間的關系隨著信域，表示輸出信號與輸入信號之間的關系隨著信號頻率而變化的特性，故稱之為傳感器的頻率響號頻率而變化的特性，故稱之為傳感器的頻率響應特性，簡稱頻率特性或頻響特性。其物理意義應特性，簡稱頻率特性或頻響特性。其物理意義是：當正弦信號作用于傳感器時，在穩定狀態下是：當正弦信號作用于傳感器時，在穩定狀態下的輸出量與輸入量之復數比。的輸出量與輸入量之復數比。 2022年年3月月21日星期一日星期一在在形式上形式上它相當于將傳遞函數式（它相當于將傳遞函數式（2-112-11）中之）中之s s置換成置換成( )( )而得，因而又

54、稱為頻率傳遞函數，而得，因而又稱為頻率傳遞函數，其指數形式為其指數形式為 jjeeejtjtjXYXYjXjY式（式（2-132-13） 由此可得頻率特性的模由此可得頻率特性的模 XYjXjYA 式（式（2-142-14） 2022年年3月月21日星期一日星期一 稱為傳感器的動態靈敏度（或稱增益）。稱為傳感器的動態靈敏度（或稱增益）。A A（）表示輸出表示輸出, ,輸入的幅值比隨輸入的幅值比隨而變，故又稱為幅頻而變，故又稱為幅頻特性。以特性。以 和和 分別表示分別表示A A（）的實部和虛部，頻率特性的相位）的實部和虛部，頻率特性的相位角角 代表輸出超前于輸入的角代表輸出超前于輸入的角度。對傳感

55、器而言，通常為負值，即輸出滯后于度。對傳感器而言，通常為負值，即輸出滯后于輸入。輸入。 表示表示 隨隨而變，稱之為相頻特性。而變，稱之為相頻特性。jXjYRejXjYRejXjYIm jXjYjXjYReImarctan jXjYjXjYReImarctan jXjYjXjYReImarctanjXjYjXjYReImarctan2022年年3月月21日星期一日星期一2122 傳感器的階躍響應特性傳感器的階躍響應特性 當給靜止的傳感器輸入一個單位階躍信號當給靜止的傳感器輸入一個單位階躍信號 0 t0時，其輸出信號稱為階躍響應時，其輸出信號稱為階躍響應,可參見圖可參見圖2-32022年年3月月2

56、1日星期一日星期一圖圖23階躍響應曲線階躍響應曲線（a a）一階系統）一階系統 （b b）二階系統）二階系統 2022年年3月月21日星期一日星期一衡量階躍響應的指標有：衡量階躍響應的指標有： （1 1）時間常數）時間常數 傳感器輸出值上升到穩態值傳感器輸出值上升到穩態值ycyc的的63.263.2所需的時間。所需的時間。 （2 2）上升時間）上升時間Tr Tr 傳感器輸出值由穩態值的傳感器輸出值由穩態值的1010上升到上升到9090所需的時間，但有時也規定其他百分數。所需的時間，但有時也規定其他百分數。 （3 3）響應時間）響應時間Ts Ts 輸出值達到允許誤差范圍輸出值達到允許誤差范圍2

57、2所經歷的所經歷的時間，或明確為時間，或明確為“百分之二響應時間百分之二響應時間”。 （4 4）超調量）超調量a1 a1 響應曲線第一次超過穩態值之峰高，即響應曲線第一次超過穩態值之峰高，即a1 =a1 =y ymax+max+y yc c，或用相對值，或用相對值a=a=（y ymax-max- y yc c）/ / y yc c100100表示。表示。 （5 5）衰減率）衰減率 指相鄰兩個波峰（或波谷）高度下降的指相鄰兩個波峰（或波谷）高度下降的百分數：百分數：=（anananan2 2）/ an/ an100100。 （6 6）穩態誤差）穩態誤差ess ess 系無限長時間后傳感器的穩態輸

58、出值系無限長時間后傳感器的穩態輸出值與目標值之間偏差與目標值之間偏差ssss的相對值：的相對值： ess=ess=（ss /ss / y yc c）100100。2022年年3月月21日星期一日星期一2123 傳感器典型環節的動態響應傳感器典型環節的動態響應 常見的傳感器通常可以看成是零階、一階常見的傳感器通常可以看成是零階、一階或二階環節，或者是由上述環節組合而成或二階環節，或者是由上述環節組合而成的系統。下面將著重介紹零階、一階、二的系統。下面將著重介紹零階、一階、二階環節的動態響應特性階環節的動態響應特性 2022年年3月月21日星期一日星期一1零階環節零階環節 零階環節的微分方程和傳遞

59、函數分別為零階環節的微分方程和傳遞函數分別為 式（式（2-162-16） 式（式（2-172-17）式中式中K K靜態靈敏度。靜態靈敏度。 可見零階環節的輸入量無論隨時間怎么變化，輸出量的幅可見零階環節的輸入量無論隨時間怎么變化，輸出量的幅值總與輸入量成確定的比例關系，在時間上也無滯后。它值總與輸入量成確定的比例關系，在時間上也無滯后。它是一種與頻率無關的環節，故又稱比例環節或無慣性環節。是一種與頻率無關的環節，故又稱比例環節或無慣性環節。 在實際應用中，許多高階系統在變化緩慢、頻率不高的情在實際應用中，許多高階系統在變化緩慢、頻率不高的情況下，都可以近似看作零階環節。況下，都可以近似看作零階

60、環節。Kxxyab00Kxxyab00 KsXsYab00 KsXsYab00 KsXsYab002022年年3月月21日星期一日星期一 2一階環節一階環節 一階環節的微分方程為一階環節的微分方程為 (2-18)(2-18) 令令 = = a al la a0 0時間常數；時間常數； K= K= b b0 0a a0 0靜態靈敏度。靜態靈敏度。則式則式(2-18)(2-18)變成變成 （2-192-19） xydtdybaa001Kxys12022年年3月月21日星期一日星期一其傳遞函數和頻率特性分別為其傳遞函數和頻率特性分別為: 1sKsXsY1jKjXjY (2-20)(2-20) (2-