传感器和检测技术基础知识详解

项目简介

世界是由物质组成的，表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。非电量不能直接使用一般电工仪表和电子仪器测量，非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量。实现这种转换技术的器件叫作传感器。自动检测和自动控制系统处理的大都是电量，需通过传感器对通常非电量的原始信息进行精确可靠地捕获，并转换为电量。自动测控系统框图如图1-1所示。

图1-1　自动测控系统框图

本项目主要学习传感器的概念、测量、误差知识及传感器接口电路等知识。通过本项目的学习应明白传感器在现代测控系统中的地位、作用；知道传感器的定义、分类；了解其发展趋势；掌握与测量有关的名词、测量的分类、误差的表示形式及根据测量精度要求如何来选择仪表。

传感器是现代测控系统的感知元件，一般情况下，通过接口电路实现传感器与控制电路的连接。所以接口电路也非常重要，应理解并熟练掌握接口电路的形式、原理及作用。

相关知识

一、传感器的基本知识

1.传感器的定义

传感器的概念来自“感觉（Sensor）” 一词。为了研究自然现象，仅仅依靠人的五官获取外界信息是远远不够的，于是人们发明了能代替或补充人五官功能的传感器，工程上也将传感器称为“变换器”。

根据国标（GB／T 7665—2005），传感器的定义为：“能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。” 这一定义所表述传感器的主要内涵包括：

1）从传感器的输入端来看：一个指定的传感器只能感受规定的被测量，即传感器对规定的物理量具有最大的灵敏度和最好的选择性。例如温度传感器只能用于测温，而不希望它同时还受其他物理量的影响。

2）从传感器的输出端来看：传感器的输出信号为“可用信号”，这里所谓的“可用信号” 是指便于处理、传输的信号，最常见的是电信号、光信号。

3）从输入与输出的关系来看：它们之间的关系具有“一定规律”，即传感器的输入与输出不仅是相关的，而且可以用确定的数学模型来描述，也就是具有确定规律的静态特性和动态特性。

传感器的基本功能是检测信号和信号转换。传感器的组成按其定义一般由敏感元件、转换元件、信号调理转换电路以及辅助电源四部分组成。敏感元件在传感器中直接感受被测量的变化，转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电参数，电参数接入信号调理转换电路，便可转换成电量输出。传感器组成框图如图1-2所示。

图1-2　传感器的组成

当然，不是所有的传感器都有敏感、转换元件之分，有些传感器是将两者合二为一，还有些新型的传感器将敏感元件、变换元件及信号调理转换电路集成为一个器件。如压电陶瓷、热电偶和光电池等。

2.传感器的分类

根据某种原理设计的传感器可以同时检测多种物理量，而有时一种物理量又可以用几种传感器测量，传感器有很多种分类方法。但目前对传感器尚无一个统一的分类方法，比较常用的有如下3 种。

（1）按传感器检测的物理量分类

根据被测量的性质进行分类，传感器可分为位移、力、速度、温度、湿度、流量等传感器，如图1-3所示。这种分类方法的优点是可以明确传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。缺点是没有区分每种传感器的工作原理有何共性和差异，使用者不便于掌握其工作原理。

图1-3　按物理量分类的传感器示例

（a）位移传感器；（b）压力传感器

（2）按传感器工作原理分类

根据工作原理划分，传感器可以分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。这种分类法能够从基本原理上归纳传感器的共性和特性，适合于对传感器进行深入研究，但对于使用者选用传感器不是很方便。图1-4所示为按工作原理分类的电阻式传感器和电感式传感器。

图1-4　按工作原理分类的传感器示例

（a）电阻式传感器；（b）电感式传感器

（3）按传感器输出信号的性质分类

根据输出信号划分，传感器可分为输出为开关量（“1” 和“0”，“开” 和“关”）的开关型传感器、输出为模拟量（4～20 mA 或0～5 V）的模拟型传感器、输出为脉冲或代码的数字型传感器，如图1-5所示。

图1-5　按输出信号性质分类的传感器示例

（a）模拟型压力传感器；（b）开关型液位传感器

3.传感器的基本特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间的关系。因为输入量和输出量都与时间无关，它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞性等。传感器的参数指标决定了传感器的性能以及选用传感器的原则。

（1）传感器的灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化对输入量变化的比值。传感器的灵敏度示意如图1-6所示。

图1-6　传感器的灵敏度示意

（a）输入输出为线性；（b）输入输出为非线性

式中 K——灵敏度；

dy——输出变化量；

dx——输入变化量。

如果传感器的输出和输入之间呈线性关系，则灵敏度K 是一个常数，即特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间呈非线性关系，则灵敏度K 不是一个常数，灵敏度的量纲是输出量与输入量的量纲之比。例如某位移传感器，在位移变化1 mm 时，输出电压变化为200 mV，则其灵敏度应表示为200 mV／mm。当传感器的输出量、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。

提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性也越差。

例1.1 已知某一压力传感器的量程为0～10 MPa，输出信号为直流电压1～5 V。求：

1）该压力传感器的静态特性表达式；

2）该压力传感器的灵敏度。

解：1）由于压力传感器是1 个线性检测装置，所以输入输出应符合下列关系

整理得：

2）对该方程式求导得灵敏度为：

（2）传感器的线性度

线性度是指实际特性曲线近似理想特性曲线的程度。通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线。拟合直线的选取有多种方法，如将零输出和满量程输出相连的理论直线作为拟合直线，线性度就是这个近似程度的一个性能指标。

式中 γL——线性度；

ΔLmax——实际曲线和拟合直线之间的最大差值；

YFS——传感器的量程。

（3）传感器的分辨力

分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。

通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。

（4）传感器的重复性

重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。传感器的重复性示意如图1-7所示。

式中 γR——重复性；

ΔRmax——多次测量曲线之间的最大差值；

YFS——传感器的量程。

（5）传感器的迟滞性

迟滞性指传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，特性曲线不一致的程度。传感器的迟滞性示意图如图1-8所示，迟滞误差可表示为：

式中 γH——迟滞误差；

ΔHmax——正向曲线与反向曲线之间的最大差值；

YFS——传感器的量程。

图1-7　传感器的重复性示意图

图1-8　传感器的迟滞性示意图

（6）传感器的漂移

传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移分为零点漂移和灵敏度漂移等。漂移还可分为时间漂移和温度漂移。

1）时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。

2）温度漂移是指环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移。

二、测量及误差的基本知识

由于测量方法和仪器设备的不完善，周围环境的影响，以及人的观察力等限制，实际测量值和真实值之间总是存在一定的差异。人们常用绝对误差、相对误差等来说明一个近似值的准确程度。为了评定实验测量数据的精确性或误差，认清误差的来源及其影响，需要对测量的误差进行分析和讨论。由此可以判定哪些因素是影响实验精确度的主要方面，进一步改进测量方法，缩小实际测量值和真实值之间的差值，提高测量的精确性。

1.误差的表示方法

利用任何量具或仪器进行测量时，总存在误差，测量结果总不可能准确地等于被测量的真实值，而只是它的近似值。测量的质量高低以测量精确度作指标，根据测量误差的大小来估计测量的精确度。测量结果的误差越小，则认为测量就越精确。(www.xing528.com)

（1）绝对误差

测量值和真实值的差为绝对误差，通常称为误差，记为：

式中 Δ——绝对误差；

X——测量值；

A0——真实值。

由于真实值一般无法求得，因而式（1-8）只有理论意义。常用高一级标准仪器的示值A 代替真实值A0。

（2）相对误差

衡量某一测量值的准确程度，一般用相对误差来表示。示值绝对误差Δ 与仪器的示值X的百分比值称为示值相对误差。记为：

式中 γX——相对误差；

Δ——绝对误差；

X——测量值。

（3）引用误差

为了计算和划分仪表精确度等级，提出引用误差的概念。其定义为仪表示值绝对误差与量程范围的比。

式中 γA——引用误差；

Δ——示值绝对误差；

Xn——量程范围，即标尺上限值减去标尺下限值。

2.测量仪表精确度

测量仪表的精度等级是用最大引用误差（又称允许误差）来标明的，它等于仪表最大示值绝对误差与仪表的量程范围之比的百分数。

式中 γnmax——测量仪表的精度等级；

Δmax——仪表示值的最大绝对误差；

Xn——量程范围，即标尺上限值减去标尺下限值。

测量仪表的精度等级是国家统一规定的，把允许误差中的百分号去掉，剩下数字的绝对值称为仪表的精度等级。例如，某台压力计的允许误差为1.5%，这台压力计电工仪表的精度等级就是1.5，通常简称1.5 级仪表。我国仪表的精度等级分为7 级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。

仪表的精度等级常以圆圈内的数字标明在仪表的面板上。仪表精度等级示意如图1-9所示。

若仪表的精度等级为a，它表明仪表在正常工作条件下，其最大引用误差的绝对值δmax不能超过的界限，即：

图1-9　仪表精度等级示意

由式（1-12）可知，在应用仪表进行测量时所能产生的最大绝对误差为：

例1.2 欲测量约90 V 的电压，实验室现有0.5 级0～300 V 和1.0 级0～100 V 的电压表。问选用哪一种电压表进行测量更好？

解：用0.5 级0～300 V 的电压表测量90 V 的相对误差为：

用1.0 级0～100 V 的电压表测量90 V 的相对误差为：

例1.2 说明，如果选择得当，用量程范围适当的1.0 级仪表进行测量，能得到比用量程范围大的0.5 级仪表更准确的结果。因此，在选用仪表时，应根据被测量值的大小，在满足被测量数值范围的前提下，尽可能选择量程小的仪表，并使测量值大于所选仪表满刻度的2／3，即X＞2Xn／3。这样既可以满足测量误差要求，又可以选择精度等级较低的测量仪表，从而降低仪表的成本。

三、传感器的信号处理电路

在实际应用中传感器的输出信号往往很微弱，例如热电偶输出的热电动势变化是μV级，并且信号形式不能直接用于显示和控制。此时就需要对传感器的输出信号进行预处理，使输出信号便于显示或控制。能实现这种预处理功能的电路称为信号处理电路，常见的信号处理电路有信号放大电路、信号变换电路和信号滤波电路等。

1.信号放大电路

信号放大电路主要由具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的集成运算放大器构成。集成运算放大器能完成加、减、乘、除、微分、积分等多种运算。用集成运算放大器构成的放大电路通常有反相放大器、同相放大器、差分放大器等。常见的集成运算放大器有OP07、LM324 等型号，如图1-10所示。

图1-10　常见的集成运算放大器

（1）反相放大器

输入电压加到运算放大器的反相输入端，输出电压经RF 反馈到反相输入端。反相放大器的基本电路图如图1-11所示。输出电压为：

反相放大器的放大倍数取决于RF 与R1 的比值，负号表示输出电压与输入电压反相。该放大电路应用广泛。

（2）同相放大器

输入电压加到运算放大器的同相输入端，同相放大器的基本电路图如图1-12所示。输出电压和输入电压的关系为：

与反相放大器不同的是，同相放大器的输出电压与输入电压同相。输出电压的放大倍数与反馈电阻RF 和输入电阻R1 的比值有关。

图1-11　反相放大器

图1-12　同相放大器

（3）差分放大器

差分放大器如图1-13所示，输出电压为：

由式（1-18）可以看出，差分放大器的输出电压与两个输入电压之间的差值成正比，所以它也称为减法器。差分放大器的特点是抑制共模干扰能力差，输入阻抗高，输出阻抗低，抗高频干扰能力强，广泛用于前置放大级。

（4）仪用放大器

随着集成电路技术的发展，为了进一步提高测量精度，工业上出现了将多个放大器组合而成的单片仪用放大器。仪用放大器又称测量放大器，其电路基本结构如图1-14所示。图中左边部分由运放A1、A2 构成对称同相放大器，右边部分由运放A3 和电阻R3、R4 组成差分放大器。假设R1＝R2＝R，R3＝R4，则仪用放大器增益调整仅需要调R，所以具有输入阻抗高、对称性好、共模抑制比高、增益设定灵活、体积小、使用方便的特点。常见的仪用放大器有AD521、AD522、AD620 等，可以作为电桥、热电偶的放大电路。

图1-13　差分放大器

图1-14　仪用放大器电路基本结构

2.信号变换电路

电桥电路是传感器系统中经常使用的转换电路，主要用来把电阻、电容、电感的变化转换为电压或电流。

图1-15　电桥的基本电路结构

根据其供电电源性质的不同，电桥可分为直流电桥、交流电桥。直流电桥主要用于电阻式传感器，交流电桥可用于电阻、电容及电感式传感器。电桥的基本电路如图1-15所示。

电阻构成电桥电路的桥臂，桥路的一条对角线接工作电源，另一对对角线是输出端。电桥的输出电压为：

当电桥的输出电压为0 时，电桥平衡，由此可知电桥的平衡条件为R1R3＝R2R4。

当电桥的4 个桥臂的阻抗由于被测量引起变化时，电桥平衡被打破，此时电桥的输出与被测量有直接对应关系。

3.信号滤波电路

滤波电路（也称滤波器），是一种选频装置，只允许一定频带范围内的信号通过，而极大地衰减其他频率成分。滤波器能够滤除检测系统中由于各种原因引入的噪声和干扰，还可以滤除信号调制过程中的载波等无用信号，分离各种不同的频率信号，提取感兴趣的频率成分并且对系统的频率特性进行补偿。

滤波器按构成滤波器的元件类型分为RC、RL 滤波器等，按电路性质可分为有源滤波器和无源滤波器，按信号处理模式可以分为模拟滤波器和数字滤波器，按滤波器通频带范围可分为低通、高通、带通、带阻滤波器。如图1-16所示为四种实际滤波器的幅频特性。从图中可以看到：低通滤波器的通频带为0～f2，高通滤波器的通频带为f2～＋，带通滤波器的通频带为f1～f2，带阻滤波器的通频带为0～f1 与f2～＋（阻带为f1～f2）。

图1-16　四种典型滤波器的幅频特性

如图1-17（a）所示的一阶RC 低通滤波器是无源的，无源滤波电路的滤波参数随负载变化而变化，而图1-17（b）所示的有源滤波电路的滤波参数不随负载变化。无源滤波电路可用于高电压大电流的电路，有源滤波电路是信号处理电路，其输出电压和电流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。

图1-17　一阶RC 滤波器

（a）无源；（b）有源

四、传感器的发展趋势

当前，传感器技术的主要发展动向是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化。

1.发现新现象，开发新材料

新现象、新原理、新材料是发展传感器技术，研究新型传感器的重要基础，每一种新原理、新材料的发现都会伴随着新的传感器种类诞生。

2.集成化，多功能化

传感器向敏感功能装置发展，向集成化方向发展，尤其是半导体集成电路技术及其开发思想的应用。如采用微细加工技术MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）制作微型传感器；采用厚膜和薄膜技术制作传感器等。

3.向未开发的领域挑战

现在开发的传感器大多为物理传感器，今后应积极开发、研究化学传感器和生物传感器，特别是智能机器人技术的发展。需要研制各种模拟人的感觉器官的传感器，如已有的机器人力觉传感器、触觉传感器、味觉传感器等。

4.智能传感器（Smart Sensor）

智能传感器是具有判断能力、学习能力的传感器。事实上是一种带微处理器的传感器，它具有检测、判断和信息处理功能。