2.1 传感器原理
2-1 传感器的定义
2.1.1 传感器的定义
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动时它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此，可以说传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将信息按一定规律变换成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。它是实现自动检测和智能控制的首要环节。传感器应用领域广泛，覆盖了工业、农业、交通、科技、环保、国防、文教卫生、人民生活等各方面，在国民经济建设以及各行各业的运行过程中承担着把关者和指导者的任务。
国家标准GB/T 7665—2005对传感器的定义：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。从该定义可以看出：
①传感器是测量装置，能完成检测任务；
②传感器的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；
③它的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、电学量，但主要是电学量；
④输出与输入有对应关系，且应有一定的精确程度。
传感器的组成框图2-1所示，敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件。即被测量通过传感器的敏感元件转换成一个与之有确定关系、更易于转换的非电学量。这一非电学量通过转换元件被转换成电参量。转换电路的作用是将转换元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。应该指出，有些传感器已将敏感元件与传感元件合二为一。
图2-1 传感器的组成框图
在智能制造过程中，要用各种传感器来监视和控制制造过程中的各个参数，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。如果没有众多优良的传感器，智能制造也就失去了基础。
2.1.2 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，比较常用的有以下四种。
1）按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、湿度、流量、气体成分等传感器。
2）按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。
3）按传感器输出信号的性质分类，可分为输出为“1”“0”或“开”“关”等开关量的开关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。
4）根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器，前者需要外电源供给，后者主要由能量变换元件构成，不需要外电源。
2.1.3 传感器的技术指标
1.输出线性度
输出线性度是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，有零基线性度、端基线性度、独立线性度及绝对线性度等四种表示方法。线性度的示意图如图2-2所示，定义式为
图2-2 线性度示意图
式中，Δmax为传感器在全量程上的最大偏差值；YFS为传感器的量程。
2.灵敏度
传感器输出的变化量ΔY与引起此变化量的输入变化量ΔX之比即为静态灵敏度，表达式为
传感器的校正曲线的斜率就是其灵敏度。对于线性传感器，斜率处处相同，灵敏度K是一个常数。由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差，即
3.输出平滑性
输出平滑性是指传感器在测量时，输出信号随时间的稳定性，如图2-3所示。它可用理论电气行程输出信号电压波动百分比表示。输出平滑性受到接触阻抗的变化，分辨率和在输出中其他微量非线性输出的影响，是影响传感器性能的重要指标之一。可用下式表示：
图2-3 输出平滑性示意图
式中，Ucc是峰-峰值最大变化，即输出信号的最大波动值；U0是传感器的理论输出信号电压。
4.降功耗曲线
传感器的输出功率与温度之间的关系称为降功耗曲线。一般以传感器在-55～70℃时功耗为100%，70～125℃之间时功耗开始下降直至零。所以在使用时应注意环境温度与功耗的关系，其关系图如图2-4所示。
图2-4 使用功耗与温度关系图
注：p为使用功耗，pN为额定功耗
5.迟滞
传感器在正反行程中的输出输入曲线不重合性称为迟滞。迟滞可用偏差量与满量程输出之比的百分数表示：
式中，ΔHmax正反行程间输出的最大差值；YFS为传感器的满量程输出。
迟滞特性如图2-5所示。
6.重复性
重复性是指传感器在输入按同一方向做全量程连续多次变动时所得的特性曲线不一致的程度。实际输出校正曲线的重复特性，正行程最大重复性偏差为ΔRmax1，反行程最大重复性偏差为ΔRmax2。重复性误差取这两个最大偏差之中较大者ΔRmax除以满量程输出YFS的百分数来表示：
图2-5 迟滞特性示意图
检测时也可以选取几个测试点，对应每一个点多次从一个方向趋近，获得输出值序列
，并算出最大值与最小值之差为重复性偏差ΔRi，在几个ΔRi中取最大值作为重复性误差。
重复特性如图2-6所示。
图2-6 重复特性示意图
7.分辨率与阈值
分辨率是指传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化值。有时也将该值相对满量程输入值的百分数表示为分辨率。
阈值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨能力。有的传感器在零位附近非线性严重，形成“死区”，则将这个区的大小称为阈值；更多情况下阈值主要取决于传感器噪声的大小。
传感器所能检测出的被测量的最小变化值一般相当于噪声电平的若干倍，用公式表示：
式中，M为被测量的最小变化值；c为系数；N为噪声电平；K为传感器灵敏度。
8.稳定性
稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长的时间内保持其原性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。
9.漂移
漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏度漂移，每一种又可分为时间漂移（简称时漂）和温度漂移（简称温漂）。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂是指由周围温度变化所引起的零点或灵敏度的变化。
传感器的零漂可表示为
式中，ΔY0为最大零点偏差；YFS为满量程输出。
传感器的温漂一般以温度变化1℃时输出的最大偏差与满量程的百分比来表示：
式中，ΔYmax为输出的最大偏差；YFS为满量程输出；ΔT为温度变化范围。
10.精确度
通常，精确度是以测量误差的相对值来表示的。传感器与测量仪表精确度等级以一系列标准百分数值（如0.001，0.005，0.02，0.05，…，1.5，2.5，…）进行分档。这个数值是传感器和测量仪表在规定条件下，允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数。
精确度可表示为
式中，A为传感器的精度；ΔA为允许的最大绝对误差；YFS为满量程输出。