第1章 传感器与检测技术基础
　　随着新技术革命的到来，人类开始进入信息社会。物联网、大数据与传感器成为这个时代的关键词。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。其中，智能感知技术的关键就是传感器和大数据。传感器负责采集信息、大数据处理和分析信息。传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段，就好像人要靠嗅觉、听觉、视觉、味觉、触觉等感官来获取外界信息一样，在自动化生产过程中，通过各种传感器来获取生产过程中的参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品质量达到最好。传感器在我们日常生活中应用广泛，如常用的智能手环、计步器、电子血压器等的核心器件都是传感器。如今，传感器早已渗透到生产和生活的各个领域，是采集数据的基本工具，是实现智能化的基础。
　　检测技术是一门以研究自动检测系统中信息提取、信息转换，以及信息处理和传输的理论与技术为主要内容的应用技术学科。检测技术的发展与日常生产和科学技术的发展密切相关，它们互相依赖、相互促进。现代科技的发展不断地向检测技术提出新的要求，推动了检测技术的发展。与此同时，检测技术迅速吸取各个科技领域的新成果，开发出新的检测方法和先进的检测仪器，同时又给科学研究提供了有力的工具和先进的手段，从而促进科学技术的发展。在进入信息社会的今天，人们对信息的提取、处理和传输的要求更加迫切。传感器是信息的源头，只有拥有众多性能良好的传感器，才能开发性能更加优越的检测仪器；而检测技术，是获得可靠信息的有效手段。可以说，传感器与检测技术的发展在很大程度上代表了科学技术的发展水平。
　　1.1 传感器基础知识
　　1.1.1 传感器概述
　　1. 传感器的定义
　　传感器是指能够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，其基本功能是检测信号和进行信号转换。传感器的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；它的输出量通常是便于传输、转换、处理和显示的电信号。电信号有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式通常由传感器的原理确定。
　　2. 传感器的组成
　　传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路组成，有时还需外加辅助电源提供转换能量。其组成如图 1.1所示。
　　(1)敏感元件是指传感器中直接感受或响应被测量的部分。
　　(2)转换元件是指传感器中能将敏感元件的输出转换成适合于传输或测量的电信号部分。
　　(3)由于传感器输出信号一般都很微弱，因此传感器输出的信号需要进行信号调理与转换、放大、运算与调制之后才能进行显示和参与控制。
　　图1.1 传感器的组成
　　应该注意的是，并非所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两个部分，有时二者合为一体。如热电偶、光敏电阻、半导体气敏元件等，它们直接将感受到的被测量转化为电信号。
　　3. 传感器的分类
　　传感器的品种繁多，原理各异，因此，从不同的角度有多种分类方法。目前常见的分类方法有如下几种。
　　(1)按传感器的工作机理分类，可分为物理型、化学型、生物型等。这种分类方法将物理、化学和生物等学科的原理、规律、效应作为分类的依据。
　　(2)按构成原理分类，可分为结构型和物性型两大类。
　　结构型传感器是利用物理学的定律构成的，这类传感器的特点是传感器的性能与它的构成材料没有多大关系，而以敏感元件的结构参数变化实现信号转换，如差动变压器式传感器。
　　物性型传感器是利用物质的某些客观属性构成的，它的性能随构成材料的不同而异，如光电管、半导体传感器等。
　　(3)按传感器的能量关系分类，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。
　　能量控制型传感器又称为无源传感器，在信息变换过程中，其能量需外电源供给，但受被测输入量控制。如电阻、电感、电容等传感器都属于这一类，常用于电桥和谐振电路等电路测量。
　　能量转换型传感器又称为换能器或有源传感器，它一般将非电能量转换成电能量，通常配有放大电路。如基于霍尔效应、压电效应、热电效应、光电效应等原理构成的传感器均属于此类。
　　(4)按被测参数分类，如对温度、压力、位移、速度等的测量，相应的有温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等。
　　(5)按传感器的工作原理分类，可分为应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等。
　　本书主要介绍各种传感器的工作原理，对工程上的被测参数，则着重于介绍如何合理选择和使用传感器。
　　1.1.2 传感器的特性与指标
　　传感器所检测的输入量一般有两种形式：一种是静态量或准静态 (即输入是不随时间变化的常量 )，另一种是动态量 (即输入是随时间变化的变量 )。两种情况下的输入输出特性应分开考虑，因此将传感器的基本特性分为静态特性和动态特性。
　　1. 传感器的静态特性
　　静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。静态特性的输入与输出关系式中不含时间变量。衡量传感器静态特性的指标主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
　　(1)线性度：又称非线性误差，是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。通常用相对误差表示，即
　　(1.1)
　　式中，ΔLmax为实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值； YFS为满量程输出值。
　　可见，非线性误差的大小是以一定的拟合直线为基准得到的，拟合直线不同，非线性误差也不同。目前常用的拟合方法有理论拟合、端点拟合、过零旋转拟合、最小二乘法拟合等。
　　(2)灵敏度：是指传感器的输出量增量 Δy与引起该增量的输入量增量 Δx之比。用 S表示灵敏度，即
　　(1.2)
　　Δx 它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度 S越大，表示传感器越灵敏，一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的。对线性传感器，其灵敏度为一个常数，如图 1.2(a)所示，灵敏度为其静态特性的斜率，即
　　(1.3)
　　图 1.2传感器的灵敏度
　　而对非线性传感器，其灵敏度为一个变量，如图 1.2(b)所示，灵敏度为工作点处的切线斜率，即
　　 (1.4)
　　 (3)迟滞：传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小 )行程期间其输出 -输入特性曲线不重合的现象称为迟滞，如图 1.3所示。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正、反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值 .Hmax与满量程输出值 YFS之比称为迟滞误差，用.H 表示，即
　　 (1.5)
　　迟滞特性是由传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的，如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。
　　(4)重复性：是指在同一工作条件下，传感器在输入量按同一方向做全量程多次测量时，所得输出 -输入曲线不一致的程度，如图 1.4所示。重复性误差属于随机误差，常用标准差 .表示，也可用正、反行程中最大差值 .Rmax计算，即
　　(1.6)
　　或
　　(1.7)
　　图 1.3迟滞特性
　　图 1.4重复性
　　(5)漂移：传感器的漂移是指在一定的时间间隔内，传感器的输出量发生与输入量无关的变化。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数发生老化；二是周围环境 (如温度、湿度等 )发生变化。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。
　　温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为 20℃)时的输出值的变化量与温度变化量之比来表示，即
　　(1.8)
　　Δt 式中，为工作环境温度 t与标准环境温度 t20之差，即；yt、y20分别为传感器在环境温度为 t和 t20时的输出。
　　(6)测量范围与量程：测量范围指正常工作条件下，检测系统或仪表能够测量的被测量
　　值的大小区间。例如，某铜电阻温度传感器的测量范围为-50～+150℃。量程是测量范围上限值与下限值的代数差，如上述铜电阻温度计的量程为 200℃。
　　2. 传感器的动态特性
　　传感器的动态特性是指输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。对传感器而言，希望其输出量随时间的变化关系与输入量随时间的变化关系尽可能一致，但实际情况是，除了具有理想的比例特性的环节，输出信号不会与输入信号有相同的时间函数，这种输出与输入之间的差异就是动态误差，因此需要研究其动态特性。由于实际测量时输入量是千变万化的，故工程上通常采用输入“标准”信号函数的方法进行分析，并由此确定评定动态特性的指标。下面简单介绍对阶跃输入的响应 (阶跃响应 )和正弦输入的响应(频率响应)特性及性能指标。
　　1)单位阶跃响应性能指标图 1.5所示为衰减振荡的二阶传感器输出的单位阶跃响应曲线。单位阶跃响应的性能
　　指标主要有：
　　峰值时间 tp——振荡峰值所对应的时间；
　　最大超调量 σp——响应曲线偏离单位阶跃曲线的最大值；
　　上升时间 tr ——响应曲线从稳态值的 10%上升到稳态值的 90%所需的时间；
　　延迟时间 td ——响应曲线上升到稳态值的 50%所需的时间；
　　调节时间 ts——响应曲线进入并且不再超出误差带所需要的最短时间。误差带通常规定
　　为稳态值的或；稳态误差ess ——系统响应曲线的稳态值与希望值之差。图 1.6所示为一阶传感器输出的单位阶跃响应曲线。单位阶跃响应的性能指标主要有：时间常数 .——一阶传感器输出上升到稳态值的 63.2%所需的时间；延迟时间 td——传感器输出达到稳态值的 50%所需的时间；上升时间 tr——传感器输出达到稳态值的 90%所需的时间。
　　图1.5 二阶传感器的单位阶跃响应曲线
　　图1.6 一阶传感器的单位阶跃响应曲线
　　最大超调量反映传感器响应的平稳性 (即稳定性 )；上升时间、延迟时间、调节时间等反映传感器响应的快速性；稳态误差反映传感器响应的稳态精确度。
　　2)频率响应特性指标反映传感器频率响应的频域性能指标主要有通频带 (或频带 )，上、下限截止频率，固有频率及时间常数等。通频带——传感器增益保持在一定值的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减 3dB
　　时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下限截止频率。固有频率——二阶传感器的固有频率表征其动态特性。时间常数——表征一阶传感器的动态特性，越小，频带越宽。
　　1.1.3 传感器选用原则
　　如何根据具体的测量目的、测量对象、使用条件以及测量环境合理地选用传感器，是测量时首先要解决的问题。选用传感器时应考虑的因素很多，但选用时不一定能满足所有要求，应根据被测参数的变化范围、传感器的性能指标、环境等要求选用，侧重点有所不同。通常，选用传感器应从以下几个方面考虑。
　　1. 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
　　传感器的种类繁多，对于同一种被测物理量，可选不同的传感器，而同一种传感器，可用来分别测量多种被测量。在进行一次具体的测量之前，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素。究竟哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：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；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题