項目一　傳感器認知

項目說明

通過傳感器的圖片展示及實物演示，了解各種傳感器一般外形及其測量的物理量，掌握傳感器的組成及分類，了解傳感器的作用及發展趨勢，理解傳感器的特性及命名方法，掌握測量誤差及其分類等基本知識。

相關知識

一、傳感器的定義及作用

根據國家標準GB/T 7665—2005，傳感器（Transducer/Sensor）的定義是：能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。

傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。其包含以下幾個方面的意思：

（1）傳感器是測量裝置，能完成檢測任務。

（2）它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。

（3）輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量。

（4）輸入輸出有對應關系，且應有一定的精確度。

關于傳感器，我國曾出現過多種名稱，如發送器、傳送器、變送器等，它們的內涵相同或相似。所以近來已逐漸趨向統一，大都使用傳感器這一名稱了。

但是，在我國還經常有把“傳感器”和“敏感元件”等同使用的情況。當從儀器儀表學科的角度強調是一種感受信號的裝置時，稱其為“傳感器”，而從電子學的角度強調它是一種能感受信號的電子元件時，稱其為“敏感元件”。兩種不同的提法在大多數情況下并不矛盾。例如，熱敏電阻器，既可以稱其為“溫度傳感器”，也可以稱之為“熱敏元件”。但在有些情況下則只能概括地用“傳感器”一詞來稱謂。例如，利用壓敏元件作為敏感元件，并具有質量塊、彈按和阻尼等結構的加速度傳感器，很難用“敏感元件”類的詞稱謂，而用“傳感器”則更為貼切。

傳感器在很多行業都有著重要的應用，而且現在有很多行業試圖在開放利用傳感器來實現自動化，傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器目前最重要的應用領域主要涉及機械制造，醫療設備，汽車電子產業，通信技術等領域。

新技術革命的到來，世界進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。

在現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態或最佳狀態，并使產品達到最好的質量。因此可以說，沒有眾多優良的傳感器，現代化生產也就失去了基礎。

在基礎學科研究中，傳感器更具有突出的地位。現代科學技術的發展，進入了許多新領域。例如，在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察微小的粒子世界，縱向上要觀察長達數十萬年的天體演化，短到10-24s的瞬間反應。此外，還出現了對深化物質認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁場等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現，往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發展，往往是一些邊緣學科開發的先驅。傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等廣泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。

由此可見，傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發展。相信不久的將來，傳感器技術將會出現一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。

二、傳感器的組成

傳感器通常由敏感元件、轉換元件、轉換電路三部分組成，組成框圖如圖1-1所示。

（1）敏感元件（Sensitive Element）：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。

圖1-2是一種氣體壓力傳感器的示意圖。膜盒2的下半部與殼體1固定連接，上半部通過連桿與磁芯4相連，磁芯4置于兩個電感線圈3中，后者接入轉換電路5。這里的膜盒就是敏感元件，其外部與大氣壓力Pa相通，內部感受被測壓力P。當P變化時，引起膜盒上半部移動，即輸出相應的位移量。

（2）轉換元件（Transduction Element）：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉換成電路參數量。

在圖1-2中，轉換元件是可變電感線圈3，它把輸入的位移量轉換成電感的變化。再如壓電晶體、熱電偶等。

（3）轉換電路（Transduction Circuit）：上述電路參數接入轉換電路，便可轉換成電量輸出。

應當指出，不是所有的傳感器均由以上三部分組成。實際上，有些傳感器很簡單，僅由一個敏感元件（兼作轉換元件）組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。如圖1-3所示，兩種不同的金屬材料一端連接在一起，放在被測溫度中，另一端為參考端，溫度為零，則在回路將產生一個與溫度有關的電動勢，從而進行溫度測量。

有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路。圖1-4所示為壓電式加速度傳感器，其中質量塊是敏感元件，壓電片（塊）是轉換元件。因轉換元件的輸出已是電量，無須轉換電路。

有些傳感器，轉換元件不止一個，要經過若干次轉換。

敏感元件與轉換元件在結構上常是裝在一起的，而轉換電路為了減小外界的影響也希望和它們裝有一起，不過由于空間的限制或者其他原因，轉換電路常裝入電箱中。盡管如此，因為不少傳感器要在通過轉換電路后才能輸出電量信號，從而決定了轉換電路是傳感器的組成環節之一。另外，一般情況下，轉換電路的后續電路，如信號放大、處理、顯示等電路就應包括在傳感器的組成范圍之內。

三、傳感器的分類

傳感器的分類方法很多，主要有如下幾種：

（1）按被測量分類，可分為力學量、光學量、磁學量、幾何學量、運動學量、流速與流量、液面、熱學量、化學量、生物量傳感器等。這種分類有利于選擇傳感器、應用傳感器。

（2）按照工作原理分類，可分為電阻式、電容式、電感式、光電式、光柵式、熱電式、壓電式、紅外、光纖、超聲波、激光傳感器等。這種分類有利于研究、設計傳感器，有利于對傳感器的工作原理進行闡述。

（3）按敏感材料不同分為半導體傳感器、陶瓷傳感器、石英傳感器、光導纖維傳感器、金屬傳感器、有機材料傳感器、高分子材料傳感器等。這種分類法可分出很多種類。

（4）按照傳感器輸出量的性質分為模擬傳感器和數字傳感器。其中，數字傳感器便于與計算機聯合使用，且抗干擾性較強，如脈沖盤式角度數字傳感器、光柵傳感器等。傳感器數字化是今后的發展趨勢。

（5）按應用場合不同分為工業用、農用、軍用、醫用、科研用、環保用和家電用傳感器等。若按具體使用場合，還可分為汽車用、船艦用、飛機用、宇宙飛船用、防災用傳感器等。

（6）根據使用目的的不同，又可分為計測用、監視用、檢查用、診斷用、控制用和分析用傳感器等。

表1-1是按傳感器轉換原理分類給出了各類型的名稱及典型應用。各種傳感器由于原理、結構不同，使用環境、條件、目的不同，其技術指標也不可能相同。但是有些一般要求卻基本是共同的，例如可靠性、靜態精度、動態性能、抗干擾能力、通用性、小的輪廓尺寸、低成本、低能耗等，其中傳感器的工作可靠性、靜態精度和動態性能是最基本的要求。

四、傳感器的基本特性

傳感器是實現傳感功能的基本部件，傳感器的輸入-輸出關系特性是傳感器的基本特性。傳感器的各種性能指標都是根據傳感器輸入與輸出對應關系進行描述的。傳感器的輸入-輸出特性是其外部特性，但卻是由其內部參數決定的，不同的傳感器的內部參數決定了它具有不同的外部特性。

傳感器所測量的物理量基本上有兩種形式，一種是穩態（靜態或準靜態）的形式，這種信號不隨時間變化（或變化很緩慢），另一種是動態（周期變化或瞬態）的形式，這種信號是隨時間變化而變化的。由于輸入物理量狀態不同，傳感器要盡量準確地反映輸入物理量的狀態，因此所表現出來的輸出-輸入特性也不同，即存在所謂的靜態特性和動態特性。

1.傳感器的靜態特性

1）線性度

線性度是評價非線性程序的參數。其定義是：傳感器的輸出/輸入校準曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比，稱為該傳感器的“非線性誤差”或稱“線性度”。線性特性示意圖如圖1-5所示。

描述傳感器最有效的方法是傳感器的數學模型。在靜態條件下，若不考慮遲滯及蠕變，則傳感器的輸出量y與輸入量x的關系可由一代數方程表示，稱為傳感器的靜態數學模型，即

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn　　（1-1）

式中　a0——無輸入時的輸出，即零位輸出；

a1——傳感器的線性靈敏度；

a2，a3，…，an——非線性項的待定常數。

設a0=0，即不考慮零位輸出，則靜態特性曲線過原點。一般可分為以下幾種典型情況。

（1）理想的線性特性

當a2=a3=…=an=0時，靜態特性曲線是一條直線，如圖1-6所示，傳感器的靜態特性為

y=a1x　　（1-2）

（2）無奇次非線性項

當a3=a5=…=0時，靜態特性為

y=a1x+a2x2+a4x4+…　　（1-3）

對應曲線如圖1-7所示。因不具有對稱性，線性范圍較窄，線性度較差，所以傳感器設計時一般很少采用這種特性。

（3）無偶次非線性項

當a2=a4=…=0時，靜態特性為

y=a1x+a3x3+a5x5+…　　（1-4）

對應曲線如圖1-8所示。特性曲線關于原點對稱，在原點附近有較寬的線性區。線性度較好，靈敏度為該曲線的斜率。

（4）一般情況

特性曲線過原點，但不對稱。

y（x）=a1x+a2x2+…+anxn　　（1-5）

y（-x）=-a1x+a2x2-a3x3+a4x4-a5x5…　　（1-6）

y（x）-y（-x）=2（a1x+a3x3+a5x5+…）　　（1-7）

對應曲線如圖1-9所示。這就是將兩個傳感器接成差動形式可拓寬線性范圍的理論根據。

借助實驗方法確定傳感器靜態特性的過程稱為靜態校準。

當滿足靜態標準條件的要求，且使用的儀器設備具有足夠高的精度時，測得的校準特性即為傳感器的靜態特性。

由校準數據可繪制成特性曲線，通過對校準數據或特性曲線的處理，可得到數學表達式形式的特性，及描述傳感器靜態特性的主要指標。

傳感器的校準曲線與選定的擬合直線的偏離程度稱為傳感器的線性度，又稱非線性誤差。

eL=（±Δymax/yF.S.）×100％　　（1-8）

式中　yF.S.——傳感器的滿量程輸出值（F.S.是Fullscale的縮寫）；

Δymax——校準曲線與擬合直線的最大偏差。

選定擬合直線的過程，就是傳感器的線性化過程，直線擬合的方法有理論擬合、過零旋轉擬合、端點連線擬合、端點連線平移擬合、最小二乘法擬合、最小包容擬合、最佳直線擬合等。如圖1-10至圖1-14所示。圖中實線為實際輸出校正曲線，虛線為擬合直線。

（1）理論擬合法。如圖1-10所示，理論直線以傳感器的理論特性直線作為擬合直線，它與實際測試值無關，其優點是簡單、方便，但通常最大正、負偏差很大。

（2）過零旋轉擬合法。如圖1-11所示，常用于曲線過零的傳感器。其優點是簡單，非線性誤差比前一種小。

（3）端點連線擬合法。如圖1-12所示，對應的線性度稱端點線性度。簡單直觀，擬合精度較低。最大正、負偏差不相等。

（4）端點連線平移擬合法。如圖1-13所示，對應的線性度稱獨立線性度。最大正、負偏差相等。

（5）最小二乘擬合直線法。如圖1-14所示，這種方法按最小二乘法原理求取擬合直線，該直線能保證傳感器校準數據的殘差平方和最小。這種方法擬合精度很高。也是最常用的方法，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、負偏差的絕對值也不一定相等。

2）靈敏度

靈敏度是指傳感器在穩態下輸出變化對輸入變化的比值，用Sn來表示，即Sn=輸出量的變化/輸入量的變化=dy/dx。

對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態特性的斜率。非線性傳感器的靈敏度為一變量，一般希望傳感器的靈敏度高，在滿量程范圍內是恒定的，即傳感器的輸出-輸入特性為直線。

3）遲滯（遲環）

遲滯特性表明傳感器在正反行程期間輸出-輸入特性曲線不重合的程度，也就是說，對應于同一大小的輸入信號，傳感器正反行程的輸出信號大小不相等，這就是遲滯現象。如圖1-15所示。

例：一個電子秤稱重。

加砝碼（x）　　10g—　50g—100g—200g

電橋輸出（y1）　　0.5mV—2mV—4mV—10mV

減砝碼輸出（y2）　　1mV—5mV—8mV—10mV

產生這種現象的主要原因是由敏感元件材料的物理性質缺陷造成，如彈性元件的滯后，鐵磁體、鐵電體在外加磁場、電場也有這種現象。或者是傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、緊固件松動、材料的內摩擦、積塵等。

遲滯誤差一般由滿量程輸出的百分數表示，即

式中，ΔHmax=y2-y1為正、反行程輸出值間的最大差值。

4）重復性

重復性：指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測量范圍內連續變動多次所得特性曲線的不一致性。多次重復測試的曲線重復性好，誤差也小。如圖1-16所示。

重復性誤差：屬于隨機誤差，常用正反行程中的最大偏差表示，即

式中，Δymax為Δymax1和Δymax2這兩個偏差中的較大者。

因重復性誤差屬隨機誤差，故按標準偏差來計算重復性指標更合適，用σmax表示各校準點標準偏差中的最大值，則重復性誤差可表示為

標準偏差可以根據貝塞爾公式來計算：

檢測誤差：可選取幾個測試點，對應每一點多次從同一方向趨近，獲得輸出值系列，算出最大值與最小值之差或3倍標準差作為重復性偏差，在幾個中取出最大值作為重復性誤差。

5）分辨力與閾值

傳感器能檢測到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。對于某些傳感器，如電位器式傳感器，當輸入量連續變化時，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量的大小。一般模擬式儀表的分辨力規定為最小刻度分格值的一半，對于數字式儀表，分辨力就是儀表指示值的最后一位數字所代表的值。當被測量的變化量小于分辨力時，數字式儀表的最后1位數不變，仍指示原值。當分辨力以滿量程輸出的百分數表示時則稱為分辨率。

閾值是指能使傳感器的輸出端產生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨力。有的傳感器在零位附近有嚴重的非線性，形成所謂“死區”（Dead Band），則將死區的大小作為閾值；更多情況下，閾值主要取決于傳感器噪聲的大小，因而有的傳感器只給出噪聲電平。

6）測量范圍及量程

傳感器所能測量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍稱為傳感器的測量范圍。傳感器測量范圍的上限值與下限值的代數差，稱為量程。

7）穩定性

穩定性表示傳感器在一個較長的時間內保持其性能參數的能力。理想的情況是不論什么時候，傳感器的特性參數都不隨時間變化。但實際上，隨著時間的推移，大多數傳感器的特性會發生改變。這是因為敏感元件或構成傳感器的部件，其特性會隨時間發生變化，從而影響了傳感器的穩定性。

穩定性一般以室溫條件下經過一段規定時間間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示，稱為穩定性誤差。穩定性誤差可用相對誤差表示，也可用絕對誤差來表示。

2.傳感器的動態特性

傳感器的動態特性是指傳感器對激勵（輸入）的響應（輸出）特性。一個動態特性好的傳感器，其輸出隨時間變化的規律，將能同時再現輸入隨時間變化的規律（變化曲線），即具有相同的時間函數。但實際上除了具有理想的比例特性的環節外，輸出信號將不會與輸入信號具有完全相同的時間函數，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態誤差。

研究傳感器動態特性的方法及其指標，研究動態特性可以從時域和頻域兩個方面采用瞬態響應法和頻率響應法來分析。由于輸入信號的時間函數形式是多種多樣的，在時域內研究傳感器的響應特性時，只能研究幾種特定的輸入時間函數，如階躍函數、脈沖函數和斜坡函數等的響應特性。在頻域內研究動態特性一般是采用正弦函數得到頻率響應特性。動態特性好的傳感器暫態響應時間很短或者頻率響應范圍很寬。

3.傳感器的技術指標

對于一種具體的傳感器，并不是全部指標都必需，只要根據自己的實際需要保證主要的參數即可。表1-2列出了傳感器的一些常用指標。

五、傳感器的命名與代號

國家標準GB/T 7665—2005規定了傳感器的命名方法及圖形符號，并將其作為統一傳感器命名及圖形符號的依據。

1.傳感器的命名

一種傳感器產品的名稱，應由主題詞加四級修飾語構成。

主題詞——傳感器。

第一級修飾語——被測量，包括修飾被測量的定語。

第二級修飾語——轉換原理，一般可后續以“式”字。

第三級修飾語——特征描述，指必須強調的傳感器結構、性能、材料特征、敏感元件以及其他必要的性能特征，一般可后續以“型”字。

第四級修飾語——主要技術指標（量程、測量范圍、精度等）。

本命名法在有關傳感器的統計表格、圖書索引、檢索以及計算機漢字處理等特殊場合，使用所規定的順序。

示例l：傳感器，位移，應變[計]式，100mm；

注：[ ]內的詞，在不引起混淆時，可省略（下同）。

示例2：傳感器，聲壓，電容式，100～160dB；

示例3：傳感器，加速度，壓電式，±20g；

示例4：傳感器，壓力，壓阻式，[單晶]硅，600kPa；

示例5：傳感器，差壓，諧振式，智能型，35kPa。

在技術文件、產品樣本、學術論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產品名稱應采用與上述相反的順序。

示例1：100mm應變式位移傳感器；

示例2：100～160dB電容式聲壓傳感器；

示例3：±20g壓電式加速度傳感器；

示例4：600kPa[單晶]硅壓阻式壓力傳感器；

示例5：35kPa智能[型]諧振式差壓傳感器。

當對傳感器的產品名稱命名時，除第一級修飾語外，其他各級可視產品的具體情況任選或省略。

示例l：業已購進150只各種測量范圍的半導體壓力傳感器。

示例2：廣告中介紹了我廠生產的電容式液位傳感器。

示例3：附加的測試范圍只適用于差壓傳感器。

示例4：購100mm位移傳感器10只。

示例5：加速度傳感器可用作汽車安全氣囊。

2.傳感器的代號

一般規定用大寫漢語拼音字母（或國際通用標志）和阿拉伯數字構成傳感器完整的代號。傳感器的完整代號應包括以下四部分：

（1）主稱（傳感器）；

（2）被測量；

（3）轉換原理；

（4）序號。

四部分代號表述格式應為：

在被測量、轉換原理、序號三部分代號之間須有“-”連接。

第一部分——主稱（傳感器），用漢語拼音字母“C”標記。

第二部分——被測量，用其一個或兩個漢字漢語拼音的第一個大寫字母標記（見表1-3），當這組代號與該部分的另一個代號重復時，則用其漢語拼音的第二個大寫字母作代號，依此類推。當被測量有國際通用標志時，應采用國際通用標志。當被測量為離子、粒子或氣體時，可用其元素符號、粒子符號或分子式加圓括號“（ ）”表示。

續表

第三部分——轉換原理，用其一個或兩個漢字漢語拼音的第一個大寫字母標記（見表1-4）。當這組代號與該部分的另一個代號重復時，則用其漢語拼音的第二個大寫字母作代號，依此類推。

第四部分——序號，用阿拉伯數字標記。序號可表征產品設計特征、性能參數、產品系列等。如果傳感器產品的主要性能參數不改變，僅在局部有改進或改動時，其序號可在原序號后面順序地加注大寫漢語拼音字母A，B，C，…（其中I、O兩個字母不用）。序號及其內涵可由傳感器生產廠家自行決定。

示例1：壓阻式壓力傳感器：代號為CY-YZ-2.5。

示例2：電容式加速度傳感器：代號為CA-DR-±5。

示例3：電磁式流量傳感器：代號為CLL-DC-10。

示例4：霍爾式電流傳感器：代號為CDL-HE-1200。

示例5：溫度傳感：代號為C W-800A。

示例6：壓電式心音傳感器：代號為CXY-YD-12。

示例7：氫離子活度傳感器：代號為C（H+）-12。

六、傳感器的發展趨勢

近年來，傳感器技術新原理、新材料和新技術的研究更加深入、廣泛，新品種、新結構、新應用不斷涌現。

1.“五化”成為傳感器發展的重要趨勢

1）智能化

兩種發展軌跡齊頭并進。一個方向是多種傳感功能與數據處理、存儲、雙向通信等的集成，可全部或部分實現信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通信，以及內部自檢、自校、自補償、自診斷等功能，具有低成本、高精度的信息采集、可數據存儲和通信、編程自動化和功能多樣化等特點，如美國凌力爾特公司（Linear Technology Corporation）的智能傳感器安裝了ARM架構的32位處理器。另一個方向是軟傳感技術，即智能傳感器與人工智能相結合，目前已出現各種基于模糊推理、人工神經網絡、專家系統等人工智能技術的高度智能傳感器，并已經在智能家居等方面得到利用，如日本電氣股份有限公司（NEC Corporation）開發出了對大量的傳感器監控實施簡化的新方法“不變量分析技術”，并已面向基礎設施系統投入使用。

2）可移動化

無線傳感網技術應用加快。無線傳感網技術的關鍵是克服節點資源限制（能源供應、計算及通信能力、存儲空間等），并滿足傳感器網絡擴展性、容錯性等要求。該技術被美國麻省理工學院（MIT）的《技術評論》雜志評為對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術之首。目前研發重點主要在路由協議的設計、定位技術、時間同步技術、數據融合技術、嵌入式操作系統技術、網絡安全技術、能量采集技術等方面。迄今，一些發達國家及城市在智能家居、精準農業、林業監測、軍事、智能建筑、智能交通等領域對技術進行了應用。如，從MIT獨立出來的Voltree Power LLC公司受美國農業部的委托，在加利福尼亞州的山林等處設置溫度傳感器，構建了傳感器網絡，旨在檢測森林火情，減少火災損失。

3）微型化

微機電系統（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）傳感器研發異軍突起。隨著集成微電子機械加工技術的日趨成熟，MEMS傳感器將半導體加工工藝（如氧化、光刻、擴散、沉積和蝕刻等）引入傳感器的生產制造，實現了規模化生產，并為傳感器微型化發展提供了重要的技術支撐。近年來，日本、美國、歐盟等在半導體器件、微系統及微觀結構、速度測量、微系統加工方法/設備、麥克風/揚聲器、水平/測距/陀螺儀、光刻制版工藝和材料性質的測定/分析等技術領域取得了重要進展。目前，MEMS傳感器技術研發主要在以下幾個方向：

（1）微型化的同時降低功耗；

（2）提高精度；

（3）實現MEMS傳感器的集成化及智慧化；

（4）開發與光學、生物學等技術領域交叉融合的新型傳感器，如MOMES傳感器（與微光學結合）、生物化學傳感器（與生物技術、電化學結合），以及納米傳感器（與納米技術結合）。

4）集成化

多功能一體化傳感器受到廣泛關注。傳感器集成化包括兩類：一種是同類型多個傳感器的集成，即同一功能的多個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列，組成線性傳感器（如CCD圖像傳感器）。另一種是多功能一體化，如幾種不同的敏感元器件制作在同一硅片上，制成集成化多功能傳感器，集成度高、體積小，容易實現補償和校正，是當前傳感器集成化發展的主要方向。如意法半導體（ST）集團提出把組合了多個傳感器的模塊作為傳感器中樞來提高產品功能；東芝公司（Toshiba Corporation）已開發出晶圓級別的組合傳感器，并發布能夠同時檢測脈搏、心電、體溫及身體活動等4種生命體征信息，并將數據無線發送至智能手機或平板電腦等的傳感器模塊SILMEE（Smart healthcare Intelligent Monitor Engine& Ecosystem）。

5）多樣化

新材料技術的突破加快了多種新型傳感器的涌現。新型敏感材料是傳感器的技術基礎，材料技術研發是提升性能、降低成本和技術升級的重要手段。除了傳統的半導體材料、光導纖維等，有機敏感材料、陶瓷材料、超導、納米和生物材料等成為研發熱點，生物傳感器、光纖傳感器、氣敏傳感器、數字傳感器等新型傳感器加快涌現。如光纖傳感器是利用光纖本身的敏感功能或利用光纖傳輸光波的傳感器，有靈敏度高、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、絕緣性好、體積小、耗電少等特點，目前已應用的光纖傳感器可測量的物理量達70多種，發展前景廣闊；氣敏傳感器能將被測氣體濃度轉換為與其成一定關系的電量輸出，具有穩定性好、重復性好、動態特性好、響應迅速、使用維護方便等特點，應用領域非常廣泛。另據BCCResearch公司指出，生物傳感器和化學傳感器有望成為增長最快的傳感器細分領域，預計2019年的年均復合增長率可達9.7％。

2.未來值得關注的四大領域

隨著材料科學、納米技術、微電子等領域前沿技術的突破以及經濟社會發展的需求，四大領域可能成為傳感器技術未來發展的重點。

1）可穿戴式應用

據美國ABI調查公司預測，2017年可穿戴式傳感器的數量將會達到1.6億。以谷歌眼鏡為代表的可穿戴設備是最受關注的硬件創新。谷歌眼鏡內置多達10余種的傳感器，包括陀螺儀傳感器、加速度傳感器、磁力傳感器、線性加速傳感器等，實現了一些傳統終端無法實現的功能，如使用者僅需眨一眨眼睛就可完成拍照。當前，可穿戴設備的應用領域正從外置的手表、眼鏡、鞋子等向更廣闊的領域擴展，如電子肌膚等。日前，東京大學已開發出一種可以貼在肌膚上的柔性可穿戴式傳感器。該傳感器為薄膜狀，在1m2面積上的質量只有3g，是普通紙張的1/27左右，厚度也只有2μm。

2）無人駕駛

美國IHS公司指出，推進無人駕駛發展的傳感器技術應用正在加快突破。在該領域，谷歌公司的無人駕駛車輛項目開發取得了重要成果，通過車內安裝的照相機、雷達傳感器和激光測距儀，以20次/秒的間隔，生成汽車周邊區域的實時路況信息，并利用人工智能軟件進行分析，預測相關路況未來動向，同時結合谷歌地圖來進行道路導航。谷歌無人駕駛汽車已經在內華達州、佛羅里達州和加利福尼亞州獲得上路行使權。奧迪、奔馳、寶馬和福特等全球汽車巨頭均已展開無人駕駛技術研發，有的車型已接近量產。

3）醫護和健康監測

國內外眾多醫療研究機構，包括國際著名的醫療行業巨頭在傳感器技術應用于醫療領域方面已取得重要進展。如羅姆公司目前正在開發一種使用近紅外光（NIR）的圖像傳感器，其原理是照射近紅外光LED后，使用專用攝像元件拍攝反射光，通過改變近紅外光的波長獲取圖像，然后通過圖像處理使血管等更加鮮明地呈現出來。一些研究機構在能夠嵌入或吞入體內的材料制造傳感器方面已取得進展。如美國佐治亞理工學院正在開發具備壓力傳感器和無線通信電路等的體內嵌入式傳感器，該器件由導電金屬和絕緣薄膜構成，能夠根據構成的共振電路的頻率變化檢測出壓力的變化，發揮完作用之后就會溶解于體液中。

4）工業控制

2012年，GE公司在《工業互聯網：突破智慧與機器的界限》報告中提出，通過智能傳感器將人機連接，并結合軟件和大數據分析，可以突破物理和材料科學的限制，并將改變世界的運行方式。報告同時指出，美國通過部署工業互聯網，各行業可實現1％的效率提升，15年內能源行業將節省1％的燃料（約660億美元）。2013年1月，GE在紐約一家電池生產企業共安裝了1萬多個傳感器，用于監測生產時的溫度、能源消耗和氣壓等數據，而工廠的管理人員可以通過iPad獲取這些數據，從而對生產進行監督。此外，荷蘭殼牌、富士電機等跨國公司也都在該領域采取了行動。

七、傳感器的標定與校準

所謂標定，就是在傳感器正式出廠投入使用之前，采用更高一級的基準儀器，給它加上已知的標準輸入信號（如給測力傳感器加上已知的標準負荷），以得出其輸出量與輸入量之間的對應關系。根據靜態標定的結果可以畫出相應的標定曲線。根據動態標定可以測定傳感器或儀表的動態特性，確定其可應用頻率范圍及動態誤差大小。

傳感器在標定后的實際使用過程中，為了保證工作的可靠性，需要定期或不定期地重復進行全部或部分標定操作，并進行適當的調整（修正、補償等），或者對某一特性的指標進行校驗和調整，這就是所謂校準。

標定和校準就其實驗內容來說，都是測定傳感器的特性參數。校準可進一步分為靜態校準與動態校準。

靜態校準是指以靜態標準量作為輸入信號，測定輸出-輸入曲線，從中確定線性度、靈敏度和滯后量等靜態特性參數，校準時所用基準儀表的精度至少比被校準傳感器的精度要高一級。例如，在油壓式壓力表校驗器上校準壓力表時，對于0.5級以下的普通壓力表，一般采用與標準壓力表比較的方法來進行校準，此時所用標準壓力表的精度至少要比被校壓力表高2級；對于0.5級以上的標準壓力表，則采用與砝碼相比較的方法來校準，校準時先輸入從小到大的各種標準壓力，在被校壓力表上讀出指示值；再輸入從大到小的標準壓力，讀出指示值，把這些數值列成表格并繪成曲線，即可根據這種壓力表的輸出-輸入曲線確定其線性度、靈敏度和遲滯等特性參數。

動態校準是指以正弦信號或階躍信號等典型信號作為傳感器的輸入信號來測定傳感器的動態響應特性。

對于零階傳感器（如測量位移的電位器式傳感器）來說，不存在動態特性，其唯一的參數是靜態靈敏度，可通過靜態校準來測定。

對于一階傳感器來說，其靜態靈敏度K也用靜態校準測定，而與動態響應有關的參數只有一個時間常數τ，可用多種方法測定。一個最簡單的方法是用階躍輸入測出其輸出量達到終值的63.2％所經歷的時間作為時間常數。但此法沒有涉及響應的全過程，其測量結果不很準確，而且無法判斷該傳感器是否真正是一階的。若用頻率響應法測試，則可以更可靠地證實傳感器性能是否是一階的，但此時的輸入信號應為正弦波，而非電量的正弦波一般是難以獲得的。

對于二階傳感器來說，其靜態靈敏度K仍用靜態校準法求得，而阻尼率ξ和固有角頻率ω0則可在階躍測試中用各種方法求得。

應當指出，目前許多傳感器的校準方法尚待進行進一步研究和統一。

八、測量誤差及其分類

任何測量都存在誤差，只要誤差在允許范圍內即可認為符合標準。傳感器也不例外，所謂傳感器的誤差，即傳感器實際輸出值與理論輸出值的差值。因此在設計與制造傳感器時，允許有誤差，但必須在規定的誤差范圍之內。

1.傳感器的誤差

由傳感器的定義可知，傳感器可將未知的物理量轉換成可知的電信號，其誤差也就是測量誤差。下面介紹有關測量的部分名詞。

1）真值

被測量本身具有的真實量值稱為真值。真值是一個理想的概念，一般是不知道的。但在某些特定情況下，真值又是可知的，如一個整圓的圓周角為360°等。

2）約定真值

由于真值往往是未知的，所以一般用基準器的量值來代替真值，稱作約定真值，它與真值之間的誤差可以忽略不計。

3）實際值

誤差理論指出，在排除了系統誤差的前提下，對于精度測量，測量次數為無限多時，測量結果的算術平均值接近于真值，因而可將它視為被測量的真值。但是測量次數是有限的，故按有限測量次數得到的算術平均值只是統計平均值的近似值。而且由于系統誤差不可能完全被排除掉，故通常只能把精度更高一級的標準器具所測量得的值作為“真值”。為了強調它并非是真正的“真值”，故把它稱為實際值。

4）標稱值

測量器具上所標出用來參考的數值。

5）示值

由測量器具讀數裝置所指示出來的被測量的數值。

6）測量誤差

用器具進行測量時，所測量出來的數值與被測量的實際值之間的差值。

2.誤差的分類

在測量中由不同因素產生的誤差是混合在一起出現的。為了便于分析和研究誤差的性質、特點和消除方法，下面將對誤差進行分類討論。

1）按表示方法分類

（1）絕對誤差：絕對誤差是示值與被測量真值之間的差值。設被測量真值為A0，器具的標稱值或示值為x，則絕對誤差Δx為

Δx=x-A0　　（1-13）

由于一般無法求得真值A0，在實際應用時常用精度高一級的標準器具的示值（作為實際值）A代替真值A0，必須指出，A并不等于A0，一般來說，A總比x更接近于A0。X與A之差常稱為器具的示值誤差，記為

Δx=x-A　　（1-14）

通常即以此值來代表絕對誤差，絕對誤差一般只適用于標準器具的校準。

（2）相對誤差：相對誤差是絕對誤差Δx與被測量的約定值之比。實際測量中，相對誤差有下列表示形式：

①實際相對誤差：實際相對誤差γA是用絕對誤差Δx與被測量的實際值A的百分比來表示的相對誤差：

②示值相對誤差：示值相對誤差γx是用絕對誤差Δx與器具的示值x的百分比來表示的相對誤差

③滿度（或引用）相對誤差：滿度相對誤差γm又稱滿度誤差，是用絕對誤差Δx與器具的滿度值xm之比來表示的相對誤差

在式（1-17）中，當Δx取為最大值Δxmax時，滿度（或引用）相對誤差就被用來確定儀表的精度等級S（如0.5％<滿度，或引用相對誤差≤1％時，則稱精度等級為1級），即

當儀表顯示值下限不為零時，精度等級S應用式（1-19）表達：

式中，Xmax和Xmin分別為儀表刻盤上的上限和下限。

我國電工儀表等級分為七級，即0.1級、0.2級、0.5級、1.0級、1.5級、2.5級、5.0級。

（3）允許誤差：允許誤差是根據技術條件的要求，規定某一類器具誤差不應超過的最大范圍。

2）按誤差出現的規律分布

（1）系統誤差：系統誤差，是按某種已知的函數規律變化而產生的誤差，又分為：

①恒定系統誤差：指在一定條件下，誤差的數值及符號都保持不變的系統誤差。

②變值系統誤差：指在一定條件下，誤差按某一確切規律變化的系統誤差。根據其變化規律又可分為以下幾種情況：

a.累進性系統誤差：指在整個測量過程中誤差的數值逐漸增加或逐漸減少的系統誤差。

b.周期性系統誤差：指在整個測量過程中誤差的數值發生周期性變化的系統誤差。

c.按復雜規律變化的系統誤差：這類誤差變化規律十分復雜，一般用曲線，表格或經驗公式來表示。

系統誤差表明了一個測量結果偏離真值的程度。系統誤差越小，測量就越準確，所有還經常用準確度一詞來表征系統誤差的大小。

（2）隨機誤差：隨機誤差又稱偶然誤差，它是由未知變化規律產生的誤差。隨機誤差表現了測量結果的分散性。經常用精密度一詞來表征隨機誤差的大小，隨機誤差越小，精密度越高。

（3）粗大誤差（過失誤差）：粗大誤差指在一定條件下測量結果顯著地偏離其實際值時所對應的誤差。在測量及數據處理中，當發現某次測量結果所對應的誤差特別大時，應認真判斷該誤差是否屬粗大誤差，如屬粗大誤差，該值應舍去不用。

3）按誤差來源分類

（1）工具誤差：指測量工具本身不完善引起的誤差，包括：

①讀數誤差：由以下幾種原因產生：

a.校準誤差：指檢測系統在定標時，用標準器具對其指定的某些定標點進行定標時所產生的誤差。

b.檢測系統分辨率不高所致的誤差。

②內部噪聲引起的誤差，主要指電子器件內部產生的噪聲。

③此外還有靈敏度不足引起的誤差，器件老化引起的誤差，檢測系統工作條件變化引起的誤差等。

（2）方法誤差：指測量時方法不完善、所依據的理論不嚴密以及對被測量定義不明確等諸多因素所產生的誤差，有時也稱為理論誤差。

4）按被測量隨時間變化的速度分類

（1）靜態誤差：指在測量過程中，被測量隨時間變化很緩慢或基本不變時的測量誤差。

（2）動態誤差：指在被測量隨時間變化很快的過程中測量所產生的附加誤差。

5）按使用條件分類

（1）基本誤差：指檢測系統在規定的標準條件下使用時所產生的誤差。檢測系統的精確度就是由基本誤差決定的。

（2）附加誤差：當使用條件偏離規定的標準條件時，除基本誤差外還會產生附加誤差。

6）按誤差與被測量的關系分類

（1）定值誤差：指誤差對被測量來說是一個定值，不隨被測量變化。

（2）累積誤差：在整個檢測系統量程內誤差值Δx與被測量x成比例變化，即

Δx=γsx　　（1-20）

式中　γs——比例常數。

項目實施

一、認識各類傳感器

圖1-17至圖1-25所示為各種傳感器的圖片，熟悉這些圖片及相應的實物做到可以確認傳感器的類型。

二、分析各類傳感器

通過查詢文獻、網絡搜尋等方法，收集各類傳感器的信息。將它們的類別、基本原理、優缺點以及適用范圍填入表1-5中。

續表

項目拓展與評價

一、訓練題目與要求

電子秤靜態特性測試

按其最大稱重量，用一個電子秤由小到大取10個不同重量的砝碼（或組合10個砝碼重量）。將砝碼從小到大進行稱重，記錄顯示值；再將砝碼從大到小進行稱重，記錄顯示值。重復3次。以砝碼重量為橫坐標，顯示值為縱坐標，繪出電子秤稱重誤差曲線、重復性曲線和遲滯曲線。

二、考核與評價

考核標準見表1-6。

思考與習題

1.從功能上講，傳感器由哪些部分組成？

2.傳感器是如何分類的？

3.何為傳感器靜態特性？靜態特性主要技術指標有哪些？

4.什么是傳感器的線性度？常用的擬合方法有哪幾種？

5.在常見的家用電器中，分別使用了什么功能的傳感器？

6.傳感器有什么作用？列舉出3種以上的傳感器分類方法。

7.傳感器的型號有幾部分組成，各部分有何意義？

8.某線性位移測量儀，當被測位移由4.5mm變到5.0mm時，位移測量儀的輸出電壓由3.5V減至2.5V，求該儀器的靈敏度。

9.有三臺測溫儀表，量程均為0～800℃，精度等級分別為2.5級、2.0級和1.5級，現要測量500℃的溫度，要求相對誤差不超過2.5％，選那臺儀表合理？

10.什么是測量值的絕對誤差、相對誤差、引用誤差？