传感器的主要特性 详解常见的几种传感器特点

详解常见的几种传感器特点

传感器是信息时代的必备产品，几乎随处可见。它是人类从外界获取信息的关键。现在人们单靠自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中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。

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，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。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

传感器的特点包括微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化等，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。

传感器的常见分类

1、电阻式

电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。

2、称重

称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。能够实现力电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。

3、压阻式

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。

用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。

4、激光

利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。

激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。

5、霍尔

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

6、生物

生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。

各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

传感器种类繁多，在某个特定应用场景里面需要特殊的传感器，随着第三代传感器的发展，这类传感器的特点是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器具有一定的人工智能，未来几年也将出现大量的智能传感器。

干货 带你认识基本的传感器特性参数

传感器的关键性能参数有多种，其中最为基本的特性参数有：量程、灵敏度、线性度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、带宽，本文将对这些参数进行一一介绍。

量程

每个传感器都有自身的测量范围，被测量处在这个范围内时，传感器的输出信号才是有一定的准确性的。

传感器的量程XFS、满量程输出值YFS、测量上限Xmax、测量下限Xmin的关系见下图。

灵敏度

传感器的灵敏度是指其输出变化量ΔY与输入变化量ΔX的比值，可以用k表示。对于一个线性度非常高的传感器来说，也可认为等于其满量程输出值YFS与量程XFS的比值。

灵敏度高通常意味着传感器的信噪比高，这将会方便信号的传递、调理及计算。

线性度

传感器的线性度又称非线性误差，是指传感器的输出与输入之间的线性程度。理想的传感器输入-输出关系应该是呈线性的，这样使用起来才最为方便。但实际中的传感器都不具备这种特性，只是不同程度的接近这种线性关系。

实际中有些传感器的输入-输出关系非常接近线性，在其量程范围内可以直接用一条直线来拟合其输入-输出关系。有些传感器则有很大的偏离，但通过进行非线性补偿、差动使用等方式，也可以在工作点附近一定的范围内用直线来拟合其输入-输出关系。

选取拟合直线的方法很多，上图表示的是用最小二乘法求得的拟合直线，这是拟合精度最高的一种方法。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称之为传感器的非线性误差δ,其最大值与满量程输出值YFS的比值即为线性度γL。

迟滞

当输入量从小变大或从大变小时，所得到的传感器输出曲线通常是不重合的。也就是说，对于同样大小的输入信号，当传感器处于正行程或反行程时，其输出值是不一样大的，会有一个差值ΔH，这种现象称为传感器的迟滞。

产生迟滞现象的主要原因包括传感器敏感元件的材料特性、机械结构特性等，例如运动部件的摩擦、传动机构间隙、磁性敏感元件的磁滞等等。

迟滞误差γH的具体数值一般由实验方法得到，用正反行程最大输出差值ΔHmax的一半对其满量程输出值YFS的比值来表示。

重复性

一个传感器即便是在工作条件不变的情况下，若其输入量连续多次地按同一方向（从小到大或从大到小）做满量程变化，所得到的输出曲线也是会有不同的，可以用重复性误差γR来表示。

重复性误差是一种随机误差，常用正行程或反行程中的最大偏差ΔYmax的一半对其满量程输出值YFS的比值来表示。

精度

在测试测量过程中，出现误差是不可避免的。误差主要有系统误差和随机误差这两种。

引起系统误差的原因诸如测量原理及算法固有的误差、仪表标定不准确、环境温度影响、材料缺陷等，可以用准确度来反映系统误差的影响程度。

引起随机误差的原因有：传动部件间隙、电子元件老化等，可以用精密度来反映随机误差的影响程度。

精度则是一种反应系统误差和随机误差的综合指标，精度高意味着准确度和精密度都高。

一种较为常用的评定传感器精度方法是用线性度、迟滞和重复性这三项误差值的方根来表示。

分辨率

传感器的分辨率代表它能探测到的输入量变化的最小值。比如一把直尺，它的最小刻度为1mm，那么它是无法分辨出两个长度相差小于1mm的物体的区别的。

有些采用离散计数方式工作的传感器，例如光栅尺、旋转编码器等，它们的工作原理就决定了其分辨率的大小。有些采用模拟量变化原理工作的传感器，例如热电偶、倾角传感器等，它们在内部集成了A/D功能，可以直接输出数字信号，因此其A/D的分辨率也就限制了传感器的分辨率。

有些采用模拟量变化原理工作的传感器，例如电流传感器、电涡流位移传感器等，其输出为模拟信号，从理论上来讲它们的分辨率为无限小。但实际上，当被测量的变化值小到一定程度时，其输出量的变化值和噪声是处于同一水平的，已没有意义了，这也相当于限制了传感器的分辨率。

零点漂移

在传感器的输入量恒为零的情况下，传感器的输出值仍然会有一定程度的小幅变化，这就是零点漂移。引起零点漂移的原因有很多，比如传感器内敏感元件的特性随时间而变化、应力释放、元件老化、电荷泄露、环境温度变化等。其中，环境温度变化引起的零点漂移是最为常见的现象。

带宽

在实际应用中，大量的被测量是时间变化的动态信号，比如电流值的变化、物体位移的变化、加速度的变化等。这就要求传感器的输出量不仅要能够精确地反映被测量的大小，还要能跟得上被测量变化的快慢，这就是指传感器的动态特性。

从传递函数的角度来看，大多数传感器都可以简化为一个一阶或二阶环节，因此，通常可以用带宽来大概反映出其动态特性。

如下图所示，在传感器的带宽范围内，其输出量的幅值在一定范围内有个小幅变化（最大衰减为0.707）。因此，当输入值做正弦变化时，通常认为输出值是可以正确反映输入值的，但是当输入值变化的频率更高时，输出值将会产生明显的衰减，导致较大的测量失真。

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