传感器技术基础：定义、作用、组成、分类与特性
传感器技术基础：定义、作用、组成、分类与特性
传感器技术是现代科技的重要组成部分，广泛应用于工业自动化、航空航天、资源探测、环境保护、医学、家用电子产品和军事等领域。本文将为您详细介绍传感器的基本概念、作用、组成、分类、特性以及发展方向，帮助您全面了解这一重要技术领域。
传感器基础知识
1.1 传感器的概念与定义
1.1.1 传感器的概念
传感器是人类探知自然界信息的触角，它最早出自于“感觉”一词。——天然传感器
传感器是一种能把特定的被测信号按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。
1.1.2 传感器的定义
传感器是指能感受（或响应）规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。广义上说，传感器是指在测量装置和控制系统输入部分中起信号检测作用的器件。狭义上把传感器定义为能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置。
1.2 传感器的作用
传感器在各个领域的应用日益广泛，其主要作用包括：
- 工业自动化系统：实现自动化检测与控制
- 航空航天：监测飞行器状态
- 资源探测与环境保护：监测环境参数
- 医学领域：监测人体生理参数
- 家用电子产品：实现智能化控制
- 军事领域：监测战场环境
1.3 传感器的基本组成
传感器一般由两个基本元件组成：敏感元件与转换元件。应该指出的是，并不是所有的传感器都包括敏感元件与转换元件，有一部分传感器不需要起预变换作用的敏感元件，如热敏电阻、光电器件等。
1.4 传感器的分类
传感器可以根据不同的标准进行分类：
1.4.1 按输入量（被测对象）分类
输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。
1.4.2 按输出量分类
传感器按输出量不同可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。模拟式传感器是指传感器的输出信号为模拟量。数字式传感器是指传感器的输出信号为数字量。
1.4.3 按基本效应分类
根据传感技术所蕴涵的基本效应，可以将传感器分为物理型、化学型、生物型。
1.4.4 按工作原理进行分类
传感器可按其工作原理命名，如应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器等。
1.4.5 按能量变换关系进行分类
按能量变换关系，传感器可分为能量变换型传感器和能量控制型传感器。
1.5 传感器的基本特性
传感器的输入和输出关系特性是传感器的基本特性，也是传感器的内部参数作用关系的外部特性表现，不同的传感器内部结构参数决定了它具有不同的外部特性。
1.5.1 传感器的静态特性
传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出和输入关系。
线性度
传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度），通常用相对误差表示。灵敏度
传感器的灵敏度是指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。迟滞
迟滞是指传感器在正反行程中输出与输入曲线不重合的现象，如图1-5所示。其数值用最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比表示：
重复性
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度,如图1-6所示。重复性误差属于随机误差,常用标准偏差表示,也可用正反行程中的最大偏差表示。分辨力与阈值
分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力可用绝对值表示，也可用与满量程的百分数表示。在传感器输入零点附近的分辨力称为阀值。温度稳定性
温度稳定性又称温漂，表示温度变化时传感器输出值的偏离程度，一般以温度变化1℃时输出的最大偏差与满量程的百分比表示。
1.5.2 传感器的动态特性
传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。除了理论的比例特性以外，输出信号和输入信号不会具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。
瞬态响应特性
(1)一阶传感器的单位阶跃响应
(2)瞬态响应特性指标
①时间常数τ：一阶传感器的时间常数越小，响应 时间越快。
②延时时间：50%。
③上升时间：90%。
④超调量：超出稳态值的最大值。频率响应特性
传感器对正弦输入信号的响应特性
(1)一阶传感器的频率响应
(2)频率响应特性指标
①频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带或通频带, 对应有上下截止频率。
②时间常数τ。
③固有频率ωn。
1.6 传感器的发展方向
传感器技术正朝着以下几个方向发展：
- 探索新课题
- 开发新材料
- 集成化
- 智能化
本章小结
非电量电测技术已经成为各个领域，特别是自动测量和自动控制系统中必不可少的组成部分，使非电量电测技术得以实现的传感器技术无疑是这些系统的关键。传感器是根据物理、化学、生物的某些效应或原理研制出来的。某一原理设计的传感器可以测量多种参量，某一参量也可以用不同的传感器测量。因此，传感器可以按不同的方法分类。可以按被测量分，也可按工作原理分，这些分类方法各有所长。在实际应用中，传感器的命名通常用工作原理与被测量合成命名，如扩散硅压力传感器。传感器的特性有静态特性和动态特性之分，静态特性主要有线性度、灵敏度、不重复性、温漂及零漂等；动态特性主要考虑它的幅频特性和相频特性，通常只给出响应时间。