传感器的基本理论教材

1、2.1.1 传感器的作用传感器的作用2.1.2 传感器的定义、组成和分类传感器的定义、组成和分类2.1.3 传感器的特性传感器的特性2.1.4 传感器的选用原则传感器的选用原则 图1 测控系统组成知识回顾：知识回顾： 一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。的器件。传感器是获取信息的主要手段和途径，如同人的五传感器是获取信息的主要手段和途径，如同人的五官、皮肤进行信息采集。传感器是构成现代信息技术官、皮肤进行信息采集。传感器是构成现代信息技术的三大支柱之一。的三大支柱之一。2.1.1 传感器的作用传感器的作用2.1.1 传感器的作用传感器

2、的作用目前传感器涉及的领域极其广泛：目前传感器涉及的领域极其广泛：u大到宇宙开发。大到宇宙开发。 “整个宇宙飞整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体。船就是高性能传感器的集合体。”2.1.1 传感器的作用传感器的作用2.1.1 传感器的作用传感器的作用2.1.2 传感器的定义、组成和分类传感器的定义、组成和分类以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。便于应用的某种物理量的测量装置。定义包涵的含义定义包涵的含义： 传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量，

3、可能是物理量它的输入量是某一被测量，可能是物理量( (如压如压力、温力、温度、位移等度、位移等)，也可能是化学量、生物量等；，也可能是化学量、生物量等； 它的输出量是某种物理量，该量要便于传输、转换、处它的输出量是某种物理量，该量要便于传输、转换、处理、显示等，可以是气体、光、电量，但主要是电量理、显示等，可以是气体、光、电量，但主要是电量 ； 输出与输入有一定的对应关系，且应有一定的精确度。输出与输入有一定的对应关系，且应有一定的精确度。实例（一）图2 气体压力传感器 膜盒膜盒2的下半部与壳体的下半部与壳体1固接固接,上上半部通过连杆与磁心半部通过连杆与磁心4相连相连,磁心磁心4置于两个电感

4、线圈置于两个电感线圈3中中,后者接后者接入转化电路入转化电路5。这里膜盒就是敏。这里膜盒就是敏感元件感元件,其外部与大气压其外部与大气压pa相通相通,内部感受被测压力内部感受被测压力p,当当p变化时变化时,引起膜盒上半部移动引起膜盒上半部移动,即输出相即输出相应的位移量。可变电感应的位移量。可变电感3是转化是转化元件元件,它把输入的位移量转换成它把输入的位移量转换成电感的变化。电感的变化。5即为转换电路。即为转换电路。 2.1.2 传感器的定义、组成和分类传感器的定义、组成和分类被测量被测量电信号电信号 例如，图例如，图2中膜盒将被测压力的变化先转换成位移量，它就是敏感元件。中膜盒将被测压力的

5、变化先转换成位移量，它就是敏感元件。例如，图例如，图2中电感线圈将位移量变换为电感变换，它就是转换元件。中电感线圈将位移量变换为电感变换，它就是转换元件。 例如，图例如，图2中转换电路中转换电路5将电感信号处理为电压或电流信号。将电感信号处理为电压或电流信号。2.1.2 传感器的定义、组成和分类传感器的定义、组成和分类2.1.2 传感器的定义、组成和分类传感器的定义、组成和分类结构型传感器则是依靠结构型传感器则是依靠元件相对位置变化引起场元件相对位置变化引起场的变化来实现信号转的变化来实现信号转换，不是以材料特性变化为基础的。换，不是以材料特性变化为基础的。物性型传感器的性能随材料的不同而异物

6、性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了物质法则中。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。2.1.2 传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法机电式机电式光电式光电式热电式热电式磁电式磁电式电化学式电化学式电参量式

7、电参量式气电式气电式波式波式半导体式半导体式压电式压电式机电式传感器机电式传感器是将机械信号转化成电子信号。是将机械信号转化成电子信号。比如，金属应变片是一种能将机械构件上应变的变化转换为比如，金属应变片是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件，金属应变片与相应的测量电路组成的测力电阻变化的传感元件，金属应变片与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩、温度等测量系统。、测压、称重、测位移、加速度、扭矩、温度等测量系统。光电式传感器光电式传感器指能将光信号转换为电信号的一种传指能将光信号转换为电信号的一种传感器。感器。比如，滚轮鼠标有两对光电传感器，以轮间隙的转

8、动来实现比如，滚轮鼠标有两对光电传感器，以轮间隙的转动来实现光通路的通断，另外还有光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤光通路的通断，另外还有光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄象式等。维式、红外式、摄象式等。热电式传感器热电式传感器是能感受温度变化的传感器。是能感受温度变化的传感器。比如，热电偶、热电阻及热敏电阻等。比如，热电偶、热电阻及热敏电阻等。磁电式传感器磁电式传感器是指将磁信号转化成为电信号输出。应是指将磁信号转化成为电信号输出。应用最早的是根据电磁感应原理制造的磁电式的传感器。用最早的是根据电磁感应原理制造的磁电式的传感器。但是到今天已经被以高性能磁敏感材料为主的新型磁传

9、但是到今天已经被以高性能磁敏感材料为主的新型磁传感器所替代。感器所替代。家用录像机中大多数有变速与高速重放功能，可用家用录像机中大多数有变速与高速重放功能，可用磁旋转传感器磁旋转传感器检测主轴速度并进行控制，获得高画面的质量。洗衣机中的电机的检测主轴速度并进行控制，获得高画面的质量。洗衣机中的电机的正反转和高低速旋转功能都可以通过伺服旋转传感器来实现检测和正反转和高低速旋转功能都可以通过伺服旋转传感器来实现检测和控制。控制。比如，比如，电磁接近开关电磁接近开关可以感应到进入自己检验区域的金属物体，可以感应到进入自己检验区域的金属物体，控制自己内部电路的开或关。开关自己产生磁场，当有金属物体进控

10、制自己内部电路的开或关。开关自己产生磁场，当有金属物体进入到磁场会引起磁场的变化。这种变化通过开关内部电路可以变成入到磁场会引起磁场的变化。这种变化通过开关内部电路可以变成电信号。电信号。 电化学式传感器电化学式传感器是以离子导电为基础制成，主要用于是以离子导电为基础制成，主要用于分析气体，液体或溶于液体的固体成分，液体的酸碱度，分析气体，液体或溶于液体的固体成分，液体的酸碱度，电导率及氧化还原电位等参数的测量。电导率及氧化还原电位等参数的测量。电参量式传感器电参量式传感器包括电阻式、电容式、电感式三个基包括电阻式、电容式、电感式三个基本型式，以及由此派生出来的电触式、差动变压器式、本型式，以

11、及由此派生出来的电触式、差动变压器式、涡流式、压磁式、感应同步器式等。涡流式、压磁式、感应同步器式等。气电式传感器气电式传感器是一种检测特定气体的传感器是一种检测特定气体的传感器 ，主要有，主要有电位器式、应变式。它的应用主要有：一氧化碳气体的电位器式、应变式。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。测等等。波式传感器波式传感器分为超声波式、微波式。分为超声波式、微波式。2.1.2 传感器的定义、组成和分类方法传

12、感器的定义、组成和分类方法2.1.2 传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法实例（二）：我们来看一组数据 ： 传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。 当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。 当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；当输入量为常

13、量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；2.1.3 传感器基本特性传感器基本特性传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。2.1.3 传感器基本特性传感器基本特性传感器静态特性传感器静态特性 静态特性包括：静态特性包括： 线性度线性度、迟滞迟滞、重复性重复性、灵敏度灵敏度、稳定性稳定性2.1.3 传感器基本特性传感器基本特性传感器静态特性传感器静态特性（1）线性度）线性度传感器输出传感器输出-输入特性可以多项式表示：输入特性可以多项式表示：Y=a0+a1x+a2x2+anxn其中：其中：x输入量；输入量； Y输出量；输出量； a0 x=0时的输出值；时的输

14、出值； a1理想灵敏度；理想灵敏度； a2，a3，an非线性项系数非线性项系数2.1.3 传感器基本特性传感器基本特性传感器静态特性传感器静态特性%100maxFSLYLu传感器的非线性误差（线性度）传感器的非线性误差（线性度） 线性度，又称非线性误差，说明线性度，又称非线性误差，说明了测量系统实际的静态特性的校准了测量系统实际的静态特性的校准特性与某一参考直线不吻合程度的特性与某一参考直线不吻合程度的最大值，表示为：最大值，表示为：校准曲线与拟合直线间的最大偏差校准曲线与拟合直线间的最大偏差 YFS 满量程输出满量程输出 线性度线性度 2.1.3 传感器基本特性传感器基本特性传感器静态特性传

15、感器静态特性（2）迟滞）迟滞u迟滞是指传感器在相同工作条迟滞是指传感器在相同工作条件下作全测量范围校准时，正、件下作全测量范围校准时，正、反行程校准曲线间的最大差值。反行程校准曲线间的最大差值。例：一电子秤，例：一电子秤，增加砝码增加砝码 10g 50g 100g 200g 电桥输出电桥输出 0.5mV2.4mV 3.9mV 10mV 减砝码输出减砝码输出 1mV 3mV 6mV 10mVu在数值上在数值上用此最大差值对满量程用此最大差值对满量程输出的百分比来表示：输出的百分比来表示：2.1.3 传感器基本特性传感器基本特性传感器静态特性传感器静态特性（3）重复性）重复性u重复性是指传感器在输

16、入按同一重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。不一致的程度。u在数值上在数值上可用正反行程的可用正反行程的 y0Rmax2Rmax1Rmax1正行程的最大重复性偏差，正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。反行程的最大重复性偏差。2.1.3 传感器基本特性传感器基本特性传感器静态特性传感器静态特性（4）灵敏度）灵敏度u灵敏度是描述测量系统对输入量变化反应的能力。灵敏度是描述测量系统对输入量变化反应的能力。u通常由测量系统的输出变化量通常由测量系统的输出变化量y与引起该输出量与引起该输出量 变化的输入变化量变化的

17、输入变化量x的比值来表征。的比值来表征。2.1.3 传感器基本特性传感器基本特性传感器静态特性传感器静态特性（5）精度）精度u传感器的精度是指传感器在其量程范围内，它的传感器的精度是指传感器在其量程范围内，它的基本误差基本误差( (包括随机误差和系统误差包括随机误差和系统误差) )与满量程输出与满量程输出的百分比值，即的百分比值，即SL传感器的系统误差限，在数值上取传感器的正、传感器的系统误差限，在数值上取传感器的正、 反行程校准曲线与工作直线间的最大差值反行程校准曲线与工作直线间的最大差值(绝对值绝对值)；max计算重复性用到的最大标准差计算重复性用到的最大标准差%1003maxFSLYSP

18、 2.1.3 传感器基本特性传感器基本特性传感器静态特性传感器静态特性（6）稳定性）稳定性2.1.3 传感器基本特性传感器基本特性传感器静态特性传感器静态特性（7）分辨力）分辨力u表示传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。表示传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。 也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输

19、出才会发生变化。量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。当输入的变化量被传感器内部噪声吸收时将反映不到输出当输入的变化量被传感器内部噪声吸收时将反映不到输出 （7）分辨力）分辨力2.1.3 传感器基本特性传感器基本特性传感器静态特性传感器静态特性传感器的性能要求传感器的性能要求无论何种传感器，尽管它们的原理、结构不同，使用环无论何种传感器，尽管它们的原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不尽相同，但有基本境、条件、目的不同，其技术指标也不尽相同，但有基本要求却是相同的。要求却是相同的。灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；

20、 噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；噪声小，并且具有抗外部噪声的性能； 滞后、漂移误差小；滞后、漂移误差小； 动态特性良好；动态特性良好； 在接入测量系统时，对被测量不产生影响；在接入测量系统时，对被测量不产生影响； 功耗小，复现性好，有互换性；功耗小，复现性好，有互换性； 防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用； 结构简单，容易维修和校正；结构简单，容易维修和校正； 低成本、通用性强；低成本、通用性强； （1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型量程的大小量程的大小被测位置对传感器体积的要求被测位置对传感器体积的要求测量方

21、式测量方式为接触式还是非接触式为接触式还是非接触式传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。还是自行研制。2.1.4 传感器的选用原则传感器的选用原则（2 2）线性范围）线性范围传感器在线性范围内输入与输出成比例关系，线性范围传感器在线性范围内输入与输出成比例关系，线性范围越高，则传感器的工作量程越大。传感器工作在线性区域越高，则传感器的工作量程越大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。内，是保证测量精度的基本条件。但实际上但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。

22、当所要求测量精度比较低时，在一定的范度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。会给测量带来极大的方便。2.1.4 传感器的选用原则传感器的选用原则（3）灵敏度的选择）灵敏度的选择一般来讲，希望传感器的灵敏度越高越好。一般来讲，希望传感器的灵敏度越高越好。u只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。号的值才比较大，有利于信号处理。u但要注意的是但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量，传感器的灵敏

23、度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的干扰信有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的干扰信号。号。2.1.4 传感器的选用原则传感器的选用原则（4）精度）精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。量系统测量精度的一个重要环节。p传感器的精度越高，其价格越昂贵；传感器的精度越高，其价格越昂贵；定性测量分析，选用重复精度高的传感器即可

24、；定性测量分析，选用重复精度高的传感器即可；定量测量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度定量测量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。等级能满足要求的传感器。2.1.4 传感器的选用原则传感器的选用原则（5）稳定性）稳定性稳定性表示传感器经过长时间使用后，其输出特性不发生稳定性表示传感器经过长时间使用后，其输出特性不发生变化的性能。变化的性能。1）传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用）传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。2）在某些要求传感器能

25、长期使用而又不能轻易更换或标定）在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。长时间的考验。2.1.4 传感器的选用原则传感器的选用原则本节小结：本节小结： 磁电式光电开关磁电式光电开关例子（温度传感器）：接触式、非接触式例子（温度传感器）：接触式、非接触式接触式接触式定义：定义：由热平衡原理可知，两个物体接触后，经过足由热平衡原理可知，两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡，它们的温度必然相等。如果其够长的时间达到热平衡，它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式就为接触式。量，这种测温方式就为接触式。特点：特点：温度计要与被测物体有良好的热接触，使两者温度计要与被测物体有良好的热接触，使两者达到热平衡。因此，测温准确度较高。用接触法测温时达到热平衡。因此，测温准确度较高。用接触法测温时，感温元件要与被测物体接触，往往要破坏被测物体的，感温元件要与被测物体接触，往往要破坏被测