传感器技术_第一章

1、第一章第一章 传感器基础传感器基础传感器基础传感器基础传感器基础传感器基础1.1 传感器的定义传感器的定义 传感器是能够感受规定的传感器是能够感受规定的被测量被测量并按照一并按照一定的规律转换成定的规律转换成可用输出信号可用输出信号的器件或装置，通常由敏的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。感元件和转换元件组成。 输入量是某一被测量，如物理量、化学量和生物量等；输入量是某一被测量，如物理量、化学量和生物量等；（热、光、位移、速度、力、浓度、血压等）（热、光、位移、速度、力、浓度、血压等） 输出量是要便于传输、转换、处理和显示的物理量，输出量是要便于传输、转换、处理和显示的物理量，这种量可

2、以是气、光、电量，目前主要是电量；这种量可以是气、光、电量，目前主要是电量；（电阻、电容、电感、电流、频率等）（电阻、电容、电感、电流、频率等）传感器基础传感器基础 传感器是能够感受规定的传感器是能够感受规定的被测量被测量并按照一并按照一定的定的规律规律转换成转换成可用输出信号可用输出信号的器件或装置，通常由敏的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。感元件和转换元件组成。 输出和输入有对应关系，且应有一定的精确度，转换输出和输入有对应关系，且应有一定的精确度，转换必须按照一定的必须按照一定的规律规律进行。进行。 守恒定律：能量、动量、电荷量等；守恒定律：能量、动量、电荷量等； 场的定律：静

3、电场定律、电磁感应定律等；场的定律：静电场定律、电磁感应定律等； 物质定律：物质本身内在性质的定律；物质定律：物质本身内在性质的定律； 统计法则：联系宏观系统和微观系统的物理法则。统计法则：联系宏观系统和微观系统的物理法则。传感器基础传感器基础 传感器广义的定义传感器广义的定义 凡是利用一定的物质（物理、化学、生物）凡是利用一定的物质（物理、化学、生物）法则、法则、定理、定律、效应定理、定律、效应等进行能量转换与信息转换，并且等进行能量转换与信息转换，并且输入与输出严格一一对应的器件或装置均可为传感器。输入与输出严格一一对应的器件或装置均可为传感器。在不同的技术领域内，又被称作检测器、换能器、

4、变在不同的技术领域内，又被称作检测器、换能器、变换器等。换器等。传感器基础传感器基础外外界界刺刺激激五官五官人脑人脑肢体动作肢体动作传感器传感器计算机计算机执行器执行器传感器传感器 “电五官电五官传感器基础传感器基础1.2 传感器的组成传感器的组成 通常由敏感元件（预变换器）和变换元件（变换器）通常由敏感元件（预变换器）和变换元件（变换器）两部分组成。两部分组成。 敏感元件敏感元件 实现将待测的非电量变为易于转换成电量的另一种实现将待测的非电量变为易于转换成电量的另一种非非电量电量的器件。它能直接感受被测量，并输出与被测量成确的器件。它能直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一种量。定关

5、系的某一种量。敏感元件敏感元件变换元件变换元件被测被测非电量非电量非电量非电量传感器传感器电量电量 变换元件变换元件能将感受到的非电量变换为能将感受到的非电量变换为电量（电参量）电量（电参量）的器件。的器件。 测量电路测量电路 把变换元件的把变换元件的电路参量电路参量转换成电量输出。转换成电量输出。常安置于传感常安置于传感器的外部，是组成传感器的重要环节之一。器的外部，是组成传感器的重要环节之一。传感器基础传感器基础敏感元件敏感元件变换元件变换元件被测被测非电量非电量非电量非电量传感器传感器电量电量传感器基础传感器基础1.3 传感器的分类传感器的分类 按输入被测量分类按输入被测量分类基本被测量

6、基本被测量派生被测量派生被测量热工量热工量 机械量机械量物理、化学量物理、化学量生物、医学量生物、医学量 温度、热量、比热、压力、压差、流量、流速、温度、热量、比热、压力、压差、流量、流速、风速、真空度等风速、真空度等 位移、尺寸、形状、力、应力、力矩、振动、位移、尺寸、形状、力、应力、力矩、振动、加速度、噪声等加速度、噪声等 气体（液体）化学成分、浓度、盐度、粘度、气体（液体）化学成分、浓度、盐度、粘度、湿度、密度、比重等湿度、密度、比重等 心音、血压、体温、气流量、心电流、眼压、心音、血压、体温、气流量、心电流、眼压、脑电波等脑电波等传感器基础传感器基础 按输出信号形式分类按输出信号形式分

7、类传感器传感器非电量式（如色敏传感器等）非电量式（如色敏传感器等）电量式电量式开关式开关式模拟量式模拟量式数字量式数字量式有触点式有触点式无触点式无触点式脉冲式脉冲式连续式连续式频率变化式频率变化式频率频率峰值峰值宽度宽度变电阻变电阻变电压变电压变电流变电流变电感变电感变电容变电容脉冲数式脉冲数式编码式编码式 按工作原理分类按工作原理分类传感器基础传感器基础 电位器式、应变式、压阻式等电位器式、应变式、压阻式等电感式、差动变压器式、涡流式等电感式、差动变压器式、涡流式等霍尔式、热电偶式等霍尔式、热电偶式等工作原理工作原理传感器举例传感器举例变电阻变电阻 变磁阻变磁阻变电容变电容变电势变电势电容

8、式、温敏式等电容式、温敏式等变谐振频率变谐振频率振动膜（筒、弦、梁）式等振动膜（筒、弦、梁）式等变电荷变电荷压电式等压电式等1.4 传感器的应用传感器的应用 传感器在工业检测和自动控制系统中的应用传感器在工业检测和自动控制系统中的应用 在工业生产中需要及时检测各种工艺参数的信息时，通在工业生产中需要及时检测各种工艺参数的信息时，通过传感器对生产过程进行自动化控制。过传感器对生产过程进行自动化控制。传感器基础传感器基础产品检测产品检测天然气压力检测天然气压力检测传感器基础传感器基础 传感器在航空、航天中的应用传感器在航空、航天中的应用 在飞机、火箭等飞行器上使用传在飞机、火箭等飞行器上使用传感器

9、对飞行速度、飞行距离及飞行方感器对飞行速度、飞行距离及飞行方向等进行检测。美国向等进行检测。美国“阿波罗阿波罗”登月登月飞行器安装的传感器达飞行器安装的传感器达3200个。个。 传感器在机器人中的应用传感器在机器人中的应用 在生产用的单能机器人中，传感在生产用的单能机器人中，传感器用来检测臂的位置和角度；在智能器用来检测臂的位置和角度；在智能机器人中，传感器用作视觉和触觉感机器人中，传感器用作视觉和触觉感知器。在日本，机器人成本的二分之知器。在日本，机器人成本的二分之一是耗费在高性能传感器上的。一是耗费在高性能传感器上的。 传感器基础传感器基础传感器基础传感器基础 传感器在汽车中的应用传感器在

10、汽车中的应用 传感器在汽车上除了测量行驶速度、传感器在汽车上除了测量行驶速度、 行驶距离、行驶距离、 发动发动机旋转速度以及燃料剩余量等有关参数以外，机旋转速度以及燃料剩余量等有关参数以外， 而且在一些而且在一些新设施中，如汽车安全气囊、防滑控制等系统，防盗、防新设施中，如汽车安全气囊、防滑控制等系统，防盗、防抱死、排气循环、电子变速控制、电子燃料喷射等装置以抱死、排气循环、电子变速控制、电子燃料喷射等装置以及汽车及汽车“黑匣子黑匣子”等都安装了相应的传感器。等都安装了相应的传感器。 现代家庭中，用电厨具、空调器、现代家庭中，用电厨具、空调器、 电冰箱、电冰箱、 洗衣机、洗衣机、 电子热水器、

11、安全电子热水器、安全报警器、吸尘器、电熨斗、照相机、音报警器、吸尘器、电熨斗、照相机、音像设备等都用到了传感器。像设备等都用到了传感器。 传感器在家电中的应用传感器在家电中的应用火灾报警器火灾报警器传感器基础传感器基础 为了保护环境，研制用以监测大气、水质及噪声污染的传为了保护环境，研制用以监测大气、水质及噪声污染的传感器，已被世界各国所重视。感器，已被世界各国所重视。 传感器在环境保护中的应用传感器在环境保护中的应用 利用红外探测可以发现地形、地物及敌方各种军事目标。红利用红外探测可以发现地形、地物及敌方各种军事目标。红外雷达具有搜索、跟踪、测距等功能，可以搜索几十到上千米的外雷达具有搜索、

12、跟踪、测距等功能，可以搜索几十到上千米的目标。红外探测器在红外制导、红外通信、红外夜视、红外对抗目标。红外探测器在红外制导、红外通信、红外夜视、红外对抗等方面也有广泛的应用。等方面也有广泛的应用。 传感器在军事中的应用传感器在军事中的应用 首架采用新电光和红外传感器的首架采用新电光和红外传感器的CP-140CP-140曙光女神曙光女神 巡逻机巡逻机1.5 传感器的发展方向传感器的发展方向传感器基础传感器基础 发现新效应，开发新材料、新功能发现新效应，开发新材料、新功能 多功能集成化和微型化多功能集成化和微型化 数字化、智能化和网络化数字化、智能化和网络化 研究生物感官，开发仿生传感器研究生物感

13、官，开发仿生传感器 不断向高稳定性、高可靠性、高精度发展不断向高稳定性、高可靠性、高精度发展传感器基础传感器基础1.6 传感器的基本特性传感器的基本特性 静态特性静态特性 动态特性动态特性 当被测量的各个值处于当被测量的各个值处于稳定状态稳定状态（静态测量之下）（静态测量之下）时，传感器的输出与输入之间关系（数学表达式、曲线时，传感器的输出与输入之间关系（数学表达式、曲线或数表）。或数表）。 当被测量当被测量随时间变化随时间变化时，传感器的输出与输入之间时，传感器的输出与输入之间关系（数学表达式、曲线或数表）。关系（数学表达式、曲线或数表）。传感器基础传感器基础1.6.1 静态特性静态特性 线

14、性度线性度 x 输入量输入量 ； y 输出量输出量 ；a0 零位输出零位输出 ； a1 传感器的灵敏度，常用传感器的灵敏度，常用k表示表示 ；a2 , an 非线性项待定常数。非线性项待定常数。 当不考虑传感器迟滞、蠕变效应，传感器静态特性可用当不考虑传感器迟滞、蠕变效应，传感器静态特性可用下式来描述：下式来描述：y a0 + a1x + a2x2 + + anxn（传感器静态特性的数学模型）（传感器静态特性的数学模型）传感器基础传感器基础传感器的静态特性传感器的静态特性(a) y = a1x, (b) y = a1x + a3x3 + a5x5 + , (c) y = a1x + a2x2

15、+ a4x4 + , (d) y = a1x + a2x2 + a3x3 + ,传感器基础传感器基础 通常，测出的输出和输入通常，测出的输出和输入校准曲线校准曲线与所选定的与所选定的拟合直线拟合直线之之间不吻合的程度，称为传感器的间不吻合的程度，称为传感器的“非线性误差非线性误差”或或“线性线性度度”。(yL)max(yL)max(yL)max L = 100 % |(yL)max |YF.S.|(yL)max | 输出平均值与拟和直线间的最大偏差绝对值；输出平均值与拟和直线间的最大偏差绝对值；|YF.S | 满量程输出。满量程输出。最最小小的的非非线线性性误误差差传感器基础传感器基础 重复性

16、重复性 衡量传感器在同一工作条件下，被测输入量衡量传感器在同一工作条件下，被测输入量按同一方按同一方向向作作全程全程连续多次重复测量时，所得输出值（校准曲线）连续多次重复测量时，所得输出值（校准曲线）的一致程度。它反映传感器的精密度。的一致程度。它反映传感器的精密度。 R = 100 % SYF.S.S 标准偏差；标准偏差； 置信系数，通常取置信系数，通常取2或或3；YF.S. 满量程输出。满量程输出。xy0传感器基础传感器基础 迟滞迟滞 衡量传感器在衡量传感器在正正（输入量增大）、（输入量增大）、反反（输入量减小）（输入量减小）行程行程期间，输出输入曲线不重合的程度。它反映传感器期间，输出输

17、入曲线不重合的程度。它反映传感器的机械部分和结构材料方面不可避免的弱点。的机械部分和结构材料方面不可避免的弱点。(yH)max 输出值在正、反行程输出值在正、反行程 之间的最大差值；之间的最大差值； YF.S. 满量程输出。满量程输出。0(yH)max yyF.S.xF.S. x H = 100 % (yH)max YF.S. 精度精度 在规定条件下，允许的最大的绝对误差相对其测量范围在规定条件下，允许的最大的绝对误差相对其测量范围的百分数。的百分数。传感器基础传感器基础(y)max 测量范围内允许的最大绝对误差；测量范围内允许的最大绝对误差； YF.S. 满量程输出。满量程输出。 = 100 % (y)max YF.S. 去掉相对百分误差的去掉相对百