传感器技术与应用

1、传感器技术与应用传感器技术与应用东北大学东北大学 理学院理学院 王旗王旗2016-20172016-2017学年学年 第一学期第一学期 自我介绍n王旗王旗n19811981年生人；年生人；n办公室：建筑馆办公室：建筑馆310310nTEL: TEL: nEmail: Email: nQQ: 9776539QQ: 9776539课程简介n 考查课考查课n 理论课理论课32学时，学时， n 周二周二5、6节（教节（教105）1-6周周n 周五周五1、2节（教节（教105）1-10周；周；n 实验课实验课8学时；学时；n 10月月n 下午下午13：0020：00n 11月月30日前交实验报告日前交实

2、验报告n日日井口征士井口征士,传感工程传感工程, 北京北京: 科学出版社科学出版社,2001 参考书目参考网站1仪表技术与传感器 2传感器世界 3中国传感器 4传感器技术 521IC中国电子网 6 中国传感网 n在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器。在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器。 n传感技术（测量技术）像物理和数学一样是所有传感技术（测量技术）像物理和数学一样是所有科学技术的基础科学技术的基础 。“没有传感器就没有现代科学技术没有传感器就没有现代科学技术”的观点已的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断

3、地向人类提供就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。然、改造自然的有利工具。课程简介“连接物理世界与数字世界：传感连接物理世界与数字世界：传感” 企业技术事业部副总裁兼英特尔研究总监企业技术事业部副总裁兼英特尔研究总监 钱安达钱安达 n钱安达介绍了通过传感器把物理世界与数字世界连接起来钱安达介绍了通过传感器把物理世界与数字世界连接起来的本源计算能力。传感器是了解物理世界的最重要窗口，的本源计算能力。传感器是了解物理世界的最重要窗口，它能把自然界的模拟信息转化成可由计算机处理的数字信它能把自然

4、界的模拟信息转化成可由计算机处理的数字信息，从而对人类生活带来强有力的积极影响。息，从而对人类生活带来强有力的积极影响。n钱安达探讨了各种从微观到宏观大小的传感器，如可追踪钱安达探讨了各种从微观到宏观大小的传感器，如可追踪干细胞和皮肤损伤的图像传感器，能感知人类活动以协助干细胞和皮肤损伤的图像传感器，能感知人类活动以协助教学和娱乐的摄像头和加速传感器，以及让社区参与气候教学和娱乐的摄像头和加速传感器，以及让社区参与气候监控的环境传感器。多方位精确感知物理世界、理解并采监控的环境传感器。多方位精确感知物理世界、理解并采取适当措施的能力则是成功的关键。取适当措施的能力则是成功的关键。n近期，旧金山

5、，英特尔公司举行了以近期，旧金山，英特尔公司举行了以“连接真实生活连接真实生活与数字世界的桥梁与数字世界的桥梁”为主题的研究沟通会。为主题的研究沟通会。 电阻式远传压力表感应式流量表称重传感器CCD传感器质子旋进式磁敏传感器压阻式液位传感器光敏传感器温度传感器风力参数传感器地震检波器反射式光敏传感器磁、气、力敏传感器超声传感器n 第第1 1章：传感器概论章：传感器概论4 4n 第第2 2章：力的测量章：力的测量4 4n 第第3 3章：测量形状、位置与颜色的传感器章：测量形状、位置与颜色的传感器6 6n 第第4 4章：测量温度和气体成分的传感器章：测量温度和气体成分的传感器4 4n 第第5 5章

6、：测量流量、流速的传感器章：测量流量、流速的传感器4 4n 第第6 6章：传感器与计算机章：传感器与计算机4 4n 第第7 7章：其他种类传感器章：其他种类传感器6 6本课程分为以下几章讲解：n与其它课程的学习联系起来与其它课程的学习联系起来, , 特别是物理学、电特别是物理学、电子技术和计算机（单片机）等课程；子技术和计算机（单片机）等课程；n注意知识的积累与应用，扩大知识面；注意知识的积累与应用，扩大知识面；n 除了参考教材中的内容外，多看一些参考书，除了参考教材中的内容外，多看一些参考书，了解各个行业中的应用情况，逐步了解社会，进了解各个行业中的应用情况，逐步了解社会，进入社会，服务社会

7、；入社会，服务社会；n明确重点明确重点n 新型传感器的开发；新型传感器的开发；n 传感器的应用，测量仪器的开发，科学研究，传感器的应用，测量仪器的开发，科学研究，物理学；物理学；学习方法的几点建议：课程考核方式n课堂测验：每次满分课堂测验：每次满分1010分，总计分，总计8080分；分；n （取平均分乘（取平均分乘8 8）n实验：实验：2020分；分；n累加计总成绩。累加计总成绩。 n根据总成绩，确定优、良、中、及格、不及格根据总成绩，确定优、良、中、及格、不及格n 第1章 传感器概论可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。方面起着

8、重要作用。传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。离不开各种各样的传感器。n传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。n传感器是获取信息的主要途径与手段。传感器是获取信息的主要途径与手段。n

9、没有传感器，现代化生产就失去了基础。没有传感器，现代化生产就失去了基础。 n传感器是边缘学科开发的先驱。传感器是边缘学科开发的先驱。国家标准（国家标准（GB7665-87）中传感器（）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。可用输出信号的器件或装置。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；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；量、生物量等；输出量是某种物理量，便于传输、转

10、换、处理、显示输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器功用：一感二传传感器功用：一感二传,即感受被测信息即感受被测信息,并传送出去。并传送出去。n1.1 什么是传感器二、传感器的组成n三、传感器与人体器官的比较三、传感器与人体器官的比较n在许多方面传感器的性能已经凌驾于人的感在许多方面传感器的性能已经凌驾于人的感观之上：观之上：n1.传感器可以测量人体无法感知的量，如紫传感器可以测量人体无法感知的量，如紫外线、

11、超声波、磁场等；外线、超声波、磁场等；n2.传感器的测量更准确、更快，例如在检测传感器的测量更准确、更快，例如在检测可见光方面，人眼的视觉残留约为可见光方面，人眼的视觉残留约为0.1s，而，而光晶体管的相应时间可短到纳秒以内。光晶体管的相应时间可短到纳秒以内。n3.传感器可以把人所不能看到的物体通过数传感器可以把人所不能看到的物体通过数据处理变换为视觉图像，比如据处理变换为视觉图像，比如CT能把人体内能把人体内部形貌用断层图像显示出。部形貌用断层图像显示出。n三、传感器与人体器官的比较（续）三、传感器与人体器官的比较（续）n人的感观也在许多方面仍然优于传感器：人的感观也在许多方面仍然优于传感器

12、：n1.零维探测与多维感知零维探测与多维感知n2.单功能与多功能单功能与多功能n3.非智能型与智能型非智能型与智能型n1）宴会效应：选择功能）宴会效应：选择功能n2）咖啡桌效应：学习功能）咖啡桌效应：学习功能n3）高桥效应：联想功能）高桥效应：联想功能n4）模糊效应：模拟量识别）模糊效应：模拟量识别n5）森林效应：全局与局部）森林效应：全局与局部n四、传感器的分类n按被测量分类：按被测量分类：n力、位移、速度、加速度、压力、浓度、温力、位移、速度、加速度、压力、浓度、温度等度等n按测量原理分类：按测量原理分类：n变电阻、变磁阻、变电容、变谐振频率、变变电阻、变磁阻、变电容、变谐振频率、变电荷等

13、电荷等n按工作效应分类：按工作效应分类：n物理传感器物理传感器: 既有结构型的也有物性的。既有结构型的也有物性的。n化学传感器：应用电化学反应原理化学传感器：应用电化学反应原理n生物传感器：功能识别物质生物传感器：功能识别物质+电光信号转换电光信号转换装置装置分类法型式说 明按基本效应分类物理型化学型生物型采用物理效应进行转换采用化学效应进行转换采用生物效应进行转换按构成原理分类结构型物性型以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分类能量转换型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工作原理分电阻式电容

14、式电感式压电式磁电式热电式光电式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输入量分类长度、角度、振动、位移、压力、温度、流量、距离、速度等以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、）输出量为数字信号（脉冲、编码、）五、传感器的发展动向v 开发新型传感器 v 开发新材料 v 新工艺的采用 v 集成化、多功能化v 智能化 开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新开展基础研究，发现

15、新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。 1 1开发新型传感器开发新型传感器新型传感器包括：采用新原理

16、；填补传感器空白；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。2 2开发新材料开发新材料（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义

17、范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。 3新工艺的采用例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。 4集成化、多功能化同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如元件

18、用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图图像传感器。像传感器。多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。 为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。5 5智能化智能化对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，

19、实现远距离、高速度、高精度传输等。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。n1.2 传感器的特性n传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。n当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；n当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。n 传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系 。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输

20、入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图所示。kxy 稳定性(零漂)传感器传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响 传感器输入输出作用图输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标n一、传感器的静态特性n1.线性度（非线性误差）静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。传感器的输出输入关系或

21、多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：式中：y输出量； x输入量； a0零点输出； a1理论灵敏度； a2、a3、 、 an非线性项系数。 各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn 通常用相对误差L表示：Lmax一最大非线性误差； yFS量程输出。在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。非线性偏差的大

22、小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。L=(Lmax/yFS)100%理论拟合；端点连线平移拟合；端点连线拟合；理论拟合；端点连线平移拟合；端点连线拟合； 过零旋转拟合；最小二乘拟合；过零旋转拟合；最小二乘拟合；直线拟合方法 a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法min2112niiiniibkxy最小二乘法拟合最小二乘法拟合y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准

23、数据与拟合直线上响应值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理就是使 为最小值，即i=yi-(kxi+b) 对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式2i2i即得到k和b的表达式022iiiixbkxyk0122bkxybiii22iiiiiixxnyxyxnk 222iiiiiiixxnyxxyxb将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。2 2迟滞迟滞0yxHmaxyFS迟滞特性%100/2/1maxFSHHy式中 Hmax正反行程间输出的最大差值。 迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于

24、每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。 传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即3重复性yx0Rmax2Rmax1%100/maxFSRRy重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即重复性是指传感器在输入按重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。得特性曲线不一致的程度。重复性误差也常用绝对误差表示。检测时也可选取几个测试点，对应每一点多次从同一方向趋近，获得输出值系列yi1，yi2，yi3，yi

25、n ，算出最大值与最小值之差作为重复性偏差Ri，在几个Ri中取出最大值Rmax 作为重复性误差。Rmax1正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。4灵敏度与灵敏度误差s=(k/k)100%由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。K=y/x传感器输出的变化量传感器输出的变化量 y与引起该变化量的输入变化量与引起该变化量的输入变化量 x之比即为其静态灵敏度，其表达式为之比即为其静态灵敏度，其表达式为分辨力用绝对值表示,用与

26、满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。 5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。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。 6稳定性测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。 稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。测试时先将

27、传感器置于一定温度(如20),将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数(如5或10),再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。 8 8抗干扰稳定性抗干扰稳定性7温度稳定性温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。温度稳定性误差用温度每变化若干的绝对误差或相对误差表示,每引起的传感器误差又称为温度误差系数。指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。2111niiyn 9 9静态误差静态误差取2 和3 值即为传感器的静态误差。静态误

28、差也可用相对误差来表示，即 %100/3FSy静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差,看成是随机分布,求出其标准偏差,即静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。理论值的偏离程度。yi各测试点的残差； n一测试点数。2222SRLH与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)10、精确度准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如, ,某某流量传感器的准确度为流量传感器的准确度为0.3m3/s0.3m3/s，表示该传感器的输出，表示该传感器的输出值与真

29、值偏离值与真值偏离0.3m3/s0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。精密度高。精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5。精密度是随即误差大小的

30、标志，精密度高，意味着随精密度是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。 （a）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高 （c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。 被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，

31、则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。二、传感器的动态特性二、传感器的动态特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。标准输入有三种：经常使用的是前两种。u正弦变化的输入u阶跃变化的输入u线性输入1动态特性的一般数学模型、传递函数分析传感器动态特性，必须建立数学模型。线性系统的数学模型为一常系数线性微分方程。对线性系统动态特性的研究，主要是分析数学模型的输入量x与输出量y之间的关系，通过对微分方程求解，得出动态性能指标。对于任何一个线性系统，其数学模型为高阶常系数线性微分方程，即 y输出量；

32、 x输入量； t时间a0， a1， ，an 常数； b0， b1， ，bm 常数 输出量对时间t的n阶导数； 输入量对时间t的m阶导数nndtyd/mmdtxd/xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtyda011m1m1mmmm011n1n1nnnnxbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtyda011m1m1mmmm011n1n1nnnn)x(t)0bD1b1mD1mbmDm(b)y(t)0aD1a1nD1nanDn(a用算子D代表dtd利用拉氏变换，得到y(S)和x(S)的方程式)x(S)0bS1b1mS1mbmSm(b)y(S)0aS1a1nS

33、1nanSn(a绝大多数传感器输出与输入的关系均可用零阶、一阶或二阶微分方程来描述。据此可以将传感器分为零阶传感器、一阶传感器和二阶传感器。X011n1nnn011m1mmm011n1nnn011m1mmmaSaSaSabSbSbSb(S)XYW(S)aDaDaDabDbDbDb(D)xy)D(W(D)xyY传递函数是输入量和输出量之间的数学关系，定传递函数是输入量和输出量之间的数学关系，定义为输出信号与输入信号之比。义为输出信号与输入信号之比。2.正弦输入时的动态特性（频率响应）传感器传感器tjAex)(tjBey频率响应就是在稳定的状态下，频率响应就是在稳定的状态下，B/AB/A幅值和幅值

34、和相位相位随随而变化的特性。而变化的特性。)(011n1nnn011m1mmm)(a)(ja)(ja)(jab)(jb)(jb)(jb)(jeAjxy)(A 幅频特性)( 相频特性频率响应的通式：3.阶跃输入时的阶跃响应000)(tAttU阶跃信号：t0U(t)AtX(t)01tX(t)01tX(t)01tY(t)01tY(t)01tY(t)01零阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应时域性能指标n时间常数：输出值上升到稳态值 的63%所需的时间。n上升时间tr：输出值从稳态值的10%上升到90%所需的时间。n响应时间t2或t5：输出值到达稳态值的98%或95%

35、所需的时间。n超调量：%100)()()(yytyp4 动态性能指标时域性能指标0.110.90.63y(tp)t 2 或或 t5tptr0.50ty时间常数时间常数上升时间上升时间tr 响应时间响应时间t2或或t5超调量超调量容许误差：一般为容许误差：一般为2%或或5%1、与测量条件有关的因素 (1)测量的目的； (2)测量范围； (3)输入信号的幅值，频带宽度； (4)精度要求； (5)测量所需要的时间。三、 传感器的选用原则2、与传感器有关的技术指标、与传感器有关的技术指标 (1)精度；精度； (2)稳定度；稳定度； (3)响应特性；响应特性； (4)模拟量与数字量；模拟量与数字量； (

36、5)输出幅值；输出幅值； (6)对被测物体产生的负载效应；对被测物体产生的负载效应； (7)校正周期；校正周期； (8)超标准过大的输入信号保护。超标准过大的输入信号保护。 3、与使用环境条件有关的因素 (1)安装现场条件及情况； (2)环境条件(湿度、温度、振动等)； (3)信号传输距离； (4)所需现场提供的功率容量。 4 4、与购买和维修有关的因素、与购买和维修有关的因素 (1) (1)价格；价格； (2) (2)零配件的储备；零配件的储备； (3) (3)服务与维修制度，保修时间；服务与维修制度，保修时间； (4) (4)交货日期。交货日期。 1.3 信号处理信号处理 传感器的输出有各

37、种形式，如热电偶、传感器的输出有各种形式，如热电偶、pH电极等电极等输出为直流电压，光电二极管输出为直流电流，输出为直流电压，光电二极管输出为直流电流，差动变压器或电磁流量计输出为交流电压，热敏差动变压器或电磁流量计输出为交流电压，热敏电阻或应变计、半导体气体传感器输出为电阻值，电阻或应变计、半导体气体传感器输出为电阻值，电感式位移传感器输出为电感，水晶厚度传感器电感式位移传感器输出为电感，水晶厚度传感器则为振动频率的变化。则为振动频率的变化。 信号处理（信号处理（signal conditioning）就是通过进行）就是通过进行信号的转换、放大、解调、信号的转换、放大、解调、A/D转换得到所

38、希望转换得到所希望的输出信号的处理过程。的输出信号的处理过程。 常见的处理方法：差动法、零位法常见的处理方法：差动法、零位法 n1.3.1 差动法差动法 n传感器的输出传感器的输出 ) 5 . 1 (0RkxRx1 1 电阻转换为电压最简单的电路电阻转换为电压最简单的电路 但在但在x x0 0时，存在零位电压时，存在零位电压2 2 增加抵消零位电压的电路（电桥电路）增加抵消零位电压的电路（电桥电路） Rx RxR0R0时输出电压为时输出电压为0 0，零位电压被抵消，这，零位电压被抵消，这就是大家所熟知的电桥电路就是大家所熟知的电桥电路 若若R0R0随环境而变化，随环境而变化， 输出电压出现漂移

39、输出电压出现漂移 ERRRVxx100100)/(ERRRERRRRRRVxx)(32310100323RRRRRR3 3 采用差动法采用差动法 使用两个同样的传感器，一个作为测量传感器，使用两个同样的传感器，一个作为测量传感器，另一个作为参考传感器。两者放在同一环境中，另一个作为参考传感器。两者放在同一环境中，并且参考传感器不受所测信号的影响。因此参考并且参考传感器不受所测信号的影响。因此参考传感器电阻传感器电阻RdRd与所测信号变动无关，一直保持为与所测信号变动无关，一直保持为R0R0。以测量传感器电压。以测量传感器电压VxVx和参考传感器电压和参考传感器电压VdVd的的差作为输出电压差作

40、为输出电压V0V0，因为，因为Rd = R0Rd = R0，V0V0由下式表由下式表示示ERRRERRRVVVxxdx10010n1.3.2 零位法零位法nVAB由下式表示由下式表示n传感器内电阻传感器内电阻Rs已知时可从已知时可从VAB反算出反算出Vs。Rs未知时则不能算出未知时则不能算出Vs，仅当，仅当RvRs时，可用时，可用VAB代替代替Vs。 sSVVABVRRRVn零位法零位法 n传感器的输出传感器的输出VsVs与参考电压与参考电压VrVr按互相抵消的原则连接，按互相抵消的原则连接，从传感器流向电位差计的电流从传感器流向电位差计的电流I I由电位差计观察，边测由电位差计观察，边测量边

41、移动滑块直到量边移动滑块直到I I为零的位置为零的位置VsVs与与VrVr平衡，因此从滑平衡，因此从滑块的位置可以读出块的位置可以读出VsVs的大小。传感器的内部电阻不影响的大小。传感器的内部电阻不影响测量结果。测量结果。 n用零位法测量的一个重要性质是不从信号源获取用零位法测量的一个重要性质是不从信号源获取能量，换句话说，零位法测量不会给信号源带来能量，换句话说，零位法测量不会给信号源带来干扰，从而可实现高精度的测量。干扰，从而可实现高精度的测量。n另一方面，偏转法测量时从信号源攫取能量：另一方面，偏转法测量时从信号源攫取能量：Vs2/（RsRv），故给测量带来误差。），故给测量带来误差。n

42、图图1.4（a）为信号源电压与内阻相串联的情况，同图）为信号源电压与内阻相串联的情况，同图1.3一样。热电偶的等效电路即属于此种类型。图一样。热电偶的等效电路即属于此种类型。图1.4（b）是）是电流源的等效电路，电流源电流源的等效电路，电流源Is和内部电阻和内部电阻Rs并联，如不并联，如不短路输出端子就不能正确测出短路输出端子就不能正确测出Is。光电二极管就是典型的。光电二极管就是典型的例子例子 1.3.3 信号放大信号放大 n1.3.4 变交流信号为直流信号变交流信号为直流信号 n电感式或电容式传感器的输出电压是具有一定频电感式或电容式传感器的输出电压是具有一定频率的交流电压。电磁流量计或差

43、动变压器的输出率的交流电压。电磁流量计或差动变压器的输出电压也是交流电压。交流电压由下式表示电压也是交流电压。交流电压由下式表示n n这里这里x是传感器的测量信号；是传感器的测量信号；sinct是用于传送是用于传送信号的正弦波，称为载波信号的正弦波，称为载波 （carrier）；）；c是是载波的角频率；载波的角频率；Vm是是 x与与sinct的积。载波由的积。载波由被测信号进行幅度调制。对交流输出式的传感器被测信号进行幅度调制。对交流输出式的传感器进行幅度调制，被测信号以交流的形式输出。进行幅度调制，被测信号以交流的形式输出。 txVcmsinn解调解调: :从调制波中取出原来的信号称为解调。

44、从调制波中取出原来的信号称为解调。n n采用采用VmVm再与载波相乘一次的方法，解调波再与载波相乘一次的方法，解调波VdVd由下由下式表示为实现解调，可用模拟乘法器式表示为实现解调，可用模拟乘法器 n同步整流电路同步整流电路txxtxtVVcccmd2cos221)(sinsin2n直流输出直流输出Vo和和x的关系有一个简单的表达式的关系有一个简单的表达式n输入与参考波相差为输入与参考波相差为时，直流输出时，直流输出Vo与相位差成余与相位差成余弦函数关系弦函数关系 n由于同步整流电路的直流输出与相位差的余弦成比例，由于同步整流电路的直流输出与相位差的余弦成比例，因此亦可称同步整流电路为因此亦可

45、称同步整流电路为PSD（phase sensitive detector，相敏检波器），相敏检波器） xVo41cos4xVon1.3.5 数字式输出数字式输出n在要求测量仪器的输出为数字量时，在信号调理在要求测量仪器的输出为数字量时，在信号调理部分的最末端，必须设置模拟数字转换器（部分的最末端，必须设置模拟数字转换器（A/D转换器）。转换器）。 nA/D转换器转换速度有快有慢，但转换总要花费转换器转换速度有快有慢，但转换总要花费一定的时间，因此输出是间歇式的，相邻输出之一定的时间，因此输出是间歇式的，相邻输出之间的时间间隔称为采样周期。间的时间间隔称为采样周期。 n采样定理采样定理n10Hz

46、的交流信号，以周期的交流信号，以周期 0.1s进行采样，输出进行采样，输出的是一系列一定振幅的脉冲，和直流信号的样品的是一系列一定振幅的脉冲，和直流信号的样品没有区别。为了能从采样输出中恢复输入信号，没有区别。为了能从采样输出中恢复输入信号，必须用比输入信号周期的必须用比输入信号周期的1/2还要短的周期采样，还要短的周期采样，这就是采样定理。当决定采样周期后，不能满足这就是采样定理。当决定采样周期后，不能满足采样定理的输入信号中的高频成分必须用低通滤采样定理的输入信号中的高频成分必须用低通滤波器虑除。波器虑除。 n1.4消除测量中的误差和噪声消除测量中的误差和噪声n1.4.1 电磁干扰电磁干扰

47、 n电磁干扰（电磁干扰（electro magnetic interference，EMI）是指电子仪器（其中包括测量仪器）由于）是指电子仪器（其中包括测量仪器）由于外部电压、电流或电磁波所引起的噪声侵入仪器外部电压、电流或电磁波所引起的噪声侵入仪器而引发的问题。而引发的问题。n静电干扰静电干扰 磁场干扰磁场干扰 电磁波干扰电磁波干扰n减小电磁干扰的基本方法减小电磁干扰的基本方法 n用屏蔽线（同轴电缆）用屏蔽线（同轴电缆）n双绞线可以消除磁场于扰。双绞线可以消除磁场于扰。 电磁兼容性（电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何

48、设备产生无法忍受符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。定程度的抗扰度，即电磁敏感性。短路线的电阻也会产短路线的电阻也会产生压降，产生误差。生压降，产生误差。VG1-VG2成为共模成为共模电压，其影响消除。电压，其影响消除。

49、1.4.2 传感器的接地传感器的接地 1.5 测量的历史和测量单位测量的历史和测量单位n1.5.1测量的历史和测量单位概貌测量的历史和测量单位概貌n 度量衡是计量长短、容积和轻重的统称。度量衡是计量长短、容积和轻重的统称。度是计量长短，量是计量容积，衡是计量度是计量长短，量是计量容积，衡是计量轻重。度量衡源于我国。远古时代人们对轻重。度量衡源于我国。远古时代人们对度量衡的概念很模糊，如度量的标准就是度量衡的概念很模糊，如度量的标准就是开始于人体的某一部分。由于人体有高矮，开始于人体的某一部分。由于人体有高矮，所以很不精确，在社会化劳动和商品交换所以很不精确，在社会化劳动和商品交换中就不适用，而

50、需要加以标准化。中就不适用，而需要加以标准化。1.5 测量的历史和测量单位测量的历史和测量单位n1.5.2国际单位制体系国际单位制体系n1948年召开的第九届国际计量大会作出了决定，要求年召开的第九届国际计量大会作出了决定，要求国际计量委员会创立一种简单而科学的、供所有米制公约国际计量委员会创立一种简单而科学的、供所有米制公约组织成员国均能使用的实用单位制。组织成员国均能使用的实用单位制。1954年第十届国际年第十届国际计量大会决定采用米计量大会决定采用米(m)、千克、千克(kg)、秒、秒(s)、安培、安培(A)、开、开尔文尔文(K)和坎德拉和坎德拉(cd)作为基本单位。作为基本单位。1960

51、年第十一届国年第十一届国际计量大会决定将以这六个单位为基本单位的实用计量单际计量大会决定将以这六个单位为基本单位的实用计量单位制命名为位制命名为“国际单位制国际单位制”，并规定其符号为，并规定其符号为“SI”。以后。以后1974年的第十四届国际计量大会又决定增加将物质的量年的第十四届国际计量大会又决定增加将物质的量的单位摩尔的单位摩尔(mol)作为基本单位。因此，目前国际单位制作为基本单位。因此，目前国际单位制共有七个基本单位共有七个基本单位SI基本单位的定义基本单位的定义n长度长度:米米(m)n1. 1790年年5月由法国科学家组成的特别委员会，月由法国科学家组成的特别委员会，建议以通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之建议以通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为长度单