传感器原理与应用绪论

1、器器 原原 理理 与与 应应 用用武汉理工大学物流工程学院武汉理工大学物流工程学院吴青吴青E-mail:E-mail:Tel:el: 138710754801. 1 本课程的内容与要求本课程的内容与要求1. 2 传感器的地位和作用传感器的地位和作用 1. 3 传感器的定义与组成传感器的定义与组成 1. 4 传感器的分类传感器的分类1. 5 传感器的特性参数与选择注意事项传感器的特性参数与选择注意事项1. 6 传感器的标定传感器的标定1. 7 传感器的发展趋势传感器的发展趋势1. 1 本课程的内容与要求本课程的内容与要求 本课程的内容 本课程的要求1.掌握各类传感器的工

2、作原理、结构、主要性能及其参数、典型应用；2. 能够合理地选择和使用传感器；3. 了解常用传感器的工程设计方法并掌握常用传感器的试验研究方法；4.了解传感器的发展方向等。 参考书籍1、传感器应用及其电路精选，张福学，电子工业出版社，1995.52、赵继文 传感器与应用电路设计，北京：科学出版社，20023. 强锡富 传感器机械工业出版社，20014李科杰 新编传感器技术手册国防工业出版社，20025刘迎春传感器原理设计与应用第四版，长沙：国防科技大学出版社，2002基础知识基础知识定义、分类发展趋势选用原则一般特性传感器原理及应用热电传感器磁敏传感器光电传感器应变传感器电感传感器电容传感器压电

3、传感器声、气、湿敏传感器数字传感器检测电路课程主要内容课程主要内容传感器的工作原理、结构、主要传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用参数、检测电路及其典型应用文献资料 中国传感器专业网中国传感器专业网中国传感器在线中国传感器在线中国传感网中国传感网传感器资讯网传感器资讯网传感器信息港传感器信息港中国传感器知识网中国传感器知识网国际标准传感器协会国际标准传感器协会国家传感器质量监督检验中心国家传感器质量监督检验中心中国测试技术研究院中国测试技术研究院中国科技论文在线中国科技论文在线中国会议在线中国会议在线国际标准传感器协会国际标准传感器协会 文献资料（国际链接）国际链接） ISA

4、 Sensors guideThe MEMS and Nanotechnology ClearinghouseTemperature SensingTempSTemperature WorldArticles on temperature sensors, about temperatureBiosensors at the Cranfield Biotechnology CentreAffinity SensorsS-SENCE Swedish Sensor CentreIEEE SensorsSensors Web PortalSNASA Space Instrument and Sens

5、ing TechnologyBiosensors at ORNLSensor Technology at the Lawrence Livermore National LabRemote sensing technologies in viticulture UNE, Australia.SPIE short video courses on fiber optic sensorsFiber optic sensors and their applicationsUnderstanding Fiber Optic GyroscopesFISO Technologies, Inc.Fiber

6、optic pressure and temperature sensors for medicineFiber optic displacement transducerSensiCath SystemDiametrics Medical Inc.Fiber optic electric field and voltage sensorsElectronic nose and olfactory article in R&D MagazineGEMINI Electronic NosePosition sensing systemsSmart silicon sensors - ex

7、amples of Hall-effect sensorsElectromagnetic Instruments, Inc.Honeywell integrated absorption capacitive relative humidity/temperature sensorsHigh temperature humidity measurement SAW (Surface Acoustic Wave) SENSORS研究机构研究机构 University of Texas at AustinUniversity of HartfordCalifornia Institute of T

8、echnologyCarnegie Mellon UniversityThe Robotics InstituteUniversity of CaliforniaBerkeley Sensor & Actuator CenterUniversity of Southern CaliforniaUniversity of CincinnatiThe Center for Microelectronics & MEMSUniversity of MaineSensors Technology LaboratoryMichigan State UniversityNSF Center

9、 for Sensor MaterialsOhio State UniversityCenter for Industrial Sensors and MeasurementsInternational Center for Actuators and Transducers (ICAT)University of PennsylvaniaCenter for Sensor TechnologiesStanford UniversityMicro Structures & Sensors LaboratoryStanford Transducers LaboratoryMITYale

10、UniversityMicromechanical Transducers Group at the Mesa InstituteSensors research 学术期刊学术期刊 传感技术学报传感技术学报 传感器与微系统传感器与微系统 中国测试技术中国测试技术 仪表技术与传感器仪表技术与传感器 测控技术测控技术 Sensors and Actuators Biosensors 传感器世界传感器世界 仪器仪表学报仪器仪表学报考核方式：考核方式： 期末采用闭卷考试方法，考试时间期末采用闭卷考试方法，考试时间2 2小时。课程总成绩小时。课程总成绩由期末考试成绩和平时考查成绩（作业由期末考试成绩和平

11、时考查成绩（作业+ +大作业大作业+ +考勤）考勤）合成。其中考试成绩占合成。其中考试成绩占70%70%，平时考查成绩占，平时考查成绩占30%30%。出勤情况出勤情况 无故缺课无故缺课1/31/3，期末取消考试资格。事、病假需提前请，期末取消考试资格。事、病假需提前请假。假。传感器大作业传感器大作业传感器相关文献检索：传感器相关文献检索：1、主题2、内容3、参考文献4、检索方式1 1、主题、主题应变式传感器应变式传感器电容式传感器电容式传感器差动变压器式传感器差动变压器式传感器压电式传感器压电式传感器光电式传感器光电式传感器光纤式传感器光纤式传感器CCDCCD霍尔式传感器霍尔式传感器电涡流式传

12、感器电涡流式传感器超声波传感器超声波传感器光栅式传感器光栅式传感器2 2、内容、内容该类传感器的工作原理该类传感器的工作原理该类传感器的测量的物理量及范围该类传感器的测量的物理量及范围该类传感器对测量某一物理量的具体应用该类传感器对测量某一物理量的具体应用举出某一该类传感器的技术指标及参考价格、可能的生产厂家举出某一该类传感器的技术指标及参考价格、可能的生产厂家所介绍方法的优缺点所介绍方法的优缺点针对缺点有何改进措施针对缺点有何改进措施你对课程教学有何建议你对课程教学有何建议3 3、参考文献、参考文献 文献号.作者.文献名，来源4 4、检索方式、检索方式1)1) 教科书教科书2)2) 科技期刊

13、科技期刊3)3) 网络网络注：三种方式必须都有涉及注：三种方式必须都有涉及1. 2 传感器的地位和作用传感器的地位和作用 在今天瞬息万变的信息时代里，人们在从在今天瞬息万变的信息时代里，人们在从事工业生产和科学实验等活动中事工业生产和科学实验等活动中, 主要依靠对主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感技信息资源的开发、获取、传输和处理。传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。从仿生学观点，如果把计算机术的三大支柱。从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的看成处理和识别信息的“大脑大脑”，把通信系统，把通信系统看成传递信

14、息的看成传递信息的“神经系统神经系统”的话，那么传感的话，那么传感器就是器就是“感觉器官感觉器官” 。 人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。理），作出相应的动作。 而用计算机控制的自动化装置来代替人的而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（人的五官部分（“电五官电五官” ）。）。人与机器的机能对应关系人与机器的机能对应

15、关系 传感器处于研究对象与测试系统的接口位传感器处于研究对象与测试系统的接口位置。是感知、获取与检测信息的窗口置。是感知、获取与检测信息的窗口, 一切科一切科学实验和生产过程学实验和生产过程, 特别是自动检测和自动控特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息制系统要获取的信息, 都要通过传感器将其转都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的信号。换为容易传输与处理的信号。 所以所以,上世纪上世纪80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，备受重视。发展的高技术，备受重视。 21世纪社会发展三大支柱世纪社会发展三大支柱:信息技术、生物技术、纳米信

16、息技术、生物技术、纳米 技术。技术。 信息技术三大基础产业：传感器、通信、计算机信息技术三大基础产业：传感器、通信、计算机 传感器作为人类感观的延伸，是信息采集不可或缺的传感器作为人类感观的延伸，是信息采集不可或缺的工具，如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器工具，如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置发展时，人们才逐步认识信息摄取装置传感器没传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不大脑发达、五官不灵灵”,成为制约信息技术等高新

17、技术的瓶颈。成为制约信息技术等高新技术的瓶颈。世界各世界各国特别是发达国家十分重视传感技术。国特别是发达国家十分重视传感技术。我国把传感器技术列为国家重点攻关项目及中长期我国把传感器技术列为国家重点攻关项目及中长期科技发展重点技术之一。科技发展重点技术之一。 美国国防部将传感器技术视为美国国防部将传感器技术视为20项关键技术之项关键技术之一。一。 日本把传感器技术与计算机通信、激光半导体日本把传感器技术与计算机通信、激光半导体超导并列为六大核心技术。超导并列为六大核心技术。 德国视军用传感器为优先发展技术。德国视军用传感器为优先发展技术。 英、法等国对传感器的开发投资逐年升级。英、法等国对传感

18、器的开发投资逐年升级。 俄罗斯军事航天计划中的第五条列有传感器技俄罗斯军事航天计划中的第五条列有传感器技术。术。传感器是获取自然领域中信息的主要途径传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。与手段。传感器的作用传感器的作用u 传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。各种信号转换成电信号。u传感器所检测的信号品种极其繁多。为了对各种各样的传感器所检测的信号品种极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信

19、号能较容易地号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。传感器传感器来自外界的信号来自外界的信号电信号电信号传感器的应用：传感器的应用： 传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域有广泛应用。域有广泛应用。 同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫

20、生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。Wii 健身运动健身运动游戏很好玩，游戏很好玩，工作原理是什么？工作原理是什么？触摸屏是怎么感知的？触摸屏是怎么感知的？使用者翻动手机选择使用者翻动手机选择“响铃响铃”或或“震铃震铃”；摇晃手机变换不同的铃声和摇晃手机变换不同的铃声和游戏；游戏；音乐和壁纸随着人们的动作音乐和壁纸随着人们的动作而变化。而变化。摇晃你的手机摇晃你的手机 传感器传感器身边的传感器身边的传感器CCD热敏电阻热敏电阻传声器传声器温控器温控器力传感器力传

21、感器温度开关温度开关实验室的实验室的传感器传感器二、传感器的应用领域和需求量二、传感器的应用领域和需求量 全球传感器市场全球传感器市场： 全球传感器按原理分为物理量、化学量、生物量三大门类，2万多个品种。 各国从事传感器研制生产单位已增至50000余家。 全球需求量最大需求量最大的十大传感器：温度传感器、压力传感器、流量传感器、二元位置传感器、位移传感器、液体测量化学传感器、水平传感器、速度传感器、气体测量化学传感器、燃烧检测传感器。 全球需求量增长最快需求量增长最快的十种传感器为：雨水传感器、浓度传感器、流质传感器、导航传感器、倾角传感器、光电检测传感器、玻璃破损检测传感器、生物传感器、磁场

22、传感器以及动力检测传感器。 中国传感器市场中国传感器市场： 我国快速增长的电子信息产业对敏感元件和传感器有很大的需求量。目前我国已开发传感器产品仅有10大类、42小类、6000多个品种. 从事敏感元件与传感器研制生产的企事业单位有1688家，但研制生产综合实力较强的骨干企业仅占总数的10%左右。其中，生产厂家占50.50%，公司占23.60%，研究所及高等院校分别占19.8%和6.1%。 近年来全球传感器产业取得了飞速发展。2010年中国物联网产业市场规模达到2000亿元，至2015年，中国物联网整体市场规模将达到7500亿元，年复合增长率将超过30%。全球传感器产业将从中直接受益，全球300

23、0多家传感器制造商的总销售额在2008年时为506亿美元，而2010年的总销售额超过600亿美元。 1.3 传感器的定义与组成传感器的定义与组成(Definition and Composing of Sensors) 1)传感器（传感器（Transducer或或Sensor）定义：）定义： 国家标准国家标准GB766587对传感器下的定义是对传感器下的定义是： “能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件组成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件组成”。传感器有时也叫换能器、变换器、变送器或探测传感器有时也叫换能器、变换

24、器、变送器或探测器。器。 从定义中可看出传感器有两个功能：既从定义中可看出传感器有两个功能：既敏感敏感和和变变换换。 传感技术：传感技术：是以研究传感器的材料、传感器的设计、传感是以研究传感器的材料、传感器的设计、传感器的制作、传感器的应用为主要内容的一门应用技术。它器的制作、传感器的应用为主要内容的一门应用技术。它是以传感器敏感材料的电、磁、光、声、热、力等物理是以传感器敏感材料的电、磁、光、声、热、力等物理“效应效应”、“现象现象”、化学中的各种、化学中的各种“反应反应”以及生物学以及生物学中的各种中的各种“机理机理”作为理论基础；并综合了物理学、微电作为理论基础；并综合了物理学、微电子学

25、、光学、化学、生物工程、材料科学、精密机械、微子学、光学、化学、生物工程、材料科学、精密机械、微细加工、试验测量等方面的知识和技术而形成的一门综合细加工、试验测量等方面的知识和技术而形成的一门综合性学科。它是检测（传感原理）、材料科学、工艺加工等性学科。它是检测（传感原理）、材料科学、工艺加工等三个要素的最佳结合。三个要素的最佳结合。 2、传感器的组成、传感器的组成(The composing of sensor) 传感器通常由敏感元件、转换元件二部分组成，有时也将测量电路及辅助电源传感器通常由敏感元件、转换元件二部分组成，有时也将测量电路及辅助电源作为传感器的组成部分。作为传感器的组成部分。

26、敏感元件（敏感元件（Sensitive element） ： 直接感受被测量直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。输出与被测量成确定关系。 转换元件（转换元件（Transduction element） ： 敏感元件的输出就是转换元件的输入敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量它把输入转换成电量参量 。 转换电路（转换电路（Transduction circuit） ：把转换元件输出的电量信号转换为便于处：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。辅助电源：信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助

27、的电源辅助电源：信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源, 因此因此, 信号信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。转换元件转换元件敏感元件敏感元件转换电路转换电路 辅辅 助助 电电 源源被测量被测量电量电量其组成如图所示。其组成如图所示。传感器组成实例传感器组成实例下图是一种气体压力传感器示意图。膜盒下图是一种气体压力传感器示意图。膜盒2的下半部与壳体的下半部与壳体1固接固接,上半部通过连杆与磁心上半部通过连杆与磁心4相连相连,磁心磁心4置于两个电感线圈置于两个电感线圈3中中,后者接入转化电路后者接入转化电路5。这

28、里膜盒就是敏感元件。这里膜盒就是敏感元件,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,即输出相应的位移量。可变电感即输出相应的位移量。可变电感3是转化元件是转化元件,它把输入的位移它把输入的位移量转换成电感的变化。量转换成电感的变化。5即为转换电路。即为转换电路。 有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量。如热电偶和热敏电阻和热敏电阻。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感

29、器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。由于空间的限制或者其他原因由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。器的组成环节之一。1.3 1.3 传感器的分类及对它的一般要求传感器的分类及对它的一般要求(Category and Request of Sensors) 1）传感器的分类（传感器的分类（The category of sensor） 传感器的品种繁多，原理各异，检测对象传感器的品种繁

30、多，原理各异，检测对象门类也很多，有的传感器可以用于测量多种参门类也很多，有的传感器可以用于测量多种参数数,而有时对于一种物理量又可用多种不同类型而有时对于一种物理量又可用多种不同类型的传感器测量。因此，对传感器分类就有很多的传感器测量。因此，对传感器分类就有很多方法，而且互相交叉，一般以被测量参数来分方法，而且互相交叉，一般以被测量参数来分米和以测量原理两种分类为主。米和以测量原理两种分类为主。 被测量被测量类别类别被被 测测 量量热工量热工量温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流速、温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流速、风速风速机械量机械量位移（线位移、角位移），尺寸、

31、形状；力、力矩、应力；位移（线位移、角位移），尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声噪声物性和物性和成分量成分量气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（PH值）、盐度、值）、盐度、浓度、粘度；密度、比重浓度、粘度；密度、比重光光照度、光度、彩色、紫外线、红外线等照度、光度、彩色、紫外线、红外线等电气电气电流、电压、电位、功率、电荷、阻抗、电阻、电感、电电流、电压、电位、功率、电荷、阻抗、电阻、电感、电容等容等状态量状态量颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏

32、、颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量表面质量表表1 按被测量来分类按被测量来分类 序号序号工作原理工作原理序号序号工作原理工作原理1电阻式电阻式8光电式（红外式、光光电式（红外式、光导纤维式）导纤维式）2电感式电感式9谐振式谐振式3电容式电容式10霍尔式（磁式）霍尔式（磁式）4阻抗式（电涡流式）阻抗式（电涡流式）11超声式超声式5磁电式磁电式12同位素式同位素式6热电式热电式13电化学式电化学式7压电式压电式14微波式微波式表表2 按传感器的原理来分类按传感器的原理来分类 表表3 传感器的分类传感器的分类分类方法分类方法传感器的种类传感器的种类说说 明明按物理按物理现

33、象分类现象分类结构型传感器：电容式、电感式、结构型传感器：电容式、电感式、电阻式电阻式传感器依赖其结构参数变化引传感器依赖其结构参数变化引起起“场场”的变化，实现信的变化，实现信息转换。息转换。物性型传感器：压电式、光电式等物性型传感器：压电式、光电式等传感器依赖其敏感元件物理特传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换。性的变化实现信息转换。按能量按能量关系分类关系分类能量转换型传感器：如基于压电效能量转换型传感器：如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。的传感器都属于此类传感器。 又称有源型或发生器型。传感又称有源型或发生器型。传感

34、器直接将被测量的能量转器直接将被测量的能量转换为输出量的能量换为输出量的能量能量控制型传感器能量控制型传感器：如电阻、电感、电容等电路参量传感器。 基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，必必须由外部供给传感器能量须由外部供给传感器能量。按输出按输出信号分类信号分类模拟式传感器：模拟式传感器：输出量为模拟量输出量为模拟量数字式传感器：光栅数字传感器、数字式传感器：光栅数字传感器、脉冲盘式角度数字传感器等脉冲盘式角度数字传感器等输出为数字量，便于与计算机输出为数字量，

35、便于与计算机联用，抗干扰力较强联用，抗干扰力较强2）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，使用环境、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，但有基本要求却是相条件、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。这就是：同的。这就是： 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； 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

36、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. 4 传感器的特性参数与选择注意事项传感器的特性参数与选择注意事项 传感器在检测系统中是信息输入的窗口，为检传感器在检测系统中是信息输入的窗口，为检测系统提供必需的原始信息。检测系统获取信息的测系统提供必需的原始信息。检测系统获取信息的质量也往往取决于传感器的性能。为了能使其输出质量也往往取决于传感器的性能。为了能使其输出在精度要求

37、范围内反映被测量，传感器必须具备一在精度要求范围内反映被测量，传感器必须具备一定的基本特性；也就是从误差角度去分析其输出定的基本特性；也就是从误差角度去分析其输出输入关系特性。只有这样，传感器的输出才能作为输入关系特性。只有这样，传感器的输出才能作为其输入（被测物理量）的量度。因此，了解和掌握其输入（被测物理量）的量度。因此，了解和掌握传感器的基本特性，是正确选择和使用传感器的基传感器的基本特性，是正确选择和使用传感器的基本条件。本条件。1. 4 传感器的特性参数与选择注意事项传感器的特性参数与选择注意事项 传感器的输出传感器的输出输入关系特性就是传感器输入关系特性就是传感器的基本特性。的基本

38、特性。 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；当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性； 实际上传感器的静态特性要包括实际上传感器的静态特性要包括非线性非线性和和随机性

39、随机性等因素，等因素，如果把这些因素都引入微分方程将使问题复杂化。为避免这如果把这些因素都引入微分方程将使问题复杂化。为避免这种情况，总是把静态特性和动态特性分开考虑。种情况，总是把静态特性和动态特性分开考虑。1.4.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 传感器的静态特性是指传感器在被测量处于传感器的静态特性是指传感器在被测量处于稳定状态时（静态的输入信号）的输出稳定状态时（静态的输入信号）的输出输入关输入关系。系。 传感器的输出与输入具有确定的对应关系最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

40、，同时由于存在迟滞、蠕变、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，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实响，使输出输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。用图大致如图所示。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

41、技术指标描述传感器静态特性的数学模型为：equation of characteristicy=a0+ a1x+ a2x2+ anxn 式中：y输出量； x输入量； a0零位输出； a1传感器线性灵敏度； a2，a3， an -非线性待定常数。 静态特性曲线静态特性曲线 由厂家给定，在静态校准由厂家给定，在静态校准情况下由实测来确定输出输入关系，称为情况下由实测来确定输出输入关系，称为静态校准到静态校准线。静态校准到静态校准线。 静态校准条件：静态校准条件：指没有加速度，没有冲击，指没有加速度，没有冲击，振动，环境温度为振动，环境温度为205，相对湿度不大，相对湿度不大于于85，大气压力为，大

42、气压力为0.10.08MPa的情况。的情况。 理想情况下，静态特性是线性的，但在实际工作中，由于非线理想情况下，静态特性是线性的，但在实际工作中，由于非线性（高次项的影响）和随机变化量的影响，不可能是线性关系，所性（高次项的影响）和随机变化量的影响，不可能是线性关系，所以，衡量传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、精以，衡量传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、精确度、迟滞、重复性和分辨率等。确度、迟滞、重复性和分辨率等。 一、线性误差一、线性误差(Linearity Error) 线性误差是指在规定条件下（利用一定等级的校准设备，对传线性误差是指在规定条件下（利用一定等级

43、的校准设备，对传感器进行反复循环测试）得出感器进行反复循环测试）得出输出输出-输入特性曲线输入特性曲线与与拟合直线拟合直线(fitting straight line)间最大偏差与满量程间最大偏差与满量程FSfull span）输出值的百）输出值的百分比称为线性误差。用分比称为线性误差。用 L=Ymax/Y FS100% Ymax ：校准曲线：校准曲线(calibration curve)与与拟合直线间的最大偏差拟合直线间的最大偏差(discrepancy)；Y FS：传感器满量程输出；：传感器满量程输出； Y FS=Y max-Y 0。yxY FSYmaxXmax0静态参数静态参数 非线性偏

44、差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得非线性偏差的大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，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。还应考虑使用是否方便，计算是否简便。常用的拟合基准直线方法常用的拟合基准直线方法: 端基法端基法 将传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输将传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输 出平均值连成直线，作为拟合直线出平均值连成直线，作为拟合直线. 理论直线法理论直线法

45、 通常取零点作为理论直线的零点，满量程输出通常取零点作为理论直线的零点，满量程输出 作为终点，这两点的连线即为理论直线。它与作为终点，这两点的连线即为理论直线。它与 实际测试点无关。实际测试点无关。 最佳直线法最佳直线法 是使实际输出特性相对于所选拟合直线的最是使实际输出特性相对于所选拟合直线的最 大正偏差等于最大负偏差的一条直线。大正偏差等于最大负偏差的一条直线。 过零旋转拟合过零旋转拟合直线拟合方法 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 最小二乘法最小二乘法 这种方法是按最小二乘原理来求取拟合这种方法是按最小二乘原理来求取拟合直线。既找一条直线使各实际校准

46、点（标定点）与该直线。既找一条直线使各实际校准点（标定点）与该直线的垂直偏差的平方和最小。直线的垂直偏差的平方和最小。 令拟合直线方程为：令拟合直线方程为： Y=a0+KX 求出求出a0和和K即可。即可。 设实际校准测试点有设实际校准测试点有n个，在个，在n个校准数据中，第个校准数据中，第i个校个校准数据准数据Yi与拟合直线上相应的理想值之间的差为：与拟合直线上相应的理想值之间的差为： i=Y i-( a0+KXi)x0yyiy=kx+ a0 xI最小二乘拟合法按最小二乘法原理，应使 为最小，故由 分别对K和a0求一阶偏导数并令其等于零，即可求得K和a0：21nii21nii0202iiiix

47、akxyk01202akxybiii即得到k和a0的表达式22iiiiiixxnyxyxnk 2220aiiiiiiixxnyxxyx将k和a0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。0a二、灵敏度（二、灵敏度（Sensitity） 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化量（增量）与输入变化量（增量）的比值，即 K=输出变化量/输入变化量=Y/X 对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率。非线性传感器的灵敏度不是常数而为一变量，用dY/dX表示。 灵敏度越高，系统反映输入微小变化的能力就越强。在电子测量中，灵敏度越高往往容易引入噪声并影响系统的稳定性及

48、测量范围，在同等输出范围的情况下，灵敏度越大测量范围越小，反之则越大。三、最小检测量三、最小检测量(分辨力分辨力)和分辨率和分辨率(Resolution) 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。 通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，当输入量通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，当输入量连续变化时连续变化时,输出量只作阶跃变化输出量只作阶跃变化, 因此常用满量程中能使输出量因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中最大变化值作为衡量分辨力的指标。产生阶跃变化的输入量中最大变化值作为衡量分辨力的指标。 对于数

49、字测试系统，其输出显示系统的最后一位所代表的输对于数字测试系统，其输出显示系统的最后一位所代表的输入量即为该系统的分辨力；入量即为该系统的分辨力； 对于模拟测试系统，是用其输出指示标尺最小分度值的一半对于模拟测试系统，是用其输出指示标尺最小分度值的一半所代表的输入量来表示其分辨力。所代表的输入量来表示其分辨力。 这个指标若用满量程的百分比表示，则称为这个指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率分辨率。 在传感器输入零点附近的分辨力称为在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值阈值 有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区死区”，则，则将死区的大小

50、作为阈值；更多的情况下，阈值取决于传感器噪声将死区的大小作为阈值；更多的情况下，阈值取决于传感器噪声的大小，因而有的传感器只给出噪声电平。的大小，因而有的传感器只给出噪声电平。四、回程误差（迟滞）四、回程误差（迟滞）（Hysteresis Error） 迟滞特性表明传感器在输入量增大行程期间（正行迟滞特性表明传感器在输入量增大行程期间（正行程）和输入量减小行程期间（反行程）输出程）和输入量减小行程期间（反行程）输出输入特输入特性曲线不重合的程度。性曲线不重合的程度。 H=Hmax/ Y FS100% 或或 H=Hmax/ 2Y FS100% 式中式中 Hmax输出值在正反行程间的最大偏差；输出

51、值在正反行程间的最大偏差； H表示传感器的迟滞。表示传感器的迟滞。它一般是由实验方法测得。它一般是由实验方法测得。yx0Hmax yF.SxF五、漂移五、漂移 是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。 零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移，即时漂和温漂。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间有缓慢的变化；温漂是指由环境温度变化引起的零点或灵敏度的变化。六、精密度六、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，在相当短的时间

52、内连续重复同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为密度为0.5。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意。精密度是随机误差大小的标志，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。味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。21()1niiYYnY式中：式中： Yi测量值；测量值； - 测量值的算术平均值；测量值的算术平均值； n测量次数测量次数 重复性是测量仪器的重要指标，反映了仪器工作的可信度和重复性是测量仪器的重要指标，反映了仪器工作的可信度和有效

53、性。有效性。七、准确度七、准确度准确度指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。准确度指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。 测量仪器最主要的计量性能指标；测量仪器最主要的计量性能指标； 仪器自身的原因造成；仪器自身的原因造成； 定性概念；定性概念； 定量指标用准确度等级、示值误差或引用误差表示：定量指标用准确度等级、示值误差或引用误差表示： 示值误差测量值真实值示值误差测量值真实值 （ 真实值用约定真值代替）真实值用约定真值代替） 引用误差引用误差=示值误差示值误差/量程量程 准确度等级就是根据示值误差或引用误差而划分的准确度准确度等级就是根据示值误差或引用误差而划分的准确度级别。级别。当某个测

54、量仪器的引用误差不大于当某个测量仪器的引用误差不大于0.01时（时（1），往往按），往往按照有关该仪器的标准或检定规程，该仪器的准确度为照有关该仪器的标准或检定规程，该仪器的准确度为1级。但只是级。但只是准确度等级为准确度等级为1级而决非准确度为级而决非准确度为1 。 如：电工仪表的准确度等级可分为：如：电工仪表的准确度等级可分为：0.1 、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、5.0七级。七级。 八、信噪比八、信噪比 混杂在输出信号中的无用成分称为噪声。 信噪比的表达式： 定义定义1：20lgAS/AN (输出信号峰值输出信号峰值/噪声信号峰值噪声信号峰值)； 定义定义2：10lgPS/P

55、N (输出信号功率输出信号功率/噪声信号功率噪声信号功率)； 一般仪器的信噪比要在40分贝以上。1.4.2 传感器的动态特性传感器的动态特性（Dynamic Characteristics） 传感器的动态特性是指传感器在测量动态信号时，输传感器的动态特性是指传感器在测量动态信号时，输出对输入的响应特性。出对输入的响应特性。一、动态特性的一般数学模型（一、动态特性的一般数学模型（Mathematic description models of sensors） 表达传感器动态特性实质上是将传感器这个物理系表达传感器动态特性实质上是将传感器这个物理系统抽象成数学模型，仅表示输入信号、输出信号和传感

56、统抽象成数学模型，仅表示输入信号、输出信号和传感器动态特性三者之间的关系。常用的数学模型有：器动态特性三者之间的关系。常用的数学模型有：（1）微分方程，（微分方程，（2）传递函数，（）传递函数，（3）频率响应函数）频率响应函数。 在建立数学模型时，一般都忽略了传感器的非线性在建立数学模型时，一般都忽略了传感器的非线性和随机变化等因素，把传感器看成是线性的，定常的系和随机变化等因素，把传感器看成是线性的，定常的系统来考虑。统来考虑。常系数线性微分方程常系数线性微分方程是最基本的数学模型，是最基本的数学模型，在它的基础上较易求出传递函数、频率响应函数等动态在它的基础上较易求出传递函数、频率响应函数

57、等动态特性。特性。1.4.3 传感器选择注意事项传感器选择注意事项1.与测量条件有关的事项与测量条件有关的事项（1）测量目的）测量目的（2）被测量）被测量（3）测量范围）测量范围（4）超标准过大输入信号的出现次数。）超标准过大输入信号的出现次数。（5）输入信号的带宽）输入信号的带宽（6）测量的精度）测量的精度（7）测量所需的时间）测量所需的时间2.与性能有关的事项与性能有关的事项（1）传感器精度）传感器精度（2）传感器稳定度）传感器稳定度（3）响应速度）响应速度（4）模拟量或数字量）模拟量或数字量（5）输出量及其数量级）输出量及其数量级（6）对信号获取对象所产生的负载效应）对信号获取对象所产生

58、的负载效应（7）校正周期）校正周期（8）超标准过大输入信号的保护）超标准过大输入信号的保护3.与使用条件有关的事项与使用条件有关的事项（1）设置场所）设置场所（2）环境条件（如温度、湿度、振动等）环境条件（如温度、湿度、振动等）（3）测量全过程所需要的时间）测量全过程所需要的时间（4）传感器与其它设备的距离及连接方式）传感器与其它设备的距离及连接方式（5）传感器所需的功率容量）传感器所需的功率容量4.与购买和维修有关的事项与购买和维修有关的事项（1）价格）价格（2）交货日期）交货日期（3）服务与维修制度）服务与维修制度（4）零配件的储备）零配件的储备（5）保修期限）保修期限基本参数指标基本参数

59、指标环境参数指标环境参数指标可靠性可靠性指标指标其他指标其他指标量程指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性 动态性能指标动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等 温度指标温度指标： 工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等 抗冲振指标：抗冲振指标： 允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差 其他环境参数其他环境参数： 抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁场干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期

60、、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标：使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等传感器的误差来源传感器的误差来源内部原因：感器内部产生的噪声包括敏感元件，转换元件和转换电路元件等产生的噪声以及电源产生的噪声。例如光电真空管放射不规则电子，半导体载流子扩散等产生的噪声。降低元件的温度可减小热噪声，对电源变压器采用静电屏蔽可减小交流脉动噪声等。改善传感器性能的技术途径改善传感器性能的技术途径外部原因 从外部混入传感器的噪声，按其产生原因可分为机械噪声（如振动，冲击）、音响噪声、热噪声（如因热辐射使元件相对位移或