传感器介绍新

课程定位传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。例如：水温控制系统

第1章传感器概述

1.1什么是传感器？在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器，电冰箱、电饭煲中的温度传感器;空调中的温度和湿度传感器;

煤气灶中的煤气泄漏传感器;

水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器;

照相机中的光传感器;

汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？传感器原理及应用

第1章传感器概述

1.1什么是传感器？传感器原理及应用传感器原理及应用1.1什么是传感器眼（视觉）

耳（听觉）

鼻（嗅觉）皮肤（触觉）

舌（味觉）感知外界信息→大脑→肌体第1章传感器概述人体系统和机器系统比较传感器原理及应用第1章传感器概述1.1什么是传感器

人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。

传感器外界信息感官大脑肌体计算机执行机构1.1传感器的组成与分类1.1.1传感器的组成1.传感器的定义:传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

1.1传感器的组成与分类2.传感器的组成通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。1.1传感器的组成与分类说明:由于传感器的输出信号一般都很微弱,因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算、调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用,传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外,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,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。1.1传感器的组成与分类图1-1传感器的组成框图1.1传感器的组成与分类1.1.2传感器的分类1．按被测物理量分类这种方法是根据被测物理量的性质进行分类的，如被测物理量为温度、压力、流量、位移、速度等，则相应的传感器分别称为温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器等。

优点:

比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。1.1传感器的组成与分类2.按工作原理分类传感器的工作原理主要是基于物理、化学和生物等学科的原理、规律和效应。据此可将传感器分为电阻式、电感式、电容式、热电式、压电式、光电式等类别。

优点:

对于传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入研究分析。本书的传感器就是按工作原理分类进行编写的。1.1传感器的组成与分类3.按输出信号的性质分类根据传感器输出信号的性质，可将其分为模拟传感器和数字传感器两大类。前者输出模拟信号，后者输出数字信号，当然输出的模拟信号或数字信号都与被测非电量成一定关系。数字传感器便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如盘式角度数字传感器、光栅传感器等。1.1传感器的组成与分类4.按能量的关系分类根据能量观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。前者将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称为换能器，通常配合有电压测量电路和放大器，如压电式、热电式、磁电式等。无源传感器又称为能量控制型传感器，它本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，所以，它们必须具有辅助能源，这类传感器有电阻式、电容式和电感式等。1.2传感器的发展动向1．新材料的开发、应用2．新工艺、新技术的应用3．利用新的效应开发新型传感器4．传感器的集成化5．传感器的多功能化6．传感器的智能化1.3传感器的一般特性1.3.1传感器的静态特性

定义:

传感器在稳态信号作用下，其输出—输入关系为静态特性。衡量传感器静态特性的主要性能指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。

1.3传感器的一般特性1.线性度传感器的线性度又称非线性误差，是指传感器输出与输入之间的线性程度。线性度可用下式表示:γL──线性度（非线性误差）；Δmax──最大非线性绝对误差；ym──输出满量程值1.3传感器的一般特性2．灵敏度传感器的灵敏度是指在稳态下输出变化量dy与引起此变化的输入变化量dx之比值，用S表示，即:1.3传感器的一般特性3.迟滞迟滞（或称迟环）特性是用来说明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出—输入特性曲线不重合的程度。产生原因：主要是敏感元件材料的物理性质和传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等。1.3传感器的一般特性表示方法：迟滞大小一般要由试验方法确定，其值用正反行程输出值间最大差值Δmax对满量程输出ym的百分比表示：1.3传感器的一般特性迟滞特性如图1-2：1.3传感器的一般特性4.重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线的不一致性程度.

产生原因:

与产生迟滞现象的原因相同.属于随机误差性质.1.3传感器的一般特性重复性的表示方法:

标准偏差前的系数取2时，误差完全依从正态分布，置信概率为95%；取3时，置信概率为99.73%。根据均方根公式，可以计算，即:

式中yi──测量值；──测量值的算术平均值；

n──测量次数。1.3传感器的一般特性重复性示意图如图1-31.3传感器的一般特性1.3.2传感器的动态特性定义:传感器的动态特性是指传感器对激励（输入）的响应（输出）特性。说明:一个动态特性好的传感器，随时间变化的输出曲线能同时再现随时间变化的输入曲线，即输出—输入具有相同类型的时间函数。

1.3传感器的一般特性1．一阶传感器数学模型:1.3传感器的一般特性

设初始条件:t=0，y=0,当单位阶跃信号X从0到1时，输出响应为：

──传感器的时间常数1.3传感器的一般特性单位阶跃响应如图1-7所示

1.3传感器的一般特性由图1-7看出：只有当t→∞时，y才能达到其稳态值1。实际工作中，一般根据y达到其稳态值的63.2%所用的时间，来衡量一个传感器动态响应的速度。值越大，动态响应越慢，动态误差越大，且存在时间越长。因此，时间常数是一阶传感器的主要动态性能指标，一般希望它越小越好。

1.3传感器的一般特性2．二阶传感器数学模型：1.3传感器的一般特性假设初始条件t=0，y=0，当输入x从0跃变到1时：二阶传感器的输出响应分为3种情况：

（1）0＜＜1（欠阻尼）时

──传感器无阻尼时的固有频率

──传感器的阻尼比

1.3传感器的一般特性（2）=1（临界阻尼）时（3）＞1（过阻尼）时1.3传感器的一般特性图1-5为二阶单位阶跃响应1.3传感器的一般特性说明：由图分析知一般取=0.6~0.8，即欠阻尼状态。

下面就欠阻尼时的单位阶跃响应，讨论二阶传感器的典型动态性能指标，如图1-6所示。1.3传感器的一般特性（1）上升时间tr

输出从稳态值的10%到第一次达到其稳态值的90%所用的时间。（2）峰值时间tp

响应曲线到第一个峰值所用的时间。（3）响应时间ts

响应曲线衰减到与稳态值之差不超过±5%或±2%时所需要的时间，有时称过渡过程时间。（4）最大超调量M

最大超调量就是响应曲线偏离稳态值的最大值。显然，tr、tp、ts和M数值越小，则传感器的动态性能越好。

第1章传感器概述

1.2传感器技术的作用和地位构成现代信息技术的三大支柱是：传感器技术（信息采集）；通信技术（信息传输）；计算机技术（信息处理）；它们在信息系统中分别起到“感官”、“神经”和“大脑”的作用。在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。传感器原理及应用

第1章传感器概述

1.2传感器技术的作用和地位目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，传感器对观测和自动化技术所起的作用远比家用电器所起到的作用大的多。这几乎是无可争议的事实。

传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。是构建现代信息系统的重要组成部分。传感器原理及应用

第1章传感器概述

1.2传感器技术的作用和地位在基础学科研究中，传感器更有突出的地位。宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。

传感器原理及应用

第1章传感器概述

1.2传感器技术的作用和地位工业生产

传感器原理及应用

第1章传感器概述

1.2传感器技术的作用和地位机器人视觉:平面、立体非视觉:触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、…传感器原理及应用

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传感器原理及应用

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1.2传感器技术的作用和地位计量测试

传感器原理及应用

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1.2传感器技术的作用和地位医疗诊断

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1.2传感器技术的作用和地位家用电器

传感器原理及应用

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1.2传感器技术的作用和地位智能建筑

传感器原理及应用

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1.2传感器技术的作用和地位智能建筑门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统传感器原理及应用

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1.2传感器技术的作用和地位最新湿度测量应用领域传感器原理及应用

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1.2传感器技术的作用和地位

传感器原理及应用

第1章传感器概述

1.2传感器技术的作用和地位

传感器原理及应用南京大胜关大桥模型试验第1章传感器概述

1.3传感器现状和国内外发展趋势

传感器现状据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和开发，研发机构6000余家。其中以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等国建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生产能力达到几千万支到几亿支。1998年全世界传感器市场销售额已达325亿元，预计2008年销售额将增至506亿美元。传感器原理及应用第1章传感器概述

1.3传感器现状和国内外发展趋势

我国的传感器技术及产业在国家“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。

目前有1680多家传感器研发机构，产品约6000种，年产量13.2亿多支，其中约有1／2产品销往国外。预计到“十五”期末，敏感元器件与传感器年总产量可望达到20亿支，销售总额将达约120亿元。传感器原理及应用第1章传感器概述

1.3传感器现状和国内外发展趋势

传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、欧洲等发达国家。

许多自动化方面的专家呼吁：目前系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面也表现为传感器自身在智能化和网络方面的落后。传感器原理及应用第1章传感器概述

1.3传感器现状和国内外发展趋势

传感器发展趋势：20世纪70年代以来以电量为输出的传感器得到飞速发展，现代传感器已是测量仪器、智能化仪表、自动控制系统等装置必不可少的感知元件。几十年来传感技术的发展分为两个方面：1.提高与改善传感器的技术指标；2.寻找新原理、新材料、新工艺。为改善传感器性能采用多种技术途径：差动技术；平均技术；补偿修正技术；隔离抗干扰抑制、稳定性处理等等。传感器原理及应用第1章传感器概述

1.3传感器现状和国内外发展趋势

目前传感器总的发展趋势是：（1）

发展、利用新效应；（2）

开发新材料；（3）

提高传感器性能和检测范围；（4）

微型化与微功耗；（5）

集成化与多功能化；（6）

传感器的智能化；（7）

传感器的数字化和网络化。传感器原理及应用传感器的数字化和网络化

模拟传感器放大电路A/D转换线性化处理微处理器标准接口脉冲输出控制门显示传感器原理及应用第1章传感器概述1.3传感器现状和国内外发展趋势传感器在总体上呈现出多功能、微型化、数字化、集成化、智能化和网络化的发展趋势。误差=测量值-真值例如，在电压测量中，真值电压5V，测得的电压为5.3V，则

误差=5.3V-5V=+0.3V真值为“表征某量在所处的条件下完美地确定的量值”。真值是一个理想的概念。真值客观存在，却难以获得。实际值------实际测量中常把高一等级的计量标准测得的实际值作为真值使用。“实际值”≈“约定真值”。测量及测量误差

测量、测量三要素2.误差的表示方法相对误差绝对误差1.绝对误差：定义：被测量的测量值x与其真值A0之差，称为绝对误差。在实际测量中：“约定真值”≈“实际值”=A表示修正值：与绝对误差大小相等，符号相反的量值称为修正值，一般用C表示

C=－Δx=A－x

大小正负单位Δx=x－A0Δx=x－A例：【2.1.1】

一个被测电压，其真值为100V，用一只电压表测量，其指示值U为101V，则绝对误差例：【2.1.2】一台晶体管毫伏表的10mV挡，当用其进行测量时，示值为8mV，在检定时8mV刻度处的修正值是-0.03mV，则被测电压的实际值为

U=8+(-0.03)=7.97mV2

相对误差：-----表示相对误差例：【2.1.3】测量两个电压，其实际值为U1=100V,U2=5V，而测得值分别为101V和6V。则绝对误差为：△U1=101-100=1V△U2=6-5=1V用相对误差便于比较相对误差为：γ1=△U1/U1=1%γ2=△U2/U2=20%相对误差可以有多种形式：真值相对误差

实际值相对误差测量值（示值）相对误差

满度（或引用）相对误差常用因通常A0、A、X>>ΔX故常用X方便电工仪表将满度相对误差分为七个等级：序号一二三四五六七±S%0.10.20.51.01.52.55.03.引用误差

仪表精度等级：例：【2.1.5】用MF-20型晶体管万用表交流电压的30V挡，分别测量6V及20V电压，求最大示值相对误差。此表交流电压挡得准确度等级为4级。当Ux=6V时，当Ux=20V时，例：【2.1.6】被测量的实际值U=10V，现有（1）150V，0.5级和（2）15V，2.5级两只电压表，问选择哪只表测量误差较小？用（1）表时，示值范围用（2）表时，示值范围2.1.4误差按性质分类(P19~21)随机误差系统误差粗大误差

随机误差----不可预定