第一传感器概述

第1页，共59页，2023年，2月20日，星期一第一章传感器概述§1.0传感器与检测技术的作用

历史时代：手工化机械化自动化信息化生产方式：人与简单工具动力机与机械自动测量控制智能机械装置……信息流获取传输处理控制…第2页，共59页，2023年，2月20日，星期一第3页，共59页，2023年，2月20日，星期一第4页，共59页，2023年，2月20日，星期一第5页，共59页，2023年，2月20日，星期一§1.1传感器的定义

国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：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。①传感器是测量装置，能完成检测任务；②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；③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；④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,即感受被测信息,并传送出去。（是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。）第6页，共59页，2023年，2月20日，星期一§1.2传感器的组成

辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入量转换成电路参数量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。第7页，共59页，2023年，2月20日，星期一§1.3传感器的分类

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、……）主动型被动型第8页，共59页，2023年，2月20日，星期一传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。§1.4传感器的特性

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；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。第9页，共59页，2023年，2月20日，星期一稳定性(零漂)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第10页，共59页，2023年，2月20日，星期一一、静态特性技术指标1．线性度

传感器的输入输出关系曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比,称为该传感器的“非线性误差”或称“线性度”,也称“非线性度”。通常用相对误差表示其大小:第11页，共59页，2023年，2月20日，星期一第12页，共59页，2023年，2月20日，星期一2．迟滞0yx⊿HmaxyFS迟滞特性传感器在正(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,即第13页，共59页，2023年，2月20日，星期一3．重复性xy0⊿Rmax2⊿Rmax1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同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。第14页，共59页，2023年，2月20日，星期一4．灵敏度与灵敏度误差γs=(Δk/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=Δy/Δx传感器输出的变化量Δy与引起该变化量的输入变化量Δx之比即为其静态灵敏度，其表达式为第15页，共59页，2023年，2月20日，星期一△xmin△ymin阈值yx05．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。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。第16页，共59页，2023年，2月20日，星期一

6．稳定性

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。有两个指标：稳定度：传感器测量输出值在一段时间中的变化；影响量：传感器外部环境和工作条件变化引起输出值的不稳定。第17页，共59页，2023年，2月20日，星期一

7．静态误差取2σ和3σ值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即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理论值的偏离程度。yi—各测试点的残差；n一测试点数。第18页，共59页，2023年，2月20日，星期一与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)8、精确度准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。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。第19页，共59页，2023年，2月20日，星期一精确度：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，可取两者的代数和。（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高第20页，共59页，2023年，2月20日，星期一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，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：正弦变化的输入阶跃变化的输入线性输入第21页，共59页，2023年，2月20日，星期一传感技术的发展分为两个方面：●提高与改善传感器的技术性能；●寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。

一、改善传感器的性能的技术途径1．差动技术差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。§1.5传感器的发展趋势

第22页，共59页，2023年，2月20日，星期一2．平均技术在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为δΣ=±δ/√n式中n—传感单元数。可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。第23页，共59页，2023年，2月20日，星期一3．补偿与修正技术补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：★针对传感器本身特性★针对传感器的工作条件或外界环境对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。第24页，共59页，2023年，2月20日，星期一4．屏蔽、隔离与干扰抑制传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：

减小传感器对影响因素的灵敏度降低外界因素对传感器实际作用的程度对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。

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5．稳定性处理

在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。第26页，共59页，2023年，2月20日，星期一二、传感器的发展动向

开发新型传感器

开发新材料新工艺的采用集成化、多功能化智能化

第27页，共59页，2023年，2月20日，星期一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．开发新型传感器新型传感器包括：①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。第28页，共59页，2023年，2月20日，星期一2．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。第29页，共59页，2023年，2月20日，星期一在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，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。第30页，共59页，2023年，2月20日，星期一

4．集成化、多功能化多功能一体化，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。第31页，共59页，2023年，2月20日，星期一5．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，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。第32页，共59页，2023年，2月20日，星期一

§1.5汽车传感器1.5.1概述传感器将发动机工况与环境的信息通过各种信号即时、真实地传递到控制器ECU，也即，传感器是把非电量转换成电量的装置。所以，传感器信息的准确性，再现性和即时性就直接决定控制的好坏。第33页，共59页，2023年，2月20日，星期一

2.2.2汽车传感器的分类（1）按能量关系分类主动型：被动型：需要外加输入电源(一般为+5V)，才能输出电子信号。本身在吸收了能量(光能和热能)，经它本身变换后再输出电能。如：采用压电效应、磁致伸缩效应、热电效应、光电效应等制成的传感器如：采用电阻、电感、电容及应变效应、磁阻效应、热阻效应制成的传感器（2）按信号转换分类由一种非电量转换成另一种非电量由非电量转换成电量如：弹性敏感元件和气动传感器如热电耦温度传感器、压电式加速度传感器第34页，共59页，2023年，2月20日，星期一（3）按输入量分类：位移、速度、加速度、角位移、角速度、力、力矩、压力、真空度、温度、电流、气体成分和浓度传感器等（4）按工作原理分类：有电阻式、电容式、应变式、电感式、光电式、光敏式、压电式和热电式传感器等。（5）按输出信号分类模拟式数字式

第35页，共59页，2023年，2月20日，星期一1.5.2传感器类型类型传感器示例所涉及的系统及参数温敏元件冷却水温传感器ECTEGR，点火定时，燃油蒸发净化，怠速，空然比进气温度传感器IAT点火定时，空然比，增压压力电位器节气门位置传感器TPEGR,点火定时，燃油蒸发净化，空然比翼片式空气流量传感器VAF点火定时，空然比信号发生器排气氧传感器EGO空然比爆燃传感器KS点火定时进气管绝对压力传感器MAPEGR,点火定时，空然比第36页，共59页，2023年，2月20日，星期一汽车传感器按其使用功能大致有两类，一类是使司机了解汽车各部分状态的传感器，另一类传感器是用于控制汽车运行状态的控制传感器，如表1所示。第37页，共59页，2023年，2月20日，星期一1.5.3汽车传感器的性能要求(1)有较好的环境适应性。要求传感器能适应温度、湿度、冲击、振动、腐蚀及油液污染等恶劣工作环境。(2)有较高的工作稳定性及可靠性。(3)再现性好。(4)具有批量生产和通用性。(5)要求小型化，便于安装使用，检测识别方便。(6)应符合有关标准要求。第38页，共59页，2023年，2月20日，星期一1.5.4汽车传感器得选用原则1．量程的选择量程=测量上限-测量下限例如：检测车高用的位移传感器，要求测量上限为50mm，测量下限为-50mm，则选择位移传感器的量程应为50-（-50）mm=100mm。传感器输出变化值

例如：测量发动机冷却液温度的传感器，它的测量变化值为(-50～120℃)，而它的输出电压值要求为0～5v，所以选择其灵敏度为2．灵敏度的选择（5-0）V120-(-50)℃=5V／170℃被测量的变化值灵敏度=第39页，共59页，2023年，2月20日，星期一3．分辨率的选择

分辨率表示传感器可能检测出的被测信号的最小增量。例如，发动机曲轴的位置传感器，要求分辨率为0.1也就是表示设计或选择数字传感器时，它的脉冲当量选择为0.1˚。4．误差的选择误差是指测量指示值与真实值之间的差。有的用绝对值表示，例如温度传感器的绝对误差为±0.2℃；有的用相对于满量程之比来表示，例如空气流量传感器的相对误差为±1％。第40页，共59页，2023年，2月20日，星期一5．重复性的选择重复性是传感器在工作条件下，被测量的同一数值，在一个方向上进行重复测量时，测量结果的一致性。例如，检测发动机在转速上升时期对某一个速度重复测量时，数值的一致性或误差值，应满足规定要求。6．线性度的选择汽车传感器的线性度是指它的输入输出关系曲线与其理论拟合直线之间的偏差。这种偏差要选择大小一定，重复性要好，而且有一定的规律，这样在计算机处理数据时可以用硬件或软件进行补偿。第41页，共59页，2023年，2月20日，星期一

7．过载的选择过载表示传感器允许承受的最大输入量(被测量)。在这个输入量作用下传感器的各项指标应保证不超过其规定的公差范围。8．可靠度的选择可靠度的含义是在规定条件(规定的时期，产品处的环境条件、维护条件和使用条件等)下，传感器正常工作的可能性。例如压力传感器的可靠度为0.998(3000h)，它是指压力传感器符合上述条件时，工作3000h，它的可靠性(概率)为0.998(99.8％)。一般用允许超过测量上限(或下限)的被测量值与量程的百分比表示。在选择时，要求传感器的工作时间长短及概率两指标都要符合要求，才能保证整个系统的可靠性指标。第42页，共59页，2023年，2月20日，星期一9．响应时间的选择传感器的响应时间(或称建立时间)是指阶跃信号激励后，传感器输出值达到稳定值的最小规定百分数(如5％)时所需时间。例如压力传感器响应时间要求≤10ms，也就是要求该传感器在工作条件下，输入信号加入10ms以内输出值达到所要求的数值。该参数大小直接影响汽车工况变换的时间，例如汽车起动时间的大小。第43页，共59页，2023年，2月20日，星期一1.5.3、汽车传感器的应用状况1、传感器在发动机控制系统中的应用

发动机控制系统用传感器主要有温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。

第44页，共59页，2023年，2月20日，星期一2、传感器在底盘上的应用

变速器控制系统应用的传感器有车速传感器、加速踏板位置传感器、加速度传感器、节气门位置传感器、发动机转速传感器、水温传感器、油温传感器等；悬架控制系统应用的传感器有车速传感器、节气门位置传感器、加速度传感器、车身高度传感器、方向盘转角传感器等；

动力转向系统应用的传感器主要有车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器、油压传感器等。

第45页，共59页，2023年，2月20日，星期一3、车身控制用传感器车身控制用传感器主要用于提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等。主要有用于自动空调系统的温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器等；用于安全气囊系统中的加速度传感器；用于门锁控制中的车速传感器；用于亮度自动控制中的光传感器；用于倒车控制中的超声波传感器或激光传感器；用于保持车距的距离传感器；用于消除驾驶员盲区的图像传感器等。

第46页，共59页，2023年，2月20日，星期一4、导航系统用传感器

随着基于GPS/GIS（全球定位系统和地理信息系统）的导航系统在汽车上的应用，导航用传感器这几年得到迅速发展。导航系统用传感器主要有：确定汽车行驶方向的罗盘传感器、陀螺仪和车