第1章 传感器技术概述

传感器技术与应用第1章传感器技术概述1.1传感器的定义1.2传感器的构成1.3传感器的分类1.4传感器的命名规则与代码1.5传感器的基本特性1.6传感器的标定与校准1.7传感器技术发展趋势2第1章知识目标（1）了解传统传感器与智能传感器的区别；（2）掌握传感器常规的分类依据和类型；（3）了解传感器主要静态特性、动态特性指标的定义及其工程意义；（4）掌握传统传感器、智能传感器的一般构成；（5）了解传感器技术的发展趋势；（6）了解传感器标定与校准的定义及其操作规范。3第1章能力目标（1）能够模块化解析传感器的结构构成；（2）能够根据传感器的名称分析判断其命名依据，进而了解传感器的主要特性；（3）能够掌握传感器主要静态特性、动态特性指标的检测方法；（4）能够掌握传感器标定与校准的基本方法。41.1传感器的定义我国现行标准《传感器通用术语》（GB/T7665-2005）对传感器的定义：“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。51.2传感器的构成（1）敏感元件的作用：能够直接感受被测量的变化，并将其转化为应变、位移等物理量的变化。6（2）转换元件的作用：将敏感元件感受到的被测量的变化，转换成电阻、电容、电感等阻抗参量的变化。7（3）测量转换电路的作用：将转换元件对应的阻抗的变化，转换为电压、电流、频率、脉宽调制信号等便于传输和测量的电信号的变化。8（4）信号调理电路的作用：为满足后续电路对数据分析处理的要求，选择性配置放大、滤波、整形等信号处理电路（信号调理电路）。9（5）辅助电源的作用：为测量转换电路、信号调理电路提供激励。1011变送器4~20mA1~5V0~20mA-10~10V0~10V国际电工委员会IEC111.3传感器的分类

主要实现信号的检测、转换、调理等功能，部分基于微处理器的传统传感器可以对检测的传感数据进行A/D转换、计算、存储、显示和远程传输。

在实现信号的检测、转换、调理功能的前提下，能够基于人工智能算法实现逻辑思维与判断功能；能够实现自补偿、自校准、自诊断、自修复、自决策；能够在无线传感器网络架构中自组网；能够支持智能边缘计算等。121314151617能量变换型能量控制型18191.4传感器的命名规则与代码我国现行标准《传感器命名法及代号》（GB/T7666-2005）明确了传感器的命名规则：1.主题词为“传感器”。2.第一级修饰语为“被测量”，包括修饰被测量的定语。3.第二级修饰语为“转换原理”，一般可在后面加“式”字。4.第三级修饰语为“特征描述”，指必须强调的传感器的结构、性能、材料特征、敏感元件以及其他必要的性能特征，一般可以在后面加“型”字。5.第四级修饰语为“主要技术指标”，如量程、测量范围、精度等。20（2）在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊中的陈述表达，传感器的产品命名要按照相反的顺序表达。例如：传感器，位移，超声波式，±15m。（1）“主题词+四级修饰语”的命名法主要用于有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合。例如：±15m超声波式位移传感器。21传感器的命名代码：221.

“主称”代码，用字母为“C”标记，即“传感器”拼音的第一个大写字母。2.“被测量”代码，用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记或用指定字母表示。3.“转换原理”代码，用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。4.“序号”用一个阿拉伯数字标记，由厂家自定，用于表征产品的设计特性、性能参数、产品系列等信息。如果产品的性能参数不变，仅在局部有改变，其序号可在原序号的基础上顺序添加大写字母A、B、C等（注意不用字母表中的I、Q两个字母）。例如：电涡流位移传感器的代号是：CWY—WL—10压电式加速度传感器的代号是：CA—YD—5231.5传感器的基本特性传感器的基本特性是指由传感器内部结构参数所决定的传感器外部的输入˗输出关系特性。——静态特性和动态特性1.5.1传感器的静态特性

现行国家标准《传感器主要静态性能指标计算方法》（GB/T18459-2001）中对传感器的静态特性定义：“被测量处于不变或缓变情况下，输出与输入之间的关系。即传感器的静态特性是指传感器测量系统在静态信号作用下对应的输入-输出关系”。输出量输入量零点输出量线性项系数非线性项系数24理想的传感器测量系统静态特性：

实际工程应用的传感器测量系统的静态特性都会存在一定的非线性，一般需要借助拟合法或插值法获得近似的特性曲线，对实际数据进行标定。25在设计和选择传感器时需要根据应用场景的需要，需要重点关注某些静态性能指标：传感器主要静态性能指标:测量范围、量程、分辨力、分辨率、阈值、灵敏度、线性度、迟滞、重复性、漂移、准确度、可靠性、稳定性……注意：

本教材主要的静态性能指标的定义依据我国现行国家标准《传感器主要静态性能指标计算方法》（GB/T18459-2001）。26（1）测量范围被测量：下限值上限值~DS18B20的测温范围：-55℃～+125℃铂热电阻PT100的测温范围：-250℃～+850℃K型热电偶的测温范围：-200℃～+1200℃27（2）量程量程下限值上限值-DS18B20的测温范围：-55℃～+125℃=量程=125℃-（-55℃）=180℃某微位移传感器的测量范围为0~10mm，其量程为：10mm也称为满量程（FS：FullSpan）输入28“满量程输出”，又称为“校准满量程输出”：是指传感器最大输出值与最小输出值的代数差。29（3）分辨力在整个输入量程内都能产生可观测的输出量变化的最小输入变化量。被测量的最小变化量。衡量传感器对输入量变化的响应能力、分辨能力。30（4）分辨率相对分辨力例如：某温度传感器的分辨力为0.1℃，满量程输入为500℃，分辨率为：分辨力分辨率=满量程输入值×100%

31（5）阈值能使传感器的输出端产生可测变化量的：最小被测量的值阈值表明了传感器的最小可测的输入量分辨力表明了传感器的最小可测出的输入量的变化量阈值、分辨力的区别？灵敏度界限门槛灵敏度死区失灵区32（6）灵敏度输出变化量灵敏度=输入变化量衡量传感器对输入量变化的反应能力。压力传感器的输入量量纲为力的单位：N；输出量的量纲为电压的单位mV，则灵敏度的单位为：mV/N定义：输出变化量与相应的输入变化量之比。3334（7）线性度非线性误差最大非线性偏差线性度=满量程输出值◊100%35特性曲线拟合样例36最小二乘法37（8）迟滞回程误差最大滞环误差迟滞误差=满量程输出值×100%滞环滞后量反向行程正向行程在输入量作满量程变化时，对于同一输入量，传感器的正、反行程输出量之差。反映的是传感器对应同一输入信号，正行程和反行程的输入-输出特性曲线不重合的现象。

产生迟滞性的主要原因：传感器内部敏感元件材料的物理属性和机械传动机构存在的性能缺陷。例如：机械部分存在间隙、摩擦、松动、积尘等问题。38（9）重复性衡量传感器测量数据的离散程度。

在短的时间间隔内，在相同的工作条件下，同一输入量从同一方向进行满量程变化，多次趋近并到达同一校准点时所测量的一组输出量之间的分散程度。全部校准点正、反行程输出值标准偏差中的最大值。产生重复性的原因与迟滞性原因相近。39（10）漂移衡量传感器性能稳定性的重要指标。

指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间或温度等因素的变化而发生变化的现象。①

传感器内部结构等参数随着时间的变化而发生变化。——时间漂移。导致漂移的因素：②

传感器测试环境的变化，例如：温度、湿度、磁场、机械震动、电源变化等环境因素发生变化。

40（11）准确度绝对误差真值测量值-=传感器准确度等级：国家标准规定：-200℃～+850℃的铂热电阻PT100，准确度对应A、B两个级别。A级:绝对误差的绝对值不大于（0.15+0.002⨯实际温度绝对值）℃B级：绝对误差的绝对值不大于（0.30+0.005⨯实际温度绝对值）℃41（12）稳定性指在规定工作条件下和规定时间内，传感器的性能参数保持不变的能力。传感器的稳定性可以用稳定性误差来表征。稳定性误差对应两种表达形式：绝对误差、相对误差。（13）可靠性指在规定时间内，规定工作条件下，运行指标不超限值的前提下，传感器无故障完成规定功能的能力。传感器的可靠性评价指标一般是平均无故障时间、平均修复时间、故障率（失效率）。421.5.2传感器的动态特性传感器的动态特性反映的是传感器输出量对随时间变化的输入量的响应特性。大多数传感器的动态模型——高阶常系数线性微分方程：输出量输入量微分方程阶数43（1）零阶系统传感器的静态灵敏度（放大系数）：比例系统零阶系统的输出量与输入量保持较好的线性度。例如：变面积的电容式传感器可以视为零阶系统。44（2）一阶系统传感器的时间常数：例如：不带保护套管的热电偶温度检测系统可以视为一阶系统。45一阶传感器系统的传递函数表达式：传感器的静态灵敏度传感器时间常数复变量幅频特性表达式相频特性表达式46（a）幅频特性曲线4748（b）相频特性曲线（3）二阶系统传感器的阻尼比系数：传感器的固有角频率：例如：带保护套管的热电偶温度检测系统可以视为二阶系统。4950二阶传感器系统的传递函数表达式:幅频特性表达式相频特性表达式51（a）幅频特性曲线（b）相频特性曲线传感器的动态特性常见分析方法：瞬态响应法与频率响应法（1）瞬态响应法属于时域研究法，提供给传感器输入端的典型激励信号有阶跃函数、脉冲函数、斜坡函数等。52二阶传感器系统的主要动态性能指标含义：53

超调量表明传感器系统的相对稳定性，超调量值越小越好。54（2）频率响应法属于频域研究法，给传感器测量系统提供正弦输入信号。主要结合幅频特性曲线、相频特性特性曲线进行分析研究主要动态性能指标:551.6传感器的标定与校准

对于新研制或刚生产的传感器需要进行技术标定，对于使用中的传感器需要进行定期的校准，有的传感器每次使用前均需要校准。56标定目的：

使用标准的计量仪器对即将投入生产应用的传感器的主要动、静态性能指标进行检测，确保传感器的各项性能指标达到行业领域标准规定的设计、制造、性能要求，同时也为后续的校准提供校准数据依据。（1）传感器的标定注意：

只有标定完成且参数符合行业领域标准的传感器才能提供产品合格证。标定分类：

静态标定、动态标定。57（2）传感器的校准校准目的：

考虑到传感器在使用过程中，会因元器件老化、环境改变、机械性能变化等原因，导致性能参数与出厂前或安装使用时的标定参数有差异，因此就使用测量准确度等级高的测量仪器，有时需要配合性能参数刚标定过的同类型传感器，对使用中的传感器进行主要性能参数的检测，称为校准。

在传感器使用过程中，可以定期或不定期，甚至每次使用前都可以对传感器进行校准，对应的技术文件被称为《校准证书》或《校准报告》。581.7传感器技术发展趋势

传感器是现代物联网技术、虚拟现实技术、人工智能技术、大数据技术等新一代信息技术产业感知层的基础核心器件。