传感器技术 课件 第1章-传感器与测量的基础知识

第1章传感器与测量的基本知识理论知识Contents目

录

传感器的基本知识1.1

测量及误差的基本常识1.2

传感器应用接口电路1.31.1传感器的基本知识学习目标掌握传感器的基本概念了解组成与分类了解主要作用及特点了解主要功能了解主要特性了解选用原则了解传感器的发展动向及其运用传感器的认识►任务导入力传感器流量传感器位移传感器

（1）机械手、机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。密歇根大学的机械手装配模型►传感器的使用——工业自动化广州中鸣数码的机器狗传感器的认识

（2）AGV自动送货车

超声波测距传感器：判断建筑物内人和物所在的位置；红外线色彩传感器：用于AGV小车运动轨迹和位置识别；条形码传感器：识别货品类别。►传感器的使用——工业自动化传感器的认识香港理工AGV模型

（3）生产加工过程监测

►传感器的使用——工业自动化检查轴承/滚珠是否脱漏检查容器内的液位传感器的认识►

传感器的使用——流程工业设备运行状态监控●石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。传感器的认识►传感器的使用——产品质量测量汽车出厂检验原理框图●测量参数：润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。●

通过测试，工程师可以了解汽车出厂的质量。传感器的认识►传感器的使用——楼宇控制与安全防护●该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。楼宇自动化系统传感器的认识烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器►传感器的使用——家庭与办公自动化●全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器（洗净度)液位传感器，电阻传感器（衣物烘干检测)。传感器的认识►传感器的使用——家庭与办公自动化传感器的认识指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器►传感器的使用——其他作用传感器的认识航天农业交通医学1.传感器的基本概念传感器（transducer/sensor）能感受被测量并按照一定的规律转换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，通常由敏感元件和转换元件组成。

——传感器通用术语国标GB/T7665-20051.传感器的基本概念传感器特点系统化数字化智能化网络化微型化多功能化1.传感器的基本概念热敏元件光敏元件气敏元件力敏元件磁敏元件湿敏元件声敏元件色敏元件味敏元件基本感知功能基本概念:实现自动检测和自动控制的首要环节让物体有了触觉、味觉和嗅觉放射线敏感元件2.传感器的组成R4R3UIR1R2UOC应变片应变式压力传感器→压

力电

量__________2.传感器的组成敏感元件转换元件信号调节变换电路辅助电源被测量电量电量中间量输入输出被测量的分类1.电量电压、电流、功率电阻、电容、电感位移、振动、速度、加速度、力、力矩温度、压力、流量浓度、成分、湿度等1）机械量：2.非电量2）热工量：3）化工量：4）生物量：酶、微生物等2.传感器的组成物理、化学、生物敏感元件输入电量输出敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。转换元件：指传感器中能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。3.传感器的分类

按被测量分类物理量传感器化学量传感器生物量传感器气体传感器离子活度传感器离子浓度传感器成分传感器…细胞传感器免疫传感器微生物传感器酶传感器组织传感器…位移传感器力传感器加速度传感器振动传感器压力传感器温度传感器…3.传感器的分类输出信号为模拟量的传感器。如，热电阻传感器、压电传感器…

按输出信号分类模拟式传感器数字式传感器输出信号为数字量或数字编码的传感器。如，光电编码式传感器、光电接近开关、感应同步器…3.传感器的分类电阻式传感器电容式传感器电感式传感器…

按工作机理分类阻抗式传感器电动势式传感器光电式传感器霍尔式传感器压电式传感器热电偶传感器…光纤传感器红外传感器图像传感器…3.传感器的分类直接将被测量转换为电信号。热电偶传感器、压电传感器…

按能量关系（被测量与输出电信号的关系）分类能量转换型（发电型）能量控制型（电参量型）先将被测量转换为电参量，在外部辅助电源作用下才输出电信号。应变式传感器、电容式传感器…按制造工艺3.传感器的分类按作用形式按用途力敏传感器位置传感器液位传感器能耗传感器加速度传感器射线辐射传感器热敏传感器速度传感器主动型传感器被动型传感器集成传感器薄膜传感器厚膜传感器陶瓷传感器4.传感器的主要作用及特点传感器是人类五官的延长，亦称“生产领域中信息的主要途径与手段；没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。电五官是获取自然和4.传感器的主要作用及特点传感器应用领域：

工业生产宇宙开发医学诊断

生物工程

海洋探测资源调查

环境保护5.传感器的主要特性静态特性传感器的静态特性指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系线性度灵敏度迟滞重复性漂移分辨力阈值●传感器特性：输出与输入之间的关系。可用数学函数、坐标曲线、图表等方式表示。►传感器的基本特性根据被测量状态的不同●静态特性——当输入量为常量或变化极慢时，即被测量处于稳定状态时的输入、输出关系。●动态特性——输入量随时间快速变化（如机械振动）时，传感器的输入、输出关系。分类1.线性度2.迟滞3.重复性4.灵敏度5.分辨力和阈值6.稳定性7.漂移线性度●传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。拟合曲线实际曲线●可用一条直线(切线或割线)近似地代表实际曲线的一段，这条直线称为拟合直线。●静态特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度），通常取其最大偏差与理论满量程之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标。迟滞●迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入—输出特性曲线不重合的程度，对于同一大小的输入量，传感器正反行程的输出量的大小不等。●原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等。灵敏度●灵敏度：灵敏度是指传感器输出的变化量Δy与引起该变化量的输入量变化Δx之比，用K来表示。(a)线性传感器(b)非线性传感器灵敏度就是它的静态特性的斜率即K为常数灵敏度为一变量用K=dy/dx表示分辨力●分辨力：在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量，是传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。阈值稳定性●阈值：如果传感器的输入量从零值开始缓慢地增加时，在达到某一最小值后才能测出输出变化，这个最小值就是传感器的阈值。●稳定性：指传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。漂移●漂移：指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。

●传感器的最小可测出的输入量●传感器的最小可测出的输入变化量●表示：室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异稳定性误差●原因：仪器自身参数的变化、周围环境对传感器的输出造成影响。传感器的特性分析►传感器的标定对新研发的传感器进行全面的技术性能鉴定，并将鉴定的数据进行量值传递；对经过一段时间储存或使用后的传感器进行复测，通过再次鉴定来判定被复测的传感器是否可以继续使用；对可以继续使用但某些指标发生了变化的传感器，则需要重新标定并修正相应的原始数据5.传感器的主要作用及特点促进生产发展5.传感器的主要作用及特点提升生活品质5.传感器的主要作用及特点增强装备性能各类武器一方面靠测试系统快速发现、精确测定、有力打击目标；另一方面靠测试系统保证其自身处于最佳战备状态，发挥最大效能！5.传感器的主要作用及特点促进科技发展现代科学技术的发展进入了许多新的境地，许多新能源、新材料、新技术的发现都离不开传感器与测试技术的发展。6.传感器的主要功能视觉嗅觉听觉味觉触觉光敏传感器声敏传感器气敏传感器化学传感器压敏湿敏流体传感器传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟7.传感器的选用原则1.量程的大小；2.被测位置对传感器体积的要求；3测量方式为接触式还是非接触式；4信号的引出方法；5有线或无线测量；6传感器的来源国产还是进口；7价格能否承受？还是自行研制。STEP1：根据被测量的特点和传感器的使用条件需考虑：STEP2：考虑传感器的具体性能指标1灵敏度的选择2频率相应特性3线性范围4稳定性5精度8.传感器的技术发展趋势量子化微型化智能化网络化高精度多功能宽范围可靠性高稳定性好指标先进极端测量发现新现象采用新工艺开发新材料使用新技术__________8.小结1.传感器的概念；2.传感器的组成；3.传感器的分类；4.传感器的主要特性；5.传感器的主要功能；6.传感器的选用原则；7.传感器的技术发展趋势。1.2测量及误差的基本常识学习目标掌握测量误差的分类掌握误差的表示会进行计算分析测量结果从误差产生的原因区分，分为01仪器误差方法误差环境误差人为误差……02从误差出现的规律区分，分为03系统误差随机误差过失误差041.误差的分类1.误差的分类什么是系统误差

系统误差又称为可测误差或规律误差，它是指偏离测量规定的条件或测量方法所导致的，按某些确定规律变化的误差。

在所处测量条件下，误差的绝对值和符号保持恒定，或遵循一定的规律变化（大小和符号都按一定规律变化）。系统误差的特征系统误差可分为：误差值和符号不变的恒定误差；误差值和符号在变化的变值误差。1.误差的分类什么是随机误差

又称未定误差，它是指在实际测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不可预知方式变化的误差随机误差的特征

出现的规律性很复杂，采用统计法找到误差的大小和次数数字关系，即找出误差的分布规律。当测量次数不断增加时，其误差的算术平均值趋向于零在测量条件下的随机事件（概率论和数理统计学的观点）它是围绕测量结果的算术平均值（数学期望）周围随机变化的部分随机误差出现的概率分布为正态分布1.误差的分类什么是过失误差

又称粗大误差或操作误差，它是指不能正确测量而导致严重歪曲测量结果的那种误差，其误差值超过规定条件下的预期值的误差大小过失误差产生的原因主观疏忽或客观条件突变，未及时纠正而导致；测量仪器有缺陷但未发现；操作测量仪器的方法有错误。2.误差的表示方法误差表示方法

传感器作为一种把非电量转换为电量的仪器，测得值与真实值之间的差值即为测量误差两种表示方法（1）绝对误差（2）相对误差2.误差的表示方法绝对误差指测量值Ax与真值A0之间的差值，它反映了测量值偏离真值的多少（1-1）

△＝Ax－A0

常用高精度等级的标准仪器所测得的实际值A代替真实值（真实值一般无法得到）（1-2）

△＝Ax－A

实际中在测量同一被测量时，我们可以用绝对误差的绝对值来比较不同仪表的准确程度，越小的仪表越准确。△2.误差的表示方法【例1-1】用一只标准电压表来校验甲、乙两只电压表，当标准表的指示值为220V时，甲、乙两表的读数分别为220.5V和219V，求甲、乙两表的绝对误差。解：代入绝对误差的定义式（1-2）得甲表的绝对误差△1＝Ax1－A0＝220.5－220＝0.5V乙表的绝对误差△2＝Ax2－A0＝219－220＝－1V2.误差的表示方法相对误差实际相对误差是指绝对误差△与真实值A0的百分比①

实际相对误差γA（1-3）△γA=×100％

A0②

示值相对误差γX示值相对误差是指绝对误差△与测量值AX的百分比（1-4）γ=×100％

A△xx③

满度相对误差γm引用误差是指绝对误差△与仪表满量程值Am的百分比γ=×100％

A△mmm（1-5）当式（1-5）中的△取为最大值△m时，称为最大引用误差，也叫满度误差。一般工程测量，用γx来表示测量的准确度较为方便3.准确度什么是准确度

最大引用误差越小，仪表的基本误差越小，精确度就越高。（1-6）

3.准确度什么是准确度准确度等级准确度等级0.10.20.51.01.52.55.0基本误差（%）±0.1±0.2±0.5±1.0±1.5±2.5±5.0表1-1仪表的精度等级最大引用误差

某公司生产测量温度的仪表，满度误差均在1.1~1.6％之间，该系列产品属于哪一级温度表？【例1-2】某压力表准确度为2.5级,量程为0～1.5MPa，求:1）可能出现的最大满度相对误差γm。2）可能出现的最大绝对误差Δm为多少千帕？3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差γx。解:1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即γm＝±2

5%。2）Δm＝γmAm＝±2

5％

1.5MPa＝±0.0375MPa＝±37.5kPa3）

4.小结1.测量值与真实值之间的差异称为误差；2.对物理量的测量，测量有直接的，也有间接的；3.误差是不可避免的，只能减小；4.真实值客观存在，当无法测量时候，采用平均值或中位值测量。作业：1.用0.5级、量程为200℃的温度传感器来测量温度。求：可能产生的最大绝对误差Δm为多少℃？2.有一温度计，它的测量范围为0～200℃，准确度等级为0.5级，求：1）该表可能出现的最大绝对误差Δm；2）当示值为20℃时，可能出现的最大示值相对误差γx20；3)示值为100℃时，可能出现的最大示值相对误差γx100。3.欲测240V左右的电压，要求测量示值相对误差的绝对值不大于0.6%，求：若选用量程为300V的电压表，请列式计算，其准确度应选哪一级？1.3传感器应用接口电路学习目标2了解传感器信号检测电路3了解传感器和微型计算机的连接1了解传感器输出信号的处理方法4了解传感器接口电路应用实例1.传感器输出信号的处理方法输出形式输出变化量传感器的例子开关信号型机械触点双金属温度传感器模拟信号型电子开关霍尔开关式集成传感器电压热电偶、磁敏元件、气敏元件电流光敏二极管电阻热敏电阻、应变片电容电容式传感器电感电感式传感器其它频率多普勒速度传感器、揩振式传感器传感器的一般输出形式：2.输出信号的特点传感器输出信号的特点12345信号弱有的传感器输出电压最小仅有0.1μV阻抗高输入测试电路时会产生较大信号衰减动态范围宽跟随输入变化温度影响随着输入物理量的变化而变化与物理量的关系不一定是线性比例关系输出信号大小会受温度的影响有温度系数存在3.输出信号的处理方法目的：提高测量系统的测量精度提高测量系统的线性度，抑制噪声3.输出信号的处理方法接口电路信号预处理的功能阻抗变换电路在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感器的输出信号放大电路将微弱的传感器输出信号放大电流电压转换电路将传感器的电流输出转换成电压电桥电路把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电流或电压频率电压转换电路把传感器输出的频率信号转换为电流或电压电荷放大器将电场型传感器输出产生的电荷转换为电压有效值转换电路在传感器为交流输出的情况下,转为有效值，变为直流输出。滤波电路通过低通及带能滤波器消除传感器的噪声成分线性化电路在传感器的特性不是线性的情况下，用来进行线性校正对数压缩电路当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进行压缩3.输出信号的处理方法4.传感器信号检测电路检测电路形式传感器检测电路：完成传感器输出信号处理的各种接口电路的统称直接用传感器输出的开关信号驱动控制电路和报警电路工作传感器输出信号达到设置的比较电平时，比较器输出状态发生变化，驱动控制电路及报警电路工作由数字式电压表将检测结果直接显示出来4.传感器信号检测电路（2）常用电路①阻抗匹配器由于传感器信号输出阻抗高，为防止衰减,阻抗匹配器（高输入阻抗）作为传感器输入到测量系统的前置电路半导体管阻抗匹配器一个半导体共集电极电路（又称为射极输出器）场效应管一种电平驱动元件，栅漏极间电流很小，其输入阻抗可高达1012Ω以上运算放大器也可做阻抗匹配器类型4.传感器信号检测电路（2）常用电路②电桥电路主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流。电桥电路包括直流电桥和交流电桥。③放大电路检测系统中的放大电路一般都采用运算放大器构成放大电路包括反相放大器、同相放大器及差动放大器。4.传感器信号检测电路（2）常用电路

压电式传感器输出的信号是电荷量的变化，配上适当的电容后，输出电