传感器原理及应用
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一、传感器的静态特性
6、滞后性－续1
对滞后性的衡量，一般用滞环的最大偏差或最大 偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，称为 滞环误差
或
如果传感器存在滞后性，则输入与输出就不能保持 一一的对应关系，因此应尽量使之变小。产生滞后 性的原因主要是材料的物理性质所造成的。
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一、传感器的静态特性
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烟尘浊度测量
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传感器与遥感技术
飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波 船舶：超声波传感器
微波
地面
红外接收传感器
红外线分布差异 矿藏埋藏地区
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二、传感器的分类
1、按传感器输入量（用途）分类
生产厂家往往按输入量分类，以向户提供基本的使用信息。 如：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压 力传感器、流速传感器、温度传感器、光强传感器、湿度传感 器、粘度传感器、浓度传感器、…。
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传感器的分类
2、按传感器工作机理分类
此种分类方法能表示输入变量和输出变之间的关系。
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传感器的分类
2、按传感器工作机理分类－续1
（1）物性型传感器 是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接 转换为电量的传感器。如：各种压电晶体传感器。
（2）结构型传感器 是以结构（如形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被 测量转换为电量。如：气隙型电感式传感器。
(2) 传感器输入、输出端均存在噪声干扰，Δx过小
时，被外界噪声所淹没。 最小检测量：
其中，C为系数，一般取1～5，N为噪声电平， K为灵敏度。对于数字式传感器，则用输出数字指
示值最后一位数字所代表的输入量来表示，称为分 辨率。
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一、传感器的静态特性
6、滞后性
在输入量增加过程中测得的某一点输出值，与在 输入减少过程测得的同一点值不一样，这种现象称 为滞后。图中曲线称为滞环特性曲线。
小于这个量的区域称为死区。对于数字传感器，常 用分辨率来表示。
最小检测量(或感度)的影响因素二：
(1) 输入的变动量Δx在传感器内部被吸收
如：带有螺纹或齿条传递的传感器，由于螺纹和螺
母间、齿轮和齿条间存在间隙，当输入变量Δx小于
这一间隙时，便被传感器内部吸收。
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一、传感器的静态特性
5、最小检测量和分辨率－续1
0，此时输入特性应用静态刚度来表示
静态刚度：
，此时被测力的功：W F 2
k
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被测量与能量变换
5、传感器的输入与输出特性
（2）传感器的输出特性（阻抗匹配） 传感器的输出特性是用来衡量传感器承受负载
能力大小的重要参数。主要参数是广义输出阻抗Zo，
定义为
强；从从提获高得负最载大能功力率出出发发，，ZoZo越等小于越负好载，阻承抗载。能总力
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被测量与能量变换
1、示容变量和示强变量
示容量与示强量组合之积是与某种能量相对应的。 如：力与位移之积是功、力与速度之积是功率、压力与体积之积 是气体力学能量、温度与熵之积是热能、温差与热流之积是热功 率、电压与电荷之积是电能、电压与电流之积是电功率。
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被测量与能量变换
2、传感器能量变换
传感器的工作过程可以视为是将示容量与示 强量由一种组合变成另一种组合。
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被测量与能量变换
3、能量变换与误差
（1）传感器从被测物体拾取能量时对被测物体 的状态产生了影响，从而导致了误差。如：热 电偶测温时，输入的热流是被测物体传递的， 若热电偶的热容量过大，将使被测物体的温度 下降，从而产生误差。
在传感器内部，信息的传递与变换伴随着能量 的流动。 （1）能量变换型：传感器从被测对象中获取能 量，用于直接输出。如：热电偶、光电池、压 电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。 （2）能量控制型：传感器从被测对象中获取能 量，用于控制激励源，故又称有源型传感器。 如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、…。
（2）传感器输出端的负载消耗传感器的能量时， 亦对被测物体造成误差。 传感器对被测物体的影响越小，负载对传感 器输出的影响越小，测量精度就越高。
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被测量与能量变换
4、传感器信号变换
根据传感器输出信号是模拟量或是数字量，可将信号变换分为两大类。 【模拟变换】输入为模拟量，输出为模拟量。 【数字变换】输入为模拟量，输出为数字量。
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一、传感器的定义
1、定义
• 所谓传感器是来自“感觉”一词 传感器技术属现代高新技术（电五官）
• 根据GB7665-87，【传感器】（Transducer ／Sensor）的定义为： 能感受规定的被测量并按一定规律转换成 可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件 和转换元件组成。
• 我国往往把“传感器”和“敏感元件”等同使 用
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石化企业输油管道、储油罐等压力容器的 破损和泄露检测
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在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂 时，必须对其性能质量检测
• 图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括 润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机 转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以 了解产品质量。
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被测量与能量变换
5、传感器的输入与输出特性
（1）传感器的输入特性（负荷效应） 传感器的输入特性是用来衡量传感器对被测
对象的影响程度。其主要参数是广义输入阻抗Zi，
定义为
由于示强变量X与示容变量x的乘积为能量 W（或功率），则有
能量或功率：
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被测量与能量变换
5、传感器的输入与输出特性
１、变换函数（静态特性的一般数学模型）
变换函数反映传感器输入与输出间的关系式， y=f(x) 其中x为输入量，y为输出量。几种典型的变换函数如下表
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一、传感器的静态特性
１、变换函数
通常，要求传感器在静态情况下的输入与输出保持 线性关系，实际上，如上表所示，很难满足理想的线 性关系，一般用多项式表示 只有当二阶以上的项为0时，才满足理想的线性关系。
一、传感器的静态特性
4、线性度（非线性误差）
在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大
偏差与满量程（F.S）输出值的百分比称为线性度。
线性度： 拟合方法有基端线性拟合、最佳直线拟合和最小二 乘法拟合。
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一、传感器的静态特性
5、最小检测量和分辨率
是指传感器能确切反映被测量的最低极限量 Δx，
• 对人体的健康状况进行 • 诊断需要进行多种生理 • 参数的测量。 • 国内已经成功地开 • 发出了用于测量近红外 • 组织血氧参数的检测仪 • 器。人类基因组计划的研究
也大大促进了对酶、免疫、 微生物、细胞、DNA、RNA、 蛋白质、嗅觉、味觉和体液 组份以及血气、血压、血流 量、脉搏等传感器的研究。
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三、被测量与能量变换
1、示容变量和示强变量 (1)示容变量或称为流通变量、扩展量(Extensive)
示容变量是与空间分布成比例的量，表示能容纳多少的量。 如：长度、面积、体积、质量、位移、速度、电荷、磁力线、电
流、热流、熵、…。
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被测量与能量变换
1、示容变量和示强变量
(2)示强变量或跨越变量,密集量(Intensive) 示强变量是指在某种场合下，表示作用程度的量。 如：力、压力、温度、温差、电压、磁通、光通、气体浓度、湿 度…。
医学
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传感器与航空及航天
航天
• 飞行器：控制在预定轨 道上
• 陀螺仪、阳光传感器、 星光传感器、地磁传感 器
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传感器与环境保护
• 保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须 进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量 用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、 BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、 总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以 及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、 烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测量的传感 器，这些传感器中大多数亟待开发。
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• 汽车扭距测量
机床加工精度测量
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汽车与传感器
高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转 速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确 的测量，一般需要30～1 00种传感器。
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传感器与家用电器
自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电 风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭 影院等。
§1-2 传感器的特性
• 传感器的静态特性 • 传感器的动态特性
传感器的特性就是对输入输出关系的描述，理想的特性是在任何 情况下输入与输出都是一一对应的。
分静态特性和动态特性。
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§1-2 传感器的特性
一、传感器的静态特性
【静态特性】：输入不随时间变化时（在稳态信号作用下），传感器输出与 输入之间的关系。
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传感器的定义
2、传感器的组成
• 敏感元件（Sensing element） 直接感受或响应被测量的部分。有时也将敏感元件称为传感器。
• 转换元件（Transduction element） 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。
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传感器的定义
3、传感器的特征参数
定义为：传感器的精度表示传感器在规定条件下 允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百 分比，
其中，ΔA为测量范围内允许的最大绝对误差。
在应用中，为了简化传感器的精度的表示方法， 引用了精度等级的概念，分为：0.05、0.1、0.2、 0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等级越小精度越高
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可知：① 当被测量为示强变量时（如：被测量为力、
No 压力、温度等），传感器广义输入阻抗越大，从被
测对象吸收的能量就越小，误差也就越小。
② 当被测量为示容变量时（如：位移、速度、
Image 加速度等），传感器广义输入阻抗则越小越好。 ③ 当被测示容变量为0时（如：用力传感器测量 静态力时），此时被测点处于力平衡状态，速度为
的要求是：希望从被测对象处获取较小的能量，而 输出大的有用信号。
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四、传感器的发展趋势
• 发现新现象 • 开发新材料 • 采用微细加工技术 • 集成化 • 智能化 • 仿生传感器
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第一章 基本概念
§1-1 传感器的定义与组成 §1-2 传感器的特性 §1-3 传感器的误差及信噪比
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• 被测量 传感器输入量，是传感器命名和分类的重要依据。
• 输出量 含有原始信号，且为便于接收与处理的信号形式。
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传感器的定义
4、传感器的应用
从被检测对象中获取原始信号 （1）用于自动检测系统
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传感器的定义
4、传感器的应用－续
（2）用于测控系统
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自动检测与自动控制系统
• 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上 设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小 时在线监测系统。
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一、传感器的静态特性
2、灵敏度（静态灵敏度）
当输入变化为Δx时，有： 其中k(x)称为灵敏度，是传感器在工作点上的微商（dy／dx），是
静态特性的最主要指标。当k(x)为定值时，即Δy与Δx成比例，由测量 值Δy便可直接求得Δx。 灵敏度具有可比性。
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一、传感器的静态特性
3、精度
传感器的精度是指测量结果的可靠程度，它以给 定的准确度表示重复某个读数的能力，其误差愈小， 则精度愈高。
传感器原理及应用
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第一章 基本概念
§1-1 传感器的定义与组成 §1-2 传感器的特性 §1-3 传感器的误差及信噪比
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第一章 基本特性 §1-3 传感器的误差及信噪比
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§1-1 传感器的定义与 组成
• 传感器的定义 • 传感器的分类 • 被测量与能量变换
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传感器在机器人上的应用
• 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。
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• 密歇根大学的机械手装配模型
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机器人服务员
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AGV自动送货车
香港理工AGV模型
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传感器在生物医学上的应 用
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传感器的分类
2、按传感器工作机理分类－续2
（3）化学传感器 是利用化学反应的原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等 转换为电信号的传感器。如：离子选择性电极。
（4）生物传感器 是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传 感器。近年来发展很快。
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传感器的分类
3、按信息能量变换方式分类
7、重复性
重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一 方向在全量程范围内连续变动多次所得特性曲线 的不一致性。
一、传感器的静态特性
6、滞后性－续1
对滞后性的衡量，一般用滞环的最大偏差或最大 偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，称为 滞环误差
或
如果传感器存在滞后性，则输入与输出就不能保持 一一的对应关系，因此应尽量使之变小。产生滞后 性的原因主要是材料的物理性质所造成的。
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一、传感器的静态特性
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烟尘浊度测量
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传感器与遥感技术
飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波 船舶：超声波传感器
微波
地面
红外接收传感器
红外线分布差异 矿藏埋藏地区
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二、传感器的分类
1、按传感器输入量（用途）分类
生产厂家往往按输入量分类，以向户提供基本的使用信息。 如：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压 力传感器、流速传感器、温度传感器、光强传感器、湿度传感 器、粘度传感器、浓度传感器、…。
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传感器的分类
2、按传感器工作机理分类
此种分类方法能表示输入变量和输出变之间的关系。
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传感器的分类
2、按传感器工作机理分类－续1
（1）物性型传感器 是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接 转换为电量的传感器。如：各种压电晶体传感器。
（2）结构型传感器 是以结构（如形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被 测量转换为电量。如：气隙型电感式传感器。
(2) 传感器输入、输出端均存在噪声干扰，Δx过小
时，被外界噪声所淹没。 最小检测量：
其中，C为系数，一般取1～5，N为噪声电平， K为灵敏度。对于数字式传感器，则用输出数字指
示值最后一位数字所代表的输入量来表示，称为分 辨率。
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一、传感器的静态特性
6、滞后性
在输入量增加过程中测得的某一点输出值，与在 输入减少过程测得的同一点值不一样，这种现象称 为滞后。图中曲线称为滞环特性曲线。
小于这个量的区域称为死区。对于数字传感器，常 用分辨率来表示。
最小检测量(或感度)的影响因素二：
(1) 输入的变动量Δx在传感器内部被吸收
如：带有螺纹或齿条传递的传感器，由于螺纹和螺
母间、齿轮和齿条间存在间隙，当输入变量Δx小于
这一间隙时，便被传感器内部吸收。
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一、传感器的静态特性
5、最小检测量和分辨率－续1
0，此时输入特性应用静态刚度来表示
静态刚度：
，此时被测力的功：W F 2
k
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被测量与能量变换
5、传感器的输入与输出特性
（2）传感器的输出特性（阻抗匹配） 传感器的输出特性是用来衡量传感器承受负载
能力大小的重要参数。主要参数是广义输出阻抗Zo，
定义为
强；从从提获高得负最载大能功力率出出发发，，ZoZo越等小于越负好载，阻承抗载。能总力
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被测量与能量变换
1、示容变量和示强变量
示容量与示强量组合之积是与某种能量相对应的。 如：力与位移之积是功、力与速度之积是功率、压力与体积之积 是气体力学能量、温度与熵之积是热能、温差与热流之积是热功 率、电压与电荷之积是电能、电压与电流之积是电功率。
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被测量与能量变换
2、传感器能量变换
传感器的工作过程可以视为是将示容量与示 强量由一种组合变成另一种组合。
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被测量与能量变换
3、能量变换与误差
（1）传感器从被测物体拾取能量时对被测物体 的状态产生了影响，从而导致了误差。如：热 电偶测温时，输入的热流是被测物体传递的， 若热电偶的热容量过大，将使被测物体的温度 下降，从而产生误差。
在传感器内部，信息的传递与变换伴随着能量 的流动。 （1）能量变换型：传感器从被测对象中获取能 量，用于直接输出。如：热电偶、光电池、压 电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。 （2）能量控制型：传感器从被测对象中获取能 量，用于控制激励源，故又称有源型传感器。 如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、…。
（2）传感器输出端的负载消耗传感器的能量时， 亦对被测物体造成误差。 传感器对被测物体的影响越小，负载对传感 器输出的影响越小，测量精度就越高。
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被测量与能量变换
4、传感器信号变换
根据传感器输出信号是模拟量或是数字量，可将信号变换分为两大类。 【模拟变换】输入为模拟量，输出为模拟量。 【数字变换】输入为模拟量，输出为数字量。
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一、传感器的定义
1、定义
• 所谓传感器是来自“感觉”一词 传感器技术属现代高新技术（电五官）
• 根据GB7665-87，【传感器】（Transducer ／Sensor）的定义为： 能感受规定的被测量并按一定规律转换成 可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件 和转换元件组成。
• 我国往往把“传感器”和“敏感元件”等同使 用
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石化企业输油管道、储油罐等压力容器的 破损和泄露检测
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在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂 时，必须对其性能质量检测
• 图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括 润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机 转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以 了解产品质量。
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被测量与能量变换
5、传感器的输入与输出特性
（1）传感器的输入特性（负荷效应） 传感器的输入特性是用来衡量传感器对被测
对象的影响程度。其主要参数是广义输入阻抗Zi，
定义为
由于示强变量X与示容变量x的乘积为能量 W（或功率），则有
能量或功率：
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被测量与能量变换
5、传感器的输入与输出特性
１、变换函数（静态特性的一般数学模型）
变换函数反映传感器输入与输出间的关系式， y=f(x) 其中x为输入量，y为输出量。几种典型的变换函数如下表
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一、传感器的静态特性
１、变换函数
通常，要求传感器在静态情况下的输入与输出保持 线性关系，实际上，如上表所示，很难满足理想的线 性关系，一般用多项式表示 只有当二阶以上的项为0时，才满足理想的线性关系。
一、传感器的静态特性
4、线性度（非线性误差）
在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大
偏差与满量程（F.S）输出值的百分比称为线性度。
线性度： 拟合方法有基端线性拟合、最佳直线拟合和最小二 乘法拟合。
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一、传感器的静态特性
5、最小检测量和分辨率
是指传感器能确切反映被测量的最低极限量 Δx，
• 对人体的健康状况进行 • 诊断需要进行多种生理 • 参数的测量。 • 国内已经成功地开 • 发出了用于测量近红外 • 组织血氧参数的检测仪 • 器。人类基因组计划的研究
也大大促进了对酶、免疫、 微生物、细胞、DNA、RNA、 蛋白质、嗅觉、味觉和体液 组份以及血气、血压、血流 量、脉搏等传感器的研究。
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三、被测量与能量变换
1、示容变量和示强变量 (1)示容变量或称为流通变量、扩展量(Extensive)
示容变量是与空间分布成比例的量，表示能容纳多少的量。 如：长度、面积、体积、质量、位移、速度、电荷、磁力线、电
流、热流、熵、…。
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被测量与能量变换
1、示容变量和示强变量
(2)示强变量或跨越变量,密集量(Intensive) 示强变量是指在某种场合下，表示作用程度的量。 如：力、压力、温度、温差、电压、磁通、光通、气体浓度、湿 度…。
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传感器与航空及航天
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• 飞行器：控制在预定轨 道上
• 陀螺仪、阳光传感器、 星光传感器、地磁传感 器
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传感器与环境保护
• 保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须 进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量 用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、 BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、 总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以 及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、 烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测量的传感 器，这些传感器中大多数亟待开发。
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• 汽车扭距测量
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高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转 速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确 的测量，一般需要30～1 00种传感器。
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传感器与家用电器
自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电 风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭 影院等。
§1-2 传感器的特性
• 传感器的静态特性 • 传感器的动态特性
传感器的特性就是对输入输出关系的描述，理想的特性是在任何 情况下输入与输出都是一一对应的。
分静态特性和动态特性。
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§1-2 传感器的特性
一、传感器的静态特性
【静态特性】：输入不随时间变化时（在稳态信号作用下），传感器输出与 输入之间的关系。
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传感器的定义
2、传感器的组成
• 敏感元件（Sensing element） 直接感受或响应被测量的部分。有时也将敏感元件称为传感器。
• 转换元件（Transduction element） 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。
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传感器的定义
3、传感器的特征参数
定义为：传感器的精度表示传感器在规定条件下 允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百 分比，
其中，ΔA为测量范围内允许的最大绝对误差。
在应用中，为了简化传感器的精度的表示方法， 引用了精度等级的概念，分为：0.05、0.1、0.2、 0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等级越小精度越高
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可知：① 当被测量为示强变量时（如：被测量为力、
No 压力、温度等），传感器广义输入阻抗越大，从被
测对象吸收的能量就越小，误差也就越小。
② 当被测量为示容变量时（如：位移、速度、
Image 加速度等），传感器广义输入阻抗则越小越好。 ③ 当被测示容变量为0时（如：用力传感器测量 静态力时），此时被测点处于力平衡状态，速度为
的要求是：希望从被测对象处获取较小的能量，而 输出大的有用信号。
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四、传感器的发展趋势
• 发现新现象 • 开发新材料 • 采用微细加工技术 • 集成化 • 智能化 • 仿生传感器
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第一章 基本概念
§1-1 传感器的定义与组成 §1-2 传感器的特性 §1-3 传感器的误差及信噪比
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• 被测量 传感器输入量，是传感器命名和分类的重要依据。
• 输出量 含有原始信号，且为便于接收与处理的信号形式。
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传感器的定义
4、传感器的应用
从被检测对象中获取原始信号 （1）用于自动检测系统
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传感器的定义
4、传感器的应用－续
（2）用于测控系统
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自动检测与自动控制系统
• 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上 设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小 时在线监测系统。
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一、传感器的静态特性
2、灵敏度（静态灵敏度）
当输入变化为Δx时，有： 其中k(x)称为灵敏度，是传感器在工作点上的微商（dy／dx），是
静态特性的最主要指标。当k(x)为定值时，即Δy与Δx成比例，由测量 值Δy便可直接求得Δx。 灵敏度具有可比性。
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一、传感器的静态特性
3、精度
传感器的精度是指测量结果的可靠程度，它以给 定的准确度表示重复某个读数的能力，其误差愈小， 则精度愈高。
传感器原理及应用
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第一章 基本概念
§1-1 传感器的定义与组成 §1-2 传感器的特性 §1-3 传感器的误差及信噪比
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第一章 基本特性 §1-3 传感器的误差及信噪比
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§1-1 传感器的定义与 组成
• 传感器的定义 • 传感器的分类 • 被测量与能量变换
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传感器在机器人上的应用
• 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。
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• 密歇根大学的机械手装配模型
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机器人服务员
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AGV自动送货车
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传感器在生物医学上的应 用
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传感器的分类
2、按传感器工作机理分类－续2
（3）化学传感器 是利用化学反应的原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等 转换为电信号的传感器。如：离子选择性电极。
（4）生物传感器 是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传 感器。近年来发展很快。
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传感器的分类
3、按信息能量变换方式分类
7、重复性
重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一 方向在全量程范围内连续变动多次所得特性曲线 的不一致性。