传感器原理及检测技术课件

• 课程教学的基本要求
– 掌握电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式、 光电式等传感器的原理和典型应用。 – 要求学生会使用各种传感器，熟悉其工作原理、特 性及应用范围。 – 了解传感器技术的最新发展和应用进展。
• 实验要求与实验内容
– PN结温度传感测温实验
• 要求：在实验台上自己组成系统，分别使用温敏 二极管、温敏三极管和集成温度传感器来测温， 观察并记录测量结果，进行比较。
传感器原理及检测技术
Sensor Principle & Detecting Technology
实验装置
电阻 式远 传压 力表
感应式 流量表
称重 传感器
CCD 传感 器
质子旋进式 磁敏传感器
压阻式液位 传感器
温度传感器
光敏传感器
风力参数 传感器
地震检波器
反射式光 敏传感器
超声 传感器
磁、气、力 敏传感器
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，ຫໍສະໝຸດ 增大传感器 灵敏度。第五节
传感器的发展趋势
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 提高与改善传感器的技术性能； 提高与改善传感器的技术性能 寻找新原理、 ●寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。 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 温度变化、电源波动 外界干扰等 温度变化 电源波动、外界干扰 对传感器精度的影响，抵消了共模误差 共模误差，减小非线 共模误差 非线 性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可 性误差 使灵敏度增大 灵敏度增大。 灵敏度增大
[3]中国传感器 中国传感器 [4]传感器技术 传感器技术 [4]21IC中国电子网 中国电子网 [5]传感技术学报网 传感技术学报网 [6]传感器资讯网 传感器资讯网
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 传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小 传感器特性 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 传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高 传感器工作条件或外界环境 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。
能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感 器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外 部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形 成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源， 如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一 类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效 应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传 感器。 能量转换型传感器，又称有源型或发生器型， 传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输 出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要 外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效 应等的传感器都属于此类传感器。
按照物理原理分类： 按照物理原理分类：
★电学式传感器：电阻式、电感式、电容式等； ★磁学式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； ★压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； ★光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电 码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等； ★气电式传感器：电位器式、应变式； ★热电式传感器：热电偶、热电阻； ★波式传感器：超声波式、微波式等； ★射线式传感器：热辐射式、γ射线式； ★半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻； ★其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式, 如不少半导体式传感器，也可看成电学式传感器。
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； V、I、F、P 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。 传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、 传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头 传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。
第三节 传感器的组成
被测量
敏感元件
转换元件 辅助电源
基本转换电路
电信号
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 转换成电路参量。 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。
实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数 是开环系统 开环系统，也有些是带反馈的闭环系统 闭环系统。 开环系统 闭环系统 最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它 感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由 敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加 速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块） 是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过 若干次转换。 由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。 然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电 信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。
检测技术作为信息科学的一个重要分支， 检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技 自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术 术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术 的完整学科。在人类进入信息时代的今天， 的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一 切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心， 切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感 器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学 器作为信息获取与信息转换的重要手段， 最前端的一个阵地 是实现信息化的基础技术之一。 阵地， 最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。 “没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界 没有传感器就没有现代科学技术” 没有传感器就没有现代科学技术 所公认。 所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官 一样， 一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种 信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。 信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。
第一章 绪 论
第一节 传感器的地位和作用
传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 传感器是获取信息的主要途径与手段。 传感器是获取信息的主要途径与手段。 没有传感器，现代化生产就失去了基础。 没有传感器，现代化生产就失去了基础。 传感器是边缘学科开发的先驱。 传感器是边缘学科开发的先驱。 传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、 传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、 环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、 环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文 物保护等等极其广泛的领域。 物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的 海洋，以至各种复杂的工程系统， 海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化 项目，都离不开各种各样的传感器。 项目，都离不开各种各样的传感器。
– 光电式传感器——光敏电阻的特性
• 要求：在传感器实验台上自己组成系统，观察和 记录光敏电阻的暗电阻、亮电阻及光电流，同时 记录并绘出其伏安特性图。
– 霍尔式传感器的特性
• 要求：在传感器实验台上组成自己的系统，分别 改变控制电流I、磁场B或同时改变I、B来观察和 记录电压UH。
参考网站
[1]仪表技术与传感器 仪表技术与传感器 [2]传感器世界 传感器世界
补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也 可以采用微型计算机通过软件来实现。
4．屏蔽、隔离与干扰抑制 屏蔽、
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 屏蔽、隔离 屏蔽 隔离措施，也可用滤 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。
5．稳定性处理 ．
传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显 得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对 那些很难或无法定期标定的场合。 造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和 随着时间的推移和 环境条件的变化， 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。 能将发生变化。 提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传 对材料、 对材料 感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间 感器整体进行必要的稳定性处理 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。 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。
可见，传感器技术在发展经济、 可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步 等方面起着重要作用。 等方面起着重要作用。
第二节 传感器的定义
国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：