传感器的定义及组成

合集下载

传感器概述

被测信息敏感元件
转换元件
输出信息信号调理电路
辅助电源Байду номын сангаас路
图1. 2 传感器组成框图
1.3 传感器分类
传感器是一门知识密集型技术，传感器原理各异，学科广泛，种类繁多，分类方法如下:
（1）按照传感器的工作机理，可分为物理型、化学型、生物型等。
（2）从构成原理分为结构型和物性型两类。
（3）按照物理原理分类，可分为电参量式传感器（包括电阻式、电感式、电容式等基本型式）、磁电式传感器（包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等）、压电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、波式传感器（包括超声波
式、微波式等）、射线式传感器、半导体式传感器、其他原理的传感器（如振弦式和振筒式传感器等)。
（4）按传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。
（5）从传感器应用分类，分为位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器。
另外，根据传感器输出是模拟信号还是数字信号，可分为模拟传感器和数字传感器；根据转换过程可逆与否，可分为双向传感器和单向传感器等…。
传感检测技术基础
传感器概述
1.1 传感器定义
传感器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、便于应用的某种物理量的测量装置
1.2 传感器构成
传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此，传感器的组成的细节有较大
差异。但是，总的来说，传感器应由敏感元件、转换元件和信号调理电路组成，有些包含有辅助电源电路，如图1.2所示。
1.4 传感器技术的基本概况
1.传感器的基本要求
可靠性；静态特性；动态性能；量程；抗干扰能力；通用性；轮廓尺寸；成本；能耗；对被测对象的影响等。

传感器概述

第一章传感器概述1．1 传感器的组成与分类1．1．1 传感器的定义✧传感器是能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。

通常由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。

✧传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。

1．1．2 传感器的组成✧一般讲传感器由敏感元件和转换元件组成。

但由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。

因此调节信号与转换电路及所需电源都应作为传感器组成的一部分。

如图1-1所示。

传感器组成方块图✧常见的调节信号与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，他们分别与相应的传感器相配合。

1．1．3 传感器的分类✧表1-1 按输入量分类、按工作原理分类、按物理现象分类、按能量关系分类和按输出信号分类。

1．2 传感器在科技发展中的重要性1．2．1 传感器的作用与地位将计算机比喻人的大脑，传感器比喻为人的感觉器官。

功能正常完美的感觉器官，迅速准确地采集与转换获得的外界信息，使大脑发挥应有的作用。

自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。

1．2．2 传感器技术是信息技术的基础与支柱现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，它们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。

传感器在信息采集系统中处于前端，它的性能将影响整个系统的工作状态和质量。

1．2．3 科学技术的发展与传感器有密切关系传感器的重要性还体现在已经广泛应用于各个学科领域。

如工业自动化、农业现代化、军事工程、航天技术、机器人技术、资源探测、海洋开发、环境监测、安全保卫、医疗诊断、家用电器等领域。

1．3 传感器技术的发展动向✧传感器技术共性是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将非电量转换成电量。

✧传感器技术的主要发展方向一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。

第三章传感器

第三章常用的传感器§3.1传感器的分类一、传感器的定义通俗的讲，传感器就是将被测信息转换成某种信号的器件。

也就是将被测物理量转换成于之相对应的、容易检测、传输或处理的信号的装置，称之为传感器。

传感器通常直接作用于被测量。

传感器是对信号进行感受与传送的装置，它是测试装置的输入环节，因此传感器的性能直接影响着整个测试装置的工作可靠性。

近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这个领域内的一个重要构成因素，被视为90年代的重要技术之一受到了普遍的重视。

深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中的自动测量和自动控制的发展，以及在科学技术领域里实现现代化都有重要意义。

二、传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三个主要部分组成，有时还加上辅助电源。

通常可用图表示如下：图4-1 传感器的组成由于其用途的不同或是结构原理的不同，其繁简程度相差很大。

因此，传感器的组成将依不同情况而有差异。

敏感元件——传感器的核心，它直接感受被测量（一般为非电量）并转换成信号形成，即输出与被测量成确定关系的其它量的元件，如膜片、热电偶，波纹管等。

传感元件——又称变换器，是传感器的重要组成部分。

传感元件可以直接感受被测量（一般为非电量）而输出与被测量成确定关系的电量。

如热电偶和热敏电阻等。

传感元件也可以不只感受被测量，而只是感受与被测两或确定关系的其它非电量；如应变式压力传感器的电阻片，并不直接感受压力，只是感受与被测压力成确定关系的应变，然后输出电量，在多数情况下，使用的就是这种传感元件。

测量电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。

测量电路视传感元件的类型而定。

三、传感器的分类在生产和科研中应用的传感器种类很多，一种被测量有时可以用集中传感器来测量，用一种传感器往往可以测量多种物理量。

为了对传感器有一个概括的认识，对传感器进行研究是很必要的。

传感器概论

第1章概论一传感器的概念与发展1．1 传感器基本概念传感器（transducer/sensor）的定义是：能感受规定的被测量并按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。

其中，敏感元件（sensing element）是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件（transducer element）是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以及其它某种可用信号的部分。

传感器狭义地定义为：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

可以预料，当人类跨入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念将随之发展成为：能把外界信息转换成光信号输出的器件。

传感器的任务就是感知与测量。

在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。

在18世纪产业革命以前，传感技术由人的感官实现：人观天象而仕农耕，察火色以冶铜铁。

从18世纪产业革命以来，特别是在20世纪信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官，即工程传感器来实现。

目前，工程传感器应用如此广泛，以至可以说任何机械电气系统都离不开它。

现代工业、现代科学探索、特别是现代军事都要依靠传感器技术。

一个大国如果没有自身传感技术的不断进步，必将处处被动。

现代技术的发展，创造了多种多样的工程传感器。

工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知的量，如紫外线、红外线、超声波、磁场等。

从这个意义上讲，工程传感器超过人的感官能力。

有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测，但工程传感器测量得更快、更精确。

例如虽然人眼和光传感器都能检测可见光，进行物体识别与测距，但是人眼的视觉残留约为0．1s，而光晶体管的响应时间可短到纳秒以下；人眼的角分辨率为1ˊ，而光栅测距的精确度可达1"；激光定位的精度在月球距离3×104km范围内可达10cm以下；工程传感器可以把人所不能看到的物体通过数据处理变为视觉图像。

传感器的认知与应用

上一页下一页返回
任务传感器的认知与应用
磁性开关的内部电路如图2 -4中虚线框内所示。磁性开关有蓝色和棕色2根引出线，使用时蓝色引出线应连接到PLC输
入公共端，棕色引出线应连接到PLC输入端。在磁性开关上设置的LED 显示灯用于显示其信号状态，供调试时使用。磁性开关动作时，输出信号“1",LED亮;磁性开关不动作时，输出信号“0", LED不亮。磁性开关的安装位置可以调整，调整方法是松开它的紧定螺栓，让磁性开关顺着气缸滑动，到达指定位置后，再旋紧固定螺栓。 2.电感式接近开关电感式接近开关是利用电涡流效应制造的传感器，属于一种开关量输出的位置传感器。电涡流效应是指，当金属物体处于一个交变的磁场中，在金属内部会产生交变的电涡流，该涡流又会反作用于产生它的磁场的一种物理效应。
上一页下一页返回
任务传感器的认知与应用
图2 -9 (c)所示的反射式光电接近开关亦是集发射器与接收器于一体，光电接近开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电接近开关就产生了检测开关信号。反射式光电接近开关检测距离可从几厘米到几米。
4.光纤型光电传感器光纤型光电传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光
二、创建新的数据库文件
在Protel 99 SE的主窗口，可以创建一个新的设计数据库文件。执行菜单File→ New，弹出下图所示的新建设计数据库文件对话框。
在对话框中可以进行以下设置：
该软件采用Client/Server （客户/服务器）体系结构，包含了电子电路原理图设计、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、通用可编程逻辑器件设计、模拟电路与数字电路混合信号仿真及分析、图表生成、电子表格生成、同步设计、联网设计、3D模拟等功能。

传感器的概述

第一章传感器的概述1.传感器的定义能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叫做传感器。

2.传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量（位移、速度、加速度、力等）转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。

3.传感器的组成：传感器由有敏感元件、转换元件、信号调理电路、辅助电源组成。

传感器基本组成有敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。

第二章传感器的基本特性1.传感器的基本特性：静态特性、动态特性。

2.衡量传感器静态特性的主要指标有：线性度、灵敏度、分辨率迟滞、重复性、漂移。

3.迟滞产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等。

4.产生漂移的原因：①传感器自身结构参数老化；②测试过程中环境发生变化。

5.例题：1．用某一阶环节传感器测量100Hz 的正弦信号，如要求幅值误差限制在±5%以内，时间常数应取多少？如果用该传感器测量50Hz 的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少？解：一阶传感器的频率响应特性：幅频特性：2.在某二阶传感器的频率特性测试中发现，谐振发生在频率为216Hz 处，并得到最大福祉比为1.4比1，试估算该传感器的阻尼比和固有频率的大小。

3.玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传给水银，可用一阶微分方程来表示。

现已知某玻璃水银温度计特性的微分方1)(1)(+=ωτωj j H )(11)(ωτω+=A s rad f n n /135********.014.121)(A )(4)(1)(A n max n 21222=⨯=======⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-ππωωξξωωωωωξωωω所以，时共振，则当解：二阶系统程是x y dtdy310224-⨯=+ ，y 代表水银柱的高度，x 代表输入温度（℃）。

求该温度计的时间常数及灵敏度。

解：原微分方程等价于：x y dt dy3102-=+所以：时间常数T=2S, 灵敏度Sn=10-3第三章电阻式传感1.应变式电阻传感器的特点： 1）优点：①结构简单，尺寸小，质量小，使用方便，性能稳定可靠；②分辨力高，能测出极微小的应变；③灵敏度高，测量范围广，测量速度快，适合静、动态测量；④易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测；⑤价格便宜，品种多样，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量多种物理量。

传感器与检测技术第二讲1

xmin xFS 100%
5、稳定性：
传感器的稳定性一般是指长期稳定性指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，
如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。
包括：
抗干扰稳定性温度稳定性
6、漂移：
传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的变化，包括零点漂移和灵敏度漂移等。
传感器的输出输入作用图
外界影响
冲振
温度
电磁场
供电
输入
线性滞后重复性
灵敏度
传感器
误差因素
输出
各种干扰稳定性温漂稳定性(零漂)
分辨力
静态特性
灵敏度分辨率线性度重复性迟滞稳定性漂移
1、线性度
线性度是用实测系统输入-输出特性曲线与其拟合直线之间的最大偏差。又称为非线性误差。
按传感器的工作机理，可分为物理型、化学型、生物型等。
本课程主要讲授物理型传感器。在物理型传感器中，作为传感器工作物理基础的基本定律有场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律等。
按传感器的构成原理，可分为结构型与物性型两大类。
结构型传感器、物性型传感器
结构型传感器结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器来说，这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型。
3、重复性
重复性是指传感器在输入量按同一方向做
全量程多次测试时，所得特性曲线不一致
性的程度。
Rmax 100%
R
YFS
或：
2 ~ 3 100%
R

传感器的概论

对式(1-5)两边取拉氏变换，则得：
我们定义输出y(t)的拉氏变换Y(S）和输入x(t)的拉氏变换X(S)的比为该系统的传递函数H(S)：
Y (S ) bm S m bm1 S m1 b0 H (S ) X (S ) an S n an1 S n1 a0
其他各种弹性敏感元件
在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。
压力传感器的外形及内部结构
被测量通过敏感元件转换后，再经转换元件转换成电参量。
在右图中，电位器为转换元件，它将角位移转换为电参量-----电阻的变化（ΔR）
360度圆盘形电位器右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。
激励
传感器

传感器作为一个完整的系统，即对相应的输入有一定对应关系的输出。但是，输出是否能准确且按规律的反映输入，这是评价一台传感器优劣的关键！要评奖一台传感器的优劣，需要动态特性和静态特性几个指标来衡量。因此，了解和掌握传感器的基本特性，是正确选择和使用传感器的基本条件。
三、传感器的静态特性
传感器的组成举例：测量压力的电位器式压力传感器
1-弹簧管 2-电位器
弹性敏感元件（弹簧管）
敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。
弹性敏感元件（弹簧管）在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α
弹簧管放大图
当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。
Emax Y FS 100% (1 14)
max—正、反行程中最大偏差。

传感器的一些基本概念与常识

2. 正确度
正确度说明测量结果偏离真值的程度，即示值有规则偏离真值的程度。指所测值与真值的符合程度（对应系统误差）。
3. 精确度
它含有精密度与正确度两者之和的意思，即测量的综合优良程度。在最简单的场合下可取两者的代数和。通常精确度是以测量误差的相对值来表示的。
.
20
• •
• •
•
•
• •
••
度就是它的静态特性的斜率，
如图 (a) 所示。即
Sn
y y0 x
非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图 (b) 所示，即用 d y / d x 表示传感器在某一工作点的灵敏度。
.
15
L2
L1
L0
L2
L1
L0
.
16
y
dy
y
x
dx
x
(a) 传感器的输入 —输出特性曲线
k tg y x
如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。例如：压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。
.
7
1. 敏感元件（预变换器）：是指传感器中能直接感受或响应被测量（非
电量）并输出与之成确定关系的其他量（非电量）的部分。
（在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件）。
Δmax —— 输出最大偏差； ΔT —— 温度变化范围
.
25
5、传感器的基体材料
45号钢
202、204不锈钢(铬-镍-锰奥氏体不锈钢30)4不锈钢(0Cr18Ni9) 316L不锈钢 ( 00Cr17Ni14Mo2 )

传感器的定义、组成及分类

传感器一．传感器的定义传感器是一种能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器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。

其包含以下几个方面的含义：1.传感器是测量装置，能完成检测任务2.它的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，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。

4.输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。

二．传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：1.敏感元件（Sensitive element）：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。

2.转换元件（Transduction element）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。

3.转换电路（Transduction circuit）：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。

实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）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。

有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。

三．传感器的分类一、根据输入物理量可分为：位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及气敏传感器等。

二、根据工作原理可分为：电阻式、电感式、电容式及电势式等。

三、根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器和数字式传感器。

即模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字信号.四、根据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器。

有源传感器将非电量转换为电能量，如电动势、电荷式传感器等；无源程序传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，如电阻式、电感式及电容光焕发式传感器等。

传感器分类表。

传感器的定义和组成

传感器的定‎义和组成1．传感器的定‎义广义地说，传感器是指‎能感知某一‎物理量、化学量或生‎物量等的信‎息，并能将之转‎化为可以加‎以利用的信‎息的装置。

人的五官就‎可广义地看‎作传感器，又例如测量‎仪器就是将‎被测量转化‎为人们可感‎知或定量认‎识的信号的‎传感器。

传感器狭义‎的定义是：感受被测量‎，并按一定规‎律将其转化‎为同种或别‎种性质的输‎出信号的装‎置。

中华人民共‎和国国家标‎准GB76‎65－1987对‎传感器（trans‎d ucer‎/senso‎r）的定义是：能感受规定‎的被测量并‎按一定规律‎转换成可用‎输出信号的‎器件或装置‎。

由于电信号‎易于保存、放大、计算、传输，且是计算机‎唯一能够直‎接处理的信‎号，所以，传感器的输‎出一般是电‎信号（如电流、电压、电阻、电感、电容、频率等）。

2．传感器的组‎成传感器的作‎用一般是把‎被测的非电‎量转换成电‎量输出，因此它首先‎应包含一个‎元件去感受‎被测非电量‎的变化。

但并非所有‎的非电量都‎能利用现有‎手段直接变‎换成电量，这是需要将‎被测非电量‎先变换成易‎于变换成电‎量的某一中‎间非电量。

传感器中完‎成这一功能‎的元件称为‎敏感元件（或预变换器‎）。

例如应变式‎压力传感器‎的作用是将‎输入的压力‎信号变换成‎电压信号输‎出，它的敏感元‎件是一个弹‎性膜片，其作用是将‎压力转换成‎膜片的变形‎。

传感器中将‎敏感元件输‎出的中间非‎电量转换成‎电量输出的‎元件称为转‎换元件（或转换器），它是利用某‎种物理的、化学的、生物的或其‎他的效应来‎达到这一目‎的的。

例如应变式‎压力传感器‎的转换元件‎是一个应变‎片，它利用电阻‎应变效应（金属导体或‎半导体的电‎阻随着它所‎受机械变形‎的大小而发‎生变化的现‎象），将弹性膜片‎的变形转换‎为电阻值的‎变化。

所以，敏感元件（sensi‎n g eleme‎n t）是能直接感‎受或响应被‎测量的部分‎；转换元件（trans‎d ucti‎o n eleme‎n t）是将敏感元‎件感受或响‎应的被测量‎转换成适于‎传输和测量‎的电信号部‎分。

传感器的基本知识

(6)漂移(Drift)
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。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移(时漂)和温度漂移(温漂)。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂为周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。
安徽工程大学电气工程学院
当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。
安徽工程大学电气工程学院
第1章传感器的基本知识
物性型传感器
能量转换型传感器按能量关系分类能量控制型传感器按输出信号分类模拟式传感器数字式传感器
传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换
传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量输出为模拟量输出为数字量
安徽工程大学电气工程学院
y yFS ⊿Hmax
0
迟滞特性
x
式中△Hmax—正反行程间输出的最大差值。迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。
安徽工程大学电气工程学院
第1章传感器的基本知识 y
安徽工程大学电气工程学院
第1章传感器的基本知识
（3）传感器的输出量是某种物理量，一般为便于传输、转换、处理、显示的电量（电压、电流、电阻、电感、、、）；（4）传感器的输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度；