测量仪表与传感器基本知识
传感器的基本知识
传感器的基本知识导语：传感器的静态特性是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。
传感器的基本知识一、传感器的定义国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量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”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为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。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
二、传感器的分类目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器;2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器;3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量(“1”和”0”或“开”和“关”)的开关型传感器;输出为模拟型传感器;输出为脉冲或代码的数字型传感器。
三、传感器的静态特性传感器的静态特性是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。
因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
四、传感器的动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。
*常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
五、传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
第一章 传感器的基本知识
第一章传感器的基本知识复习思考题1. 简述传感器的概念、作用及组成。
2. 传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？3. 传感器是如何命名的？其代号包括哪几部分？在各种文件中如何应用？4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？5. 传感器的动态特性主要从哪两方面来描述？采用什么样的激励信号？其含义是什么？1.1 传感器的作用与地位◆世界是由物质组成的，各种事物都是物质的不同形态。
人们为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。
◆人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能，人的大脑对“五官”感受到的信息进行加工、处理，从而调节人的行为活动。
◆人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对某一事物的存在与否作定性了解，有时需要进行大量的实验测量以确定对象的量值的确切数据，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种仪器设备就是传感器。
传感器是人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。
电量和非电量◆表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。
◆电量——一般是指物理学中的电学量，例如电压、电流、电阻、电容及电感等；◆非电量——则是指除电量之外的一些参数，例如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度及酸碱度等等。
◆人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。
传感器的作用◆非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。
◆非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。
◆传感器是获取自然或生产中信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。
采用传感器技术的非电量电测方法，就是目前应用最广泛的测量技术。
传感器的地位◆随着科学技术的发展，传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱产业，分别充当信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，他们构成了一个完整的自动检测系统。
传感器基础知识
3.传感器的特性及标定
概述
☺
☺
传感器所测量的物理量基本上有两种形式：
静态（稳态或准静态）形式： 这种形式的信号不随时间 变化（或变化很缓慢）；
☺
动态（周期变化或瞬态）形式：这种形式的信号是随时间 而变化。
由于输入物理量形式不同，传感器所表现出来的输出―输 入特性也不同，因此存在静态特性和动态特性。 以一定等级的仪器设备为依据，对传感器的动、静态特性 进行实验检测，这个过程称为传感器的动、静态标定。
250mmH2O
*100%=2%
15
零阶传感器
b0 y x Kx a0
一阶传感器
dy a1 a0 y b0 x dt
二阶传感器
d y dy a2 a1 a0 y b0 x 2 dx dt
8
2
理论上讲，由传感器动态特性的数学模 型可以计算出传感器的输入与输出的关系， 但是对于一个复杂的系统和复杂的输入信号， 采用传感器动态特性的数学模型求解很困难。 因此，在信息论和控制论中，通常采用 一些足以反映系统动态特性的函数，将系统 的输出与输入联系起来。 这些函数有传递函数、频率响应函数和 脉冲响应函数等。
传感器基础知识
1
1.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
电量
敏感元件：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。例：铂电阻
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。 2
11
（2）传感器的动态标定
传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响 应特性即频率响应、时间常数、固有频率、阻尼比 等。
检测仪表基本知识
29
仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参 数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允 许绝对误差的一半。 注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中， 往往用分辨率表示。 死区(不灵敏区) 输入变化不致引起输出可察觉变化的区间。
灵敏度为零
11:11
4.反应时间
反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化 的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出 准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。 仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。
温度检测
பைடு நூலகம்
DS18B20 测温模块
DS18B20 TO-92 温度传感器
温度探头11:11
压力检测
压力表
福禄克Fluke-700G06，- 100 PSIG 液压 气动 压力表
11:11
流量检测
电磁流量计
孔板流量计
涡轮流量计
11:11
仪表本身
原因
安装不当
测量中的 动态误差
一切测量都有误差，误差自始至终存在于所有科学 实验中。
检测仪表基本知识
11:11
从信息论角度讲，测量就是获得信息的过程。
在科研、生产和军事等领域，检测是必不可少 的过程。 通常所讲的检测是指使用专门的工具，通过实 验和计算，进行比较，找出被测参数的量值或判定 被测参数的有无。
11:11
11:11
检测仪表与传感器
检测仪表与传感器1. 引言在工业生产和科学研究中，检测仪表与传感器是不可或缺的设备。
它们能够测量和监测各种物理量，为我们提供准确的数据，以便进行分析、判断和决策。
本文将介绍检测仪表与传感器的基本原理、常见类型和应用领域。
2. 检测仪表与传感器的基本原理2.1 仪表的基本原理检测仪表是一种能够将被测量的物理量转换为人类可以理解的形式的设备。
它通常由传感器、信号转换和显示器组成。
传感器用于测量物理量，信号转换器将传感器输出的信号转换为可读取的电信号，显示器用于显示结果。
2.2 传感器的基本原理传感器是检测仪表中最重要的组件之一，它能够将各种物理量转换为电信号。
传感器的工作原理根据不同的物理量有所不同。
常见的传感器类型包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光电传感器等。
3. 常见的检测仪表与传感器类型3.1 温度传感器温度传感器是最常见的传感器之一。
它根据物质的热膨胀原理来测量温度。
常见的温度传感器包括热电阻、热电偶和半导体温度传感器。
3.2 压力传感器压力传感器用于测量气体或液体的压力。
常见的压力传感器有压阻式传感器、电容式传感器和压电传感器等。
3.3 湿度传感器湿度传感器用于测量空气中的湿度，它可以帮助我们了解环境湿度的变化。
常见的湿度传感器有电容式湿度传感器、电阻式湿度传感器和超声波湿度传感器。
3.4 光电传感器光电传感器用于检测光的强度和光的位置。
它通常由发光二极管和光敏电阻组成。
光电传感器在自动化和机器人技术中广泛应用。
4. 检测仪表与传感器的应用领域4.1 工业自动化在工业生产过程中，检测仪表与传感器可以用于监测温度、压力、湿度等参数，以实现自动控制和监测。
它们可以保证生产环境的安全和稳定。
4.2 环境监测检测仪表与传感器在环境监测中发挥重要作用。
它们可以测量空气中的温度、湿度、气体浓度等参数，帮助我们了解环境的变化和污染程度。
4.3 医疗设备在医疗设备中，检测仪表与传感器被广泛应用于测量体温、血压、脉搏等生理指标，为医生和护士提供准确的数据，以便进行诊断和治疗。
仪表传感器知识点总结
仪表传感器知识点总结仪表传感器是一种广泛应用于工业控制领域的传感器，它们能够测量和监测各种物理量，例如温度、压力、流量、液位等。
在工业生产过程中，仪表传感器被广泛用于测量和监测各种工艺参数，以保证生产过程的安全和稳定运行。
以下是关于仪表传感器的一些主要知识点总结：1. 传感器类型：仪表传感器通常根据其检测原理和测量范围来分类。
常见的仪表传感器类型包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器等。
每种传感器类型都有其特定的测量原理和适用范围。
2. 传感器检测原理：仪表传感器的检测原理多种多样，常见的包括电阻式、电容式、压阻式、振动式、光电式等。
不同的检测原理适用于不同的测量场合，选择合适的检测原理可以确保传感器的准确性和稳定性。
3. 传感器工作原理：仪表传感器通常通过将被测物理量转换为电信号来实现测量和监测。
传感器的工作原理包括获取被测物理量信号、转换为电信号、放大和处理信号、最终输出测量结果等。
4. 传感器特性：仪表传感器具有许多特性，包括灵敏度、线性度、重复性、稳定性、精度等。
这些特性直接关系到传感器的测量准确性和可靠性，是评价传感器性能的重要指标。
5. 传感器选型与安装：在选择仪表传感器时，需要根据测量范围、精度要求、工作环境等因素进行综合考虑。
传感器的安装位置和方式也会影响其工作性能，正确的安装可以最大限度地发挥传感器的作用。
6. 传感器信号处理:传感器输出的信号通常需要经过放大、滤波、线性化等处理，才能得到符合要求的测量结果。
传感器信号处理技术对传感器的测量性能具有重要影响，是传感器技术领域的重要研究方向之一。
在工业自动化控制领域，仪表传感器起着至关重要的作用，它们直接关系到生产过程的安全性、稳定性和经济效益。
随着科学技术的不断进步，仪表传感器技术也在不断发展，新的传感器类型和新的传感器技术不断涌现，为工业控制领域的发展提供着强大的支撑。
总的来说，仪表传感器技术是一门综合性的技术领域，它涉及到传感器的原理、结构、工作方式、信号处理、测量精度等方面的知识。
3.3(流量) 检测仪表与传感器解析
②当要求压力损失较小时,可采用喷嘴、文丘里管等。
11
过程装备控制技术
3.3、流量检测及仪表 3.3.2 差压式流量计
③在测量某些易使节流装置腐蚀、沾污、磨损、变形的 介质流量时,采用喷嘴较采用孔板为好。 ④在流量值与压差值都相同的条件下,使用喷嘴有较高的 测量精度,而且所需的直管长度也较短。
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过程装备控制技术
3.3、流量检测及仪表 3.3.2 差压式流量计
（2）测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。 ①取压点应在节流装置的上半部。 ②引压导管最好垂直向上，至少亦应向上倾斜一定的坡度， 以使引压导管中不滞留液体。 ③如果差压计必须装在节流装置之下，则需加装贮液罐和 排放阀， （3）测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决 蒸汽冷凝液的等液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量 精度的影响。常见的接法见图3-6所示。
差压计阀组安装示意图 1，2—切断阀；3—平衡阀 隔离罐的两种形式
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过程装备控制技术
3.3、流量检测及仪表
3.3.3 转子流量计 一、 工作原理
当测量流体的流量时，被测流体从锥 形管下端流入，流体的流动冲击着转子， 并对它产生一个作用力（这个力的大小随 流量大小而变 化）。当流量足够大时，所 产生的作用力将转子托起，并使之升高。 同时，被测流体流经转子与锥形管壁间的 环形断面，从上端流出。当被测流 体流动 时对转子的作用力，正好等于转子在流体 中的重量时（称为显示重量），转子受力 处于平衡状态而停留在某一高度。
3
过程装备控制技术
3.3、流量检测及仪表 3.3.1 概述
仪表重要基础知识点
仪表重要基础知识点
为了深入了解仪表的重要基础知识点，我们首先需要了解仪表的定义和分类。
仪表是一种用来检测、测量和显示物理量的装置。
根据其功能和测量对象的不同，仪表可以分为多种类型，包括电力仪表、机械仪表、光学仪表、化学仪表等。
在仪表领域，最基本的知识点之一是关于传感器的原理和应用。
传感器是仪表中起到感知和采集待测量信号的作用的元件。
常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器等。
了解传感器的原理和特点，可以帮助我们选择适合的传感器，并正确应用于相应的仪表系统中。
另一个重要的基础知识点是关于仪表的测量原理和技术。
仪表的核心功能是准确测量待测量信号的数值。
了解测量原理和技术，可以帮助我们理解仪表的测量误差来源、校准方法以及常见的测量技术，例如模拟量测量和数字量测量等。
同时，了解测量原理还可以帮助我们选择合适的仪表以及正确使用和维护仪表。
此外，仪表的显示和记录功能也是仪表领域的重要内容。
仪表通常具有显示测量结果的功能，可以以数字、图形或者曲线的形式呈现。
了解显示原理和技术，可以帮助我们正确解读仪表显示的结果，并了解常见的录入和输出方法。
总结起来，仪表的重要基础知识点包括传感器原理和应用、测量原理和技术、显示和记录功能等。
了解这些基础知识点可以帮助我们理解仪表的工作原理，正确选择和使用仪表，并解决仪表使用中可能出现的问题。
高二传感器知识点总结
高二传感器知识点总结一、传感器的基本概念传感器是一种能够感知周围环境并将感知到的信息转化为电信号或其他形式信号的器件。
传感器在工业自动化、智能家居、医疗设备、汽车工业等领域都有广泛的应用，对于提高生产效率、改善生活质量有着重要的作用。
二、传感器的分类1. 按照测量物理量分类传感器根据其测量的物理量不同可以分为温度传感器、压力传感器、光敏传感器、湿度传感器、力传感器、位移传感器等多种类型。
2. 按照传感原理分类传感器还可以按照其传感原理不同进行分类，常见的传感原理包括电阻传感器、电容传感器、电感传感器、霍尔传感器、红外线传感器、激光传感器等。
3. 按照传感器的工作原理分类按照传感器的工作原理可以分为接触式传感器和非接触式传感器两种。
接触式传感器需要直接接触被测物体，而非接触式传感器可以通过无线、光学或者声波等方式进行测量。
三、传感器的特点1. 灵敏度高传感器能够感知到微小的变化，具有高的灵敏度。
2. 可靠性高传感器具有良好的稳定性和可靠性，能够长时间稳定工作。
3. 多功能性强传感器可以感知多种物理量，具有多功能性。
4. 体积小、重量轻传感器通常体积小、重量轻，便于安装和携带。
5. 自动化程度高传感器可以实现自动检测和自动控制，有助于提高生产效率。
四、传感器的应用1. 工业自动化传感器在工业自动化领域有着广泛的应用，可以用于测量温度、压力、液位、流量等参数，实现设备的自动化控制。
2. 智能家居在智能家居领域，传感器可以应用于智能灯光控制、温湿度监测、门窗开关检测等方面，提高生活的便利性和舒适性。
3. 医疗设备在医疗设备领域，传感器可以用于心率监测、血压监测、血糖监测等，为医疗人员提供重要的生理参数。
4. 汽车工业在汽车工业中，传感器可以用于车速测量、车重检测、发动机温度检测等，提高车辆的性能和安全性。
五、传感器的未来发展趋势1. 多功能集成传感器未来发展趋势是实现多功能集成，将多种传感功能整合在一个器件中，提高传感器的智能化和多功能性。
第一章传感器技术基础知识
时间常数：用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性。τ越小， 频带越宽。
固有频率：二阶传感器的固有频率ωn表征了其动态特性。
传感器的选用原则
与测量条件有关的因素 (1)测量的目的 (2)被测试量的选择 (3)测量范围 (4)输入信号的幅值，频带宽度 (5)精度要求 (6)测量所需要的时间
相应的响应曲线 ：
传感器存在惯性，它的输出不能立即复现输入信号，而是从零开 始，按指数规律上升，最终达到稳态值。 理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但实际上 当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。 τ越小，响应曲线越接近于输入阶跃曲线， 因此，τ值是一阶传感器重要的性能参数。
测量
测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或 设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，
并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测
量的定量信息。
xnu或
x——被测量值；
n x u
u——标准量，即测量单位；
n——比值，含有测量误差。
测量过程
传感器从被测对象获取被测量的信息，建立起 测量信号，经过变换、传输、处理，从而获得 被测量量值的过程。
线性传感器
S y x
灵敏度是它的静态特性的斜率，即S为常数。
非线性传感器
它的灵敏度S为一变量，用下式表示。
S dy dx
传感器的灵敏度如图1-3所示。
Y
Y
S y - y0
Yo
x
X O
a）线形传感器
Байду номын сангаас
Y dy
dx S dy dx X
仪表技术与传感器3篇
仪表技术与传感器第一篇：仪表技术概述仪表技术是现代化生产、科学研究和社会管理等领域的重要技术之一，是实现自动化、数字化、精密化的关键技术。
仪表技术是在测量和控制领域内取得的成果和经验的基础上，通过新技术、新方法的不断引入和不断改进，逐步发展起来的。
仪表技术现已成为工程技术和应用科学领域中的一门独立学科，其发展水平直接影响到企业生产的质量、效益和竞争力，也影响到社会科学、自然科学的研究进展。
仪表技术包括传感器、测量、监测、控制、数据处理和信息传输等方面的内容，其研究内容囊括了物理学、化学、机械学等多个学科的基础理论和应用技术。
其主要任务是实现对受控对象的测量、监测、控制和管理，是现代工程、生产和社会管理的重要组成部分。
仪表技术的研究、开发和应用需要广泛的相关知识和技能，包括系统工程、信息处理、计算机应用等多方面的综合技术，因此在近年来得到了迅速的发展和广泛的应用。
当前，随着科学技术的不断进步，精密微小仪器的应用和新型传感器的研发，仪表技术正向着微小化、智能化和网络化的方向发展，取得了重大的研究成果和应用实际。
同时，仪表技术的应用范围也在不断扩大，例如在环境保护、医学、轻工业、化工、车辆控制、航空航天、军事等领域均得到了广泛的应用。
综上所述，仪表技术在现代化生产、科学研究和社会管理等领域中具有重要的作用和地位，其发展水平直接决定了企业的竞争力和社会的进步。
第二篇：传感器技术传感器是仪表技术中的核心部分，是实现测量、监测和控制等功能的重要装置。
其主要作用是将物理量、化学量、生物量等各种实际信息转换为电信号或其他形式的能量信号，以便于实现测量、监测和控制等功能。
传感器的种类非常广泛，按照测量原理、检测物质等分类大致可以分为以下几类：1.机械式传感器：如应变仪、压力传感器、力传感器、位移传感器等。
这种传感器利用物理量在某些材料中产生变化的基本原理，利用弹性变形、磁性变形、光学变化或热电变化等方式实现物理量的测量。
传感器基础知识
直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确 定关系的某一物理量的元件。
敏感元件是传感器的核心
2024/9/29
3
转换元件： 将敏感元件输出的物理量转换成 适于传输或测量电信号的元件。
2024/9/29
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测量电路： 将转换元件输出的电信号进行进 一步转换和处理的部分，如放大、滤波、线性 化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后 续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。
y
ΔLmax
x
②过零旋转拟合
曲线过零的传感器。拟合时，使
y
ΔL1 = ΔL2 = ΔLMax
ΔL1 ΔL2
x
③端点连线拟合
把输出曲线两端点的连线作为拟合直线
y
ΔLmax x
④端点连线平移拟合
在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离为
原先的一半 y
ΔL2 = ΔL1 = ΔL3 = ΔLMax
ΔL3
6
2．传感器的分类
（3）按照其结构分：
传感器可分为结构型、物性型和复合型传 感器。
A、物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性 质的变化来实现信号变换，如：水银温度计。
B、结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化实 现信号变换，如：电容式传感器。
2024/9/29
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1.1.3 传感器基本特性
传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性， 即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测量） x(t)之间的关系，
2024/9/29
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1.2 检测技术理论基础
1.2.1 检测技术
检测技术主要研究被测量的测量原理、测量方
法、检测系统和数据处理等方面的内容。
不同性质的被测量要采用不同的原理去测量， 测量同一性质的被测量也可采用不同测量原 理。
传感器与检测技术基础知识
X Ax A0
测量值：由测量器具读数装置 所指示出来的被测量的数值。
【例1】
约定真值：被测 量用基准器测量
出来的值。 （真值的替身）
某采购员分别在A 、B 、C 三家商店购买 100kg牛肉干、10kg牛肉干、1kg牛肉干，发现均 缺少约0.5kg，但该采购员对C家卖牛肉干的商店
意见最大，是何原因？
（2）相对误差 —— 反映测量值的精度
①实际相对误差
A
X A0
100%
②示值相对误差
x
X Ax
100%
③满度相对误差
m
X Am
100%
仪器 满度值
当ΔX取为ΔXm时，最大满度相对误差就被用来 确定仪表的精度等级S：—— 反映仪表综合误差的 大小
S X m 100 Am
或
S X m 100 Amax Amin
1.传感器的静态特性 —— 被测量的值处于稳定
（1）线性度
状态时的输出-输入关系。
指传感器的输出与输入之间数量关系的线性 程度。
传感器的输出与输入关系：
y a0 a1x1 a2x2 anxn
如果传感器非线性的方次不高，输入量变化 范围较小，则可用一条直线（切线或割线）近似 地代表实际曲线的一段，使传感器的输出-输入特 性线性化，所采用的直线称为拟合直线。
（仪表下限刻 度值不为零时）
S X m 100 Am
若已知仪表的精度等级和量程，则最大绝对误 差为？
Xm S% Am
我国电工仪表等级分为七级，即： 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0级
【思考题】有一数字温度计，它的测量范围为 - 50℃ ～ + 150℃，精度为0.5级。求当示值分别为 - 20℃和 + 100℃时的绝对误差和示值相对误差。
传感器与检测技术基础知识
3.发展智能型传感器
智能型传感器是一种带有微处理器并兼有 检测和信息处理功能的传感器。智能型传感器 被称为第四代传感器，使传感器具备感觉、辨 别、判断、自诊断等功能，是传感器发展的主 要方向。
1.2 检测技术基础 1.2.1 检测技术的概念与作用
检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息 进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术 措施。
切削力测量应变片
动圈式磁电传感器
3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型.
能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计.
能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:
物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换.如:水银温度计.
间的关系式为：y＝f(x1x2x3…) 。间接测量手续多，
花费时间长，当被测量不便于直接测量或没有相应直 接测量的仪表时才采用。
（2）偏差式测量、零位式测量和微差式测量 Ⅰ.偏差式测量 在测量过程中，利用测量仪表指针相对 于刻度初始点的位移(即偏差)来决定被测量的测量方法，称为 偏差式测量。它以间接方式实现被测量和标准量的比较。 偏差式测量仪表在进行测量时，一般利用被测量产生的 力或力矩，使仪表的弹性元件变形，从而产生一个相反的作 用，并一直增大到与被测量所产生的力或力矩相平衡时，弹 性元件的变形就停止了，此变形即可通过一定的机构转变成 仪表指针相对标尺起点的位移，指针所指示的标尺刻度值就 表示了被测量的数值。偏差式测量简单、迅速，但精度不高， 这种测量方法广泛应用于工程测量中。
1.用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途 的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。
传感器的基础知识
理想的线性 关系
关于原点对称， 在输入X=0较大的范围
有较好的线性关系
线性差，一 般很少采用
一般情况
1.3传感器的类型和特性
传感器的静态特性指标
静态特性校准曲线
传感器静态校准曲线(实际曲线)是在静态标准条件下测定的。 利用一定精度等级的校准设备，对传感器进行往复循环测 试，即可得到输出-输入数据。将这些数据取平均，即为传 感器的静态校准曲线。
Y a0 a1X a2 X 2 an X n
讨论a0=0时的情形，即静态特性曲线通过原点的情形：
（1） 理想的线性特性 （2） 仅有奇次非线性项 （3） 仅有偶次非线性项 （4）同时有奇偶次非线性项
Y a1X
Y a1X a3 X 3 a5 X 5
Y a1X a2 X 2 a4 X 4
传感器的分类
•按被测对象的参数分类 位移传感器、力传感器、力矩传感器、压力传感器、振
动传感器、加速度传感器、流量传感器、流速传感器、液 位传感器、温度传感器、湿度传感器等 • 按变换原理分类
电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式 传感器、光电式传感器、热电式传感器、超声波传感器、 光栅传感器、红外传感器、光纤传感器、激光传感器等 • 按输出特性的线性与否分类
Y
0
X
1.3传感器的类型和特性
传感器的静态特性指标
（1）线性度 （2）灵敏度 （3）最小检测量和分辨力 （4）迟滞 （5）重复性 （6）零点漂移 （7）温漂
1.3传感器的类型和特性 y
传感器的静态特性指标
（1）线性度
YFS 实 际 特性 曲 线
在规定的条件下，传感器静态 校准曲线(实际曲线)与拟合直线 间最大偏差与满量程输出值的百 分比称为线性度。
传感器基础知识
• 温漂
–表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以 温度变化1摄氏度，输出最大偏差与满量程的百分比来 表示。
可靠性 ：是反映检测系统在规定的条件下，在规
定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。
“老化”试验：在检测设备通电的情况下，将之放
置于高温环境 低温环境 高温环境……反复循环。 老化之后的系统在现场使用时，故障率大为降低 。
1 静态测量
对缓慢变化的对象进行 测量亦属于静态测量。 e.g. 温度计
2、动态测量
地震测量的振动波形
设备振动检测、故障 诊断
地震时间 ( 分)
便携式仪表
可以显示波 形的便携式 仪表
3、直接测量
电子卡尺
4、间接测量
对多个被测量进行测量，经过计 算求得被测量（阿基米德测量）。
5、接触式测量
（三）、传感器基本特性
传感器的特性一般指：输入、输出特性，包
括： 灵敏度、分辨力、线性度、重复性、零点漂 移、温漂、可靠性、稳定度、电磁兼容性等
灵敏度 ：
灵敏度是指传感器在稳态下输出变化 值与输入变化值之比，用K 来表示：
dy y K dx x
作图法求灵敏度过程
y
Δy
切点
传感器 特性曲线
三、传感器的基本特性
（一）、传感器的组成 举例：测量压力的电位器式压力传感器
传感器 组成框图
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。
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。
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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。
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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
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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。
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第1章 传感器的基本知识 y
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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；
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3.电气信号： 有电压信号、电流信号、阻抗信号和频率信号等。 传送快、滞后小、可远距离传递、便于和电子计算机联接。
4.光信号： 包括光通量信号、干涉条纹信号、衍射条纹信号、莫尔条纹信号等。 可是连续的，也可是断续（脉冲）式的。
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四、测量系统中信号的传递形式
从传递信号的连续性的观点来分：
测量仪表的基本知识
一、 测量过程与测量误差 参数检测：专门的技术工具 －依靠能量的变换、实验和计算 －被测量的值。
被测对象
被测 变量
传感器
变送环节
显示装置
1. 测 量 过 程
参数检测的基本过程
传感器又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能 量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号， 如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。 变送器：传感器的输出0～10mA、4～20mA等标准统一信号。 有些时候，传感器可以不经过变送环节，直接通过显示装置把被 测量显示出来。
:
max 最大绝对误差 ＝ 100% 量程 xmax xmin
仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许
的最大相对百分误差。
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☆☆仪表的精确度等级☆☆
仪表的精度等级是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分
误差去掉“±”、“％”号，即可确定仪表精度等级。
求测量误差不超过0.5 m3/h，请确定该仪表的精度等级。
解：同样，先求最大相对百分误差
0.5 *100% 1.25% 4的流量计 结论： 工艺要求的允许误差≥仪表的允许误差≥校验所得到的相对百分误差
例2
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例1
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2、非线性误差(线性度) 测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输
目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：
0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。 精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：
1.0 1.5
仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。
精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。
精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表，
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5、反应时间
反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参
数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要 较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来 测量变化频繁的参数。
仪表的输出信号（即指示值）由开始变化到新稳
态值的63.2％所用的时间，可用来表示反应时
间，也有用变化到新稳态值的95％所用的时间来 表示反应时间的。
入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度。
非线性误差用实际测得的输入－输出特性曲线（校准曲线）与理 论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示：
仪 表 输 出
f
max
测量范围上限－测量范围下限
100％
理论
max
实际
被测变量
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3、变 差
在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测变量在全量程
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4、灵敏度和分辨力 灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度，它
是指仪表输出变化量和输入变化量之比，即
灵敏度＝Δy/Δx
分辨力又称为灵敏限，是仪表输出能响应和分辨的最 对数字式仪表来说，分辨力就是数字显示仪表变化一
小输入变化量，它也是灵敏度的一种反映。
个LSB（二进制最低有效位）时输入的最小变化量。
xi x0
x0 —— 标准表读数
xi x0
1
2
100% xt 100% x0 100% xmax xmin
绝对误差: 测量误差 实际相对误差:
几种表示形式： 标称相对误差: 相对百分误差:
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二、测量仪表的性能指标
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2. 测量误差
测量误差——仪表测得的测量值
x i 与被测真值 xt 之差 xi xt
由于真值在理论上是无法真正获取，因此，测量误差就是指检测 仪表（精度较低）和标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测变量 进行测量所得到的2个读数之差。 即：
1、测量仪表的准确度（精度）
例：
一台测量范围 0 ～ 1000kPa 的压力测量仪表，其最大绝对误差 10kPa( 在整个量程范围内 ) ，另一台测量范围 0 ～ 400kPa 的压力测量仪表， 其最大绝对误差5kPa， 请问哪一台压力检测仪表的精度更高？
在仪表中，通常以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度、精度等级。 把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差
而工业用表的精度等级数值一般大于等于0.5。
☆☆仪表的精确度等级☆☆ 例1：某压力变送器测量范围为0～400kPa，在校验该变送器时测得的 最大绝对误差为-5kPa，请确定该仪表的精度等级。 解：先求最大相对百分误差
5 *100% 1.25% 400 0
去掉和%为1.25，因此该变送器精度等级为1.5级 例2：根据工艺要求选择一测量范围为0~40m3/h的流量计，要
1、模拟信号：
在时间上是连续变化的，在任何瞬时都可以确定其数值的信号。 可以变换为电信号，即是平滑地、连续地变化的电压或电流信号。 例如：连续变化的温度信号可以利用热电偶转换为与之成比例的连 续变化的电势信号。
范围内正反行程测量时，对应于同一被测值的仪表输出可能不等，
二者之差的绝对值即为变差。
变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表
输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来
表示 ：
仪 表 输 出
变差
max
测量范围上限－测量范围下限
下行程
100％
上行程
max
被测变量
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三、测量系统中的常见信号类型
作用于输入端的被测信号，要转换成便于传输和显示的信号类型：
1.位移信号： 是一种机械信号，包括直线位移和角位移。如在测量力、压力、质量、 振动等物理量时，要先把它们转换成位移量再处理。
2.压力信号：
包括气压信号和液压信号，工业检测中主要应用气压信号。