传感器 第1章
第1章 传感器的基本知识
1.1.3 传感器的物理定律
（ 1 ）守பைடு நூலகம்定律（能量、动量、电荷量等守恒定律）
（ 2 ）场的定律（运动场的运动定律，电磁场的感 应定律等） （3）物质定律（如虎克定律、欧姆定律等） （4）统计法则
第1章 传感器的基本知识
1.2 传感器的基本特性
传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。
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。
第1章 传感器的基本知识
y
(3)重复性(Repeatability)
重复性是指传感器在输入按同一方 向连续多次变动时所得特性曲线不 一致的程度。 重复性误差可用正反行程的最大偏 差表示，即 0
⊿Rmax2
⊿Rmax1
eR R max / yFS 100%
△Rmax1正行程的最大重复性偏差， △Rmax2反行程的最大重复性偏差。
转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成 电路参数（如电阻R，电感L，电容C）或电流、电压 等电量。
信号转换电路：将转换元件输出的电路参数接入信号 转换电路并将其转换成易于处理的电压、电流或频率 量。
第1章 传感器的基本知识
图示压力传感器的敏感元件、 转换元件各是什么？ 压力
1-弹簧管; 2-电位器;3－电刷；4－齿条、齿轮副
第1章 传感器的基本知识
研究传感器动态特性的方法及其指标
时域：瞬态响应法（Transient inputs） 输入信号：阶跃函数(step signal)、斜坡函数 (ramp signal)、脉冲函数(impulse signal) 指标：时间常数、上升时间、响应时间、超调量… 频域：频率响应法(Periodic inputs) 输入信号：正弦周期信号(sinusoidal signal) 指标： 频带宽度
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。
传感器原理及应用(第三版)第1章
三、精确度（精度）
精确度由三个指标：精密度、正确度和精确度 （一）精密度
它说明测量结果的分散性。即对某一稳定的对象（被测量）由 同一测量者用同一传感器和测量仪表在相当短的时间内连续反复测 量多次其测量量的分散程度。 愈小则说明测量越精密。
常数；对非线性
传感器而言，灵
敏度随输入量的
变化而变化。
从输出曲线看，
曲线越陡，灵敏
度越高。可以通
xmax
过作该曲线某一 点的切线的方法
x （作图法）求得 曲线上任一点的
灵敏度。
灵敏度太高，检测系统的稳定性将降低。
例1 ：已知某传感器静态特性方程y=ex，试分别用切线 法，端基法和最小二乘法，在0<x<1范围内拟合基准直 线方程，并求出相应的线性度。
电阻R/ 765 826 873 942 1032
电阻R随温度t的变化规律必须用MATLAB进行曲线拟合
1100
1000
900
800
700
20
40
60
80
100
例：一组测量数据的曲线拟合
已知一组（二维）数据，即平面上 n个点（xi,yi) i=1,…n，利用MATLAB，可以寻求到一个函数（曲线） y=f(x), 使 y=f(x)在某种准则下与所有数据点最为接近， 即曲线拟合得最好。
Y a1X a2 X 2 a4 X 4
（4）具有 X奇、偶次阶项的非线性[图1-1(d)]
Y a1X a2 X 2 a3 X 3 a4 X 4
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奇次项的曲 线在原点附 近较接近直 线
传感器与检测技术第1章 传感与检测技术基础
由于动态特性的研究方法与控制理论中介绍的研究 方法相似，本书不再重复介绍，这里仅介绍传感器 静态特性的一些指标。
（1）测量范围与量程
记； 转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母
标记； 序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征
产品设计特性、性能参数、产品系列等。
例如CWY—YB—10传感器， C：传感器主称，WY：被测 量是位移；YB：转换原理是 应变式，10：传感器序号。
1.1.4 传感器的基本特性
传感器的特性一般是指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。根据被 测量状态的不同，传感器的特性可分为静态特性和 动态特性。
（3）灵敏度 灵敏度S是指传感器的输出量增量∆y与引起
的相应输入量增量∆ x的比值，即
对于线性传感器，它的灵敏 度就是它的静态特性的斜率，即 S= △y/ △x为常数，而非线性传 感器的灵敏度为一变量，用 S=dy/dx表示，它实际上就是输 入特性曲线上某点的斜率，且灵 敏度随着输入量的变化而变化。
测量下限值xmin与测量上限值xmax对应的输出值分别 为输出下限值ymin和输出下限值ymax，则满量程输出 值记为
（2）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。从传感器的性能看，希望 具有线性关系，即具有理想的输入输出关系。 但实际遇到的传感器大多为非线性，如果不考 虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输出与输入关 系可用一个多项式表示
第1章传感器概述
H max——正反行程输出值间的最大差值。 式中：
1.2 传感器的一般特性
4．重复性
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量 程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程 度，如图所示:
图1-5 重复性
1.2 传感器的一般特性
重复性误差属于随机误差，常用标准偏差σ表示， 也可用正反行程中的最大偏差ΔRmax表示，即：
1.2 传感器的一般特性
以动态测温的问题为例说明传感器动态特性。 在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测 介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的 温度分布等情况下，都存在动态测温问题，如 图所示:
动态测温
1.2 传感器的一般特性
传感器的种类和形式很多，但它们一般可以 简化为一阶或二阶系统。 高阶可以分解成若干个低阶环节。 对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率 响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称 为传感器的阶跃响应或瞬态响应。
1.1 基本概念
附：传感器组成示意图
敏感元件的输出作 为转换元件的输入
被测量
敏感 元件
转换 元件
转换 电路
电量
直接感受被测量
转化为电量参数
传感器组成示意图
1.1 基本概念
1.1.3 传感器的分类
按工作机理分类 可分为物理型、化学型、生物型 按构成原理又分为：结构型、物性型和复合型三大类 按能量的转换分类 可分为能量控制型和能量转换型 按输入量分类 常用的有机、光、电和化学等传感器 按输出信号的性质分类 可分为模拟式传感器和数字式传感器
图1-3 传感器的灵敏度
1.2 传感器的一般特性
3．迟滞
传感器在正（输入量增大）反（输入量减小） 行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象 称为迟滞，如下图所示:
传感器与检测技术ppt课件第一章
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1.2检测技术理论基础
1.2.2 测量方法
1) 直接测量、间接测量和组合测量 (又称联立 测量)。经过求解联立方程组，才能得到被测物理量的最后
结果，则称这样的测量为组合测量。
2) 偏差式测量、零位式测量与微差式测量
3) 等精度测量与非等精度测量
4) 静态测量与动态测量
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1.1.3 传感器基本特性
当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其 输入输出关系特性称为静态特性。
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，传感器系统示意图如下图所 示。
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1.1.3 传感器基本特性
2．传感器的分类
（1）按照其工作原理，传感器可分为电参数式(如电阻式、 电感式和电容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器及 热电式传感器等。
（2）按照其被测量对象，传感器可分为力、位移、速度、 加速度传感器等。常见的被测物理量有机械量、声、磁、温 度和光等。
（3）按照其结构，传感器可分为结构型、物性型和复合型 传感器。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。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。
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。
测量电路(measuring circuit)： 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。
第1章 传感器的特性
3.重复性（Repeatability） 传感器在同一工 作条件下输入量 按同一方向(同为 正行程或同为反 行程)作全量程连 续多次变动时所 得特性曲线的不 一致程度。
重复性误差：
Rmax R 100% YFS
△Rmax：正（反）行程中的最大重复偏差
特性曲线一致性好, 重复性就好,误差就小。
3
传感器的特性：传感器所有性质的总称。 传感器的基本特性：输出/输入特性。
概述
静态特性 ： 被测参量基本不随时间变化或变化很缓慢时，传 感器的输出/输入特性。
动态特性 ：
被测参量随时间变化时 ，传感器的输出/输入特 性。
5
传感器的特性
1.1 传感器静态特性方程与特性曲线 1.2 传感器的静态特性 1.3 传感器的动态特性
取2σ或3σ值即为传感器静态误差。静态误差也 可用相对误差表示，即：
3 100% y FS
静态误差是一项综合性指标，基本上包含了前面 叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度 误差等。所以也可以把这几个单项误差综合而得，即：
L H R S
2 2 2
（3-3）
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1.2 传感器静态特性的主要指标
• 由于受很多因素的影响，会引起灵敏度变化从而产生灵敏 度误差，习惯上用相对误差表示
s
k k
100%
• 灵敏度的量纲： 输出的量纲/输入的量纲。V/℃、mv/g、A/g、mv/mm
• 能量控制型传感器，灵敏度与供给sensor的电源电压有关。 例如：100(mv/mm.V) 某位移传感器，当电源电压为1V时，每1mm位移的变化量 引起输出电压变化100mv。
|
温度稳定性（温漂）：传感器在外界温度变化情况下输 出量发生的变化，又称为温度漂移。 抗干扰能力稳定性：传感器对各种外界干扰的抵抗能力。
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
传感器技术第1章传感器技术基础
通常采用微分方程和传递函数等来描述
❖ 动态过程： 稳态过程（输出量达到稳定的状态） 暂态过程（输出量由一个稳态到另一个稳态的过渡过程）
10
1.1.2 传感器的动态数学模型
❖ 1.微分方程（时域）
条件：忽略传感器的非线性和随机变化等复杂因 素，将传感器作为线性定常系统来考虑
其动态模型可以用线性常系数微分方程来表示
33
1.2.1 传感器的静态特性
35 分辨力 ❖ 定义：传感器在规定范围内所能检测出的被测输入量
的最小变化量。 是绝对数值，如0.01mm，0.1g，…… ❖ 分辨率：分辨力相对满量程输入值之百分数表示，是 相对数值
34
1.2.1 传感器的静态特性
36 阈值 ❖ 定义：传感器在规定范围内所能检测出的被测输入量
减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度的指标
e H max 100%
H
yF S
△Hmax —正反行程输出的最大差值
yF.S —理论满量程输出值
！请注意回差与线性度的区别
28
1.2.1 传感器的静态特性
❖ 回差的产生原因： 传感器机械部分的缺陷，如轴承磨擦、间隙、元件 腐蚀、积尘等 各种材料的物理性质，如磁性材料磁化、材料受力 变形、多晶体受力等过程中均会产生回差
常用长期稳定性描述其稳定性。 ❖ 定义：传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力 ❖ 稳定性一般以室温条件下经过一规定的时间间隔后，
传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示， 有时也用标定的有效期来表示
36
1.2.1 传感器的静态特性
38 漂移
❖ 定义：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
第1章传感器概述
泡沫也是可以测量的，近年来使用相对便宜的红外线传 感器，通过记录红外光的衰减进行泡沫浑浊度测量。但 是，这一领域的最大进步还未到来。
LED 泡沫 管子
感光晶体管
浑浊度传感器测量泡沫质量的工作原理
外
感官
大脑
肌体
界
信
息
传感器
计算机
执行机构
第1章 传感器概述
1.1 什么是传感器
传感与检测技术
对于各种各样的被测量，有着各种各样的传感器。 下面请看几个传感器应用实例:
智 能 远 程 数 字 压 力 表 机械式弹簧压力表
第1章 传感器概述
1.1 什么是传感器
传感与检测技术
智 能 数 字 压 力 表
传感与检测技术
（3）烘干机： 温度 —— NTC 湿度 —— 电导传感器
（4）制冷机： 温度
（5）烤箱： 温度 —— pt100
（6）微波炉： 温度 —— NTC 湿度 —— 陶瓷传感器 气体
第1章 传感器概述 传感与检测技术
1.2 传感器技术的作用和地位
家用电器
( 7 ) 吹风机： 温度 —— NTC 温度（非接触）—— 红外线热电偶 气流
现代工业生产，尤其是自动化生产过程中，每个生产环 节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数， 一是保证产品达到最好的质量，二是保证设备工作在最 佳状态。传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接 影响到自动化技术的水平。
背投电视生产线
调试系统
空调生产线
网络产品生产线
液晶产品生产线
全国最大的插件机群
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。
第一章传感器原理与检测技术ppt课件
第1章 传感与检测技术的理念基础
测量概论
一、测量 测量是以确定被测量的值或获取测量结果
为目的的一系列操作。
由测量所获得的被测的量值叫测量结果。 测量结果可用一定的数值表示, 也可以用一条 曲线或某种图形表示。但无论其表现形式如何, 测量结果应包括两部分：比值和测量单位。 确 切地讲, 测量结果还应包括误差部分。
测量概论 二、测量方法
2、偏差式测量、 零位式测量与微差式测量 电位差计式测量：
UX：传感器信号 （未知量）
UK：标准量信号 （已知量）
D： 检零计 （电压表）
平衡：UK=UX
测量概论 二、测量方法
2、偏差式测量、 零位式测量与微差式测量 微差式测量是综合了偏差式测量与零位式测量的
传感器世界
中国传感器
第1章 传感与检测技术的理念基础 测量概论.
表征物质特性或其运动形式的参数很多，总的 可分为电量和非电量两大类，电量一般是物理 学中的电学量（电压、电流等）。非电量是指 电量之外的一些参数（压力、流量等）。
法测量; 根据被测量变化快慢可分为静态测量与 动态测量等。
测量概论 二、测量方法
1、直接测量、间接测量与组合测量
直接测量：
在使用仪表或传感器进行测量时, 对仪表读 数不需要经过任何运算就能直接表示测量 所需要的结果的测量方法称为直接测量。
例如,用磁电式电流表测量电路的某一支路 电流, 用弹簧管压力表测量压力等, 都属于 直接测量。直接测量的优点是测量过程简 单而又迅速, 缺点是测量精度不高
第1章 传感器的一般特性
1.2.1 动态特性的一般数学模型
1、零阶传感器的数学模型
a0Y (t ) b0 X (t )
Y (t )
b0 X (t ) KX (t ) a0
例3 图1-8所示线性电位器是一个 图1-8 线性电位器 零阶传感器。设电位器的阻值 沿长度L是线性分布的，则输出电压和电刷位移之间的关系为
0
1
1 2
1 2 2 1 2
1 d 2T1 2 dT1 T1 T0 2 2 0 dt 0 dt
1.2.2 传递函数
传递函数是输出量和输入量之间关系的数学表示。如 果传递函数已知，那么由任一输入量就可求出相应输出量。 传递函数的定义是输出信号与输入信号之比。 (an Dn an1Dn1 a1D a0 )Y (t )
根据一阶线性微分方程，如果已知T0的变化规律，求出微 分方程式的解，就可以得到热电偶对介质温度的时间响应。
1.2.1 动态特性的一般数学模型
3、二阶传感器的数学模型
( D2
d 2Y (t ) d Y (t ) a2 a1 a0Y (t ) b0 X (t ) 2 dt dt a0 b0 a1 / 2 a0 a2 0 K a2 a0
i 1
n
2
n 1
重复性所反映的是测量结果 偶然误差的大小，而不表示与真值 之间的差别。有时重复性虽然很好， 但可能远离真值。
图1-7 传感器的重复性
1.1.2 静态特性指标
7、零点漂移 传感器无输入(或某一输入值不变)时，每隔一段时间进 行读数，其输出偏离零值(或原指示值)，即为零点漂移。 Y0 零漂 100% YFS 8、温漂 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 ℃输出最大偏差与满量程的百分比来表示。
第1章-传感器的特性
j=1, 2, …, m;
n ——
yji的含义是,若输入值x=xj,则在相同条件下进行n次 重复试验,获得n个输出值yj1～yjn
i —— y j ——算术平均值。
或
S Wn dn
(1.9)
第1章
式中： Wn——极差,是指某一测量点校准数据的最大
dn——极差系数。 极差系数可根据所用数据的数目n由表1.4查得。理 论与实践证明,n不能太大,如n大于12,则计算精度变差, 这时要修正dn 。
第1章 表1.4
第1章
3.
迟滞表明传感器在正（输入量增大）、反（输入
量减小）行程期间,输出-输入曲线不重合的程度。也就 是说,对应于同一大小的输入信号,传感器正、反行程的 输出信号大小不相等。迟滞是传感器的一个性能指标, 它反映了传感器的机械部分和结构材料方面不可避免
的弱点,如轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当,元件磨蚀、
Δi=yi-(b+kxi)
第1章
n
按 最 小 二 乘 法 原 理 , 应 使 i2 最 小 。 故
n
n
i 1
由 i2 [ yi (kxi b)]2 min ,分别对k和b求一阶
偏导i数1 并令i其1 等于零，即可求得k和b：
n
k
n
xi yi xi2 (
xi xi )2
n b
设ai≥0, a0≥0。
1) 这种情况见图1.2(a)。此时
a0=a2=a3=…=an=0 于是
y=a1x
(1.2)
因为直线上任何点的斜率都相等,所以传感器的灵
敏度为
a1= y =k=常数（1.3 x
第1章
2) 输出这种情况见图1.2（b）。此时,在原点附近相当范 围内曲线基本成线性,式（1.1）只存在奇次项：
第1章传感器与检测技术概述
第1章传感与检测技术概述
第1章 传感器与检测技术概述
1.1 传感器的概念、组成和分类 1.2 传感器的基本特性
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第1章传感与检测技术概述
第1章 传感器与检测技术的理论 基础
1.1 传感器的概念、组成和分类
一、传感器的概念、组成与应用
1、 现代信息技术的三大要素：信息获取————传感器技术
第1章传感与检测技术概述
传感器的主要应用
需要量
111 110 103 81 61 47 34 31 31 78 70 61 55 59 47 111 76 93
36
27
26
21 24 20 14
信 息 处 理
电 信 电 话
科 技 测 试
设 备 控 制
交 通 控 制
输 机 机 家 照 汽 飞 船 气海 环 医防光 热 机 电 床 器 用 相 车 机 舶 象洋 境 疗火能 能 械 人 电 机 系 污 利 利 能 统 器 染 用 用 利 用
划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、 体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等
传感器的研究。
第1章传感与检测技术概述
第1章传感与检测技术概述
光纤流速传感器 生物酶血样分析传感器 荧光材 料制作 的电子 鼻传感 器
热/光
电量
第1章传感与检测技术概述
传感器与航空及航天
第1章传感与检测技术概述
陀螺仪、阳光传
第1章传感与检测技术概述
软驱:速度,位置伺服
麦克风:电容传声器
第1章传感与检测技术概述
楼宇控制与安全防护
为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环
境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应 用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯 运行状况。
(整理)传感器第一章
第一章练习题第一节：机电一体化系统常用传感器知识点一：传感器的定义、组成和功能。
（第一节）1、传感器一般有敏感元件、转换元件和三部分组成。
（200914）2、传感器的组成部分中，直接感受被测物理量的是_____________。
（200502）A、转换元件B、敏感元件C、转换电路D、放大元件3、传感器中直接感受被测量的部分是（）（200803）A.转换元件B.敏感元件C.转换电路D.调理电路4、传感器的主要功能是（）。
（200901）A传递信息 B感受被测量 C分析、处理信号 D执行要求的操作知识点二：传感器的分类。
（第一节及表1-1）（一）按被测量对象分类：1、下面传感器中属于非接触式传感器的是（）。
A．触觉传感器 B.滑动觉传感器 C．压触觉传感器 D．视觉传感器（二）按工作机理分类：2、利用光电效应的传感器属于_____________。
（200302）A、电阻型B、结构型C、物性型D、电感型（三）按被测物理量分类：3、下列被测物理量适合于使用红外传感器进行测量的是：_____________。
（200101）A、压力B、力矩C、温度D、厚度4、适合于使用红外传感器进行测量的被测物理量是 _____________。
（200703）A、转度B、温度C、厚度D、加速度（四）按工作原理分类：5、按照工作原理分类，固体图象式传感器属于_____________。
（200103）A、光电式传感器B、电容式传感器C、压电式传感器D、磁电式传感器（五）按传感器能量源分类：6、无源型传感器又称为_____________转换型传感器。
（200314）7、按传感器能量源分类，以下传感器不属于能量转换型的是_____________。
（200603）A、压电式传感器B、热电式传感器C、光电式传感器D、压阻式传感器（六）按输出信号的性质分类：8、按输出信号的性质可将传感器分为、、。
第三节：传感器与检测系统基本特性的评价指标与选用原则。
传感器基础知识
第1章传感器的基本知识一、简述题1-1何谓结构型传感器？何谓物性型传感器？试述两者的应用特点。
1-2一个实用的传感器由哪几部分构成？各部分的功用是什么？用框图标示出你所理解的传感器系统。
1-3衡量传感器静态特性的主要指标有哪些？说明它们的含义。
1-4什么是传感器的静态特性和动态特性？差别何在？1-5怎么评价传感器的综合静态性能和动态性能？二、计算题1-6有一只压力传感器的校准数据如下表所列。
根据这些数据求最小二乘法线性化的拟合直线方程，并求其线性度。
1-7液体温度传感器是一阶传感器，现已知某玻璃水银温度计特性的微分方程为4dy/dx+2y = 2×103x。
式中y为汞柱高(m)，x为被测温度(℃)。
试求：(1) 水银温度计的传递函数；(2) 温度计的时间常数及静态灵敏度；(3) 若被测物体的温度是频率为0.5 Hz的正弦信号，求此时传感器的输出信号振幅误差和相角误差。
1-8今有两加速度传感器均可作为二阶系统来处理，其中一只固有频率为25 kHz，另一只为35 kHz，阻尼比均为0.3。
若欲测量频率为10kHz 的正弦振动加速度，应选用哪一只传感器？试计算测量时将带来多大的振幅误差和相位误差。
第3章电感式传感器3-1简述变气隙式自感传感器的工作原理和输出特性，传感器的灵敏度与哪些因素有关？如何提高其灵敏度？3-2电源频率波动对自感式传感器的灵敏度有何影响？如何确定传感器的最佳电源频率？3-3差动变压器式传感器的等效电路包括哪些元件和参数？各自的含义是什么？3-4试分析差动变压器式电感传感器的相敏整流测量电路的工作过程。
带相敏整流的电桥电路具有哪些优点？3-5差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？3-6图3.38所示为差动变压器式接近开关原理图，结构中使用Ｈ型铁芯，分析它的工作原理，并设计后续信号处理电路，使被测金属部件与探头距离达设定距离时，继电器吸合。
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第1章 传感器理论基础
3) 等精度测量与非等精度测量 在整个测量过程中，若影响和决定测量精度的全部因素 (条件)始终保持不变，即在同样的环境条件下，对同一被 测量进行多次重复测量，称为等精度测量。 用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件相 差很大的情况下对同一被测量进行多次重复测量称为非等 精度测量。
第1章 传感器理论基础
1.2.2 测量方法 1. 测量 测量是检测技术的重要组成部分，是以确定被测对 象量值为目的的一系列操作。 测量是将被测量与同种性质的标准量进行比较，从 而确定被测量对标准量的倍数。它可由下式表示：
x nu
式中 —— x u —— n —— 被测量值； 标准量，即测量单位； 数值(比值)，含有测量误差。
1.1 传感器基础
1.2 检测技术理论基础
第1章 传感器理论基础
1.1 传感器基础
1.1.1 传感器的概念 P2
传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用体现在测 量上。 定义中所谓“可用输出信号”是指便于传输、转换及处 理的信号，主要包括气、光和电等信号，而“规定的测量 量”一般是指非电量信号。 传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系，并 报警器，平时， 发光二极管 LED发出的光被挡板挡住， 光电三极管收不到光，呈现高电阻状态； 当有烟雾进入罩内后，对光线向各个方 向散射，使部分光线照射到光电三极管 上，其阻值变小，与传感器连接的电路 检测到这种变化，就会发出警报
第1章 传感器理论基础
本章主要介绍本课程的基础知识，包括传感器的概 念、分类和基本特性，检测系统的组成与功能，基本测 量方法，测量误差及数据处理等内容，从而为后面知识 的学习打下基础。
第1章 传感器理论基础
2. 测量方法 1) 直接测量、间接测量和组合测量 (1) 直接测量 在使用仪表进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运 算，就能直接表示测量所需要的结果，称为直接测量。 (2) 间接测量 有的被测量无法或不便于直接测量，这就要求在使用仪 表进行测量时，首先对与被测物理量有确定函数关系的几 个量进行测量，然后将测量值代入函数关系式，经过计算 得到所需的结果，这种方法称为间接测量。
第1章 传感器理论基础
1.1.2 传感器的组成和分类 1．传感器的组成
传感器组成框图
第1章 传感器理论基础
敏感元件(sensing element)： 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，是传感器的核心 。 转换元件(transduction element) ： 将敏感元件输出 的物理量转换成适于传输或测量的电信号。 测量电路(measuring circuit)： 将转换元件输出的电 信号进行进一步的转换和处理，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。
传感器技术
主讲教师 盛光磊
例1.电饭锅：利用感温磁体的特点
思考： 1.开始煮饭时为什么要压下开关按钮？手 松开后这个按钮是否会恢复到图示状态？ 为什么？ 答：开始煮饭时，用手压下开关按钮，永 磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮 不再恢复到图示状态。
2 饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温 度有什么变化？这时电饭锅会自动地发 生哪些动作？ 答：饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度 升高，当温度升至“居里点103℃”时， 感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下， 永磁体被分开，触点分离，切断电源， 从而停止加热。
1.2.3 检测系统 1. 检测系统的构成
检测系统的原理结构框图
第1章 传感器理论基础
2. 开环检测系统与闭环检测系统 1) 开环检测系统
y k1k2 k3 x
开环检测系统，结构较简单，但各环节特性的变化都会 造成测量误差。
第1章 传感器理论基础
2) 闭环检测系统
x x1 xf xf y
第1章 传感器理论基础
(3) 组合测量(又称联立测量) 经过求解联立方程组，才能得到被测物理量的最后 结果，则称这样的测量为组合测量。 2) 偏差式测量、零位式测量与微差式测量 用仪表指针的位移(即偏差)决定被测量的量值。 用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态，在测量 系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值的测量方法。 微差式测量是综合了偏差式测量与零位式测量的优点而提 出的一种测量方法。它将被测量与已知的标准量相比较，取 得差值后，再用偏差法测得此差值。
第1章 传感器理论基础
4) 静态测量与动态测量
被测量在测量过程中认为是固定不变的，这种测量称为 静态测量。
若被测量在测量过程中是随时间不断变化的，这种测量 称为动态测量。 在实际测量过程中，一定要从测量任务的具体情况出发， 经过认真的分析后，再决定选用哪种测量方法。
第1章 传感器理论基础
y k x k ( x1 xf ) kx1 k y
第1章 传感器理论基础
k 1 y x1 x1 1 1 k k 当 k >>1时，则 1 y x1
经整理得
系统的输入输出关系为
k1 kk1 x y x≈ 1 k
此系统的输入输出关系由反馈环节的特性决定，放大器 等环节特性的变化不会造成测量误差，或造成的误差很小。
第1章 传感器理论基础
2．传感器的分类 按工作原理分类：可分为电参数式 (电阻式、电感式 和电容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电 式传感器等。 按被测量分类：可分为力、位移、速度、加速度传感 器等。 按结构分类： 可分为结构型、物性型和复合型传感器。 按能量转换关系分类：可分为能量控制型和能量转换 型传感器两大类。
第1章 传感器理论基础
1.1.4 传感器的发展趋势 发现利用新现象、新效应 开发新材料 采用高新技术 拓展应用领域
提高传感器的性能
传感器的微型化与低功耗 传感器的集成化与多功能化
传感器的智能化与数字化
传感器的网络化
第1章 传感器理论基础
1.2 检测技术理论基础 1.2.1 检测技术 检测技术是以研究检测系统中的信息提取、信息转换 以及 信息处理的理论与技术为主要内容的一门应用技术 学科。 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。