专科第一章 传感器技术基础
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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。
第一章-传感器的技术基础
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1.3 传感器的构成
2. 传感器的构成方法
（6）环境敏感元件补偿型：由两个原理性质不 同的敏感元件为核心组成。
输入
环境 影响
敏感元件
输出
敏感元件
转换电路
电源
如：采用热敏元件的温度补偿、压电的温度
2020和/5/4加速度干扰补偿等
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1.3 传感器的构成
2. 传感器的构成方法
(7)反馈型：传感器敏感元件同时兼做反馈元件，使 传感器输入处于平衡状态，也称为平衡式传感器。
力140、信号501、遥控142）飞船P：1218：离散信号 392 “整个宇宙飞船就是一个高性能传感器的集合体”， 耗资300亿、40万人参加。 资源调查：大气污染、水质检测，噪声
1.4传感器的地位和作用
2.基础科学领域：
宏观上千光年宇宙→微观 10-13 cm微粒 时长数十亿年天→ 10-24 秒瞬变 温度1亿度等离子→0.01k超导体？ 压力3000↑大气压→ 10-15 mmHg真空 从宏观到微观的测试，均离不开传感器
3.生活领域：
家用领域（饭、洗、报警…） 交通领域（汽、火、飞、船）、高速动车
1.4传感器的地位和作用
二、信息社会的两大支柱
1、从第一次产业革命说起… （1） 动力→体力 （2）信息（感知、控制）→脑力 2、电脑与电五官 笨拙的“人——机”联系“人——传感器——计算机” ➢ “大脑发达、五官迟钝”被动局面 计算机核心、芯片运算记忆功能↑1倍∕年 电路密度还可增100倍↑、价格↓↓ ➢ 战略重点的转移 八十年的技术革新的主角是传感器 我国2012年开始关注先进仪器仪表的研制：国内研究人员的研究
输出
敏感元件
转换电路
电源
传感器技术基础课件重点
R
dt
式中，R-介质的热阻； C-热偶的比热。
若令τ=RC，上式可写为：
T0 Ti q热流
dT0 dt
T0
KTi
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例4，弹簧-阻尼器组成的机械系统如图，也属于一阶 传感器系统。其微分方程为
c
dyt
dt
k
yt
b0
xt
式中，c-阻尼系数； k-弹簧刚度。
上式可写为：
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1
n
K0 2
2
j
n
幅频特性： A(w)
K0
[1 n ]2 [2 n ]2
相频特性：
(w)
arctg
1
2
n
n 2
幅频特性与相频特性参见教材P20图1-10。
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例5，质量-弹簧-阻尼器组成的机械系统如图，属于 二阶传感器系统。其微分方程为
m
d
2 yt
dt 2
c
dyt
y(S) x(S )
b0 a0
K0
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2．一阶环节：
微分方程：
a1(dy/dt)+a0y(t)= b0x(t)
dy dt
yt
K0 xt
传递函数 频率特性
Y(S) K0
X (S) S 1 Y ( jw) K0
X ( jw) jw 1
时间常数 τ越小， 20系22统/9/1的3 频率特性越好
an
dny dt n
an1
d n1 y dt n1
a0 y
bm
dmx dt m
bm1
d m1x dt m1
第1章_传感器技术基础
第1章 传感器技术基础
频率响应函数
对于稳定系统 ，令s=j，得
H (j) Y (j) X (j)
bm j m an j n
bm1 j m1 b1 j b0 an1 j n1 a1 j a0
(2.19
H(j) 系统的频率响应函数，简称频率响应或频率特性。
第1章 传感器技术基础
传感器的动态模型： 传递函数
研究一个传感器系统，只要给系统一个激励x(t)，并通过 实验求得系统的输出y(t)，则由H(s)=L[y(t)]/L[x(t)]即可确定 系统的特性。
本章主要分析传感器对正弦输入的响应（频率响应）和 阶跃输入的响应（阶跃响应）特性及性能指标。
第1章 传感器技术基础
第一节 传感器的一般数学模型
第1章 传感器技术基础
第一节 传感器的一般数学模型
（2）传感器的动态模型：
▪ 微分方程
▪ 传递函数
第1章 传感器技术基础
第二节 传感器的特性与指标
一、传感器的静态特性
研究传感器的频域特性时主要用幅频特性。
第1章 传感器技术基础
二、传感器的动态特性
➢ 对数幅频特性
▪ 将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器， 其它输出正弦信号的幅值、相位与输入信号频率之间 的关系
第1章 传感器技术基础
传感器的种类和形式很多，但它们一般可以简化为零阶 环节（比例环节）、一阶或二阶系统。
第1章 传感器技术基础
2)二阶传感器的单位阶跃响应
二阶传感器的传递函数:
H(s)
s2
n2 2n s
s
,s传感器输出的拉氏变换为 1
第一章传感器技术基础知识
频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带 或通频带，对应有上、下截止频率。
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
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
2019-2020年最新电大《传感器》练习题及答案
第一章传感器技术基础1、传感器是将（）量转化为与之有确定对应关系的，便于应用的另一种量的（）装置。
2、传感器一般由（）元件和（）元件组成。
3、在采用直线拟合线性化时，传感器输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，通常用相对误差γL来表示，称为( ),其计算公式为（）。
4、传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，( )的变化量与 ( )的变化量的比值。
对线性传感器来说，其灵敏度是( )。
5. 用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。
下列属于这类传感器的是（）A、红外报警装置B、走廊照明灯的声控开关C、自动洗衣机中的压力传感装置D、电饭煲中控制加热和保温的温控器6、属于传感器动态特性指标的是（）A. 重复性B．线性度C．灵敏度D．固有频率7、传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的( )A.线性度越好B.迟滞越小C.重复性越好D.分辨率越高8、非线性度是表示校准曲线( )的程度。
A.接近真值B.偏离拟合直线C.正反行程不重合D.重复性9、某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm 变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V 减至2.5V，求该仪器的灵敏度。
10、某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器：0.45Ω/℃电桥：0.02V/Ω放大器：100(放大倍数)笔式记录仪：0.2cm/V求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。
11、有一个电位器式位移传感器（线性），其线圈总电阻是10Ω，电刷最大行程4mm。
若最大消耗功率不允许超过40W，传感器所用激励电压为允许的最大激励电压，试确定输入位移量为1.2mm时的输出电压值。
12、名词解释：（1）传感器的静态特性（2）传感器的动态特性第二章电阻式传感器1.要使直流电桥平衡，必须使电桥相对臂电阻值的________相等。
2.电阻式传感器的主要类型有___、____、_____ 等三种。
传感器技术基础
灵敏度
灵敏度是指传感器或检测系 统在稳态下输出量变化和引 起此变化的输入量变化的比 值。它是输入与输出特性曲 线的斜率，如下图所示，可 表示为： 非线性传感器的灵敏度是一 个随工作点而变的变量，其 灵敏度表达式为： 一般希望灵敏度s在整个测量 范围内保持为常数。这样， 可得均匀刻度的标尺，使读 数方便，也便于分析和处理 测量结果。
绪 论 一、传感器的地位和作用
例1 人与机器的机能对应关系
定性
人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受 的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。
定量 传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息 由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机 对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行 器对外界对象进行控制。
传感器组成框图
敏感元件：能直接感受或响应被测量的元件， 比如应变式压力传感器中的弹性膜片，就是 敏感元件 转换元件：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
测量转换电路：由于传感器输出信号一般都很微弱， 需要有测量转换电路，进行放大、运算调制等，使 输出的电信号变换为便于处理、显示、记录和控制 的可用电信号。 辅助电源电路：为传感器提供工作电源。随着半导 体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的测 量转换电路与敏感元件一起集成在同一芯片上，安 装在传感器的壳体里。 应该指出的是，并不是所有的传感器必须包括敏感 元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量， 它就同时兼为转换元件；如果转换元件能直接感受 被测量而输出与之成一定关系的电量，此时传感器 就无敏感元件。例如压电晶体、热电偶、热敏电阻 及光电器件等。
传感器的动态特性
动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 动态特性是指传感器在动态的输入信号情况下，要求传感器 不仅能精确地测量信号的幅值大小，而且能测量出信号变化 的过程。这就要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号 的变化。 动态特性反映传感器随时间变化的响应特性,动态特性好的传感 器，其输出量随时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线 相近。实际中一般传感器产品只给出响应时间。 传感器的动特性取决于什么因素？ a.首先取决于传感器本身 b.其次动特性与被测量的变化形式有关
第1章传感器技术基础
1）微分方程
d n y d n 1 y d y
d m x d m 1 x d x
a n d t n a n 1 d t n 1 a 1 d t a 0 y b m d t m b m 1 d t m 1 b 1 d t b 0 x
2）传递函数
H (s)Y X((ss))b a m nssm n a bm n 1 1ssn m 11
y a0 a1x a2 x 2 an x n x :输 入 量
y :输 出 量
a
:
0
零
位
输
出
a1 : 传 感 器 线 性 灵 敏 度
a2, an :非 线 性 项 的 待 定 系 数
第1章传感器技术基础
第1章 传感器技术基础
二 动态模型
动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号(输入信号随时 间而变化)作用下，描述输出和输入信号的一种数学关系。动 态模型通常采用微分方程或传递函数来描述。
Байду номын сангаас
外界影响
冲击与振动 电磁场
温度 供电
输入
传感器
输出
线性 滞后
重复性 灵敏度
衡量传感器特 性的主要技术 指标
误差因素
各种干扰稳定性 温漂 稳定性(零漂) 分辨力
第1章传感器技术基础
第1章 传感器技术基础
一 静态模型
静态模型是指在静态信号(输入信号不随时间变化）情况下， 描述传感器输入与输出间的一种函数关系。传感器的静态模 型—般可用多项式来表示：
传感器在正(输入量增大)反 （输入量减小）行程中输出
y yFS
⊿Hmax
输入曲线不重合程度的指标。
迟滞特性一般是由实验方法
传感器技术(第1章传感器技术基础)
信号放大、滤波和整形技术
比较器电路设计
通过比较器电路将模拟信号转换为数字信号，实现信号的整 形和量化。
施密特触发器应用
利用施密特触发器的特性对信号进行整形和去抖处理，提高 信号的稳定性和可靠性。
05
传感器性能指标评价与标定方法
性能指标评价体系建立
静态性能指标
包括线性度、灵敏度、迟滞、重 复性、分辨率和稳定性等，用于 评价传感器在静态或准静态条件 下的性能表现。
智能家居
在智能家居领域，传感器被用于监测和控制家庭环境中的各种参数， 如温度、湿度、光照、空气质量等。
医疗健康
在医疗健康领域，传感器被用于监测人体生理参数和健康状况，如心 率、血压、血糖、体温等。
传感器发展趋势
多功能化
未来传感器将实现多功能化，能够同 时监测多种参数，提高系统的集成度 和智能化水平。
位移传感器
电感式位移传感器
利用电磁感应原理，将位移转换为电感量的变化，具有高精度、高 稳定性等特点。
电容式位移传感器
通过测量位移引起的电容变化来测量位移，具有非接触式测量、高 精度等优点。
光电式位移传感器
利用光电转换原理，将位移转换为光信号的变化，具有高精度、高响 应速度等特点。
光电式传感器
光电开关
微型化
随着微电子技术的发展，传感器的体 积将越来越小，能够实现更高的集成 度和更广泛的应用。
智能化
未来传感器将实现智能化，具有自学 习、自适应和自诊断等功能，提高系 统的可靠性和稳定性。
无线化
无线通信技术的发展将使得传感器能 够实现无线传输数据，提高系统的灵 活性和便携性。
02
传感器工作原理及特性
业自动化领域应用案例
相关主题
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传感器与检测技术
周乐挺 主编 高等教育出版社
人可以通过五官感受外界的信息，那 么各种仪器装置是怎样感受外界信息 的呢？
电子秤-力传感器
光电池
火 灾 烟 雾 报 警 器
指纹识别器
电阻 式远 传压 力表
感应式 流量表
称重 传感 器
CCD传 感器
压阻式液 位传感器
温度传 感器
温度传感 器
光敏传感 器
作业
• 查找关于传感器的一些实例资料。 比如：生活中传感器的应用；新型 传感器的研发情况；关于传感器新 的应用领域；传感器新的发展趋势 等等。
第四节 检测技术
一、什么是检测技术 人们为了了解实验进展，生产过程中的情况， 即为了对自然现象能够进行定性了解或定量掌 握的一系列技术措施。
定性了解：例如生产设备外壳是否带电？ 定量掌握：例如工业熔炉内的深度是多少？ 技术措施：例如现场信号获取，信号的转换、 放大、处理、传输以及显示等各项技术措施。
发现新现象 开发新材料 新工艺的采用 研究多功能集成传感器 智能化传感器 新一代航天传感器 仿生传感器
1、发现新现象
• 利用物理现象、化学反应和生物效应是各 种传感器工作的基础，所以发现新现象与 新效应是发展传感器的重要工作，是研制 新型传感器的重要基础。例如：日本夏普 公司利用超导技术研制的高温超导磁传感 器，可用于磁成像技术。
二、检测技术的应用 检测技术在科学实验、生产活动以及各社会活 动中得到广泛应用。 例：1）产品检验，是产品质量控制的重要手 段。 2）大型机器设备的安全运行检测。 3）自动控制、自动检测系统、自动化装 置中不可缺少的组成部分。 4）完善检测技术，推动现代科学技术的不 断进步。
三、检测技术的重要性
（4）能方便地改变电子装置的量程范围，零点值；
（5）能方便与计算机连接，形成完善的计算机系统。
第五节 传感器的特性及 主要技术指标
• 传感器的基本特性即输出——输入特性， 通常用传感器的静态特性和动态特性来描 述。 • 一、静态特性 • 定义：被测量的数值处于稳定状态时，传 感器的输出与输入的关系。 • 技术指标：灵敏度、线性度、迟滞、重复 性。
Vi=5V
输出
测什么
感受部件
如何获取被测量 轴转一圈，开关闭合一次 结论 转速—电压转速ຫໍສະໝຸດ 开关如何得到电信号
开关状态—电压状态
Vi=5V
输出
测什么 液位
感受部件
小球 如何转换
如何获取被测量
液位高低—小球高低 如何得到电信号 电阻变化—电压变化
小球高低—指针滑 动—电阻变化 结论
液位—电阻—电压
一、 传感器的定义
第二节 传感器的分类
一、按工作原理：电阻式、电容式、电感式、 压电式、霍尔式、光电式、热电偶式等传 感器。 二、按被测量（用途）：位移、力、速度、 温度、气体等传感器。 三、按输出信号：开关型、模拟式、数字式 传感器。 四、按使用电源与否：有源传感器和无源传 感器 。
第三节 传感器的发展趋势
• 传感技术的主要发展动向： • （1）基础研究：寻找新原理、新材料、新 工艺及新功能； • （2）实现传感器的集成化和智能化。
四、检测系统的组成
传 感 （非电量） 器
被测量
传感信号
测 量 电 路
电量
显 示 电 路
电源
五、电量测量方法的特点
前面我们了解到一般被测量（非电量）最终通过各种 电子技术式电子测量手段将其转换成易于接受、显示、 传输、利用的电量，其优点在于以下几个方面： （1）能连续自动对被测量进行测量、记录； （2）电子装置精度好、响应快、能测量各种静态、动 态、瞬态信号； （3）电信号便于远传，便于集中检查或控制；
同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感 元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像 传感器。 多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补 偿等环节一体化，组装成一个器件。
5．智能化
是一种带有微处理器的传感器。对外界信息具有检测、 数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一 体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话 的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量 数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传 输等。 智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结 合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化 工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高 性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点， 是传感器重要的发展方向之一。 如美国霍尼尔公司的ST-3000型智能传感器，其芯片 尺寸为3*4*2mm，在同一芯片上制作CPU,EPROM和静 压、压差、温度三种敏感元件。
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、甚至文 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，几乎每一个现代化 项目，都离不开各种各样的传感器。
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。
2、通过电路图分析传感器的工作原理？
敏感元件
转换元件
转换电路
辅助电源
Vi=5V
输出
被测量
电量
敏感元件
转换元件
基本转换电路
辅助电源
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。
对传感器的输出-输入特性曲线线性化的方法称为直线 拟合法。
在采用直线拟合线性化时，输出输入的实际曲线与其拟 合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度。 通常用γL表示： γL=±(ΔLmax/YFS)×100% γL：线性度（非线性误差）； ΔLmax：最大非线性绝对误差； YFS：输出满度值。
传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不 考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态 特性可用下列多项式代数方程表示：
y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn
式中：y—输出量； x—输入量；
各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。 静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后， 可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理 的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法， 其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。
1．灵敏度
传感器在稳态标准条件下，输出的变化量 y与引起该 变化量的输入变化量 x 之比即为灵敏度，其表达式为 输出量的变化量 dy K 输入量的变化量 dx 可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。 对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同， 灵敏度k是个常数，与输入量大小无关。
2．线性度
3．新工艺的采用
在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工 艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器 联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械 加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的， 它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀 等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于 传感器领域。 例如：利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用 薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器； 日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三 维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开 头，制作出全硅谐振式压力传感器。
检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技 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，人们的一 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 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 世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经 和感官一样，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。
4．研究多功能集成化传感器
为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感 器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、 湿三功能陶瓷传感器已经研制成功；日本丰田研发出 同时检测Na+、K+、H+等多离子传感器。 把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进 行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进 行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。
定义： 传感器是一种能够以一定的精度感受规定 的被测量并按照一定规律转换成便于输出信号的测 量装置 。 根据定义，分析并判断一个装置是否是传感器， 必须符合哪些条件 ？ 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； ③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理等，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。
7、仿生传感器
仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感 器，它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物 质与换能器相配合组成传感器。这种传感器是近年 来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来 的一种新型的信息技术。在仿生传感器中，比较常 用的是生体模拟的传感器。 • 在机器人技术向智能化高级机器人发展的今天， 仿生传感器的研究应该给予高度重视。仿生传感 器就是模仿人的感觉器官的传感器，即视觉，听 觉，嗅觉，味觉，触觉传感器等。目前只有视觉 和触觉传感器解决的比较好。
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
车速 传感器
第一章 传感器技术基础
•学习目标 掌握传感器的定义组成和作用；了 解传感器的分类；了解传感器的发展趋 势；了解检测技术的含义；了解传感器 的动态特性和静态特性；掌握传感器的 技术指标。
第一节 传感器简介
周乐挺 主编 高等教育出版社
人可以通过五官感受外界的信息，那 么各种仪器装置是怎样感受外界信息 的呢？
电子秤-力传感器
光电池
火 灾 烟 雾 报 警 器
指纹识别器
电阻 式远 传压 力表
感应式 流量表
称重 传感 器
CCD传 感器
压阻式液 位传感器
温度传 感器
温度传感 器
光敏传感 器
作业
• 查找关于传感器的一些实例资料。 比如：生活中传感器的应用；新型 传感器的研发情况；关于传感器新 的应用领域；传感器新的发展趋势 等等。
第四节 检测技术
一、什么是检测技术 人们为了了解实验进展，生产过程中的情况， 即为了对自然现象能够进行定性了解或定量掌 握的一系列技术措施。
定性了解：例如生产设备外壳是否带电？ 定量掌握：例如工业熔炉内的深度是多少？ 技术措施：例如现场信号获取，信号的转换、 放大、处理、传输以及显示等各项技术措施。
发现新现象 开发新材料 新工艺的采用 研究多功能集成传感器 智能化传感器 新一代航天传感器 仿生传感器
1、发现新现象
• 利用物理现象、化学反应和生物效应是各 种传感器工作的基础，所以发现新现象与 新效应是发展传感器的重要工作，是研制 新型传感器的重要基础。例如：日本夏普 公司利用超导技术研制的高温超导磁传感 器，可用于磁成像技术。
二、检测技术的应用 检测技术在科学实验、生产活动以及各社会活 动中得到广泛应用。 例：1）产品检验，是产品质量控制的重要手 段。 2）大型机器设备的安全运行检测。 3）自动控制、自动检测系统、自动化装 置中不可缺少的组成部分。 4）完善检测技术，推动现代科学技术的不 断进步。
三、检测技术的重要性
（4）能方便地改变电子装置的量程范围，零点值；
（5）能方便与计算机连接，形成完善的计算机系统。
第五节 传感器的特性及 主要技术指标
• 传感器的基本特性即输出——输入特性， 通常用传感器的静态特性和动态特性来描 述。 • 一、静态特性 • 定义：被测量的数值处于稳定状态时，传 感器的输出与输入的关系。 • 技术指标：灵敏度、线性度、迟滞、重复 性。
Vi=5V
输出
测什么
感受部件
如何获取被测量 轴转一圈，开关闭合一次 结论 转速—电压转速ຫໍສະໝຸດ 开关如何得到电信号
开关状态—电压状态
Vi=5V
输出
测什么 液位
感受部件
小球 如何转换
如何获取被测量
液位高低—小球高低 如何得到电信号 电阻变化—电压变化
小球高低—指针滑 动—电阻变化 结论
液位—电阻—电压
一、 传感器的定义
第二节 传感器的分类
一、按工作原理：电阻式、电容式、电感式、 压电式、霍尔式、光电式、热电偶式等传 感器。 二、按被测量（用途）：位移、力、速度、 温度、气体等传感器。 三、按输出信号：开关型、模拟式、数字式 传感器。 四、按使用电源与否：有源传感器和无源传 感器 。
第三节 传感器的发展趋势
• 传感技术的主要发展动向： • （1）基础研究：寻找新原理、新材料、新 工艺及新功能； • （2）实现传感器的集成化和智能化。
四、检测系统的组成
传 感 （非电量） 器
被测量
传感信号
测 量 电 路
电量
显 示 电 路
电源
五、电量测量方法的特点
前面我们了解到一般被测量（非电量）最终通过各种 电子技术式电子测量手段将其转换成易于接受、显示、 传输、利用的电量，其优点在于以下几个方面： （1）能连续自动对被测量进行测量、记录； （2）电子装置精度好、响应快、能测量各种静态、动 态、瞬态信号； （3）电信号便于远传，便于集中检查或控制；
同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感 元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像 传感器。 多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补 偿等环节一体化，组装成一个器件。
5．智能化
是一种带有微处理器的传感器。对外界信息具有检测、 数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一 体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话 的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量 数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传 输等。 智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结 合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化 工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高 性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点， 是传感器重要的发展方向之一。 如美国霍尼尔公司的ST-3000型智能传感器，其芯片 尺寸为3*4*2mm，在同一芯片上制作CPU,EPROM和静 压、压差、温度三种敏感元件。
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、甚至文 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，几乎每一个现代化 项目，都离不开各种各样的传感器。
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。
2、通过电路图分析传感器的工作原理？
敏感元件
转换元件
转换电路
辅助电源
Vi=5V
输出
被测量
电量
敏感元件
转换元件
基本转换电路
辅助电源
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。
对传感器的输出-输入特性曲线线性化的方法称为直线 拟合法。
在采用直线拟合线性化时，输出输入的实际曲线与其拟 合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度。 通常用γL表示： γL=±(ΔLmax/YFS)×100% γL：线性度（非线性误差）； ΔLmax：最大非线性绝对误差； YFS：输出满度值。
传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不 考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态 特性可用下列多项式代数方程表示：
y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn
式中：y—输出量； x—输入量；
各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。 静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后， 可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理 的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法， 其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。
1．灵敏度
传感器在稳态标准条件下，输出的变化量 y与引起该 变化量的输入变化量 x 之比即为灵敏度，其表达式为 输出量的变化量 dy K 输入量的变化量 dx 可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。 对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同， 灵敏度k是个常数，与输入量大小无关。
2．线性度
3．新工艺的采用
在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工 艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器 联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械 加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的， 它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀 等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于 传感器领域。 例如：利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用 薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器； 日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三 维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开 头，制作出全硅谐振式压力传感器。
检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技 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，人们的一 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 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 世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经 和感官一样，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。
4．研究多功能集成化传感器
为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感 器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、 湿三功能陶瓷传感器已经研制成功；日本丰田研发出 同时检测Na+、K+、H+等多离子传感器。 把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进 行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进 行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。
定义： 传感器是一种能够以一定的精度感受规定 的被测量并按照一定规律转换成便于输出信号的测 量装置 。 根据定义，分析并判断一个装置是否是传感器， 必须符合哪些条件 ？ 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； ③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理等，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。
7、仿生传感器
仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感 器，它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物 质与换能器相配合组成传感器。这种传感器是近年 来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来 的一种新型的信息技术。在仿生传感器中，比较常 用的是生体模拟的传感器。 • 在机器人技术向智能化高级机器人发展的今天， 仿生传感器的研究应该给予高度重视。仿生传感 器就是模仿人的感觉器官的传感器，即视觉，听 觉，嗅觉，味觉，触觉传感器等。目前只有视觉 和触觉传感器解决的比较好。
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
车速 传感器
第一章 传感器技术基础
•学习目标 掌握传感器的定义组成和作用；了 解传感器的分类；了解传感器的发展趋 势；了解检测技术的含义；了解传感器 的动态特性和静态特性；掌握传感器的 技术指标。
第一节 传感器简介