传感器的定义及其组成

1.4对传感器的一般要求 对传感器的一般要求
各种传感器，由于原理、结构不同，使 用环境、条件、目的不同，其技术指标 也不可能相同。但是有些一般要求，却 基本上是共同的，这就是：①可靠性； ②静态精度；③动态性能；④量程；⑤ 抗干扰能力；⑥通用性；⑦轮廓尺寸； ⑧成本；⑨能耗；⑩对被测对象的影响 等。
③重复性
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。 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
y
⊿max2
⊿max1
eR = ±(∆ max / yFS )×100%
0
x
△max1正行程的最大重复性偏差， △max2反行程的最大重复性偏差。
0
xmax x
∆x
传感器输出曲线的斜率 斜率就是其灵 斜率 敏度。
若输出和输入都是同一量纲时，则称为放大倍 数或倍率。例如，一种机械式位移传感器当输 入信号(位移量)有0.01mm的变化时，输出信 号也是位移量，为10mm，此时 K＝10/0.01＝1000 K越大，表示仪器越灵敏。从图形上看，它 表示特性曲线的斜率。 如果特性曲线是一根直 线，则K是常数，意即系统是线性的；如果特 性曲线是一根曲线，则K是变量，意即测量系 统具有非线性特性，其灵敏度(曲线上各点的 斜率)是变化的。K＞0，表示输出量随之输入 量的增加而增大；而K＜0，则表示输出量随输 入量的增加而减少。
被测量 敏感 元件 中间量 转换 元件 调理 电路
输出电量
敏感元件：它直接感受被测量， 敏感元件：它直接感受被测量，并输出与被测量城区定关系 的某一物理量。 的某一物理量。 转换元件：它将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。 转换元件：它将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时 敏感元件和转换元件的功能是由一个元件(敏感元件 实现的。 敏感元件) 敏感元件和转换元件的功能是由一个元件 敏感元件 实现的。 调理电路：它将敏感元件和转换元件输出的电路参数转换、 调理电路：它将敏感元件和转换元件输出的电路参数转换、调 理成一定形式的电量输出。 理成一定形式的电量输出。
1.2传感器的定义及其组成 传感器的定义及其组成
传感器定义
根据国标（GB7665-87 传感器通用术语），传感器 （Transducer/Sensor）定义为：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（传感器中能够直接感受被测量的部分。 转换元件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。
传感器组成的理解：
传感器的输出信号通常需要必要的信号调节 电路将其进行放大或转换，而变成易于传输、 处理、记录和显示的形式。 常见的信号调节电路有放大器、电桥、阻抗 变换器、振荡器等。 信号调节电路通常完成传感器输出与后续测 量电路之间的匹配。
1.3传感器的分类 1)按被测物理量分类 1)按被测物理量分类 常见的被测物理量 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 流量; 声压,噪声. 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 温度: 温度,热量,比热. 亮度， 光： 亮度，色彩
3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 按信号变换特征 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 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. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型: 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. 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
重复性误差也常用绝对误差表示。检测时也可选取几个测试点， 对应每一点多次从同一方向趋近，获得输出值系列yi1 ，yi2 ， yi3，…，yin ，算出最大值与最小值之差或3σ作为重复性偏差∆Ri， 在几个∆Ri中取出最大值∆Rmax 作为重复性误差。
eR = ±((2 ~ 3)σ / y FS )×100%
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。
迟滞产生的原因，是由于机械部分的 元件腐蚀，松动，材料的内摩擦，磁性材 料的磁滞效应等原因。 迟滞用相同被测量下，正、反行程间仪器 的指示值的最大差值与测量范围之比的百 分数表示，在测量中，仪器的变差不能超 过其精度，否则不能继续使用，必须更换 和修理 。
被测量 敏感元件 转换元件 信号调节转换电路
辅助电源
传感器组成的理解：
敏感元件的作用通常是将被测量（非电量1）变换 成另一个与被测量有确定关系的非电量2，而非电 量2易于通过变换元件转换为电量。例如应变式压 力传感器中的弹性模片就将其被测量（压力）转换 为另一非电量（应变）。 变换元件通常不直接感受被测量。例如应变压力传 感器中的应变片，它并不直接感受压力，而是将应 变转换为电阻的变化。 不是所有的传感器都能明确的区分敏感元件与变换 元件。
通常用相对误差表示： eL=±(∆max/yFS)×100% ± × ∆max一最大非线性误差； yFS—量程输出。 非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得 出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选 择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。 另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。 ①理论拟合；②端点连线平移拟合；③端点连线拟合； 理论拟合； 端点连线平移拟合； 端点连线拟合； 过零旋转拟合； 最小二乘拟合； ④过零旋转拟合；⑤最小二乘拟合；⑥ 最小包容拟合
④迟滞
传感器在正(输入量增大)反 （输入量减小）行程中输出 输入曲线不重合称为迟滞。 迟滞特性如图所示，它一般 是由实验方法测得。迟滞误 差一般以满量程输出的百分 数表示,即 e = ± 1/ 2
H
y yFS ⊿max
0 迟滞特性
x
ห้องสมุดไป่ตู้
(
)(∆ max / yFS )×100%
式中△ max—正反行程间输出的最大差值。
直线拟合方法 a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合
②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， 来表示： 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
∆y
切点
传感器 特性曲线
x1
∆y K≈ ∆x
⑤分辨力与阈值 分辨力： 分辨力：指传感器能检出被测信号的
最小变化量。 最小变化量。当被测量的变化小于分辨 力时， 力时，传感器对输入量的变化无任何反 应。对数字仪表而言，如果没有其他附 对数字仪表而言， 加说明，可以认为该表的最后一位所表 加说明， 示的数值就是它的分辨力。 示的数值就是它的分辨力。
传感器输入与输出之间的关系
被测量 传感器 输入 输出 可用信号
被测量为某值时，可用信号输出应该是多 少？可用信号输出为某值时，对应的被测量输 入应该是什么？ 输入应该按照某种规律转换为输出，同时， 输出可以以某种规律反推出输入。
1.6 传感器的一般特性
测量的目的在于确定被测物理量的 数值。对于测量系统，通常称被测的量 为输入，所测出的量为输出。如果将整 个测量系统(或其中一个环节)简化为一个 方框, X(t)代表输入,y(t)代表输出。那么 可用图所示的方框图表示。
测定油箱内油面高度的装置。所用器材和电路元件如图所示， 是滑动变 测定油箱内油面高度的装置。所用器材和电路元件如图所示，R是滑动变 阻器，它的金属滑片是杠杆的一端， 是定值电阻，油量表（ 阻器，它的金属滑片是杠杆的一端，R’是定值电阻，油量表（由电压表改 装而成）。油面浮标上升时，油量表示数变大；反之，油量表示数变小。 ）。油面浮标上升时 装而成）。油面浮标上升时，油量表示数变大；反之，油量表示数变小。
传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转 换成另一种信息的装置。 换成另一种信息的装置。
物理量
电量
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 因而从狭义上讲， 因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信 号转换成电信号的装置。 号转换成电信号的装置。
输出电量传感器的构成： 输出电量传感器的构成：
2)按工作的物理基础分类: 2)按工作的物理基础分类: 按工作的物理基础分类 机械式,电气式,光学式,流体式等. 机械式,电气式,光学式,流体式等.
4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 按敏感元件与被测对象之间的能量关系 物性型: 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. 水银温度计. 实现信号变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器. 例如:电容式和电感式传感器.
传感技术的作用
工业自动化生产：检测、控制温度、压力、流量等； 工业自动化生产：检测、控制温度、压力、流量等； 机械制造业：无损检测；加工精度、表面光洁度、同轴度等检测； 机械制造业：无损检测；加工精度、表面光洁度、同轴度等检测； 航空航天：检测飞机、宇宙飞行器等的飞行参数、运行状态等； 航空航天：检测飞机、宇宙飞行器等的飞行参数、运行状态等； 交通运输：仅汽车业用30多种传感器检测车速 方位、转矩、 多种传感器检测车速、 交通运输：仅汽车业用 多种传感器检测车速、方位、转矩、 油量等； 油量等； 军事方面：现代战争是科技战争，就是传感器战争；海湾战争、 军事方面：现代战争是科技战争，就是传感器战争；海湾战争、 美伊 医疗卫生： 超 磁振、脑电图、心电图等； 医疗卫生：B超、磁振、脑电图、心电图等； 安防环保：预报地震、海啸、火灾等；对水、空气等污染检测； 安防环保：预报地震、海啸、火灾等；对水、空气等污染检测； 海洋工程：海底探测；海洋水文信息、气象信息等； 海洋工程：海底探测；海洋水文信息、气象信息等； 地质勘探考古：探测地下矿藏、放射性元素； 地质勘探考古：探测地下矿藏、放射性元素；鉴定文物制造年代 等； 办公用具家用电器：复印机、空调、洗衣机、油烟机、 办公用具家用电器：复印机、空调、洗衣机、油烟机、DVD等。 等
（3）传感器的分类
传感器分类方法较多,大体有以下几种： 传感器分类方法较多,大体有以下几种： ２ ） 按 传 感 器 的 ３）按传感器的结构分类 1） 按传感器检测的范畴分类 输出信号分类 结构型传感器 物理量传感器 模拟传感器 物性型传感器 化学量传感器 数字传感器 复合型传感器 生物量传感器 ５）按传感器的转换 原理分类 ４）按传感器的功能分类 机—电传感器 6）按传感器的能源分类 单功能传感器 光—电传感器 有源传感器 多功能传感器 热—电电传感器 无源传感器 智能传感器 磁—电传感器 电化学传感器
传感器定义的理解
简单的说，传感器就是一个能把非电量转换 为电量的器件或装置。 传感器能够感受被测量——热、光、声、位 移、速度、加速度、力、力矩等等。 传感器能将被测量转换成可用信号输出—— 电阻、电压、电流、频率、脉冲等。 转换必须按照一定的规律进行。
传感器的组成
一般来说，传感器由敏感元件和转换元件 组成。通常会辅以必要的信号调节电路及电 源。
2.静态特性技术指标 静态特性技术指标
①线性度
线性度又称非线性误差， 线性度又称非线性误差，是指测试装置的 输入和输出是否保持线性关系, 输入和输出是否保持线性关系,非线性误差越小 越好 。
模拟仪表的刻度就可做成均匀刻度，而数字式 仪表就可以不必采用线性化环节。 线性刻度的测量仪表往往实际特性偏离其理论 上的线性特性，即非线性现象。 线性度是衡量实际曲线偏离理论线性特性曲线 程度的指标，它以实际示值与理论值之间差值 的最大值和仪表测量范围之比的百分数表示。