传感器原理及工程应用

(灵敏度系数)
说明： a. 线性检测系统：灵敏度为常数； y a bx b. 非线性检测系统：灵敏度为变数 y f (x)
K b 斜率
K df ( x ) dx
Company Logo
sensor的静态特性
(3) 重复性 ( repeatability )
同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量的差异程度
Company Logo
项目制作教学
电子秤的模 拟测试
1
4 测微仪来自百度文库设计与
制作
e-WorkPlace 研究项目
声光控开关的 设计制作
2
数字温度计 的设计制作
3
理论教学溶于项目教学
理实一体
Company Logo
学报
检 测 器 、 转 换 器 等 。 感 器 又 称 为 敏 感 元 件 、
在 有 些 学 科 领 域 ， 传
重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证
重复性误差：随机误差 计算：贝塞尔公式

标准差：大，则分散性大；反之亦然
( yi y )2
i 1
n
yi---测量输出值，i=1,2,…,n
n 1
y---输出值的平均值
产生原因：传感器机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积 尘以及辅助电路老化和漂移等原因产生。
Company Logo
例1：某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出 电压正比于受压面受到的压力（比例系数为k）如图所示，测量时先调节输入端 的电压，使转换器空载时的输出电压为0；而后在其受压面上放上物体，即可测 得与物体的质量成正比的输出电压U。 现有下列器材：力电转换器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池一 个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该 物体的测量m。 （1）设计一个电路，要求力转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽 可能大，在方框中画出完整的测量电路图。 （2）简要说明测量步骤，求出比例系数k，并测出待测物体的质量m。 （3）请设想实验中可能会出现的一个问题。 受压面 输入 ＋ 力电转换器 － 输出 ＋ －
说
明
采用物理效应进行转换 采用化学效应进行转换 采用生物效应进行转换 以转换元件结构参数变化实现信号转换 以转换元件物理特性变化实现信号转换 传感器输出量直接由被测量能量转换而来 传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制 利用电阻参数变化实现信号转换 利用电容参数变化实现信号转换 利用电感参数变化实现信号转换 利用压电效应实现信号转换 利用电磁感应原理实现信号转换 利用热电效应实现信号转换 利用光电效应实现信号转换 利用光纤特性参数变化实现信号转换
Company Logo
sensor的静态特性
(4) 迟滞现象（回程误差）
定义： 传感器在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度 ( hysteresis ) 算法： 相对误差 eH max 100% yF . S . Hmax：正反行程输出值的最大偏差
H
Company Logo
sensor的静态特性
Company Logo
传感器(SENSOR)的组成
人的五官： 眼睛 耳朵 鼻子 舌头 皮肤 感觉： 视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉
传感器 功 能
被测量：物理量、化学量、生物量 …… 可用信号：便于处理和传输的非噪声信号 （电信号、光信号……） 传感器：传--传递信息；感--感受被测量；器--器件
R
电容式传感器 电感式传感器
电势型传感器
光电式传感器
4
8
Company Logo
CSY-998型传感器系统实验仪
Company Logo
不足方面：
不能在实 验模拟时 同时进行 波形分析
分析数据人 工测试记录
计划改进： CSY实验台
CSY3000型实验台
Company Logo
csy-3000型传感器实验台
Company Logo
案例1
数字温度计：
1、敏感元件 2、转换元件 3、信号转换电路 4、输出
分类法 按基本效应分类
型式 物理型 化学型 生物型 结构型 物性型 能量转换型 能量控制型 电阻式 电容式 电感式 压电式 磁电式 热电式 光电式 光纤式 长度、角度、振动、 位移、压力、温度、 流量、距离、速度等 模拟式 数字式
声光控开关
Company Logo
医疗方面的应用
◆1、电子血压计 ◆2、血糖仪 ◆ 3、电子心率控 制
国防军事的应用
Company Logo
1、海湾战争
2、EDO公司
芝麻开门
干手器
红外线 传感器
指纹 识别 器
数字式测振表
数字风速仪
数字游标卡尺
Company Logo
简易思考题：
CO气体浓度及成分应 采用什么传感器来测 试？
Lmax 100% yF . S .
Δ
y
eL
Lmax 输出值与理想直线的最大偏差值
yF .S .
理论满量程输出值
x
理想直线： 一般不存在或很难获得准确结果 利用测量数据，通过计算获得 拟合直线
Company Logo
sensor的静态特性 获取拟合直线方法：
(a) 端点连线法： 算法： 检测系统输入输出曲线的两端点连线
特点： 简单、方便，偏差大，与测量值有关
y
Δ
x y
Δ Δ
(b) 最佳直线法： 算法：使得正负行程的非线性偏差相等且最小
特点： 精度最高，简单实用
x
Company Logo
sensor的静态特性
(2) 灵敏度 ( sensitivity )
定义：传感器在稳态下输出增量与输入增量之比
Sn y / x
出 信 号 的 器 件 或 装 置 。
的 规 律 转 换 成 可 用 输
的 被 测 量 并 按 照 一 定
传 感 器 是 能 感 受 规 定
Company Logo
传感器(SENSOR)的组成
敏感元件： 能直接感受与检出被测对象的待测信息的部分。
转换元件： 能将敏感元件所感受出的信息直接转换成电信号的部分。 把转换元件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和 信号调节电路： 控制的有用信号的电路，
基本特性
静态特性： .传感器在被
测量处于稳定 状态时的输入 输出关系
动态特性：
传感器在被测 量随时间变化 的条件下输入 输出关系.
Company Logo
sensor的静态特性
(1) 线性度:
定义: 检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度 亦称非线性误差 表达: 相对误差 ( non-linearity )
(5) 分辨力（分辨率）:
定义：能够检测出的被测量的最小变化量
表征测量系统的分辨能力 ( resolution ) 说明： 1、分辨力 --- 是绝对数值，如 0.01mm，0.1g，10ms，…… 2、分辨率 --- 是相对数值： 能检测的最小被测量的变 换量相对于 满量程的百分 数，如： 0.1%, 0.02% 3、阀值 --- 在系统输入零点附近的分辨力
Company Logo
设计电路如图
(2) 测量步骤与结果:①调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为零,②将砝码放 在转换器上,记下输出电压U0,③将待测物放在转换器上,记下输出电压U 由U0=km0g,得k=U0/m0g U=k m g,所以 m=m0U/U0
Company Logo
The End
传感器的发展和应用：
最早的传感器 ： 17世纪伽利略的温度计
温度→电信号
返回
Company Logo
生活方面的应用—智能开关控制
声控开关
光控开关
思考????:
Company Logo
声控开关，白天会造 成能源浪费？
光控开关，夜晚会造 成能源浪费？
怎样更好的解决两 者的缺陷？
Company Logo
Thanks For Your Attention
Company Logo
测量系统构成 测量系统应具有对被测对象的特征量进行检测、传输、处 理及显示等功能，一个测量系统是传感器、变送器（变换器） 和其它变换装置等的有机组合。图1表示测量系统组成结构框图。
被测对象
被测量
传感器
变送器
传输通道
信号处理环节
显示装置
图 1 测量系统组成框图
Company Logo
按构成原理分类 按能量关系分类
按工作原理分
按输入量分类
以被测量命名（即按用途分类） 输出量为模拟信号（电压、电流、……） 输出量为数字信号（脉冲、编码、……）
按输出量分类
Company Logo
传感器分类样例
气敏传感器
压电式压力传感器
温度传感器
热电偶
超声波传感器
Company Logo
传感器的基本特性
LOGO
Sensor and Measurement Technology
传感器原理及工程应用
岳阳职业技术学院 机电工程系
Company Logo
整体教学
理、实一体教学
理论教学
模拟实验教学
项目制作教学

理论教学
Company Logo
1 2 3
传感技术基础 电阻式传感器
5 6 7
超声波传感器 磁电式传感器