第1章 传感器的基本概念
传感器与检测技术1
第1章 传感器与检测技术基础检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段。
而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要手段。
我们已经知道，对于电量参数的测量具有测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机方便地连接进行数据处理、也可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等一系列优点。
但是在工程上和实际的测量中，所需要测量的参数往往有相当大的部分为非电量，例如温度、位移、压力、流量等，所以通常就把将这些非电量转换为电信号输出的装置或设备称为传感器。
传感器与检测技术是一门随着现代科学技术发展而迅猛发展的综合性技术学科，广泛应用于人类的社会生产和科学研究中，起着越来越重要的作用，成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要技术。
检测的基本任务就是获取有用的信息，通过借助专门的仪器、设备，设计合理的实验方法以及进行必要的信号分析与数据处理，从而获得与被测对象有关的信息，最后将结果提供显示或输入其他信息处理装置、控制系统。
因此，传感器与检测技术属于信息科学范畴，它与通信技术、计算机技术一起分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”，是信息技术的三大支柱(传感技术、通信技术和计算机技术)之一。
检测技术的发展与生产和科学技术的发展是紧密相关的，它们互相依赖、相互促进。
现代科技的发展不断地向检测技术提出新的要求，推动了检测技术的发展。
与此同时，检测技术迅速吸取各个科技领域(如材料科学、微电子学、计算机科学等)的新成果，开发出新的检测方法和先进的检测仪器，同时又给科学研究提供了有力的工具和先进的手段，从而促进了科学技术的发展。
在各种现代机械设备的设计和制造中，检测技术的成本已达到设备系统总成本的50%～70%。
据资料统计：一辆汽车需要30～100余种传感器及配套检测仪表用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等；而一架飞机需要3600余种传感器及配套检测仪表用来监测飞机各部位的参数(压力、应力、温度等)和发动机的参数(转速、振动等)等。
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
一、传感器的静态特性
6、滞后性－续1
对滞后性的衡量，一般用滞环的最大偏差或最大 偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，称为 滞环误差
或
如果传感器存在滞后性，则输入与输出就不能保持 一一的对应关系，因此应尽量使之变小。产生滞后 性的原因主要是材料的物理性质所造成的。
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一、传感器的静态特性
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烟尘浊度测量
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传感器与遥感技术
飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波 船舶：超声波传感器
微波
地面
红外接收传感器
红外线分布差异 矿藏埋藏地区
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二、传感器的分类
1、按传感器输入量（用途）分类
生产厂家往往按输入量分类，以向户提供基本的使用信息。 如：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压 力传感器、流速传感器、温度传感器、光强传感器、湿度传感 器、粘度传感器、浓度传感器、…。
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传感器的分类
2、按传感器工作机理分类
此种分类方法能表示输入变量和输出变之间的关系。
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传感器的分类
2、按传感器工作机理分类－续1
（1）物性型传感器 是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接 转换为电量的传感器。如：各种压电晶体传感器。
（2）结构型传感器 是以结构（如形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被 测量转换为电量。如：气隙型电感式传感器。
(2) 传感器输入、输出端均存在噪声干扰，Δx过小
时，被外界噪声所淹没。 最小检测量：
其中，C为系数，一般取1～5，N为噪声电平， K为灵敏度。对于数字式传感器，则用输出数字指
示值最后一位数字所代表的输入量来表示，称为分 辨率。
传感器复习题与答案
传感器复习题与答案传感器原理与应⽤复习题第⼀章传感器概述1．什么是传感器？传感器由哪⼏个部分组成？试述它们的作⽤和相互关系。
（1）传感器定义：⼴义的定义：⼀种能把特定的信息（物理、化学、⽣物）按⼀定的规律转换成某种可⽤信号输出的器件和装置。
⼴义传感器⼀般由信号检出器件和信号处理器件两部分组成；狭义的定义：能把外界⾮电信号转换成电信号输出的器件。
我国国家标准对传感器的定义是：能够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和装置。
以上定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的⼀种检测装置；能按⼀定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输⼊之间存在确定的关系。
（2）组成部分：传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。
（3）他们的作⽤和相互关系：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物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输⼊，转换成电路参量；上述电路参数接⼊基本转换电路，便可转换成电量输出。
2．传感器的总体发展趋势是什么？现代传感器有哪些特征，现在的传感器多以什么物理量输出？（1）发展趋势：①发展、利⽤新效应；②开发新材料；③提⾼传感器性能和检测范围；④微型化与微功耗；⑤集成化与多功能化；⑥传感器的智能化；⑦传感器的数字化和⽹络化。
（2）特征：由传统的分⽴式朝着集成化。
数字化、多动能化、微型化、智能化、⽹络化和光机电⼀体化的⽅向发展，具有⾼精度、⾼性能、⾼灵敏度、⾼可靠性、⾼稳定性、长寿命、⾼信噪⽐、宽量程和⽆维护等特点。
（3）输出：电量输出。
3．压⼒、加速度、转速等常见物理量可⽤什么传感器测量？各有什么特点？本⾝发热⼩，缺点是输出⾮线性。
4（1）按传感器检测的量分类，有物理量、化学量，⽣物量；（2）按传感器的输出信号性质分裂，有模拟和数字；（3）按传感器的结构分类，有结构性、物性型、复合型；（4）按传感器功能分类，单功能，多功能，智能；（5）按传感器转换原理分类，有机电、光电、热电、磁电、电化学；（6）按传感器能源分类，有有源和⽆源；根据我国的传感器分类体系表，主要分为物理量传感器、化学量传感器、⽣物量传感器三⼤类。
传感器概述
第一章传感器概述1．1 传感器的组成与分类1．1．1 传感器的定义✧传感器是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。
敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指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。
✧传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。
1．1．2 传感器的组成✧一般讲传感器由敏感元件和转换元件组成。
但由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。
因此调节信号与转换电路及所需电源都应作为传感器组成的一部分。
如图1-1所示。
传感器组成方块图✧常见的调节信号与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，他们分别与相应的传感器相配合。
1．1．3 传感器的分类✧表1-1 按输入量分类、按工作原理分类、按物理现象分类、按能量关系分类和按输出信号分类。
1．2 传感器在科技发展中的重要性1．2．1 传感器的作用与地位将计算机比喻人的大脑，传感器比喻为人的感觉器官。
功能正常完美的感觉器官，迅速准确地采集与转换获得的外界信息，使大脑发挥应有的作用。
自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。
1．2．2 传感器技术是信息技术的基础与支柱现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，它们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。
传感器在信息采集系统中处于前端，它的性能将影响整个系统的工作状态和质量。
1．2．3 科学技术的发展与传感器有密切关系传感器的重要性还体现在已经广泛应用于各个学科领域。
如工业自动化、农业现代化、军事工程、航天技术、机器人技术、资源探测、海洋开发、环境监测、安全保卫、医疗诊断、家用电器等领域。
1．3 传感器技术的发展动向✧传感器技术共性是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将非电量转换成电量。
✧传感器技术的主要发展方向一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。
《传感器与自动检测技术》第3版 课后习题解答
选用。其缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析 方法。
较大的载荷，便于加工，实心圆柱形可测量大于 10kN 的力，空心圆柱形可测量 1～10kN 的力，应力变化 均匀。
（2） 圆环式弹性敏感元件比圆柱式输出的位移量大，因而具有较高的灵敏度，适用于测量较小的力。 但它的工艺性较差，加工时不易得到较高的精度。
2
传感器的分辩力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量 ∆min 。有时也用该值相对满量程
输入值的百分数表示，称为分辨率。阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、钝感区，是输入量 由零变化到使输出量开始发生可观变化的输入量的值。
稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性表示，它是指在室温条件下,经过相 当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳 定度来表征其输出的稳定度。
1
例 4： ±20g 压电式加速度传感器。 在侧重传感器科学研究的文献、报告及有关教材中，为方便对传感器进行原理及其分类 的研究，允许只采用第 2 级修饰语，省略其他各级修饰语。 传感器代号的标记方法：一般规定用大写汉字拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完整代号。传感器完 整代号应包括以下 4 个部分：（1）主称（传感器）；（2）被测量；（3）转换原理；（4）序号。4 部分 代号格式为：
（4）序号 （3）转换原理 （2）被测量 （1）主称
在被测量、转换原理、序号 3 部分代号之间有连字符“-”连接。 例 5：应变式位移传感器，代号为：CWY-YB-10； 例 6：光纤压力传感器，代号为：CY-GQ-1； 例 7：温度传感器，代号为：CW-01A； 例 8：电容式加速度传感器，代号为：CA-DR-2。 有少数代号用其英文的第一个字母表示，如加速度用“A”表示。 4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？ 答：传感器的静态特性主要由线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨力和阈值、稳定性、漂移及量程 范围等几种性能指标来描述。 含义：线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离理论拟合直线的程度，又称非线性误 差。通常用相对误差表示其大小； 灵敏度是指传感器在稳态下，输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态 特性曲线的斜率，对于非线性传感器，其灵敏度是一个随工作点而变的变量，它是特性曲线上某一点切线 的斜率。 重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。 迟滞是传感器在正向行程(输入量增大)和反向行程(输入量减小)期间，输出—输入特性曲线不一致的 程度。
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（1）直接测量与间接测量 Ⅰ.直接测量 用事先分度或标定好的测量仪表， 直接读取被测量测量结果的方法称为直接测量。直接 测量是工程技术中大量采用的方法，其优点是直观、 简便、迅速，但不易达到很高的测量精度。 Ⅱ.间接测量 首先，对和被测量有确定函数关系 的几个量进行测量，然后，再将测量值代入函数关系 式，经过计算得到所需结果。这种测量方法，属于间 接测量。测量结果y和直接测量值xi(i＝1，2，3…)之 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。
量程点, 可以得到端基线性度。
4. 迟滞
迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间，
输入—输出特性曲线不一致的程度。也就是说，对
同样大小的输入量，检测系统在正、反行程中，往
往对应两个大小不同的输出量，如右下图所示。通
过实验，找出输出量的
y
这种最大差值，并以满量程 ymax
输出YFS的百分数表示，
1
ΔH max
1.2.3 检测技术的发展趋势 检测技术的发展趋势主要有以下两个方面: 第一，新原理、新材料和新工艺将产生更多品质优
良的新型传感器。例如光纤传感器、液晶传感器、以高分 子有机材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器等。
第二，检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、 数字式向智能化方向发展。带有微处理机的各种智能化仪 表已经出现，这类仪表选用微处理机做控制单元，利用计 算机可编程的特点，使仪表内的各个环节自动地协调工作， 并且具有数据处理和故障诊断功能，成为一代崭新仪表， 把检测技术自动化推进到一个新水平。
指示仪
被测量 传感器
测量 电路
记录仪
电源
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
传感器概论
第1章概论一传感器的概念与发展1．1 传感器基本概念传感器（transducer/sensor）的定义是：能感受规定的被测量并按一定的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。
其中，敏感元件（sensing element）是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件（transducer element）是指传感器中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以及其它某种可用信号的部分。
传感器狭义地定义为：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。
可以预料，当人类跨入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念将随之发展成为：能把外界信息转换成光信号输出的器件。
传感器的任务就是感知与测量。
在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。
在18世纪产业革命以前，传感技术由人的感官实现：人观天象而仕农耕，察火色以冶铜铁。
从18世纪产业革命以来，特别是在20世纪信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官，即工程传感器来实现。
目前，工程传感器应用如此广泛，以至可以说任何机械电气系统都离不开它。
现代工业、现代科学探索、特别是现代军事都要依靠传感器技术。
一个大国如果没有自身传感技术的不断进步，必将处处被动。
现代技术的发展，创造了多种多样的工程传感器。
工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知的量，如紫外线、红外线、超声波、磁场等。
从这个意义上讲，工程传感器超过人的感官能力。
有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测，但工程传感器测量得更快、更精确。
例如虽然人眼和光传感器都能检测可见光，进行物体识别与测距，但是人眼的视觉残留约为0．1s，而光晶体管的响应时间可短到纳秒以下；人眼的角分辨率为1ˊ，而光栅测距的精确度可达1"；激光定位的精度在月球距离3×104km范围内可达10cm以下；工程传感器可以把人所不能看到的物体通过数据处理变为视觉图像。
传感器简答题(含答案)
第一章1.传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？答：（1）传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
（2）传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路组成，有的还需辅助电源。
2.传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？答：一般常用的分类方法有四种：①按测量原理分类；②按输入信号分类；③按结构型和物理型分类；④按使用材料分类。
第二章1.何谓传感器的静态特性，传感器的主要静态特性有哪些？答：（1）传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。
（2）主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、漂移。
2.何谓传感器的动态特性，怎样衡量传感器的动态特性？答：（1）传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即输出对随时间变化的输入量的响应特性。
（2）传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来衡量。
瞬态响应常采用阶跃信号作为输入，频率响应常采用正弦函数作为输入。
第三章1.试分析电位器式传感器的负载特性，什么是负载误差？如何减小负载误差？答：（1）电位器输出端有负载时，其特性称为负载特性。
负载电阻和电位器的比值为有限值，负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差。
对于线性电位器，负载误差即为其非线性误差。
（2）减小负载误差方法：①尽量减小负载系数，通常希望m＜0.1，为此可采用高输入阻抗放大器；②将电位器工作区间限制在负载误差曲线范围内；③将电位器空载特性设计成某种上凸特性，负载特性必然下降。
第四章1.简述电阻应变式传感器的温度误差原因，如何补偿。
答：（1）原因：①温度变化引起敏感栅金属丝电阻变化；②试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，两者随温度变化产生的形变不等，使应变片产生附加应变。
（2）补偿方法：①电桥补偿法；②辅助测温元件微型计算机补偿法；③应变计自补偿2.什么是直流电桥？若按桥臂工作方式分类，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？答：（1）桥臂的供电电源是直流电的称为直流电桥。
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。
现代传感技术与系统课后题及答案
特点：
(1)采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。其中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量作补偿用。
(2)两个敏感元件同时接到电桥的相邻两臂或反串。
(3)能消除环境和条件变化干扰的影响（如温度变化、电源电压波动）。
3.差动结构型
特点：
(1)采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响量和方向相反的被测量。
1.传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？
国家标准（GB7665-87）传感器的定义：能够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。
2.传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？
共有10种分类形式。根据传感器的工作机理：基于物理效应、基于化学效应、基于生物效应；传感器的构成原理：结构型与物性型；能量转换情况：能量转换型和能量控制型；根据传感器的工作原理分类：可分为电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、气电式、应变式等；根据传感器使用的敏感材料分类：可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等；根据传感器输出信号为模拟信号或数字信号：可分为模拟量传感器和数字量（开关量）传感器；根据传感器使用电源与否：可分为有源传感器和无源传感器；根据传感器与被测对象的空间关系：可分为接触式传感器和非接触式传感器；根据与某种高新技术结合而得名的传感器：如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等；根据输入信息分类：可分为位移、速度、加速度、流速、力、压力、振动、温度、湿度、粘度、浓度等。
传感器通常由敏感元件和转换元件、转换电路组成。1、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物理量（包括电学量）。2、转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学量（包括电路参数量）。3、转换电路：将电路参数量（如电阻、电容、电感）转换成便于测量的电学量（如电压、电流、频率等）。
《传感器原理及应用》课后答案
《传感器原理及应用》课后答案第1章传感器基础理论思考题与习题答案1.1什么是传感器？（传感器定义）解：能够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、转换元件和调节转换电路组成。
1.2传感器特性在检测系统中起到什么作用？解决方案：传感器的特性是指传感器的输入和输出之间的对应关系，因此它在检测系统中起着非常重要的作用。
一般来说，传感器的特性分为两类：静态特性和动态特性。
静态特性是指输入不随时间变化的特性。
当测量值处于稳定状态时，它表示传感器输入和输出之间的关系。
动态特性是指输入随时间变化的特性，代表传感器对随时间变化的输入的响应特性。
1.3传感器的部件是什么？解释每个部分的作用。
解：传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。
其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分，调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分，如书中图1.1所示。
1.4传感器的性能参数与传感器之间的关系是什么？静态参数是什么？各种参数意味着什么义？动态参数有那些？应如何选择？解决方案：在生产过程和科学实验中，为了检测和控制各种参数，传感器需要感知被测非电量的变化，并将其无失真地转换为相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出-输入特性。
测量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、滞后和重复性。
意思被省略了（见这本书）。
动态参数包括最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等，应根据被测非电量的测量要求进行选择。
1.5某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mv，求其灵敏度。
u300？10? 3.60溶液：其灵敏度K？？3.x5？101.6测量系统由传感器、放大器和记录仪组成。
每个环节的灵敏度为S1=0.2mv/℃1S2=2.0v/mv，S3=5.0mm/v，计算系统的总灵敏度。
1.7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。
传感器与自动检测技术
成分量传感器 如：气敏传感器等
状态量传感器 如：各种接近开关 等 探伤传感器等 如：超声波探伤仪等
模拟传感器 （3）按输出量种类来分 数字传感器 直接传感器 （4）按传感器结构来分 差动传感器
补偿传感器
（2）命名
传感器常常按工作原理及被测量性质两种分 类方式合二为一进行命名。 例如：①电感式位移传感器 ②光电式转速计 ③压电式加速度计 光电式转速计
弹簧管受力动画演示
（2）波纹管
压力p
自由端的位移x
波纹管示意图
波纹管受力动画演示
（3）等截面薄板 压力 p 或者 压力 p 应变ε 等截面薄板示意图 位移 x
（4）波纹膜片和膜盒 压力差p 位移x 膜盒示意图
（5）薄壁圆筒和薄壁半球 压力 p 应变ε
薄壁圆筒和薄壁半球示意图
光敏电阻
铂电阻测温传感器
解：按最坏的情况考虑，每次误差都达到技术指标 规定的极限值，即： 基本误差 x1 1.25% 附加误差 x 2 0.5%
x x1 x 2 (1.25% 0.5%) 1.75%
求其均方根值为：
x
2 xi
1.25 % 0.5% 1.35 %
例：木块刚度小，铁块刚度大 2．灵敏度
dx K 1/ k dF
弹性特性曲线图
灵敏度为常数，此弹性特性是线性
二、弹性敏感元件的形式及应用范围 等截面轴 变换力 1．弹性敏感 元件的形式 环状弹性敏感元件 悬臂梁
扭转轴
弹簧管 波纹管 变换压力 等截面薄板 波纹膜片和膜盒 薄壁圆筒和薄壁半球
2．变换力的弹性敏感元件 （1）等截面轴 力F 应变ε
等截面轴示意图
等截面轴受 力动画演示
传感器课后答案解析
传感器课后答案解析第1 1 章概述1. 什么是传感器？传感器定义为能够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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
2 1.2 传感器的共性是什么？传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。
3 1.3 传感器由哪几部分组成的？由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。
4 1.4 传感器如何进行分类？（1 1 ）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
（2 2 ）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。
（3 3 ）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
（4 4 ）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。
（55 ）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。
（6 6 ）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。
5 1.5 传感器技术的发展趋势有哪些？（1 1 ）开展基础理论研究（2 2 ）传感器的集成化（3 3 ）传感器的智能化（4 4 ）传感器的网络化（5 5 ）传感器的微型化6 1.6 改善传感器性能的技术途径有哪些？（1 1 ）差动技术（2 2 ）平均技术（3 3 ）补偿与修正技术(4) 屏蔽、隔离与干扰抑制(5) 稳定性处理第2 2 章传感器的基本特性1 2.1 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。
主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。
2 2.2 传感器输入- - 输出特性的线性化有什么意义？如何实现其线性化？答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。
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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2. 转换元件：是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的被测量转换成适
于传输或测量的可用输出信号（一般为电信号）的部分。
3. 信号调理电路：是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、
处理和控制的有用电信号的电路。 类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电桥电路、放大器、 振荡器、阻抗变换、补偿及其它特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调 宽电路等。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
传感器市场结构
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
90年代国内市场各主要行业传感器的用量
电力系统 化工系统 钢铁系统 能源管理与炉窑控制 汽车行业 机床行业 文化办公机械 各类仪器仪表 140 万件 80 万件 130 万件 4000 万件 4400 万件 1500 万件 200 万件 3 亿件
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
组成：
被测量 非电量
敏感元件
其他量 非电量
转换元件
电信号 电量
信号调理电路
标准信号 电量
辅助电路
传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路和辅助电路组 成。 并不是所有的传感器都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，因 此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器பைடு நூலகம்很多的。例如：压电 晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
世界传感器的种类约有2万种，而我国经过“八五”、“九五”的发展 目前也仅有3000多种，尚有大量的品种需要我们去开发。同时，我国传感 器产品的技术水平与国外有较大差距，主要是长期稳定性和可靠性较差， 限制了其应用领域和产业的发展。 虽然我国传感器产业的现状还不能适应国民经济发展的需要，产品技 术水平与国外相差15年左右，但是从统一市场的观点看，我国具有传感器 的广阔市场，所以我国传感器产业发展的前途还是光明的。 国家科委于1987年4月制定的《传感器发展政策》白皮书中确定了“必 须大力发展传感器技术，特别是要把新型传感器技术作为信息技术中优先 领域予以发展”。1991年12月30日《中共中央关于制定国民经济和社会发 展的十年规划和“八五”计划的建议》中第21条明确了要“大力加强传感 器的开发和在国民经济中的普遍应用”。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
我国传感器行业的状况
传感器技术是涉及国民经济及国防科研各领域的重要技术。如果不建 立我国自己的传感器产业，而一味依赖从国外进口传感器来满足需要，将 使我国国民经济及国防力量的加强受到制约，因此必须尽快地发展我国的 传感器产业。 我国传感器的产业结构存在的主要问题是企业分散、实力不强、市场 开拓不力。我国从事传感器研究和生产的单位约1300家，居世界第一，但 真正形成一定规模的却寥寥无几。多数企业是低水平的重复，处在生产的 初级阶段。 传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其技术水平决定于 科学研究的水平，而我国在传感器研究方面科研投入强度偏低，科研设备 落后，加之我国存在科研和生产脱节的现象，所以影响了传感器科研成果 的转化，造成了我国传感器产品综合实力较低，阻碍了传感器产业的发展。
所以说，传感器的市场需求非常庞大。其根本原因就 是因为“传感器位于系统之首”，“是现代信息技术系统 的源头”。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
自动化过程都包括有三种主要功能块：传感器、计算机(或微处理 器)、执行器。 传感器相当于人的五官，时时检测“对象”的状态及其相应的物 理参量，并及时馈送给计算机； 计算机相当于人的大脑，经过运算、分析、判断，根据“对象” 状态偏离设定值的方向与程度，对执行器下达修正动作的命令； 执行器相当于人的手脚，按大脑的命令对“对象”进行操作。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 透视人类自动化的历史进程，我们看到： 首先，人们发展了执行器，如水磨、蒸汽机、内燃机、电机、 各种阀体等。然后，计算机的出现，通过扩展计算机程序的“智 能”，产生了“信息革命”。现在，人们正在通过应用传感器来扩 展“感觉”，去获得信息数据，以便校正自动化过程中的偏差，并 能根据各种情况的变化做出实时正确的处理。 在实际应用中，需要三个功能块（传感器、计算机、执行器） 都经济耐用，有良好的性能价格比。 目前随着计算机、执行器的的迅猛发展，传感器的价格性能比 相对来说却居高不下，传感器、计算机、执行器性能价格比的下降 幅度为 3 : 10 : 1000，传感器与其它两个功能块的发展形势不相适应， 制约了自动化的发展。 需要大力发展传感器。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
一个电站 一个钢铁厂 大型石油化工厂 大型发电机组 一部汽车 一架飞机
需要 5000 台传感器及其仪表； 需要 20000 台传感器及其仪表； 需要 6000 台传感器及其仪表； 需要 3000 台传感器及其仪表； 需要 30 至 100 台传感器； 需要 3600 台传感器；
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
传感器分类
传感器种类繁多，功能各异。 由于同一被测量可用不同转换原理实 现探测，利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不 同被测量的传感器，而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领 域，故传感器有不同的分类法。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
2. 知识密集程度甚高、边缘学科色彩极浓
由于传感器技术是以材料的电、磁、光、声、热、力等功能效应和 功能形态变换原理为基础，并综合了物理学、化学、生物工程、微电子 学、材料科学、精密机械、微细加工、试验测量等方面的知识和技术而 形成的一门科学。由此可见，传感器技术是学科交错应用极多，知识密 集极高，与许多基础科学和专业工程学有着极为密切关系的技术。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
传感器应用领域
传感器的应用范围很广，从航天、航空、兵器、 船舟、交通、冶金、机械、电子、化工、轻工、能 源、环保、煤炭、石油、医疗卫生、生物工程、宇 宙开发等领域至农、林、牧、副、渔业，甚至人们 日常生活的各个方方面面，几乎无处不使用传感器， 无处不需要传感器技术。 也可以说，传感器已几乎应用到各个领域。
什么是传感器
传感器是获取信息的工具。 传感器（ Transducer 或 Sensor ），俗称探头，有时 亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器。 是指那些对某一确定的信息具有感受（或响应）与 检出功能，并按照一定规律转换成与之对应的有用输出 信号的元器件或装置。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
传感器的作用和地位
作用：
自动测控系统
传感器位于系统之首，其作用相当于人的五官，直接敏感外 界信息。是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动 控制的主要环节，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要 通过它转换成便于传输、处理、记录、显示和控制的可用信号 （一般为电信号）。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
传感器技术的特点
传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测与应用。它 已逐渐形成了一门相对独立的专门学科。与其它学科相比，它具有如下技 术特点:
1. 内容范围广且离散
传感器可涉及到的内容广而离散的特点主要体现在传感器技术可利 用的物理学、化学、生物学、电子学等学科中的基础“效应”、“反 应”、“机理”不仅为数甚多，而且它们往往彼此独立、甚至是完全不 相关。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
传感器定义和组成
国家标准GB 7665-87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 输出信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转换元件组 成。
传感器定义：传感器是将各种非电量（包括物理量、
化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输 的另一种物理量（一般为电量）的装置。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
3. 技术复杂、工艺要求高
传感器的制造涉及了许多高新技术，如集成技术、薄膜技术、超导 技术、微细或纳米加工技术、粘合技术、高密封技术、特种加工技术以 及多功能化、智能化技术等。因此，传感器的制造工艺难度很大，要求 很高。
4. 功能优、性能好
传感器功能优良主要体现在其功能的扩展性好、适应性强。具体地 说，传感器不但具备人类“五官”所具有的视、听、触、嗅、味觉功能， 而且还能检测五官不能感觉到的信息，同时还能在人类无法忍受的高温、 高压等恶劣环境下工作。性能好体现在传感器的量程宽、精度高、可靠 性好等方面。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
其它分类：
1) 按输出信号的传送方式：电传送、气传送（易燃、易爆环境） 和光传送（抗干扰、绝缘能力强）； 2) 位式作用（开关作用）和连续作用； 3) 有触点及无触点（利用晶体管或晶闸管的通断发出信号）； 4) 常规式及灵巧式（Smart， 处理电路使用单片机，功能丰富、使 用灵活）； 5) 接触式（敏感元件必须和被测物质接触）及非接触式； 6) 普通型、隔爆型（在内部电路和周围易燃气体之间采取了隔离 措施，允许使用在有一定危险性的环境里）及本安型（本质安 全型，依靠特殊设计的电路保证在正常工作及故障状态下都不 会引起燃爆事故，可用在十分易燃易爆的场所）。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
第1章 传感器的基本概念
什么是传感器 传感器的作用和地位 传感器应用领域 传感器的定义和组成 传感器分类 传感器技术的特点 传感器的需求、水平、 传感器的需求、水平、现状 传感器与传感器技术发展趋势 传感器的一般特性
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)
4. 辅助电路：通常指电源，即交、直流供电系统。
第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 例如，应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹 性膜片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变（形变）；弹 性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的变化量， 电阻应变片就是转换元件。