传感器原理与检测技术(1)
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传感器原理与检测技术
检测就是去认识
科学家西门子（W.Ven.Siemens）
第一章 概述
一 二 三 基本概念 传感器特性及其标定 误差分析及处理技术
一、 基本概念
传感器 传感器的分类 检测技术 检测系统组成及各部分特点 传感器及检测技术的发展
传感器是检测系统的第一个环节。它是
转换元件
上面介绍的敏感元件，其中有许多可兼做转换元 件。转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换 成电路参数的元件。如果敏感元件本身就能直接将被测 量变成电路参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感和 转换两个功能。如热敏电阻，它不仅能直接感受温度的 变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，也就是将 非电路参数（温度）直接变成了电路参数（电阻）。
• 检测技术的发展
随着世界各国现代化步伐的加快，对检测技术的要求越 来越高。目前，现代检测技术发展的总趋势大体有以下 几个方面 ： 1. 不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性 2. 传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展 3. 重视非接触式检测技术研究 3. 检测系统智能化
第一章 概述
( ) arctg
(
2
)( 0) 0
上面各式中： 0 0 — — 系统无阻尼时的固有振动角频率,
=
k m
；
k — — 弹簧常数；
m— — 质量；
— — 相对阻尼系数,
K
2 = km
C
； 。
C — — 阻尼器阻尼系数； 1
K — — 静态灵敏源自文库， m 02
由于大多数传感器均为二阶系统,所以我们要专门 讨论二阶系统的阶跃响应。
• 新型传感器的开发
这是发展高性能、高功能、低成本和小型化传感 器的重要途径。制作此类传感器是利用各种物理、化学效 应和定律。 新型传感器层出不穷，如利用量子力学诸效 应研制的高灵敏阀传感器，响应速度极快的红外传感器， 光纤传感器等。高灵敏阀传感器可用来检测极微弱的信 号，红外传感器是利用光子滞后效应制作的，有响应速度 极快的优点。
2.
3. 敏感元件是将感知的被测量按一定规律转化为某一种量值 输出，通常是电信号。如果不是电信号，就需经变换电路 将其变成电信号。 4. 信号调理电路一般有两个作用，一是信号转换和放大，二 是信号处理，即滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处 理等。
5.
输出装置的种类很多，可根据需要进行配置。现代 检测 系统采用了计算机和网络技术将调理电路输出的信 号直 接送到信号分析设备中，进行在线处理。 为保证测量结果的准确性、稳定性，上述环节的输 出量 与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真关系。
• 传感器的集成化
传感器的集成化是利用集成电路制作技术和微机械加 工技术将多个功能相同、功能相近或功能不同的传感器件 集成为一维线型传感器或二维面型(阵列)传感器；或利用 微电子电路制作技术和微型计算机接口技术将传感器与信 号调理、补偿等电路集成在同一芯片上。前一种集成具体 可分为三种类型：
1. 2.
一、 基本概念
传感器 传感器的分类 检测技术 检测系统组成及各部分特点 传感器及检测技术的发展
检测技术
检测技术是研究自动检测系统中的信息提取、信 息转换及信息处理的理论和技术，是自动化技术四个 支柱之一。从信息科学角度考察，检测技术任务有： 寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信 号，以及确定二者间的定性|定量关系；从反映某一信 息的多种信号表现中挑选出在所处条件下最为合适的 表现形式，以及寻求最佳的采集、变换、处理、传 输、存储、显示等的方法和相应的设备。
将多个功能相同的敏感元件集成在同一芯片上，检 测被测量的线状、面状、甚至体状的分布信息 。 将多个结构相似、功能相近的敏感元件集成在同一 芯片上，在保证测量精度下扩大传感器的测量范 围。 将多个不同功能的敏感元件集成在同一芯片上，使 传感器能测量不同性质的参数，实现综合检测。
3.
微传感器一般是指敏感元件的特征尺寸从几μm到几 mm的这类传感器的总称, 它包括三种结构形式： 1、微型传感器，通常它是单一功能的简单传感器，其敏 感元件工艺一般与集成工艺兼容。 2、具有微机械结构敏感元件的机电一体化的微结构传感 器。 3、具有数字接口、自检、EPROM (CPU)、数字补偿和总 线兼容等功能的微传感器系统 。
根据二阶系统相对阻尼系数 的大小，将其二阶 响应分成三种情况：既 >1时过阻尼； =1时临界阻 尼； <1时的欠阻尼。在一定的 值下，欠阻尼系统
比临界阻尼系统更快地达到稳态值；过阻尼系统反应 迟钝，动作缓慢，所以一般传感器都设计成欠阻尼 的， 一般取值为0.6~0.8。
二、传感器特性及其标定
• 传感器的智能化、网络化
智能传感器系统采用微机械加工技术和大规模集成电 路技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号处理电 路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上，故又称 集成智能传感器 (Integrated Smart/ Intelligent Sensor)。 智能传感器系统具有自检测、自补偿、自校正、自诊 断、远程设定、状态组令、信息储存和记忆等功能。
一、 基本概念
传感器 传感器的分类 检测技术 检测系统组成及各部分特点 传感器及检测技术的发展
传感器的分类
1．根据被测物理量分类 速度传感器、位移传感器、加速度传感 器、温度传 感器、压力传感器等。 2．按工作原理分类 应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式 等。 3．按能量的传递方式分类 有源的和无源的传感器。
3. 引用误差 引用误差实际上是一种实用方便的相对误差，只是 将相对误差计算时分母由实际值（或测量值）换成 测量范围的上限即可。也就是说，引用误差是绝对 误差与测量范围上限之比。由于测量范围上限与被 测量大小无关，因此，它实质上是一个绝对误差的 最大值。
一、 基本概念
传感器 传感器的分类 检测技术 检测系统组成及各部分特点 传感器及检测技术的发展
现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术和 计算机技术, 它们分别完成对被测量的信息提取、信息传 输及信息处理。目前, 信息传输与处理技术已取得突破性 进展, 然而传感器的发展相对滞后。 在今天信息时代, 各种控制系统对自动化程度、复杂 性以及环境适应性(如高温、高速、野外、地下、高空等) 的要求越来越高, 需要获取的信息量也越来越多,它不仅对 传感器测量精度、响应速度、可靠性提出了很高的要 求, 而且需求信号远距离传输。
一 基本概念 二 传感器特性及其标定 三 误差分析及处理技术
二、传感器特性及其标定
静态特性 传感器的动态特性 静、动态特性标定
传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时 间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响应特 性，称静态响应特性。通常用来描述静态特性的指标 有：测量范围、精度、灵敏度、稳定性、非线性度、 重复性、灵敏阈和分辨力、迟滞等。
二阶传感器的传递函数：
H (s) K s 2 2s 1 2 0 0
K
(1-2) 频率函数： (1-3)
H ( j )
2 1 2 2 j 0 0
幅频特性为： (1-4) 相频特性为： (1-5)
H ( j ) [1 (
K
2 2 ) ] 4 2 ( ) 2 0 0
静态特性 传感器的动态特性 静、动态特性标定
传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、 仪表）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传 感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同 使用条件下的误差关系。
传感器的标定分静态标定和动态标定:
1. 感器静态特性标定
传感器静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如 线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。 2. 传感器动态特性标定 传感器动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参 数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。
以一定的精度把被测量转换成与之有确定关 系的、便于应用的某种量值的测量装置 顾名思义，传感器的功能是一感二传， 即感受被测信息，并传送出去。根据传感器 的功能要求，它一般应由三部分组成，即：
敏感元件、转换元件、转换电路
敏感元件
能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件
如金属或半导体应变片，能感受压力的大小而引起形 变，形变程度就是对压力大小的响应。铂电阻能感受温 度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的 响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件，而金属或半 导体应变片，就是一种压力敏感元件
• 灵敏度
传感器灵敏度是表示传感器的输入增量与由它引起 的输出增量之间的函数关系。更确切地说，灵敏度k等 于传感器输出增量与被测量增量之比，是传感器在稳态 输出输入特性曲线上各点的斜率，可用下式表示： 1)
k
du dx
df(x) dx
f ' ( x)
(1-
• 灵敏阈与分辨力
灵敏阈是指传感器能够区分出的最小读数变化量。 对模拟式仪表，当输入量连续变化时，输出量只做 阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个阶梯所代表的输入 量的大小。对于数字式仪表，灵敏度阈就是分辨力，即仪 表指示数字值的最后一位数字所代表的值。 从物理含义看，灵敏度是广义的增益，而灵敏度阈则 是死区或不灵敏度。
• 零阶传感器动态特性指标
零阶传感器，其输入量无论随时间如何变化， 其输出量的幅值总是与输入量成确定的比例关系， 在时间上也不滞后，幅角φ等于零。所以零阶传感 器的动态特性指标就是静态特性指标。
• 一阶传感器动态特性指标
一阶传感器动态特性指标有：静态灵敏度和时间 常数τ。如果时间常数τ越小，系统的频率特性就越 好。在弹簧阻尼系统中，就要求系统的阻尼系数小， 而弹簧刚度要大。
第一章 概述
一 基本概念 二 传感器特性及其标定 三 误差分析及处理技术
三 误差分析及处理技术
测量误差的基本概念 误差的分类和来源 系统误差和随机误差的表达式 基本误差和附加误差 测量误差的估计和校正 测量误差的合成与分配
1. 绝对误差 绝对误差是示值（或称测量值）与被测量真值之间 的差值。 2. 相对误差 由于绝对误差不能确切地反映出测量的准确度，所 以引出相对误差的概念。相对误差是绝对误差与真 值（或实际值）之比。
一、 基本概念
传感器 传感器的分类 检测技术 检测系统组成及各部分特点 传感器及检测技术的发展
检测系统的组成
一个广义的检测系统一般由激励装 置、被测对象、敏感元件、调理电路与 输出单元所组成。下图是自动检测系统 组成框图。
检测系统各部分的特点
1. 有时，为便于有效测量，需要给被测对象施加激励信 号，这样可使被测对象处于预定状态，并将其有关方向 的内在联系充分显示出来。 被测对象的特性均以信号的形式给出，而被测信号一般 都是随时间变化的动态量，即使在检测不随时间变化的 静态量时，由于混有动态的干扰噪声，所以，通常也按 动态量进行检测。
• 测量范围
测量范围是指传感器能正常工作时的最小输入值与最 大输入值之间的范围。
• 精度
与精度有关的指标有三个，即精密度、准确度和精确 度。
• 稳定性
传感器的稳定性，一是指传感器测量输出值在一段时 间内的变化，即用所谓的稳定度表示；二是指在传感器外 部环境和工作条件变化时而引起输出值的变化，即用影响 量来表示。例如，某传感器输出电压值每小时变化 1.3mv/h。又如，某传感器由于电源变化10%而引起其输 出值变化0.02mA，则应写成0.02mA/(u10%)。
迟滞
传感器在正（输入量增大）反（输 入量减小）行程中— — 输入特性曲线不 重合的程度称为迟滞。
重复性
重复性是指传感器沿同一方向变化 时，在全量程范围内连续进行多次测 试，所得到的各特性曲线重复程度。
二、传感器特性及其标定
静态特性 传感器的动态特性 静、动态特性标定
动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应 特性。只要输入量是时间的函数，则其输出量必将是时间 的函数。研究动态特性的标准输入形式有三种，即正弦、 阶跃和线性，而经常使用的是前两种。
检测就是去认识
科学家西门子（W.Ven.Siemens）
第一章 概述
一 二 三 基本概念 传感器特性及其标定 误差分析及处理技术
一、 基本概念
传感器 传感器的分类 检测技术 检测系统组成及各部分特点 传感器及检测技术的发展
传感器是检测系统的第一个环节。它是
转换元件
上面介绍的敏感元件，其中有许多可兼做转换元 件。转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换 成电路参数的元件。如果敏感元件本身就能直接将被测 量变成电路参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感和 转换两个功能。如热敏电阻，它不仅能直接感受温度的 变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，也就是将 非电路参数（温度）直接变成了电路参数（电阻）。
• 检测技术的发展
随着世界各国现代化步伐的加快，对检测技术的要求越 来越高。目前，现代检测技术发展的总趋势大体有以下 几个方面 ： 1. 不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性 2. 传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展 3. 重视非接触式检测技术研究 3. 检测系统智能化
第一章 概述
( ) arctg
(
2
)( 0) 0
上面各式中： 0 0 — — 系统无阻尼时的固有振动角频率,
=
k m
；
k — — 弹簧常数；
m— — 质量；
— — 相对阻尼系数,
K
2 = km
C
； 。
C — — 阻尼器阻尼系数； 1
K — — 静态灵敏源自文库， m 02
由于大多数传感器均为二阶系统,所以我们要专门 讨论二阶系统的阶跃响应。
• 新型传感器的开发
这是发展高性能、高功能、低成本和小型化传感 器的重要途径。制作此类传感器是利用各种物理、化学效 应和定律。 新型传感器层出不穷，如利用量子力学诸效 应研制的高灵敏阀传感器，响应速度极快的红外传感器， 光纤传感器等。高灵敏阀传感器可用来检测极微弱的信 号，红外传感器是利用光子滞后效应制作的，有响应速度 极快的优点。
2.
3. 敏感元件是将感知的被测量按一定规律转化为某一种量值 输出，通常是电信号。如果不是电信号，就需经变换电路 将其变成电信号。 4. 信号调理电路一般有两个作用，一是信号转换和放大，二 是信号处理，即滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处 理等。
5.
输出装置的种类很多，可根据需要进行配置。现代 检测 系统采用了计算机和网络技术将调理电路输出的信 号直 接送到信号分析设备中，进行在线处理。 为保证测量结果的准确性、稳定性，上述环节的输 出量 与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真关系。
• 传感器的集成化
传感器的集成化是利用集成电路制作技术和微机械加 工技术将多个功能相同、功能相近或功能不同的传感器件 集成为一维线型传感器或二维面型(阵列)传感器；或利用 微电子电路制作技术和微型计算机接口技术将传感器与信 号调理、补偿等电路集成在同一芯片上。前一种集成具体 可分为三种类型：
1. 2.
一、 基本概念
传感器 传感器的分类 检测技术 检测系统组成及各部分特点 传感器及检测技术的发展
检测技术
检测技术是研究自动检测系统中的信息提取、信 息转换及信息处理的理论和技术，是自动化技术四个 支柱之一。从信息科学角度考察，检测技术任务有： 寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信 号，以及确定二者间的定性|定量关系；从反映某一信 息的多种信号表现中挑选出在所处条件下最为合适的 表现形式，以及寻求最佳的采集、变换、处理、传 输、存储、显示等的方法和相应的设备。
将多个功能相同的敏感元件集成在同一芯片上，检 测被测量的线状、面状、甚至体状的分布信息 。 将多个结构相似、功能相近的敏感元件集成在同一 芯片上，在保证测量精度下扩大传感器的测量范 围。 将多个不同功能的敏感元件集成在同一芯片上，使 传感器能测量不同性质的参数，实现综合检测。
3.
微传感器一般是指敏感元件的特征尺寸从几μm到几 mm的这类传感器的总称, 它包括三种结构形式： 1、微型传感器，通常它是单一功能的简单传感器，其敏 感元件工艺一般与集成工艺兼容。 2、具有微机械结构敏感元件的机电一体化的微结构传感 器。 3、具有数字接口、自检、EPROM (CPU)、数字补偿和总 线兼容等功能的微传感器系统 。
根据二阶系统相对阻尼系数 的大小，将其二阶 响应分成三种情况：既 >1时过阻尼； =1时临界阻 尼； <1时的欠阻尼。在一定的 值下，欠阻尼系统
比临界阻尼系统更快地达到稳态值；过阻尼系统反应 迟钝，动作缓慢，所以一般传感器都设计成欠阻尼 的， 一般取值为0.6~0.8。
二、传感器特性及其标定
• 传感器的智能化、网络化
智能传感器系统采用微机械加工技术和大规模集成电 路技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号处理电 路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上，故又称 集成智能传感器 (Integrated Smart/ Intelligent Sensor)。 智能传感器系统具有自检测、自补偿、自校正、自诊 断、远程设定、状态组令、信息储存和记忆等功能。
一、 基本概念
传感器 传感器的分类 检测技术 检测系统组成及各部分特点 传感器及检测技术的发展
传感器的分类
1．根据被测物理量分类 速度传感器、位移传感器、加速度传感 器、温度传 感器、压力传感器等。 2．按工作原理分类 应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式 等。 3．按能量的传递方式分类 有源的和无源的传感器。
3. 引用误差 引用误差实际上是一种实用方便的相对误差，只是 将相对误差计算时分母由实际值（或测量值）换成 测量范围的上限即可。也就是说，引用误差是绝对 误差与测量范围上限之比。由于测量范围上限与被 测量大小无关，因此，它实质上是一个绝对误差的 最大值。
一、 基本概念
传感器 传感器的分类 检测技术 检测系统组成及各部分特点 传感器及检测技术的发展
现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术和 计算机技术, 它们分别完成对被测量的信息提取、信息传 输及信息处理。目前, 信息传输与处理技术已取得突破性 进展, 然而传感器的发展相对滞后。 在今天信息时代, 各种控制系统对自动化程度、复杂 性以及环境适应性(如高温、高速、野外、地下、高空等) 的要求越来越高, 需要获取的信息量也越来越多,它不仅对 传感器测量精度、响应速度、可靠性提出了很高的要 求, 而且需求信号远距离传输。
一 基本概念 二 传感器特性及其标定 三 误差分析及处理技术
二、传感器特性及其标定
静态特性 传感器的动态特性 静、动态特性标定
传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时 间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响应特 性，称静态响应特性。通常用来描述静态特性的指标 有：测量范围、精度、灵敏度、稳定性、非线性度、 重复性、灵敏阈和分辨力、迟滞等。
二阶传感器的传递函数：
H (s) K s 2 2s 1 2 0 0
K
(1-2) 频率函数： (1-3)
H ( j )
2 1 2 2 j 0 0
幅频特性为： (1-4) 相频特性为： (1-5)
H ( j ) [1 (
K
2 2 ) ] 4 2 ( ) 2 0 0
静态特性 传感器的动态特性 静、动态特性标定
传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、 仪表）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传 感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同 使用条件下的误差关系。
传感器的标定分静态标定和动态标定:
1. 感器静态特性标定
传感器静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如 线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。 2. 传感器动态特性标定 传感器动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参 数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。
以一定的精度把被测量转换成与之有确定关 系的、便于应用的某种量值的测量装置 顾名思义，传感器的功能是一感二传， 即感受被测信息，并传送出去。根据传感器 的功能要求，它一般应由三部分组成，即：
敏感元件、转换元件、转换电路
敏感元件
能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件
如金属或半导体应变片，能感受压力的大小而引起形 变，形变程度就是对压力大小的响应。铂电阻能感受温 度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的 响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件，而金属或半 导体应变片，就是一种压力敏感元件
• 灵敏度
传感器灵敏度是表示传感器的输入增量与由它引起 的输出增量之间的函数关系。更确切地说，灵敏度k等 于传感器输出增量与被测量增量之比，是传感器在稳态 输出输入特性曲线上各点的斜率，可用下式表示： 1)
k
du dx
df(x) dx
f ' ( x)
(1-
• 灵敏阈与分辨力
灵敏阈是指传感器能够区分出的最小读数变化量。 对模拟式仪表，当输入量连续变化时，输出量只做 阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个阶梯所代表的输入 量的大小。对于数字式仪表，灵敏度阈就是分辨力，即仪 表指示数字值的最后一位数字所代表的值。 从物理含义看，灵敏度是广义的增益，而灵敏度阈则 是死区或不灵敏度。
• 零阶传感器动态特性指标
零阶传感器，其输入量无论随时间如何变化， 其输出量的幅值总是与输入量成确定的比例关系， 在时间上也不滞后，幅角φ等于零。所以零阶传感 器的动态特性指标就是静态特性指标。
• 一阶传感器动态特性指标
一阶传感器动态特性指标有：静态灵敏度和时间 常数τ。如果时间常数τ越小，系统的频率特性就越 好。在弹簧阻尼系统中，就要求系统的阻尼系数小， 而弹簧刚度要大。
第一章 概述
一 基本概念 二 传感器特性及其标定 三 误差分析及处理技术
三 误差分析及处理技术
测量误差的基本概念 误差的分类和来源 系统误差和随机误差的表达式 基本误差和附加误差 测量误差的估计和校正 测量误差的合成与分配
1. 绝对误差 绝对误差是示值（或称测量值）与被测量真值之间 的差值。 2. 相对误差 由于绝对误差不能确切地反映出测量的准确度，所 以引出相对误差的概念。相对误差是绝对误差与真 值（或实际值）之比。
一、 基本概念
传感器 传感器的分类 检测技术 检测系统组成及各部分特点 传感器及检测技术的发展
检测系统的组成
一个广义的检测系统一般由激励装 置、被测对象、敏感元件、调理电路与 输出单元所组成。下图是自动检测系统 组成框图。
检测系统各部分的特点
1. 有时，为便于有效测量，需要给被测对象施加激励信 号，这样可使被测对象处于预定状态，并将其有关方向 的内在联系充分显示出来。 被测对象的特性均以信号的形式给出，而被测信号一般 都是随时间变化的动态量，即使在检测不随时间变化的 静态量时，由于混有动态的干扰噪声，所以，通常也按 动态量进行检测。
• 测量范围
测量范围是指传感器能正常工作时的最小输入值与最 大输入值之间的范围。
• 精度
与精度有关的指标有三个，即精密度、准确度和精确 度。
• 稳定性
传感器的稳定性，一是指传感器测量输出值在一段时 间内的变化，即用所谓的稳定度表示；二是指在传感器外 部环境和工作条件变化时而引起输出值的变化，即用影响 量来表示。例如，某传感器输出电压值每小时变化 1.3mv/h。又如，某传感器由于电源变化10%而引起其输 出值变化0.02mA，则应写成0.02mA/(u10%)。
迟滞
传感器在正（输入量增大）反（输 入量减小）行程中— — 输入特性曲线不 重合的程度称为迟滞。
重复性
重复性是指传感器沿同一方向变化 时，在全量程范围内连续进行多次测 试，所得到的各特性曲线重复程度。
二、传感器特性及其标定
静态特性 传感器的动态特性 静、动态特性标定
动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应 特性。只要输入量是时间的函数，则其输出量必将是时间 的函数。研究动态特性的标准输入形式有三种，即正弦、 阶跃和线性，而经常使用的是前两种。