检测与传感器的技术基础
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。
传感器与检测技术ppt课件
22
重复性
图1-4所示为校正曲线的重复特性。
正行程的最大重复性偏差为△Rmax1, 反行程的最大重复 性偏差为△Rmax2，重复性误差取这两个最大偏差中之较 大者为△Rmax，再以满量程输出的百分数表示，即
rR
Rmax yFS
100%
（1-15）
式中 △Rmax----输出最大不重复误差。
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现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。例 如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、 防盗和防尘等的测试控制，以及由有视觉、听觉、嗅觉、触 觉和味觉等感觉器官，并有思维能力机器人来参与各种家庭 事务管理和劳动等，都需要各种检测技术。
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34
自动检测系统的基本组成
自动检测系统是自动测量、自动资料、自动保护、自动 诊断、自动信号处理等诸系统的总称，基本组成如图1-7。
图1-10 微差法测量稳压电源输出电压的微小变化
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44
误差处理 主要内容
• 一、误差与精确处理 • 二、测量数据的统计处理 • 三、间接测量中误差的传递 • 四、有效数字及其计算法则
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45
误差与精确处理
主要内容
(1)绝对误差与相对误差 (2)系统误差、偶然误差和疏失误差 (3)基本误差和附加误差 (4)常见的系统误差及降低其对测量结果影响的方法
（1-17）
由于种种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵 敏度误差用相对误差来表示
k10% 0 sk
（1-18）
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25
分辨率
分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量。 分辨率可用绝对值表示，也可以用满量程的百分比表 示。
传感器及检测技术教案全
传感器及检测技术教案第一章：传感器概述1.1 教学目标让学生了解传感器的基本概念和作用。
让学生了解传感器的分类和特点。
让学生了解传感器在现代科技领域的应用。
1.2 教学内容传感器的定义和作用传感器的分类和特点传感器在现代科技领域的应用1.3 教学方法采用讲授法，讲解传感器的定义、作用和分类。
采用案例分析法，分析传感器在现代科技领域的应用。
采用小组讨论法，让学生讨论传感器的特点和优缺点。
1.4 教学评估课堂问答，检查学生对传感器的基本概念和作用的理解。
小组讨论，评估学生对传感器特点和优缺点的理解。
第二章：温度传感器2.1 教学目标让学生了解温度传感器的原理和结构。
让学生了解常见温度传感器的特点和应用。
让学生了解温度传感器的选择和安装。
2.2 教学内容温度传感器的原理和结构常见温度传感器的特点和应用温度传感器的选择和安装2.3 教学方法采用讲授法，讲解温度传感器的原理和结构。
采用案例分析法，分析常见温度传感器的特点和应用。
采用实验演示法，展示温度传感器的安装和应用。
2.4 教学评估课堂问答，检查学生对温度传感器原理和结构的理解。
实验操作，评估学生对温度传感器的安装和应用的掌握。
第三章：压力传感器3.1 教学目标让学生了解压力传感器的原理和结构。
让学生了解常见压力传感器的特点和应用。
让学生了解压力传感器的选择和安装。
3.2 教学内容压力传感器的原理和结构常见压力传感器的特点和应用压力传感器的选择和安装3.3 教学方法采用讲授法，讲解压力传感器的原理和结构。
采用案例分析法，分析常见压力传感器的特点和应用。
采用实验演示法，展示压力传感器的安装和应用。
3.4 教学评估课堂问答，检查学生对压力传感器原理和结构的理解。
实验操作，评估学生对压力传感器的安装和应用的掌握。
第四章：湿度传感器4.1 教学目标让学生了解湿度传感器的原理和结构。
让学生了解常见湿度传感器的特点和应用。
让学生了解湿度传感器的选择和安装。
4.2 教学内容湿度传感器的原理和结构常见湿度传感器的特点和应用湿度传感器的选择和安装4.3 教学方法采用讲授法，讲解湿度传感器的原理和结构。
感测技术基础 总结
8.重复性：同意方向测量特性曲线不重合的现象
9.求拟合直线的方法：理论拟合法、过零旋转拟合、端点连线拟合、端点平移拟合、最小二乘拟合
10.电阻式传感器。应变电阻效应：金属材料或半导体材料受外力作用时发生机械形变，从而导致阻值发生改变的现象。压阻效应：半导体受轴向应力的作用，电阻率发生改变的现象。金属材料的应变电阻效应以结构尺寸为主，半导体材料的电阻变化基于压阻效应。
13.热敏电阻。NTC（负温度系数）：温度测量，PTC（正温度系数）、CTC（临界温度系数）：用作开关元件。
14.电容式传感器(无源传感器)。 。区分:有无液位：变 变d变A；结构：两板：单一仨板：差动。接口电路：单一变d：Cx在上单一变A：Cx在下差动。
15.电感式传感器。特征：都有线圈；优点：结构简单，可靠适应性强输出阻抗小，带载能力强 绝对分辨力高；缺点：响应速度慢，不适合动态测量；分类：自感、互感、自涡流。
24.光电传感器。外光电效应（光电管、光电倍增管）
内光电效应（光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管（光导效应原理））
光生伏特效应（光电池）
25.光电倍增管。M与倍增管两端电压的关系：要调节M，可改变供电电压 M:倍增数
光谱特性：I=F(λ) 伏安特性：I=F(U)
光导效应的定义：绝大多数的高阻率半导体，受光照射吸收光子能量后，产生电阻率降低而易于导电的现象。
11.电阻应变片。结构：敏感栅、引线、基底、盖片、黏合层等；分类：金属——丝式、箔式、薄膜式，半导体——单根；安装：应变片轴向应与受力方向一致；应变片灵敏度小于材料灵敏度：横栅效应。
12.温度误差及补偿。原因：敏感阻值随温度变化应变片材料与试件材料的线膨胀系数不同；补偿方法：自身补偿法（单丝自补偿、双丝自补偿）线路补偿法（单丝补偿、双丝补偿）电桥补偿法（补偿块法、差动电桥补偿法）。
第一章 传感器与检测技术基础思考题答案
第1章传感器与检测技术基础思考题答案l.检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。
答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。
当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。
下图给出了检测系统的组成框图。
检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。
测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。
根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。
显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
3.测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法? 如何进行?答：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，最好采用微差式测量。
此时输出电压认可表示为U0，U0=U+△U，其中△U是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U 来讲为一小量。
如果采用偏差法测量，仪表必须有较大量程以满足U0的要求，因此对△U，这个小量造成的U0的变化就很难测准。
测量原理如下图所示：图中使用了高灵敏度电压表——毫伏表和电位差计，R r和E分别表示稳压电源的内阻和电动势，凡表示稳压电源的负载，E1、R1和R w表示电位差计的参数。
在测量前调整R1使电位差计工作电流I1为标准值。
然后，使稳压电源负载电阻R1为额定值。
调整RP的活动触点，使毫伏表指示为零，这相当于事先用零位式测量出额定输出电压U。
正式测量开始后，只需增加或减小负载电阻R L的值，负载变动所引起的稳压电源输出电压U0的微小波动值ΔU，即可由毫伏表指示出来。
传感器与检测技术的基础知识—测量的基本概念
x=AxAe
x-被测量；Ax-被测量的数据；Ae-测量的单位名称
测量的定义
由x=AxAe
可说明测量的结果包括数值大小和测量单位两部分。
单位愈小，数值愈大。
测量的单位
数值为1的某量，称为该量的测量单位或计量单位。
在国际(SI,来自法文的le Système international d'unites)单位制中，将单位分成三类：基本单位、 导出单位和辅助单位。
项目1 传感器与检测技术的基础知识 任务1.1 测量的基本概念 任务1.2 测量误差及分类 任务1.3 传感器及其基本特性 任务1.4 传感器信号处理电路 任务1.5 抗干扰技术
任务1.1 测量的基本概念
测量的定义
测量是借助于专门的技术工具或者手段，通过实验的
方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，求取两 者比值，从而得到被测量数值大小的过程。
测量的单位
7个严格定义的基本单位是：
长度（米）、质量（千克）、时间（秒）、电 流（安培）、热力学温度（开尔文）、物质的 量（摩尔）和发光强度（坎德拉）。
测量的单位
导出单位是由基本单位根据选定的、联系相应量的代
数式组合起来的单位。
其中，具有专门名称的SI导出单位总共有19个。有17个 是以杰出科学家的名字命名的，如牛顿、帕斯卡、焦耳 等，以纪念他们在本学科领域里作出的贡献。
利用红外线辐射测量供电变压器的 表面温度
车载雷达测速
4. 在线测量和离线测量（按 是否在生产线上检测来分类）
在流水线上，边加工，边检 验，可提高产品的一致性和加 工精度。
离 N（牛顿）力的作用点在力的方向移动1m （米）距离时所作的功，即1J=1N·m。
传感器与检测技术1-传感器与检测技术的基础知识
y a0 a1x a2 x2 a3x3 an xn
1.3 传感器的基本特性
1.3.1 传感器的静态特性
2.静态特性的校准(标定)条件—静态标准条件
检测系统(传感器)的静态特性是在静态标准条件下进行校准 (标定)的。
检测技术研究的主要内容包括测量原理、测量方法、测量 系统和数据处理四个方面。
检测是利用各种物理、化学及生物效应，选择合适的方法 与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与 测量的方法赋予定性或定量结果的过程。
1.1 检测技术概述
1.1.2 检测方法
1.直接测量、间接测量和联立测量 (1)直接测量 (2)间接测量 (3)联立测量 2.偏差式测量、零位式测量和微差式测量 (1)偏差式测量 (2)零位式测量 (3)微差式测量
测量范围是指检测系统所能测量到的最小被测输入量(下限)
至最大被测输入量(上限)之间的范围，即( xmin , xmax )。
②量程 量程是指检测系统测量上限和测量下限的代数差，即
L xmax xmin
1.3 传感器的基本特性
1.3.1 传感器的静态特性
3.传感器的静态性能指标
(2)灵敏度
灵敏度是指检测系统(传感器)在静态测量时，输出量的增量
15.1数字式检测仪表的设计
1.1.3 检测系统的组成
1.2 传感器基础知识
1.2.1 传感器的定义及组成
传感器的国家标准定义为能感受(或响应)规定的被测量，并按 照一定规律将其转换成可用信号输出的器件或装置。这里的可用 信号是指便于处理、传输的信号，目前电信号是最易于处理和传 输的。
传感器的通常定义为“能把外界非电信息转换成电信号输出 的器件或装置”或“能把非电量转换成电量的器件或装置”。
传感器与检测技术基础
转换元件 它是将敏感元件输出的非电信号直接转换为电信号，或直接将被测非电信号转换为电信号(如应变式压力传感器的电阻应变片，它作为转换元件将弹性敏感元件的输出转换为电阻)。 转换电路 它能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、处理和传输的有用信号。
传感器的分类 传感器技术是一门知识密集型技术。
1.2 测量误差与准确度
3)恰为第n位单位数字的0.5，则第n位为偶数或零时就舍去，为奇数时则进1。 (2)参加中间运算的有效数字的处理 1)加法运算：运算结果的有效数字位数应与参与运算的各数中小数点后面的有效位数相同。 2)乘除运算：运算结果的有效数字位数，应与参与运算的各数中有效位数最小的相同。 3)乘方及开方运算：运算结果的有效数字位数比原数据多保留一位。 4)对数运算：取对数前后有效数字位数应相同。 2.测量数据的处理 常用的数据处理方法有列表法、图示法、最小二乘法线性拟合。
列表法 列表法是把被测量的数据列成表格，可以简明地表示有关物理量之间的对应关系，便于随时检查测量结果是否合理，及时发现和分析问题。
01
图示法 图示法是用图形或曲线表示物理量之间的关系，它能更直观地表示物理量之间的变化规律，如递增或递减。
02
最小二乘法线性拟合 图示法虽然能很直观方便地将测量中的各种物理量之间的关系、变化规律用图像表示出来，但是，在图像的绘制上往往会引起一些附加的误差。
1.1 传感器简述
1.1 传感器简述
1)超调量σ：传感器输出超出稳定值而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比来表示。 2)延滞时间td：阶跃响应达到稳态值的50%所需要的时间。 3)上升时间tr：传感器的输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所需的时间。 4)峰值时间tp：传感器从阶跃输入开始到输出值达到第一个峰值所需的时间。 5)响应时间ts：传感器从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需的时间。 (2)频率响应法 频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。
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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
传感器与检测技术的基础理论
第1章传感器与检测技术的 1.1 测量概论1.2 测量数据的估计和处理第1章传感与检测技术的 1.1 测量概论在科学技术高度发达的现代社会中人类已进入瞬息万变的信息时代。
人们在从事工业生产和科学实验等活动中主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。
传感器处于研究对象与测控系统的接口位置是感知、获取与检测信息的窗口一切科学实验和生产过程特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。
在工程实践和科学实验中提出的检测任务是正确及时地掌握各种信息大多数情况下是要获取被测对象信息的大小即被测量的大小。
这样，信息采集的主要含义就是测量取得测量数据。
“测量系统”这一概念是传感技术发展到一定阶段的产物。
在工程中需要有传感器与多台仪表组合在一起才能完成信号的检测这样便形成了测量系统。
尤其是随着计算机技术及信息处理技术的发展测量系统所涉及的内容也不断得以充实。
为了更好地掌握传感器需要对测量的基本概念测量系统的特性测量误差及数据处理等方面的及工程方法进行学习和研究只有了解和掌握了这些基本才能更有效地完成检测任务。
一、测量测量是以确定量值为目的的一系列操作。
所以测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较确定被测量对标准量的倍数。
它可由下式表示: x nu （1-1）x或n （1-2）u 式中：x——被测量值u——标准量即测量单位n——比值（纯数）含有测量误差。
由测量所获得的被测的量值叫测量结果。
测量结果可用一定的数值表示也可以用一条曲线或某种图形表示。
但无论其表现形式如何测量结果应包括两部分：比值和测量单位。
确切地讲测量结果还应包括误差部分。
被测量值和比值等都是测量过程的信息这些信息依托于物质才能在空间和时间上进行传递。
参数承载了信息而成为信号。
选择其中适当的参数作为测量信号例如热电偶温度传感器的工作参数是热电偶的电势差压流量传感器中的孔板工作参数是差压ΔP。
测量过程就是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的量值。
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。
传感器检测技术基础知识单选题100道及答案
传感器检测技术基础知识单选题100道及答案1. 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. 分辨力越高答案：D2. 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. 固有频率答案：D3. 下列传感器中，属于物性型传感器的是（）A. 应变式传感器B. 电容式传感器C. 压电式传感器D. 电感式传感器答案：C4. 测量范围大的电容式位移传感器的类型为（）A. 变极板面积型B. 变极距型C. 变介质型D. 容栅型答案：D5. 利用涡流效应测量位移的传感器属于（）A. 电感式传感器B. 电容式传感器C. 压电式传感器D. 光电式传感器答案：A6. 热电偶的热电动势包括（）A. 接触电动势和温差电动势B. 感应电动势和温差电动势C. 接触电动势和感应电动势D. 感应电动势和汤姆逊电动势答案：A7. 热电阻测量温度时，经常采用的三线制接法的主要作用是（）A. 减小非线性误差B. 提高测量精度C. 减小引线电阻的影响D. 提高灵敏度答案：C8. 下列不属于光电式传感器的是（）A. 光电管B. 光电池C. 光敏电阻D. 压敏电阻答案：D9. 能够测量微小位移的传感器是（）A. 电涡流传感器B. 压电传感器C. 光栅传感器D. 霍尔传感器答案：C10. 磁电式传感器是把被测物理量转换为（）的一种传感器。
A. 电阻变化量B. 电荷量C. 电感变化量D. 感应电动势答案：D11. 半导体应变片的工作原理是基于（）A. 压阻效应B. 应变效应C. 热阻效应D. 光电效应答案：A12. 以下哪种传感器适合测量高速旋转物体的转速（）A. 电容式传感器B. 磁电式传感器C. 压电式传感器D. 热电偶答案：B13. 测量温度不可选用的传感器是（）A. 热电阻B. 热电偶C. 电感式传感器D. 热敏电阻答案：C14. 光敏二极管在电路中一般处于（）工作状态。
传感器与检测技术完整版本
.
1、线性度 也称为非线性误差，是指在全量程范围内实际
特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值 之
比。反映了实际特性曲线与拟合直线的不吻合度或偏离程
度。
L
Lmax10% 0 YFS
.
2.迟滞。传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程） 变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。即，对于同一大小的 输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 传感器在全量程范围内最大的迟滞差值或最大的迟滞差值的一半与满量程输 出值之比称为迟滞误差，又称为回差或变差（最大滞环率）。
xmin 100% YFS
.
6．稳定性。稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器常用长期 稳定性描述其稳定性。所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长 的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。因此，通常又 用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度。
7．漂移。传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时 间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结 构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。
.
1.1.2传感器的组成
1、敏感元件 敏感元件是指传感器中能灵敏地直接感受或响应被测量（非电量，如位移、 应变）器件或元件。 2．转换元件 转换元件也称传感元件，是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量 (非电量)转换成适于传输或测量的电量(电信号)的器件或元件。它通常不 直接感受被测量。 3.转换电路 作用是，将转换元件的输出量进行处理，如信号放大、运算调制等，使输 出量成为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号或电量，如电压、电 流或频率等。 4．辅助电路 辅助电路就是指辅助电源，即交、直流. 供电系统。
传感器与检测技术基础
主 学 编：赵锋 袁桂玲 时：52
哈尔滨工程大学出版社
目录
第1章
Biblioteka 传感器与检测技术基础 第2章 测量技术基础知识 第3章电阻应变式传感器 第4章 电感式传感器 第5章 电容式传感器 第6章 磁敏传感器 第7章 压电式传感器 第8章 热电式传感器 第9章 光电式传感器 第10章 数字式传感器
1.1 传感器概述
1.1.2传感器的组成
被测量
传感 器件
转换 器件
信号调节 （转换） 电路
电量
电源电路
1.1 传感器概述
1.敏感元件：（预变换器）将被测量（非电量）预先变换为另 一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量 2.转换元件：将感受到的非电量转换为电量的器件 例如将压力转变为电感电容或电阻 3.信号调节（转换）电路：将转换元件输出的电量变成 易于显示记录控制和处理的有用信号的电路 例如电桥 放大器 振荡器等 4. 电源电路：作用是提供能源 注意有的传感器需要外部供电,有的传感器则不需要外部 电源供电
1.1 传感器概述
分类法 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 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 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、……） 按基本效应分类 按构成原理分类 按能量关系分类
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三、电涡流式传感器
1、基于的物理原理（ P 66 ）
☆ 2、有效电感量与位移的关系
☆ ☆四、自感式传感器的应用 变隙式差动电感压力传感器
它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。
图 变隙式差动电感压力传感器 1—C型弹簧管；2—铁芯；3—线圈1； 4—衔铁；5—线圈2；6—调机械零点螺钉
第4章 电容式传感器
第1章 检测与传感器的技术基础
一、测量 1.测量方法（P4～７） (1)按测量手段分类 直接测量、间接测量和组合测量 ☆(2) 比较式测量方法（按测量手段分类） 偏差式测量、零位式测量和微差式测量 2、测量数据误差（P10） (1)测量误差的表示方法 绝对误差、相对误差、标称相对误差、引用误差、精度等级、 基本误差、附加误差 (2) 误差的性质 系统误差、随机误差、粗大误差 ☆ 3、测量系统（P8）
应用幂： 级数 1 1 展 xx 开 2x3式
则，C d (
11x)
C0 d0 1d / d0
d[1d
d0
d0
dd0 2
dd0 3
]
2)变极距型电容式传感器的灵敏度
K 0 C /dC 0 1 d dd 0 d 1 0
3) 传感器的非线性误差
d(1d)d
L d0
d0 d
d0 d 100% d0
1、正压电效应 2、逆压电效应 三、测量电路 1、电压放大器（P98）
d0
☆☆(2)差分变极距型电容式传感器（差动电容）
1）电容量相对变化量的幂级数展开式
设；动极板上移，d1=d0-△d，C1增加；d2=d0+△d，C2减小。
则 ，C 1 d (
1
)
C0
d0 1 d / d0
d d0
[1
d d0
d d0
2
d d0
3
]
而 ，C 2 d (
1
)
C0
d0 1 d / d0
1、电感式传感器的物理基础（P59）
☆ 2、电感式传感器的类型（P61）
(1)变间L隙型（1 δ）
L与δ之间是非线性关系。
(2)变截面型（S）
L∝S0 ，L与S0之间成线性关系。 (3) 螺管型（δ和S）
实际的L=f(δ，S 0)为非线性。 二、差动变压器式（互感式）传感器
1、结构（P64）
2、基于的物理基础
3）差分变极距型传感器的非线性误差
L
2 dd0 1 dd0 22 dd0 d
2
dd0 210% 0
d0
三、测量电路运算放大器电路（P81） ☆对反相输入端，考虑“虚地”，有以
下电流关系：
uI u0
X C0
X Cx
即 ，u
0
X Cx X C0
uI
1
j C x 1
uI
C0 Cx
uI
j C 0
若设Cx S / d,则
的主要因素？
1)应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ；
2)应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即(dρ/ρ)/ε。
对金属材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε
（P23）
对半导体材料：(dρ/ρ)/ε＞＞1+2μ
二、电阻应变片的测量电路
1、平衡电桥测量电路（P30）
2、不平衡电桥测量电路（P32）
☆☆三、应变式加速度传感器（P37）
图2-12 电阻应变式加速度 传感器结构图
1—质量块；2—等强度梁； 3—电阻应变敏感元件； 4—壳体
四、气敏传感器
• 按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。 (P39) • 半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。
☆ 1、应变效应（P22）
2、工作原理、数学关系式
dl l
（注：微应变为1 με= 1×10-6mm/mm）
dS2dr2
K Sd/rR R (1 2 )d /
即, dR K
R
☆ 3、电阻丝的灵敏系数K的物理意义 单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式体、半导体材料中，哪种变化是引起电阻变化
d d0
[1
d d0
d d0
2
d d0
3
]
差分变极距型电容式传感器的电容相对变化量为：
CC1C2 C1 C2
C0
C0
C0 C0
dd0 [1dd0 dd0 2dd0 31dd0 dd0 2dd0 3]
2dd0 [1dd0 2dd0 4]
2）差分变极距型电容式传感器的灵敏度
K 0 C /dC 0 1 d2 dd 0 d 2 0
五、湿敏传感器
湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻 值发生变化这一原理而制成的。
1．负特性湿敏半导瓷及导电机理(P48) 电阻率随湿度增加而下降，称之为负特性湿敏半导体陶瓷。
2.正特性湿敏半导瓷及导电机理
电阻率随湿度增加而增大，称之为正特性湿敏半导体陶瓷。
第3章 电感式传感器
一、自感式传感器
u0
uI
C0
S
d
如果保持uI、C
、
0
、S
为常值，
则
u0 d
第5章 压电式传感器
一、压力、力、工程大气压
1、工程上的“压力”——物理学中的压强。 ☆ 2、工程大气压
1工程大气压=0.1MPa
1 MPa=1×106Pa
☆二、压电效应及材料 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，
内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号 相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。 这种现象称压电效应。
动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应 特性。
2、研究动态特性的方法 （1）阶跃响应法——输入信号为阶跃函数 （2）频率响应法——输入信号为正弦函数 3、瞬态响应特性的评定指标（见补充） （1）时间常数T （2）上升时间tr （3）响应时间ts （4）超调量δ
第2章 电阻式传感器
一、应变式传感器
开环测量系统、闭环测量系统
二、传感器
☆ 1、什么是传感器（P13） 传感器是能够感受规定的被测量量并按一定规律和精度转换 成可输出信号的器件或装置。
☆ 2、传感器的组成（P13） 两大部件：敏感元件和转换元件。
3、传感器的分类（P14） ☆ 4、传感器的性能评价（P15）
（1）静态特性
静态特性及指标（P15-19） 灵敏度定义（P16） ☆线性度（P17） （2）动态特性（见补充）
一、电容式传感器
☆ 1、电容式传感器将被测量转换为何种量？（P76）
2、电容量的计算（P76）
CS 0rS
d
d
二、电容式传感器的类型
1、变面积型（P77）
C C C0
b
C 0
x C 0
b
x
K C b x
2、变极距型（P76及补充内容） ☆☆ （1）单电容式
1) 电容量相对变化量的幂级数展开式