传感检测技术及的的应用
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常 见 的 几 种 情 况
示 意 图
2
n
模型
示 意 图 模型
y a1 x
y a0 a1 x
y a2 x 2 a4 x 4 ...
y a1 x a3 x3 a5 x5
y a1 x a2 x 2 a4 x 4
y a1x a2 x 2 a3 x3 ...
返回
§3.3 传感器的描述方法
二、动特性的表示方法（动态模型）
微分方程、传递函数及频率响应函数的关系。
S=d/dt 传 递 函 数
微分方程
系 统
jω=d/dt
S=jω
频率特性
返回
§3.4 传感器的特性分析
一、传感器的静态特性
二、传感器的动态特性
返回
§3.4 传感器的特性分析
一、传感器的静态特性
4、按工作原理：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式等。
5、按被测量：位移、压力、温度、流量、加速度等。 6、按传感器输出信号的形式： 模拟式 数字式
返回
§3.3 传感器的描述方法
传感器作为感受被测量信息的器件，总希望它能按照一定的 规律输出有用信号，因此，需要研究其输出-输入的关系及 特性。
先修课程： 高等数学、物理、模拟电子、误差分析与数据处理等。
第一篇 传感检测技术基础
传感检测技术
第三章 传感器应用技术基础
传感器的定义及工作机理
传感器的组成及分类
传感器的描述方法 传感器的特性分析 传感器的标定与校准 改善传感器性能的主要技术途径 传感器发展趋势
§3.1 传感器的定义及工作机理
§3.1 传感器的定义及工作机理
二、工作机理
1、守恒定律 能量、动量、电荷量等守恒定律。这些定律是研究、 开发新型传感器的必须遵守的基本法则。
2、场的定律 动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，其作用与物 体在空间的位置及分布状态有关。 利用场的定律制成的传感器统称为“结构性传感器”。 如：
+ + +
3、频率域中的频率响应函数
返回
§3.3 传感器的描述方法
1、微分方程（时域内描述）
（1）模型：
an
dny dt
n
an 1
d n 1 y dt n 1
dy d mx d m1 x dx ... a1 a0 y bm m bm1 m1 ... b1 b0 x dt dt dt dt
根据输入信号x(t)是随时间变化的还是不随时间变化，基本 特性分为静态特性和动态特性。 返回
§3.3 传感器的描述方法
一、静特性的表示方法（静态模型）
指在静态信号作用下（即输入量对时间t的各阶导数等于0） 得到的数学模型。若不考虑滞后和蠕变，其静态模型为：
y a0 a1 x a2 x ... an x
一、传感器的定义
所谓传感器(sensor)，是来自“感觉”一词。工程上称为
“电五官”。 广义定义： 传感器是一种能将特定的被测量信息（包括物理量、化学量、 生物量等），按照一定规律转换某种可用的输出信号的器件或 装置。
可用信号是指便于处理、传输的信号。 狭义定义：
物理量、化学量 生物量等
电量
返回
传感检测技术及应用
郑州大学工学院机械工程学院
学习本课程的必要性
传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合 技术。它是信息技术的三大支柱之一。
传感与控制技术 通信技术 计算机技术
信息技术的三大支柱
目前的状态是：“大脑发达、五官不灵”
谁掌握和支配了传感器技术 谁就能够支配新时代 !
日本把传感器技术列为80年代十大技术之首；
2）不同的物理系统可以有相同的传递函数。
各种具体的物理系统，只要具有相同的微分方程，其传递函数也就相同，即同 一个传递函数可表示不同的物理系统。例如，液柱温度计和简单的RC低通滤波 器同是一阶系统，具有相同的传递函数；
3）传递函数与微分方程等价。
由于拉普拉斯变换是—一对应变换，不丢失任何信息，故传递函数与微分方程 等价。
返回
§3.3 传感器的描述方法
2、传递函数（复数域内）
（3）功用： 在框图中用作表示系统的动态特性的图示符号。 X Y
当组成系统的各个元件或环节的传递函数为已知时，就可 以 用传递函数来确定系统的总特性。 当n个环节串联时：
X(S) G1(S) G2(S) G3(S)
n
当n个环节并联时：
Y(S) G1(S) X(S) G1(S) G1(S)
利用物质定律制成的传感器统称为“物性型传感器”。 举例
4、统计法则
微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。
物性型传感器举例（1）
如：光电转换元件
光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量， 并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质 的光电效应。 光电导效应是指半导体材料受到 光照时会产生电子-空穴对,使其导 电性能增强,光线愈强,阻值愈低,这 种光照后电阻率发生变化的现象, 称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏 电阻、光敏二极管、光敏三极管。
密歇根大学的机械手装配模型
AGV小车位置识别
传感器的应用
航天 农业
交通
医学
传感器的应用
指纹传感器
透光率传感器
全自动洗衣机中的传感器： 衣物重量传感器，衣质传感 器，水温传感器，水质传感 器，透光率光传感器(洗净 度) 液位传感器，电阻传感 器(衣物烘干检测)。
温湿度传感器
温度传感器
传感器的应用
§3.3 传感器的描述方法
2、传递函数（复数域内）
（1）模型：运用拉普拉斯变换将时域的数学模型转换成复数域的数学模型。
（2）特点：
1）H(s)和输入x(t)的具体表达式无关。
传递函数H(s)用于描述系统本身固有的特性，与x(t)的表达式无关。x(t)不同 时，y(t)的表达式也不同，但二者拉普拉斯变换的比值始终保持为H(s) 。
返回
§3.3 传感器的描述方法
二、动特性的表示方法（动态模型）
传感器的动态数学模型是指传感器在受到随时间 变化的输入量x(t)作用时，输出-输入之间的关系， 通常称为响应特性。
传感器的动态特性反映测量动态信号的能力，对 于连续时间系统主要有三种数学模型形式：
1、时域中的微分方程
2、复数域中的传递函数
G( j ) G( S ) s j
bm ( j ) m bm1 ( j ) m1 ... b1 ( j ) b0 an ( j ) n an 1 ( j ) n 1 ... a1 ( j ) a0
用复数形式表示：G（jω ）= P（ω ）+ jQ（ω ） 其中，P（ω）和 Q（ω）都是ω的实函数，以频率ω为横 坐标，以P（ω）和Q（ω）为纵坐标所绘的图形分别称为 系统的实频特性图与虚频特性图。 用指数形式表示：G（jω ）= A（ω ）ejφ (ω ) 其中
2、迟滞
传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出 与输入曲线不重合时称为迟滞。迟滞大小一般由实验方法 测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示。
H
1 H max 100% 2 y FS
A
C
0A
静电场 定律 返回
结构型传感器举例
如：电感式传感器 利用法拉弟电磁感应定律 如：磁电式传感器
二、工作机理
σ=Eε
§3.1 传感器的定义及工作机理
3、物质定律 物质本身内在性质的定律（虎克定律、欧姆定律等）。
U=I R
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。如：光电管（外光电效应）、压电晶体（正 压电效应）、光敏电阻、所有半导体传感器、以及所有利用 各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金的性能变 化的传感器。
非 电 量 检 测 技 术 基 础 传 感 器 应 用 技 术 基 础
绪
论
电 阻 式 传 感 器
电 感 式 传 感 器
电 容 式 传 感 器
压 电 式 传 感 器
热 电 式 传 感 器
磁 电 式 传 感 器
其 它 传 感 器
基础部分
典型传感器原理及应用部分
本课程的任务
要求掌握传感器的基本理论。 特别要求掌握几何量、机械量及有关测量中 常用的各种传感器的工作原理、输入输出特 性、误差分析与补偿方法。 能合理地选择和使用传感器，并进一步掌握 传感器的实验研究方法。
Gi ( S )
G( S ) G1 ( S ) G2 ( S ) G3 ( S )
Y(S)
G ( S ) G1 ( S ) G2 ( S ) G3 ( S )
i 1
G (S )
i i 1
n
§3.3 传感器的描述方法
3、频率响应函数（频域内）
（1）模型：拉普拉斯变换中，s = σ + jω ，令σ =0，则有 s = jω ，将其代入H(s)，得到
Y
Lm L 100 % y FS
(2)常用拟和方法 理论直线法 最小二乘法 端点线法 端点平移法
YFS 标定曲线 ΔLm 拟合直线
X
返回
§3.4 传感器的特性分析
(2)常用的拟和方法
（a）理论拟合
（b）最小二乘拟合
（c）端点拟合
（d）端点平移拟合
返回
§3.4 传感器的特性分析
线性度 迟滞 重复性
灵敏度与灵敏度误差
分辨率与阈值 稳定性 漂移 精确度（静态误差）
返回
§3.4 传感器的特性分析
1、线性度
传感器的静态特性是在静态标准条件下进行校准（标定）的。
（1）定义 标定（校准）曲线与其理论拟合直线之间的偏差就称为该传感 器的“非线性”，或称“线性度”。
式中：Y—输出量 X—输入量 t-时间 dny/dtn——输出量对时间t的n阶导数
dmy/dtm——输入量对时间t的m阶导数 a0、a1、… 、an, b0、b1、… 、bn——常数（取决于传感器参数）
（2）特点：
优点：通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态响应。 通解仅与传感器本身特性及初始条件有关； 特解不仅与传感器的特性有关，而且还与输入量x有关。 缺点：求解麻烦，尤其是通过增减环节来改善传感器的特性时 显得更 不方便。 返回
物性型传感器举例（2）
如：压电式传感器
§3.2 传感器的组成及分类
一、传感器的组成
返回
§3.2 传感器的组成及分类
一、传感器的组成
返回
§3.2 传感器的组成及分类
二、 传感器的分类
物理型 1、按基本效应
化学型
生物型
2、按工作机理
物性型 结构型
能量转换型（自源型） 3、按能量变换关系 能量控制型（外源型）
鼠标:光电位移传感器
摄象头:CCD传感器 声位笔:超声波传感器
麦克风:电容传声器
声卡:A/D卡 + D/A卡
软驱:速度,位置伺服
本课程的性质、内容
本课程是机械电子专业的一门专业基础课。 着重阐述：传感与检测技术的基本知识，常用传感器的工作 原理、基本结构、主要性能、测量电路、误差补偿方法和应 用方法。
返回
§3.3 传感器的描述方法
3、频率响应函数（频域内）
（2）特点：
用频率响应函数来描述系统的最大优点是它可以通过实验 来求得。 实验求得频率响应函数的原理，比较简单明了：依次用不 同频率ω i的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和 系统的稳态输出的幅值 Xi、Yi和相位差φ i。这样对于某 个ω i，便有了一组Yi/Xi=Ai和φ i，全部的Ai-ω i和φ i-ω i， i=1,2,3,…便可表达系统的频率响应函数。 需要特别指出，频率响应函数是描述系统的简谐输入和相 应的稳态输出的关系。因此，在测量系统频率响应函数时， 应当在系统响应达到稳态阶段时才进行测量。
美国把传感器技术列为90年代22项关键技术之 一； 德国视军用传感器为优先发展技术； 英、法等国对传感器的开发投资逐年升级。 我国目前也有近千家传感器生产和销售企业。
பைடு நூலகம்
传感器的应用
传感器的应用遍及航空、航天、工业、农业、医疗、气象、 家用电器……各个领域与部门。它是生产自动化、科学测 试、计量核算、监测诊断等系统中不可缺少的基础环节。
对传感器系统的基本特性研究，主要用于两个方面： 1、用作为一个测量系统。
已知h(t)，测量输出信号y(t)。通过h(t)、y(t)来推断导致该输出的系统 输入信号x(t)。这就是未知被测物理量的测量过程。
2、用于传感器系统本身的研究、设计与建立。
观测系统的输入x(t)及与其相应的输出y(t)，才能推断建立系统的特性。 如果系统特性不满足要求，则应修改相应的内部参数，直到合格为止。
示 意 图
2
n
模型
示 意 图 模型
y a1 x
y a0 a1 x
y a2 x 2 a4 x 4 ...
y a1 x a3 x3 a5 x5
y a1 x a2 x 2 a4 x 4
y a1x a2 x 2 a3 x3 ...
返回
§3.3 传感器的描述方法
二、动特性的表示方法（动态模型）
微分方程、传递函数及频率响应函数的关系。
S=d/dt 传 递 函 数
微分方程
系 统
jω=d/dt
S=jω
频率特性
返回
§3.4 传感器的特性分析
一、传感器的静态特性
二、传感器的动态特性
返回
§3.4 传感器的特性分析
一、传感器的静态特性
4、按工作原理：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式等。
5、按被测量：位移、压力、温度、流量、加速度等。 6、按传感器输出信号的形式： 模拟式 数字式
返回
§3.3 传感器的描述方法
传感器作为感受被测量信息的器件，总希望它能按照一定的 规律输出有用信号，因此，需要研究其输出-输入的关系及 特性。
先修课程： 高等数学、物理、模拟电子、误差分析与数据处理等。
第一篇 传感检测技术基础
传感检测技术
第三章 传感器应用技术基础
传感器的定义及工作机理
传感器的组成及分类
传感器的描述方法 传感器的特性分析 传感器的标定与校准 改善传感器性能的主要技术途径 传感器发展趋势
§3.1 传感器的定义及工作机理
§3.1 传感器的定义及工作机理
二、工作机理
1、守恒定律 能量、动量、电荷量等守恒定律。这些定律是研究、 开发新型传感器的必须遵守的基本法则。
2、场的定律 动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，其作用与物 体在空间的位置及分布状态有关。 利用场的定律制成的传感器统称为“结构性传感器”。 如：
+ + +
3、频率域中的频率响应函数
返回
§3.3 传感器的描述方法
1、微分方程（时域内描述）
（1）模型：
an
dny dt
n
an 1
d n 1 y dt n 1
dy d mx d m1 x dx ... a1 a0 y bm m bm1 m1 ... b1 b0 x dt dt dt dt
根据输入信号x(t)是随时间变化的还是不随时间变化，基本 特性分为静态特性和动态特性。 返回
§3.3 传感器的描述方法
一、静特性的表示方法（静态模型）
指在静态信号作用下（即输入量对时间t的各阶导数等于0） 得到的数学模型。若不考虑滞后和蠕变，其静态模型为：
y a0 a1 x a2 x ... an x
一、传感器的定义
所谓传感器(sensor)，是来自“感觉”一词。工程上称为
“电五官”。 广义定义： 传感器是一种能将特定的被测量信息（包括物理量、化学量、 生物量等），按照一定规律转换某种可用的输出信号的器件或 装置。
可用信号是指便于处理、传输的信号。 狭义定义：
物理量、化学量 生物量等
电量
返回
传感检测技术及应用
郑州大学工学院机械工程学院
学习本课程的必要性
传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合 技术。它是信息技术的三大支柱之一。
传感与控制技术 通信技术 计算机技术
信息技术的三大支柱
目前的状态是：“大脑发达、五官不灵”
谁掌握和支配了传感器技术 谁就能够支配新时代 !
日本把传感器技术列为80年代十大技术之首；
2）不同的物理系统可以有相同的传递函数。
各种具体的物理系统，只要具有相同的微分方程，其传递函数也就相同，即同 一个传递函数可表示不同的物理系统。例如，液柱温度计和简单的RC低通滤波 器同是一阶系统，具有相同的传递函数；
3）传递函数与微分方程等价。
由于拉普拉斯变换是—一对应变换，不丢失任何信息，故传递函数与微分方程 等价。
返回
§3.3 传感器的描述方法
2、传递函数（复数域内）
（3）功用： 在框图中用作表示系统的动态特性的图示符号。 X Y
当组成系统的各个元件或环节的传递函数为已知时，就可 以 用传递函数来确定系统的总特性。 当n个环节串联时：
X(S) G1(S) G2(S) G3(S)
n
当n个环节并联时：
Y(S) G1(S) X(S) G1(S) G1(S)
利用物质定律制成的传感器统称为“物性型传感器”。 举例
4、统计法则
微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。
物性型传感器举例（1）
如：光电转换元件
光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量， 并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质 的光电效应。 光电导效应是指半导体材料受到 光照时会产生电子-空穴对,使其导 电性能增强,光线愈强,阻值愈低,这 种光照后电阻率发生变化的现象, 称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏 电阻、光敏二极管、光敏三极管。
密歇根大学的机械手装配模型
AGV小车位置识别
传感器的应用
航天 农业
交通
医学
传感器的应用
指纹传感器
透光率传感器
全自动洗衣机中的传感器： 衣物重量传感器，衣质传感 器，水温传感器，水质传感 器，透光率光传感器(洗净 度) 液位传感器，电阻传感 器(衣物烘干检测)。
温湿度传感器
温度传感器
传感器的应用
§3.3 传感器的描述方法
2、传递函数（复数域内）
（1）模型：运用拉普拉斯变换将时域的数学模型转换成复数域的数学模型。
（2）特点：
1）H(s)和输入x(t)的具体表达式无关。
传递函数H(s)用于描述系统本身固有的特性，与x(t)的表达式无关。x(t)不同 时，y(t)的表达式也不同，但二者拉普拉斯变换的比值始终保持为H(s) 。
返回
§3.3 传感器的描述方法
二、动特性的表示方法（动态模型）
传感器的动态数学模型是指传感器在受到随时间 变化的输入量x(t)作用时，输出-输入之间的关系， 通常称为响应特性。
传感器的动态特性反映测量动态信号的能力，对 于连续时间系统主要有三种数学模型形式：
1、时域中的微分方程
2、复数域中的传递函数
G( j ) G( S ) s j
bm ( j ) m bm1 ( j ) m1 ... b1 ( j ) b0 an ( j ) n an 1 ( j ) n 1 ... a1 ( j ) a0
用复数形式表示：G（jω ）= P（ω ）+ jQ（ω ） 其中，P（ω）和 Q（ω）都是ω的实函数，以频率ω为横 坐标，以P（ω）和Q（ω）为纵坐标所绘的图形分别称为 系统的实频特性图与虚频特性图。 用指数形式表示：G（jω ）= A（ω ）ejφ (ω ) 其中
2、迟滞
传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出 与输入曲线不重合时称为迟滞。迟滞大小一般由实验方法 测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示。
H
1 H max 100% 2 y FS
A
C
0A
静电场 定律 返回
结构型传感器举例
如：电感式传感器 利用法拉弟电磁感应定律 如：磁电式传感器
二、工作机理
σ=Eε
§3.1 传感器的定义及工作机理
3、物质定律 物质本身内在性质的定律（虎克定律、欧姆定律等）。
U=I R
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。如：光电管（外光电效应）、压电晶体（正 压电效应）、光敏电阻、所有半导体传感器、以及所有利用 各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金的性能变 化的传感器。
非 电 量 检 测 技 术 基 础 传 感 器 应 用 技 术 基 础
绪
论
电 阻 式 传 感 器
电 感 式 传 感 器
电 容 式 传 感 器
压 电 式 传 感 器
热 电 式 传 感 器
磁 电 式 传 感 器
其 它 传 感 器
基础部分
典型传感器原理及应用部分
本课程的任务
要求掌握传感器的基本理论。 特别要求掌握几何量、机械量及有关测量中 常用的各种传感器的工作原理、输入输出特 性、误差分析与补偿方法。 能合理地选择和使用传感器，并进一步掌握 传感器的实验研究方法。
Gi ( S )
G( S ) G1 ( S ) G2 ( S ) G3 ( S )
Y(S)
G ( S ) G1 ( S ) G2 ( S ) G3 ( S )
i 1
G (S )
i i 1
n
§3.3 传感器的描述方法
3、频率响应函数（频域内）
（1）模型：拉普拉斯变换中，s = σ + jω ，令σ =0，则有 s = jω ，将其代入H(s)，得到
Y
Lm L 100 % y FS
(2)常用拟和方法 理论直线法 最小二乘法 端点线法 端点平移法
YFS 标定曲线 ΔLm 拟合直线
X
返回
§3.4 传感器的特性分析
(2)常用的拟和方法
（a）理论拟合
（b）最小二乘拟合
（c）端点拟合
（d）端点平移拟合
返回
§3.4 传感器的特性分析
线性度 迟滞 重复性
灵敏度与灵敏度误差
分辨率与阈值 稳定性 漂移 精确度（静态误差）
返回
§3.4 传感器的特性分析
1、线性度
传感器的静态特性是在静态标准条件下进行校准（标定）的。
（1）定义 标定（校准）曲线与其理论拟合直线之间的偏差就称为该传感 器的“非线性”，或称“线性度”。
式中：Y—输出量 X—输入量 t-时间 dny/dtn——输出量对时间t的n阶导数
dmy/dtm——输入量对时间t的m阶导数 a0、a1、… 、an, b0、b1、… 、bn——常数（取决于传感器参数）
（2）特点：
优点：通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态响应。 通解仅与传感器本身特性及初始条件有关； 特解不仅与传感器的特性有关，而且还与输入量x有关。 缺点：求解麻烦，尤其是通过增减环节来改善传感器的特性时 显得更 不方便。 返回
物性型传感器举例（2）
如：压电式传感器
§3.2 传感器的组成及分类
一、传感器的组成
返回
§3.2 传感器的组成及分类
一、传感器的组成
返回
§3.2 传感器的组成及分类
二、 传感器的分类
物理型 1、按基本效应
化学型
生物型
2、按工作机理
物性型 结构型
能量转换型（自源型） 3、按能量变换关系 能量控制型（外源型）
鼠标:光电位移传感器
摄象头:CCD传感器 声位笔:超声波传感器
麦克风:电容传声器
声卡:A/D卡 + D/A卡
软驱:速度,位置伺服
本课程的性质、内容
本课程是机械电子专业的一门专业基础课。 着重阐述：传感与检测技术的基本知识，常用传感器的工作 原理、基本结构、主要性能、测量电路、误差补偿方法和应 用方法。
返回
§3.3 传感器的描述方法
3、频率响应函数（频域内）
（2）特点：
用频率响应函数来描述系统的最大优点是它可以通过实验 来求得。 实验求得频率响应函数的原理，比较简单明了：依次用不 同频率ω i的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和 系统的稳态输出的幅值 Xi、Yi和相位差φ i。这样对于某 个ω i，便有了一组Yi/Xi=Ai和φ i，全部的Ai-ω i和φ i-ω i， i=1,2,3,…便可表达系统的频率响应函数。 需要特别指出，频率响应函数是描述系统的简谐输入和相 应的稳态输出的关系。因此，在测量系统频率响应函数时， 应当在系统响应达到稳态阶段时才进行测量。
美国把传感器技术列为90年代22项关键技术之 一； 德国视军用传感器为优先发展技术； 英、法等国对传感器的开发投资逐年升级。 我国目前也有近千家传感器生产和销售企业。
பைடு நூலகம்
传感器的应用
传感器的应用遍及航空、航天、工业、农业、医疗、气象、 家用电器……各个领域与部门。它是生产自动化、科学测 试、计量核算、监测诊断等系统中不可缺少的基础环节。
对传感器系统的基本特性研究，主要用于两个方面： 1、用作为一个测量系统。
已知h(t)，测量输出信号y(t)。通过h(t)、y(t)来推断导致该输出的系统 输入信号x(t)。这就是未知被测物理量的测量过程。
2、用于传感器系统本身的研究、设计与建立。
观测系统的输入x(t)及与其相应的输出y(t)，才能推断建立系统的特性。 如果系统特性不满足要求，则应修改相应的内部参数，直到合格为止。