第一章-传感器的基础理论

传感器原理及传感器技术
Sensor Principle & Sensor Technology
兰州交通大学
引言
认识传感器
电阻 式远 传压 力表
感应式 流量表
称重 传感器
CCD 传感 器
质子旋进式 磁敏传感器
压阻式液位 传感器
温度传感器
光敏传感器
风力参数 传感器
地震检波器
反射式光 敏传感器
超声 传感器
例3：热轧带钢表面温度检测
用辐射温度计测量热轧带钢表面温度的方法巳被广 泛采用。从加热炉出来的钢坯最后到卷取机之前的整 个轧制线上，如加热炉出口、粗轧机的入口和出口、 精轧机的入口和出口以及在卷取机之前都设有辐射温 度计，用以测量各阶段带钢的表面温度。并用此温度 信号来控制轧制速度、轧辊压下力和冷却水流量等。
4、按输出信号的性质分类
模拟式传感器、数字式传感器。
发展趋势
1、努力实现传感器新特性 2、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命 3、提高传感器集成化及智能化的程度 4、传感器微型化 5、新型功能材料开发 6、发展仿生物传感器 7、多传感器信息融合
二、传感器基本特性
传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。
静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示被 测量各个值处于稳定状态下的输入与输出的关系。
动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感 器对随时间变化的输入量的响应特性。
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。
结论
传感器作为整个检测系统的前哨，它提取信息 的准确与否直接决定着整个检测系统的精度。
一个国家的现代化水平是用其自动化水平来衡 量的。而自动化水平是用自动化设备的先进程度来 衡量的。信息化技术包括传感器技术、通讯技术和 计算机技术。传感器技术列为信息技术之首，由此 可见一斑。
（一）传感器的定义及组成
1、定义 （Sensor） 能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用 输出信号的器件或装置。（GB7665—87） 它是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有 确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量 装置。 输入量是物理量、化学量和生物量。 输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、 处理及显示）
实际上传感器的静态特性要包括非线性和随机性等因素， 如果把这些因素都引入微分方程．将使问题复杂化。为 避免这种情况，总是把静态特性和动态特性分开考虑。
传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与使用 条件、使用环境、使用要求等有关的特性。
传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关 系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关 系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各 种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯 一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的 输出输入作用图大致如图所示。
磁、气、力 敏传感器
传感器的作用
美国军用机械狗
课程主要内容
电感传感器 应变传感器
电容传感器
压电传感器 其他传感器
光电传感器
多传感器融合
温度传感器 磁敏传感器
概述
理论基础 定义、分类 发展趋势 选用原则 一般特性
检测电路 现代检测系统
传感器原理 具体应用
参考网站及相关书籍
[1]传感器课程 [2]仪表技术与传感器 [3]传感器世界 [4]中国传感器 [5]传感器技术 [6]《传感器原理与传感器技术》
温度传感器 压力传感器 位移传感器等
2、按工作原理分类
应变式传感器 电容传感器 压电式传感 器等
本课程按传感器的工作原理对传感器进
行介绍的。
3、根据输入物理量（用途）分类
同一被测物理量可用不同种传感器测量。这样分 类目的是使读者（工程技术人员）有针对性地查 阅所需的传感器。一般工程书籍及参考书、手册 按此类方法分类。
人与机器的机能对应关系图
感官
人脑
肢体
外
界
对
象
传感器
微机
执行器
例1 粮仓温度、湿度检测
无论是金属粮仓还是土仓，为防止霉变，粮 食都是分层存放，仓内温度和湿度不能过高，为 此，需在各层安放温湿度传感器进行检测。装有 温湿度探头的粮仓示意图如下。
将各层探头输出接至温湿度巡检仪上，通过 巡检仪监视器监视各点温湿度情况。通过通风口 保持温湿度在要求范围内。
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者 响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号 的部分。
A
T
B
热电偶
hf
mV T0
I G
光电池
f Q+ + + + +
–––––
压电传感器
R
R
U0
RT
R0
Ui 热敏电阻传感器
（二）传感器分类及发展趋势
分类 1、按被测参数分类
装有温湿度探头的粮仓示意图
探 头
通 风 口
通 风 口
通 风 口
例2：感温、 感烟火灾报警器
其监控系统组成框图如图2:
探头11
探头12
集 控 器
1
中 央 监 控
探头1N
图1 监控系统组成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图
可在每一房间安放一对感温、感烟探头（智能传感 器），它们输出温度、浓度信号通过串行通讯线送 入由微机组成的检测系统（集控器）；
传感器应用场合（领域）不同，又被称为敏感元 件、检测器、转换器等。
电子技术领域：敏感元件。
过程控制领域：变送器。（标准化的传感器）
射线检测领域：发送器、接收器、探头。
2、组成
被测量
敏 感 元件
转 换 元件
信 号 调理 转 换 电路
辅 助 电源
传感器组成框图
P
膜盒
S 差动电感 L 电桥电路 U0
气体压力传感器组成框图
集控器负责信号汇总，汇总各房间的温度和浓度信 号，并监控各房间温度、烟浓度是否异常，如异常， 声光报警并打开喷淋设备灭火，一层一台。
各层集控器通过CAN总线、M-BUS总线等现场总线 将温度、浓度等信号送入中央监控计算机。值班人 员在电脑屏幕上直观监视各房间情况（温度、烟雾 浓度）。房间、楼道装配摄像头，还可通过电视屏 幕查看房间、楼道情况。可看出没有感温、感烟传 感器，就像人缺少感官，系统无法工作。
机械工业出版社
第一节 传感器基础理论
一、传感器概述
生物传感器与机器传感器的性能对应关系
定性
生物通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感 受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。
定量
机械传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界 信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号， 微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器， 执行器对外界对象进行控制。