电子信息工程概论课件第二章
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定义输出y(t)的拉氏变换Y(S)和输入x(t)的拉氏变换 X(S)的比为该系统的传递函数H(S)，则
bm s m bm 1 s m 1 b0 Y s H s X s a n s n a n 1 s n 1 a 0
对y(t)进行拉氏变换的初始条件是t≤0时， y(t)=0。 对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性 元件、电气元件等均符合上述的初始条件。 显然H(s)与输入量x(t)无关，只与系统结构参数有 关。因而H(s)可以简单而恰当地描述传感器输出与输入 的关系。
2.2 传感器的数学模型
本节主要内容： 2.2.1 静态模型 2.2.2 动态模型
2.2.1 静态模型
静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下， 描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。如果不 考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的输入量x与输出量 y之间的关系通常可用一个如下的多项式表示： y=a0+a1x+a2x2+…+anxn 式中： a0——输入量 x为零时的输出量； a1 ， a2，…， an—— 非线性项系数。各项系数决定了特性曲线的具 体形式。
第二章 传感器技术
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 概 述 传感器的数学模型 传感器的基本特性 常用传感器原理与应用 传感器的应用展望
2.1 ຫໍສະໝຸດ Baidu述
本节主要内容： 2.1.1 传感器的基本概念 2.1.2 传感器的作用 2.1.3 传感器的分类
2.1.1 传感器的基本概念
何谓传感器 （Transducer sensor）?生 物体的感官就是天然的传 感器。如人的“五官”， 眼、耳、鼻、舌、皮肤分 别具有视、听、嗅、味、 触觉。右图是人与机器设 备获取外界信息方式的比 较。
2.3.1 静态特性
1.线性度 输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程 度。又称非线性误差。可用下式表示:
E
max 100 0 0 y FS
Dmax—输出量与输入量实际曲线与拟合直线之 间的最大偏差 yfs—输出满量程值
2.3.1 静态特性
传感器的静态模型有三种有用的特殊形式
2.2.2 动态模型
1.微分方程 大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系统的 一般方法是采用微分方程。在实际的模型建立过程中， 一般采用线性常系数微分方程来描述输出量y和输入量x 的关系。其通式如下：
an d y
n
bm
dt n d mx dt m
a n 1
d n 1 y
bm1
dt n 1 d m1 x dt m1
2.3.1 静态特性
y a1 x （1）理想的性特性
（2）仅有偶次非线性项 y a x a x 2 a x 4
0 2 4
（3）仅有奇次非线性项
y a1 x a3 x 3 a5 x 5
2.3.1 静态特性
2.灵敏度 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义 是输出量增量 Δy 与引起输出量增量 Δy 的相应输入量增 量Δx之比。用S表示灵敏度，如下式所示。 y S x
8.静态误差（精度） 静态误差是传感器在其全量程内任一点的输出值与 其理论输出值的偏离程度。求静态误差是把全部校准数 据与拟合直线上对应值的残差看成是随机分布，求出其 标准偏差σ，取2σ或3σ值即为传感器的静态误差。或 用相对误差表示：
（2 ~ 3 ） 100% y FS
也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这几个 单项误差综合而得，即
它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化， 很显然， 灵敏度S值越大， 表示传感器越灵敏。
2.3.1 静态特性
对线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率， 非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在某 一工作点的灵敏度。
y y y
x o (a )
y x o
x y
x
(b )
x
灵敏度特性图
2.3.1 静态特性
3.重复性 输入量按同一方向 作全程多次测试时，所 得特性曲线不一致的程 度。
R
R max 100% y FS
2.3.1 静态特性
4.迟滞（回差滞还）现象 表明传感器在正向行程和反向行程期间，输出-输入 特性曲线不重合的程度。对于同一大小的输入信号 x， 在x连续增大的行程中，对应某一输出量yi，与在x连续 减小的行程中，对应某一输出量yd之间的差值叫滞环误 差，即所谓的迟滞现象。在整个测量范围内产生的最大 滞环误差用∆m表示，它与满量程输出值的比值称最大滞 环率：
被测非电量
敏感元件
有用非电量
转换元件
有用电参量
信号调节转 可用电量 换电路
辅助电路
2.1.1 传感器的基本概念 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或装臵。 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或能量转 换成光信号或能量输出的器件或装臵。 传感器技术是一门涉及测量技术、功能材料、 微电子技术、精密与微细加工技术、信息处理技 术和计算机技术等相互结合形成的密集型综合技 术。
2 2 2 L H R
2.3.2 动态特性
例：用一只热电偶 测量某一容器的液体温 度T，若环境温度为 T0， 把臵于环境温度之中的 热电偶立即放入容器中 （若T>T0)。 在动态的 输入信号情况下，输出 与输入间的差异即为动 态误差。
2.4 常用传感器原理与应用
2.4.1 力传感器
压力传感器图
2.4.1 力传感器
力传感器最常用就是应变片。其 工作原理是将应变片粘贴在装备的 受压形变部位。 当装备受压后，其形变部位就 会产生一定的形变，而贴附在其上 面的应变片也会跟着发生形变。 应变片发生形变后就会发生阻 值的变化，而阻值变化又会影响到 连接应变片电路的电压或电流的变 化。 根据电压或电流变化的大小我 们就可以推算出受到压力的大小， 从而得出待测重量。
人获取外界信 息途径
机械设备获取外 界信息方式
视觉 嗅觉 听觉 味觉
光传感器 湿度传感器 气体传感器 声音传感器 味传感器
触觉
温度传感器 压力传感器
2.1.1 传感器的基本概念
在工程科学与技术领域里，可以认为：传感器是人 体“五官”的工程模拟物。国家标准把它定义为：能感 受规定的被测量量(包括物理量、化学量、生物量等)并 按照一定的规律转换成可用信号的器件或装臵，通常由 敏感元件(Sensing Element)、转换元件(Transduction Element)和信号调节转换电路等部件组成
2.3.1 静态特性
7.漂移 在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不 需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移 。零点 漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间 漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢 变化。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度 漂移。
2.3.1 静态特性
2.4.2 磁电式传感器
在印刷纸币时使用了 能感觉磁性的特殊磁性 油墨，在验钞机的磁场 中，放臵磁阻元件，那 么随纸币的移动磁阻元 件的阻值依次发生变化， 因而检测这个变化波形 就能测定纸币的真伪。 纸币的自动读取也基于 这个原理。
H
H max 100% y FS
2.3.1 静态特性
迟滞特性图
2.3.1 静态特性
5.分辨率与阈值 传感器在规定的范围所能检测输入量的最小变化量。 阈值是使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输 入量值，即零点附近的分辨力。 6.稳定性 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。
2.2.2 动态模型 传感器的动态模型是指输入量随时间变 化时传感器的响应特性 , 它描述了输出和输 入信号的一种数学关系。由于传感器的惯性 和滞后，当被测量随时间变化时，传感器的 输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过 渡过程之中，所以传感器的输出量也是时间 的函数。动态模型通常采用微分方程和传递 函数描述。
2.4.1 力传感器
扩散硅压力传感器
陶瓷压力传感器
蓝宝石压力传感器
力传感器的典型应用有：用于测力或称重的 环性测力计、弹簧称等；用于测量流体压力的 波纹膜片、波纹管等；用于温度测量的双金属 片等 。
2.4.2 磁电式传感器
我们知道话筒会将讲 话者的声音信号转换成电 流信号传递给扩音器，然 后扩音器将电流信号放大， 再经扬声器发出放大的声 音。 话筒是如何将声音信号 转换成电流信号的呢？ 这 其 实 就 用 到 了 我 们 的 动圈式话筒的内部构造图 磁电式传感器。
本节主要内容： 2.4.1 力传感器 2.4.2 磁电式传感器 2.4.3 温度传感器 2.4.4 光传感器 2.4.5 红外线传感器 2.4.6 生物传感器
2.4.1 力传感器
我们在高速公路的检验站或收费站 附近经常可以看到这样的标语“前方进入 测重路段，请减速行驶”，那么车辆是如 何被测量重量的呢？ 答案其实很简单，交警将一些测重仪 器安装在检验站或收费站附近路段上，当 行驶车辆压驶过这些仪器时，这些仪器就 会测出行驶车辆的载重，并将测重数据传 给数据中心，以判断该车辆是否超载。这 些仪器的核心部件就是压力传感器。
a1
dy a0 y dt dx b0 x dt
b1
这里an,an-1…a0和bm,bm-1…b0 为传感器的结构参数。 除b0≠0外，一般取b1,b2…bm为零。
2.2.2 动态模型
2.传递函数 如果y(t)在t≤0时， y(t) =0，则y(t) 的拉氏变换 可定义为
Y s y t e st dt
0
式中s=σ+jω，σ>0。对微分方程两边取拉氏变换，则 得 Y s an s n an1s n1 a0 X s bm s m bm1s m1 b0
2.2.2 动态模型
2.1.2 传感器的作用
丢盖传感器 瓶盖位置传感器
罐体到位传感器
传感器在工业检测中的应用
2.1.2 传感器的作用
全新领域
健康医疗
国防
安全应用
时尚生活
传感器 传感器网络 网络
交通运输
工业应用 节能应用 工业生产 智能家居
传感器网络在生活中应用
2.1.3 传感器的分类
一种被测量，可以用不同的传感器来测量；而 同一原理的传感器，通常又可分别测量多种被 测量。分类的方法可谓五花八门。 如：根据物理和化学等学科的原理、规律和效应 进行分类； 根据输入物理量的性质进行分类； 根据制造传感器所使用的材料进行分类； 根据能量观点分类或按用途、学科、功能和输 出信号的性质等进行分类等。
2.1.2 传感器的作用 人与机器的功能对 应关系，作为模拟 人体感官的“电五 官”，传感器是系 统对外界猎取信息 的“窗口”。
人体系统
（刺激） 感官 人脑 肢体
外 界 对 象
（信息） 传感器 电脑 执行器
机器系统
2.1.2 传感器的作用
“阿波罗”登月器
美国“阿波罗”登月飞 行器，其上面安装的各种传 感器达就多达3200个 。现 代的飞机、汽车、甚至家用 电器也是如此。一辆现代化 的汽车，其所用的传感器种 类达数十种 。
2.1.3 传感器的分类
分类法 按基本效应 分 按传感机理 分 按能量关系 分 型式 物理型、化学型、生物型等 结构型(机械式、感应式、电参量式等) 物性型（压电、热电、光电、生物、化学等） 能量转换型（自源型） 能量控制型（外源型） 按作用原理 分 按功能性质 分 按功能材料 分 按输入量分 按输出量分 应变式、电容式、压电式、热电式等 力敏、热敏、磁敏、光敏、气敏等 固态（半导体、半导瓷、电介质）、光纤、膜、超导等 位移、压力、温度、流量、气体等 模拟式、数字式 说明 分别以转换中的物理效应、化学效应等命 名 以敏感元件结构参数变化实现信号转换 以敏感元件物性效应实现信号转换 传感器输出量能量直接由被测能量转换而 得 传感器输出量能量由外源供给，但受被测 输入量控制 以传感器对信号转换的作用原理命名 以被测量的敏感性质命名 以敏感功能材料的名称或类别命名 以被测量命名（即按用途分类法） 输出量为模拟信号或数字信号
bm s m bm 1 s m 1 b0 Y s H s X s a n s n a n 1 s n 1 a 0
对y(t)进行拉氏变换的初始条件是t≤0时， y(t)=0。 对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性 元件、电气元件等均符合上述的初始条件。 显然H(s)与输入量x(t)无关，只与系统结构参数有 关。因而H(s)可以简单而恰当地描述传感器输出与输入 的关系。
2.2 传感器的数学模型
本节主要内容： 2.2.1 静态模型 2.2.2 动态模型
2.2.1 静态模型
静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下， 描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。如果不 考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的输入量x与输出量 y之间的关系通常可用一个如下的多项式表示： y=a0+a1x+a2x2+…+anxn 式中： a0——输入量 x为零时的输出量； a1 ， a2，…， an—— 非线性项系数。各项系数决定了特性曲线的具 体形式。
第二章 传感器技术
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 概 述 传感器的数学模型 传感器的基本特性 常用传感器原理与应用 传感器的应用展望
2.1 ຫໍສະໝຸດ Baidu述
本节主要内容： 2.1.1 传感器的基本概念 2.1.2 传感器的作用 2.1.3 传感器的分类
2.1.1 传感器的基本概念
何谓传感器 （Transducer sensor）?生 物体的感官就是天然的传 感器。如人的“五官”， 眼、耳、鼻、舌、皮肤分 别具有视、听、嗅、味、 触觉。右图是人与机器设 备获取外界信息方式的比 较。
2.3.1 静态特性
1.线性度 输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程 度。又称非线性误差。可用下式表示:
E
max 100 0 0 y FS
Dmax—输出量与输入量实际曲线与拟合直线之 间的最大偏差 yfs—输出满量程值
2.3.1 静态特性
传感器的静态模型有三种有用的特殊形式
2.2.2 动态模型
1.微分方程 大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系统的 一般方法是采用微分方程。在实际的模型建立过程中， 一般采用线性常系数微分方程来描述输出量y和输入量x 的关系。其通式如下：
an d y
n
bm
dt n d mx dt m
a n 1
d n 1 y
bm1
dt n 1 d m1 x dt m1
2.3.1 静态特性
y a1 x （1）理想的性特性
（2）仅有偶次非线性项 y a x a x 2 a x 4
0 2 4
（3）仅有奇次非线性项
y a1 x a3 x 3 a5 x 5
2.3.1 静态特性
2.灵敏度 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义 是输出量增量 Δy 与引起输出量增量 Δy 的相应输入量增 量Δx之比。用S表示灵敏度，如下式所示。 y S x
8.静态误差（精度） 静态误差是传感器在其全量程内任一点的输出值与 其理论输出值的偏离程度。求静态误差是把全部校准数 据与拟合直线上对应值的残差看成是随机分布，求出其 标准偏差σ，取2σ或3σ值即为传感器的静态误差。或 用相对误差表示：
（2 ~ 3 ） 100% y FS
也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这几个 单项误差综合而得，即
它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化， 很显然， 灵敏度S值越大， 表示传感器越灵敏。
2.3.1 静态特性
对线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率， 非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在某 一工作点的灵敏度。
y y y
x o (a )
y x o
x y
x
(b )
x
灵敏度特性图
2.3.1 静态特性
3.重复性 输入量按同一方向 作全程多次测试时，所 得特性曲线不一致的程 度。
R
R max 100% y FS
2.3.1 静态特性
4.迟滞（回差滞还）现象 表明传感器在正向行程和反向行程期间，输出-输入 特性曲线不重合的程度。对于同一大小的输入信号 x， 在x连续增大的行程中，对应某一输出量yi，与在x连续 减小的行程中，对应某一输出量yd之间的差值叫滞环误 差，即所谓的迟滞现象。在整个测量范围内产生的最大 滞环误差用∆m表示，它与满量程输出值的比值称最大滞 环率：
被测非电量
敏感元件
有用非电量
转换元件
有用电参量
信号调节转 可用电量 换电路
辅助电路
2.1.1 传感器的基本概念 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或装臵。 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或能量转 换成光信号或能量输出的器件或装臵。 传感器技术是一门涉及测量技术、功能材料、 微电子技术、精密与微细加工技术、信息处理技 术和计算机技术等相互结合形成的密集型综合技 术。
2 2 2 L H R
2.3.2 动态特性
例：用一只热电偶 测量某一容器的液体温 度T，若环境温度为 T0， 把臵于环境温度之中的 热电偶立即放入容器中 （若T>T0)。 在动态的 输入信号情况下，输出 与输入间的差异即为动 态误差。
2.4 常用传感器原理与应用
2.4.1 力传感器
压力传感器图
2.4.1 力传感器
力传感器最常用就是应变片。其 工作原理是将应变片粘贴在装备的 受压形变部位。 当装备受压后，其形变部位就 会产生一定的形变，而贴附在其上 面的应变片也会跟着发生形变。 应变片发生形变后就会发生阻 值的变化，而阻值变化又会影响到 连接应变片电路的电压或电流的变 化。 根据电压或电流变化的大小我 们就可以推算出受到压力的大小， 从而得出待测重量。
人获取外界信 息途径
机械设备获取外 界信息方式
视觉 嗅觉 听觉 味觉
光传感器 湿度传感器 气体传感器 声音传感器 味传感器
触觉
温度传感器 压力传感器
2.1.1 传感器的基本概念
在工程科学与技术领域里，可以认为：传感器是人 体“五官”的工程模拟物。国家标准把它定义为：能感 受规定的被测量量(包括物理量、化学量、生物量等)并 按照一定的规律转换成可用信号的器件或装臵，通常由 敏感元件(Sensing Element)、转换元件(Transduction Element)和信号调节转换电路等部件组成
2.3.1 静态特性
7.漂移 在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不 需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移 。零点 漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间 漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢 变化。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度 漂移。
2.3.1 静态特性
2.4.2 磁电式传感器
在印刷纸币时使用了 能感觉磁性的特殊磁性 油墨，在验钞机的磁场 中，放臵磁阻元件，那 么随纸币的移动磁阻元 件的阻值依次发生变化， 因而检测这个变化波形 就能测定纸币的真伪。 纸币的自动读取也基于 这个原理。
H
H max 100% y FS
2.3.1 静态特性
迟滞特性图
2.3.1 静态特性
5.分辨率与阈值 传感器在规定的范围所能检测输入量的最小变化量。 阈值是使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输 入量值，即零点附近的分辨力。 6.稳定性 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。
2.2.2 动态模型 传感器的动态模型是指输入量随时间变 化时传感器的响应特性 , 它描述了输出和输 入信号的一种数学关系。由于传感器的惯性 和滞后，当被测量随时间变化时，传感器的 输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过 渡过程之中，所以传感器的输出量也是时间 的函数。动态模型通常采用微分方程和传递 函数描述。
2.4.1 力传感器
扩散硅压力传感器
陶瓷压力传感器
蓝宝石压力传感器
力传感器的典型应用有：用于测力或称重的 环性测力计、弹簧称等；用于测量流体压力的 波纹膜片、波纹管等；用于温度测量的双金属 片等 。
2.4.2 磁电式传感器
我们知道话筒会将讲 话者的声音信号转换成电 流信号传递给扩音器，然 后扩音器将电流信号放大， 再经扬声器发出放大的声 音。 话筒是如何将声音信号 转换成电流信号的呢？ 这 其 实 就 用 到 了 我 们 的 动圈式话筒的内部构造图 磁电式传感器。
本节主要内容： 2.4.1 力传感器 2.4.2 磁电式传感器 2.4.3 温度传感器 2.4.4 光传感器 2.4.5 红外线传感器 2.4.6 生物传感器
2.4.1 力传感器
我们在高速公路的检验站或收费站 附近经常可以看到这样的标语“前方进入 测重路段，请减速行驶”，那么车辆是如 何被测量重量的呢？ 答案其实很简单，交警将一些测重仪 器安装在检验站或收费站附近路段上，当 行驶车辆压驶过这些仪器时，这些仪器就 会测出行驶车辆的载重，并将测重数据传 给数据中心，以判断该车辆是否超载。这 些仪器的核心部件就是压力传感器。
a1
dy a0 y dt dx b0 x dt
b1
这里an,an-1…a0和bm,bm-1…b0 为传感器的结构参数。 除b0≠0外，一般取b1,b2…bm为零。
2.2.2 动态模型
2.传递函数 如果y(t)在t≤0时， y(t) =0，则y(t) 的拉氏变换 可定义为
Y s y t e st dt
0
式中s=σ+jω，σ>0。对微分方程两边取拉氏变换，则 得 Y s an s n an1s n1 a0 X s bm s m bm1s m1 b0
2.2.2 动态模型
2.1.2 传感器的作用
丢盖传感器 瓶盖位置传感器
罐体到位传感器
传感器在工业检测中的应用
2.1.2 传感器的作用
全新领域
健康医疗
国防
安全应用
时尚生活
传感器 传感器网络 网络
交通运输
工业应用 节能应用 工业生产 智能家居
传感器网络在生活中应用
2.1.3 传感器的分类
一种被测量，可以用不同的传感器来测量；而 同一原理的传感器，通常又可分别测量多种被 测量。分类的方法可谓五花八门。 如：根据物理和化学等学科的原理、规律和效应 进行分类； 根据输入物理量的性质进行分类； 根据制造传感器所使用的材料进行分类； 根据能量观点分类或按用途、学科、功能和输 出信号的性质等进行分类等。
2.1.2 传感器的作用 人与机器的功能对 应关系，作为模拟 人体感官的“电五 官”，传感器是系 统对外界猎取信息 的“窗口”。
人体系统
（刺激） 感官 人脑 肢体
外 界 对 象
（信息） 传感器 电脑 执行器
机器系统
2.1.2 传感器的作用
“阿波罗”登月器
美国“阿波罗”登月飞 行器，其上面安装的各种传 感器达就多达3200个 。现 代的飞机、汽车、甚至家用 电器也是如此。一辆现代化 的汽车，其所用的传感器种 类达数十种 。
2.1.3 传感器的分类
分类法 按基本效应 分 按传感机理 分 按能量关系 分 型式 物理型、化学型、生物型等 结构型(机械式、感应式、电参量式等) 物性型（压电、热电、光电、生物、化学等） 能量转换型（自源型） 能量控制型（外源型） 按作用原理 分 按功能性质 分 按功能材料 分 按输入量分 按输出量分 应变式、电容式、压电式、热电式等 力敏、热敏、磁敏、光敏、气敏等 固态（半导体、半导瓷、电介质）、光纤、膜、超导等 位移、压力、温度、流量、气体等 模拟式、数字式 说明 分别以转换中的物理效应、化学效应等命 名 以敏感元件结构参数变化实现信号转换 以敏感元件物性效应实现信号转换 传感器输出量能量直接由被测能量转换而 得 传感器输出量能量由外源供给，但受被测 输入量控制 以传感器对信号转换的作用原理命名 以被测量的敏感性质命名 以敏感功能材料的名称或类别命名 以被测量命名（即按用途分类法） 输出量为模拟信号或数字信号