传感器理论基础
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第1章 传感器理论基础
本章主要介绍本课程的基础知识，包括传感器的概 念、分类和基本特性，检测系统的组成与功能，基本测 量方法，测量误差及数据处理等内容，从而为后面知识 的学习打下基础。
1.1 传感器基础 1.2 检测技术理论基础
PPT课件
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1.1 传感器基础
1.1.1 传感器的概念
传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律 转换成可用输 出信号 的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
灵敏度是指传感器输出的变 化量与引起该变化量的输入变化 量之比，即
k y x
传感器的灵敏度
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6) 分辨率和阈值(resolution and threshold)
分辨力 传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力。
分辨率 当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。
阈值 是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输
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1 —— 壳体 2 —— 膜盒 3 —— 线圈 4 —— 铁芯 5 —— 转换电路
气体压Biblioteka Baidu传感器
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2．传感器的分类
按工作原理分类：可分为电参数式 (电阻式、电感式和电 容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感 器等。 按被测量分类：可分为力、位移、速度、加速度传感器 等。 按结构分类： 可分为结构型、物性型和复合型传感器。 按能量转换关系分类：可分为能量控制型和能量转换型 传感器两大类。
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常用传感器：
(1)压力； (2) 力/荷重；(3) 位移（厚度）；(4) 力矩； (5)
角度； (6) 角速度（转速）； (7) 速度； (8) 加速度； (9) 角/加
速度； (10) 倾斜角； (11) 编码器； (12) 振动； (13) 气体/烟雾；
(14) 温度； (15) 热能； (16) 湿度； (17) 水份； (18) 露点；
级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表
传感器测量的最大允许误差（相对误差）。
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4) 线性度(linearity)
所谓传感器的线性度是指其输出量与输入量之间的关 系曲线偏离理想直线的程度，又称为非线性误差。
在不考虑迟滞、蠕变等因素的情况下，其静态特性可
用下列多项式代数方程来表示：
入量值，即零点附近的分辨力。
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(19) 液位； (20) 料位； (21) 流量； (22) 流速；(23) 风速；
(24)电流； (25) 电压； (26) 电功率； (27) 电频率； (28)接近开
关； (29)磁性开关；(30) 光电开关； (31)pH值；(32) 电阻率；(33)
电导率；(34) 水溶氧；(35) 生物；(36) 红外线；(37) 紫外线；(38)
y a 0 a 1 x a 2 x 2 a n x n
其中： y— 输出量；
x— 输入量；
a 0 — 零点输出；
a 1 — 理论灵敏度；
a2,a3an — 非线性项系数
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在不考虑零位输出的情况下，传感器的线性度可分 为以下几种情况：
传感器的非线性
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在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合 的方法来线性化。
传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用体现在测量上。 定义中所谓“可用输出信号”是指便于传输、转换及处理的信 号，主要包括气、光和电等信号，而“规定的测量量”一般是指 非电量信号。 传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系，并且应保 证一定的精度。
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1.1.2 传感器的组成和分类 1．传感器的组成
采用直线拟合的方法来线性化时，输入—输出的校
正曲线与其拟合直线之间的最大偏差，称为非线性误
差，通常用相对误差 L 来表示：
L
Lmax yFS
100%
L m ax —— 非线性最大误差； y F S —— 满量程输出值。
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常用的拟合方法：
理论拟合、 过零旋转拟合、 端点拟合、 端点平移拟合、 最小二乘法拟合
光纤；(39)离子；(40) 激光； (41) 超声波；(42) 声音/噪声； (43)
触觉； (44) 图像/颜色； (45) 密度/粘度； (46) 混浊度
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传感器市场结构
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1.1.3 传感器的基本特性
传感器的基本特性是指系统的输出输入关系特性，即 系统输出信号 y ( t ) 与输入信号(被测量) x ( t ) 之间的关系。
各种直线拟合方法
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最小二乘法拟合 最小二乘法的基本含义是：在具有等精度的多次测量中，
当各测定值的与特性曲线对应各点的残差平方和为最小时，所 求得特性曲线最可靠。
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在获得k和b值之后,即可得到拟合直线,然后可求出误差的最大值即 为非线性误差.
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5) 灵敏度(sensitivity)
传感器系统
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1．静态特性
当传感器的输入信号是常量，不随时间变化(或变化极 缓慢)时，其输出输入关系特性称为静态特性。传感器的静 态特性主要由下列几种性能来描述。
1）测量范围(measuring range)
传感器所能测量到的最小输入量 x m in
与最大输入量
x
m
之
ax
间的范围称为传感器的测量范围。
传感器组成框图
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敏感元件(sensing element)： 直接感受被测量的变 化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元 件，是传感器的核心 。
转换元件(transduction element) ： 将敏感元件输出 的物理量转换成适于传输或测量的电信号。
测量电路(measuring circuit)： 将转换元件输出的电 信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线 性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续 电路实现显示、记录、处理及控制等功能。
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2) 量程(span)
传感器测量范围的上限值 x m a x 与下限值 x m in 的代数差
xmax xmin称为量程。
3) 精度(accuracy)
传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类
误差的综合反映。
，
S 100%
yFS
工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等
本章主要介绍本课程的基础知识，包括传感器的概 念、分类和基本特性，检测系统的组成与功能，基本测 量方法，测量误差及数据处理等内容，从而为后面知识 的学习打下基础。
1.1 传感器基础 1.2 检测技术理论基础
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1.1 传感器基础
1.1.1 传感器的概念
传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律 转换成可用输 出信号 的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
灵敏度是指传感器输出的变 化量与引起该变化量的输入变化 量之比，即
k y x
传感器的灵敏度
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6) 分辨率和阈值(resolution and threshold)
分辨力 传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力。
分辨率 当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。
阈值 是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输
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1 —— 壳体 2 —— 膜盒 3 —— 线圈 4 —— 铁芯 5 —— 转换电路
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2．传感器的分类
按工作原理分类：可分为电参数式 (电阻式、电感式和电 容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感 器等。 按被测量分类：可分为力、位移、速度、加速度传感器 等。 按结构分类： 可分为结构型、物性型和复合型传感器。 按能量转换关系分类：可分为能量控制型和能量转换型 传感器两大类。
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常用传感器：
(1)压力； (2) 力/荷重；(3) 位移（厚度）；(4) 力矩； (5)
角度； (6) 角速度（转速）； (7) 速度； (8) 加速度； (9) 角/加
速度； (10) 倾斜角； (11) 编码器； (12) 振动； (13) 气体/烟雾；
(14) 温度； (15) 热能； (16) 湿度； (17) 水份； (18) 露点；
级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表
传感器测量的最大允许误差（相对误差）。
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4) 线性度(linearity)
所谓传感器的线性度是指其输出量与输入量之间的关 系曲线偏离理想直线的程度，又称为非线性误差。
在不考虑迟滞、蠕变等因素的情况下，其静态特性可
用下列多项式代数方程来表示：
入量值，即零点附近的分辨力。
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(19) 液位； (20) 料位； (21) 流量； (22) 流速；(23) 风速；
(24)电流； (25) 电压； (26) 电功率； (27) 电频率； (28)接近开
关； (29)磁性开关；(30) 光电开关； (31)pH值；(32) 电阻率；(33)
电导率；(34) 水溶氧；(35) 生物；(36) 红外线；(37) 紫外线；(38)
y a 0 a 1 x a 2 x 2 a n x n
其中： y— 输出量；
x— 输入量；
a 0 — 零点输出；
a 1 — 理论灵敏度；
a2,a3an — 非线性项系数
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在不考虑零位输出的情况下，传感器的线性度可分 为以下几种情况：
传感器的非线性
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在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合 的方法来线性化。
传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用体现在测量上。 定义中所谓“可用输出信号”是指便于传输、转换及处理的信 号，主要包括气、光和电等信号，而“规定的测量量”一般是指 非电量信号。 传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系，并且应保 证一定的精度。
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1.1.2 传感器的组成和分类 1．传感器的组成
采用直线拟合的方法来线性化时，输入—输出的校
正曲线与其拟合直线之间的最大偏差，称为非线性误
差，通常用相对误差 L 来表示：
L
Lmax yFS
100%
L m ax —— 非线性最大误差； y F S —— 满量程输出值。
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常用的拟合方法：
理论拟合、 过零旋转拟合、 端点拟合、 端点平移拟合、 最小二乘法拟合
光纤；(39)离子；(40) 激光； (41) 超声波；(42) 声音/噪声； (43)
触觉； (44) 图像/颜色； (45) 密度/粘度； (46) 混浊度
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传感器市场结构
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1.1.3 传感器的基本特性
传感器的基本特性是指系统的输出输入关系特性，即 系统输出信号 y ( t ) 与输入信号(被测量) x ( t ) 之间的关系。
各种直线拟合方法
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最小二乘法拟合 最小二乘法的基本含义是：在具有等精度的多次测量中，
当各测定值的与特性曲线对应各点的残差平方和为最小时，所 求得特性曲线最可靠。
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在获得k和b值之后,即可得到拟合直线,然后可求出误差的最大值即 为非线性误差.
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5) 灵敏度(sensitivity)
传感器系统
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1．静态特性
当传感器的输入信号是常量，不随时间变化(或变化极 缓慢)时，其输出输入关系特性称为静态特性。传感器的静 态特性主要由下列几种性能来描述。
1）测量范围(measuring range)
传感器所能测量到的最小输入量 x m in
与最大输入量
x
m
之
ax
间的范围称为传感器的测量范围。
传感器组成框图
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敏感元件(sensing element)： 直接感受被测量的变 化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元 件，是传感器的核心 。
转换元件(transduction element) ： 将敏感元件输出 的物理量转换成适于传输或测量的电信号。
测量电路(measuring circuit)： 将转换元件输出的电 信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线 性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续 电路实现显示、记录、处理及控制等功能。
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2) 量程(span)
传感器测量范围的上限值 x m a x 与下限值 x m in 的代数差
xmax xmin称为量程。
3) 精度(accuracy)
传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类
误差的综合反映。
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工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等