传感器技术基础知识教材

1.用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途 的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。
例如，利用某些材料的化学反应制成的能识别气体的“电 子鼻”；利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器等。
2.传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。 工业自动化程度越高，对机械制造精度和装配精度要求 就越高，相应地测量程度要求也就越高。因此，当今在传感 器制造上很重视发展微机械加工技术。
2. 测量方法 测量方法是实现测量过程所采用的具体方法，
应当根据被测量的性质、特点和测量任务的要求来 选择适当的测量方法。按照测量手续可以将测量方 法分为直接测量和间接测量；按照获得测量值的方 式可以分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量； 此外，根据传感器是否与被测对象直接接触，可区 分为接触式测量和非接触式测量；而根据被测对象 的变化特点又可分为静态测量和动态测量等。
6.传感器的代号 依次为主称（传感器） 被测量—转换原理—序 号
主称——传感器，代号C； 被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大 写字母标记。见附录表2； 转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个 大写字母标记。见附录表3； 序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定， 用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列 等。例：应变式位移传感器： C WY-YB-20； 光纤压力传感器：C Y-GQ-2。
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。
（2）偏差式测量、零位式测量和微差式测量 Ⅰ.偏差式测量 在测量过程中，利用测量仪表指针相对 于刻度初始点的位移(即偏差)来决定被测量的测量方法，称为 偏差式测量。它以间接方式实现被测量和标准量的比较。 偏差式测量仪表在进行测量时，一般利用被测量产生的 力或力矩，使仪表的弹性元件变形，从而产生一个相反的作 用，并一直增大到与被测量所产生的力或力矩相平衡时，弹 性元件的变形就停止了，此变形即可通过一定的机构转变成 仪表指针相对标尺起点的位移，指针所指示的标尺刻度值就 表示了被测量的数值。偏差式测量简单、迅速，但精度不高， 这种测量方法广泛应用于工程测量中。
1.1.2 传感器的主要特性参数
1.灵敏度
灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量
变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输
入与输出特性曲线的斜率，
y
如右图所示，可表示为： s dy 一般希望灵敏度s在整个 dx
测量范围内保持为常数。
dy
这样，可得均匀刻度的标尺，
dx
使读数方便，也便于分析和
0
x
第1章 传感器与检测技术基础知识
本章学习目的要求: 1.了解传感器的作用与工程应用情况 2.了解传感器的分类 3.了解传感器的最新发展动态 4.掌握测量及误差的概念 5.掌握基本测量电路的作用
1.1 传感器基础知识
1.1.1 概述
1.定义
传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些 信息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所示:
Ⅱ.零位式测量 用已知的标准量去平衡或抵消被 测量的作用，并用指零式仪表态，从而判定被测量值 等于已知标准量的方法称作零位式测量。用天平测量 物体的质量就是零位式测量的一个简单例子。
Ⅲ.微差式测量 这是综合零位式测量和偏差式测 量的优点而提出的一种测量方法，基本思路是将被测 量x的大部分作用先与已知标准量N的作用相抵消，剩
指示仪
被测量 传感器
测量 电路
记录仪
电源
数据处 理仪器
1. 传感器 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。 2. 测量电路 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。
物理量
电量
2.传感器的组成
传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器 件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换 输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进 行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。如下 图的温度电阻。
d V
3.传感器的分类
1)按被测物理量分类
常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量;
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， 如下式：
3. 显示记录装置 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。常用的 有模拟显示、数字显示和图像显示三种。 模拟式显示是利用指针对标尺的相对位置表示被测量的 大小。其特点是读数方便、直观，结构简单、价格低廉，在 检测系统中一直被大量应用；数字式显示则直接以十进制数 字形式来显示读数，实际上是专用的数字电压表，它可以附 加打印机，打印记录测量数值；图像显示，将输出信号送至 记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线，作为检测结 果，供分析使用。
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。
3.发展智能型传感器
智能型传感器是一种带有微处理器并兼有 检测和信息处理功能的传感器。智能型传感器 被称为第四代传感器，使传感器具备感觉、辨 别、判断、自诊断等功能，是传感器发展的主 要方向。
1.2 检测技术基础 1.2.1 检测技术的概念与作用
检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息 进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术 措施。
1.3 测量误差的概念及其处理方法 1.3.1 测量及测量误差
1. 测量定义 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。 测量的结果包括数值大小和测量单位两部分。数 值的大小可以用数字表示，也可以是曲线或者图形。 无论表现形式如何，在测量结果中必须注明单位。测 量过程的核心是比较。门检定Leabharlann 其主要目的就是获得一个准确的修正值。
绝对误差愈小，说明指示值愈接近真值户测量 精度愈高。但这一结论只适用于被测量值相同的情 况，而不能说明不同值的测量精度。例如，某测量 长度：的仪器；测量10 mm的长度，绝对误差为 0.001 mm。另一仪器测量200 mm长度，误差为 0.01 mm；这就很难按绝对误差的大小来判断测量 精度高低了，这是因为后者的绝对误差虽然比前者 大，但它相对于被测量的值却显得较小。为此，引 入相对误差的概念。
（1）绝对误差与相对误差 Ⅰ.绝对误差 绝对误差是仪表的指示值x与被测 量的真值x0之间的差值，记做δ
x x0
绝对误差有符号和单位，它的单位与被测量相
同。引入绝对误差后，被测量真值可以表示为
x0 x x c
含有误差的指示值加上修正值之后，可以消除
误差的影响，在计量工作中，通常采用加修正值的 方法来保证测量值的准确可靠，仪表送上级计量部
余部分即两者差值△＝x—N，这个差值再用偏差法测 量。微差式测量中，总是设法使差值△很小，因此可
选用高灵敏度的偏差式仪表。即使差值的测量精度不 高，但最终结果仍可达到较高的精度。
1.3 测量误差 在检测过程中，被测对象、检测系统、检测方法
和检测人员都会受到各种变动因素的影响。而且，对 被测量的转换，有时也会改变被测对象原有的状态。 这就造成了检测结果和被测量的客观真值之间存在一 定的差别。这个差值称为测量误差。测量误差的主要 来源可以概括为工具误差、环境误差、方法误差和人 员误差等。
处理测量结果。
2. 分辨率 分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量 最小变化值的能力。输入量从某个任意值缓慢增 加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输 入量就是分辨率。它可以用绝对值，也可以用量 程的百分数来表示。它说明了检测仪表响应与分 辨输入量微小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率 愈好。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度 分格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位 的一个字。
能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:
物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换.如:水银温度计.
结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.
5.传感器的命名 由主题词加四级修饰语构成。 主题词——传感器； 第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定 语； 第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式” 字； 第三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感 器结构、性能、材料特征、敏感元件及其它必要 的性能特征，一般可后续以“型”字； 第四级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、 灵敏度等）。
3. 线性度与非线性误差
线性度是用实测的检测系统输入—输出特性曲