1、传感器技术基础

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取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加 以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。
外界影响
冲击与振动 电磁场 温度 供电
输入
传感器
输出
线性 滞后 衡量传 感器特 性的主 要技术 指标
各种干扰稳定性 温漂 稳定性(零漂) 分辨力
重复性 灵敏度
误差因素 传感器输入输出作用图
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传感器基本特性的评价指标与选用原则
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传感检测技术的地位和作用
一个国家的现代化水平是用其自动化水平来衡量的。 而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数量多少来衡量 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。
“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世 界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一 样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息， 成为人们认识自然、改造自然的有利工具。
重复性（重复性误差）： 指在同一工作条件下，输入
量按同一方向在全测量范围内
连续变动多次所得特性曲线的 不一致性。 重复性误差属于随机误差, 常用标准偏差表示, 也可用正 反行程中的最大偏差表示, 它 反映精密度的一个指标，是随 机误差的性质。
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（5） 稳定性
抗干扰稳定性： 这是指传感器对外界干扰的抵抗能力。 温度稳定性： 温度稳定性又称温漂，表示温度变化时传 感器输出值的偏离程度，一般以温度变化1℃ 输出最大偏差与满量程的百分比表示
滞后量（迟滞误差）： 对于同一输入xi有不同 的yi（y正≠y反），对于这 种传感器在正反行程期间 （输入—输出）特性曲线不 重合的程度称为迟滞误差。 迟滞现象反应了传感器 机械结构和制造工艺上的缺 陷，如：轴承摩擦、间隙、 紧固件松动、积尘、材料内 摩擦等，而且不稳定，由实 验方法确定。
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（4） 重复性
传感器技术与应用 第1章 传感器技术基础
本课程的任务和目的
1、任务：
掌握传感器的工作原理、结构、测量、电路及典型 应用。
2、目的： 1）合理选择和使用传感器。 2）对传感器技术问题有一定的分析和处理能力。
3）知晓传感器的工程设计方法和实验研究方法。
4）了解传感器的发展动向。
2
对本课程的要求
1、复习巩固已学电路、电子等方面的知识。 2、多看一些相关参考书及期刊杂志。
多传感器融合 检测电路
现代检测系统
传感器原理
检测技术
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1.1
自动测控系统与传感器
1.1.1 自动测控系统
自动检测技术作为信息科学的一个重要分支， 与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起 构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时 代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取 与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息 转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地， 是实现信息化的基础技术之一。
工业生产等领域中稳定性、可靠性至关重要。
5、抗干扰能力 工业现场环境较恶劣，存在温湿度、电磁等干扰，设计的 传感器能克服这些干扰，安全稳定运行。
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1.4.1
（1）线性度
静态特性
传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量 关系的线性程度。
线性度又称非线性特性，指实际特性曲线与拟合曲 线之间的最大偏差（绝对值）与理论满量程输出值之比。
1.4
传感器的特性与技术指标
传感器特性主要是指传感器输出与输入之间的关系。 输入信号可分为静态量和动态量。 传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。 当输入量为常量，或变化极慢时，称为静态特性。
当输入量随时间较快地变化时，称为动态特性。
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。
校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器 满量程输出之比，称为传感器的非线性误差（或线 性度）
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（2） 灵敏度
传感器在稳态下，输出变化对
输入变化的比值
S＝dy/dx 如：某位移传感器在位移变 化1mm （输入信号变化量）时， 输出电压变化有300mv（输出信号
dy
变化量）则其灵敏度为300mv/mm
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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
传感器的物理定律
(1)守恒定律:主要有能量、动量等； (2)场的定律：动力场的运动定律、电磁场的感 应定律等； (3)物质定律：虎克定律、欧姆定律等； (4)统计法则：微观与宏观联系的物理法则。
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传感器的组成
被测量
敏感元件
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(2)带激励能源型：
辅助能源作激励（电源、磁源），磁电式、霍耳 传感器等。
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(3)
外源型
转换元件实现阻抗变换。一种变换电路，如电
桥、放大器、振荡器等。
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(4) 相同传感器补偿型
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(5) 差动结构补偿型
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(6) 不同传感器补偿型
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例1、饭店里的感温、 感烟火灾报警器
监控系统组成框图：
转换元件
辅助电源
转换电路
电量
敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定 关系的某一物理量的元件。
转换元件：把输入转换成电路参量。
转换电路：上述电路参数接入转换电路，便可转换 成电量输出。
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传感器的构成
一般根据被测对象 转换原理、使用环境及性能 要求等具体情况而定,典型构成法有: (1)自源型：仅含有转换元件，不需外加能源， 直接从被测量吸取能量并转换成电量，但能量较弱， 如热电偶、压电器件等。
为了标定和数据处理的方便，希望传感器的输出— 输入关系呈线性。
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线性化
线性化：当非线性项方次不高，输入量变化范围不大时， 用切线或割线等直线,(此直线为拟合线、理论直线、参考直线） 来近似代表实际曲线的一段，此方法称为传感器非线性特征的 “线性化”。 线性传感器是指取线性特征为理论特征的传感器。 非线性误差大小:是以拟合直线或理想直线作为基础直线算 出来的，因此，基准直线不同，所得出的线性精度就不一样。
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传感器是获取信息的主要途径
传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 传感器是获取信息的主要途径与手段。没有传感器， 现代化生产就失去了基础。 传感器是边缘学科开发的先驱。
传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探 测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至 文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的 海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项 目，都离不开各种各样的传感器。
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机电一体化系统常用传感器
人与机器的机能对应关系
定性： 人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： 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。
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1.1.2
传感器
传感器的定义
传感器：能够感受规定的被测量并按一定规律和精度 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：物理量、化学量和生物量。
输出量：主要是电量。
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传感器的称呼
传感器应用场合（领域）不同，叫法不同。 在过程控制中称为变送器。（标准化的传感 器） 在射线检测中称为发送器、接收器。探头。
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传感器输出与输入的对应关系
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 用图大致如下图所示。
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例2：热轧带钢表面温度的测量
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。
地震检波器
反射式 光敏传 感器
超 声 传 感 器
磁、气、力 敏传感器
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1.3
传感器的数学模型
传感器如没有迟滞或蠕变效应时，静态特征 的数学模型为多次多项式。 y＝a0＋a1x＋a2x2＋a3x3＋a4x4＋……＋anxn 其中，y为输出量，a0为零位输出，a1……为 线性灵敏度，x为输入量。
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传感器的分类（ 3 ）
按物理原理分类： ★电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； ★磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； ★压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； ★光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电 码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等； ★气电式传感器：电位器式、应变式； ★热电式传感器：热电偶、热电阻； ★波式传感器：超声波式、微波式等； ★射线式传感器：热辐射式、γ射线式； ★半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻； ★其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。
探头11 探头12
集 控 器 1
中 央 监 控
探头1N
来自百度文库
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1、饭店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）； 2、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。 3、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。
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传感器实例
温度传感器
压力传感器
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液位传感器
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自制非晶合金 磁敏传感器
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电 阻 式 远 传 压 力 表
感应式 流量表
称重 传感器
CCD传 感器
电荷耦合器件 (CCD)
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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
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风 力 参 数 传 感 器
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1.2
传感器的分类
1.按被测量对象（输入量）分类
常用的有机、光、电和化学等传感器。
例如位移、速度、加速度、力、温度和流量传感器等。 2. 按输出量分类 参数式：电阻、电感、电容、频率和离子传感器 发电式：压电式、霍尔式、光电和热电式传感器
3. 按输出信号的性质分类
常用的有模拟式传感器和数字式传感器。
对于非线性传感器，测量范围上 各点Sn不等，用dy/dx表示。
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dx
灵敏度与灵敏度误差
传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化 量与引起此变化的输入变化量之比
非线性传感器的灵敏度用 dy 表示其数值等于所对应 dx 的最小二乘法拟合直线的斜率 。 灵敏度误差用相对误差表示。
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（3） 滞后量
参考书： 1、检测与转换技术 常健生 吉林工业大学 机械工业出版社 2、非电量电测技术 谭祖根 浙江大学 3、传感器技术 贾伯年 东南大学
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课程主要内容
电感传感器
传感器的工作原理、结构、主要 参数、检测电路及其典型应用
电容传感器 压电传感器
应变传感器
其他传感器
光电传感器
温度传感器 磁敏传感器
基础知识 定义、分类 发展趋势 选用原则 一般特性
与传感器有关的技术指标 1、测量范围及量程
测量范围：传感器在允许误差限内，其被测量值的范
围。 量程：被测量的上下限值之差。一般量程越大，精度 越低。 2、静态精度 测静态量，传感器精度应满足系统的精度要求。
3、动态性能
测动态量，如响应速度、工作频率、稳定时间等。
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4、稳定性、可靠性 一般用平均无故障时间来衡量稳定性、可靠性。在计量、
一般并不要求拟合直线必须经过所有的检测点，而是要找到 一条能反映校准数据的一般趋势，同时又使误差绝对值最小就可 以了。
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传感器非线性大小评定方法
静态特性曲线可通过实际测试获得。 首先在标
准工作状态下，用标准仪器设备对传感器进行标定
（测试），得到其输入输出实测曲线，即校准曲线，
然后作一条理想直线，即拟合直线。
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传感器的分类（ 2 ）
4、按传感器的工作机理分类：有物理型、化学型、 生物型等。 5、按构成原理分类：有结构型与物性型。 6、按传感器的能量转换情况分类： ，有能量控制型
传感器和能量转换型传感器。 7、按传感器的用途分类：有位移、压力、振动、温 度传感器。 8、按转换过程可逆与否分类：有单向和双向。 9、按传感器使用电源与否分类：分有源传感器和无 源传感器。