1 传感器的认识
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2017/11/30
知识点 ¤ 了解传感器的判别标准 ¤ 学习传感器各项技术指标的含义
◆
◆ 技能点 ¤ 掌握传感器的误差计算与一般选用
2017/11/30
[相关知识]
一、测量误差与仪表等级
在实际测量过程中，由于测量仪器的精度限制， 测量原理和方法不完善，或测量者感官能力的限制， 测量的结果不可能绝对精确，总会产生误差。
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是： “能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可 用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件 组成。” 广义地说，传感器就是一种能把物理量或化学 量转换成便于测量、便于利用的电信号的器件，可 以用下图所示的框图简单表示。
2017/11/30
传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路 组成。 敏感元件直接与被测量接触，转换成与被测量 有确定关系、更易于转换的非电量（如压力转化成 位移、流量转化成速度）；传感元件再将这一非电 量转换成电参量（如电阻、电容、电感）。 传感元件输出的信号幅度很小，而且混杂有干 扰信号和噪声，转换电路能够起到滤波、线性化、 放大作用，转化成易于测量、处理的电信号，如电 压、电流、频率等。
式中 ΔHmax—正、反行程 校准曲线间的最大差值。 迟滞会引起传感器的分辨力变 差，或造成测量盲区。
2017/11/30
1—正向特性 2—反向特性
（5）重复性δR 重复性是指传感器在相同的工作条件下，输入按 同一方向作全测量范围连续变动多次时（一般为3 次），特性曲线的不一致性。在数值上用各校准点上 正、反行程的平均值与测量数据的最大差值对满量程 输出的百分比值来表示，计算公式如下：
2017/11/30
三、传感器的分类
目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比 较常用的有如下三种： １. 按传感器的物理量分类，可分为温度、压力、 流量、速度、位移、力等传感器。 ２. 按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、 电感、霍尔、光电、热电偶等传感器。 ３. 传感器输出信号的性质分类，可分为：输出 为开关量（“１”和“0”或“开”和“关”）的开 关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器；输出为 脉冲或代码的数字型传感器。
2017/11/30
3．仪表的准确度S 在正常的使用条件下，仪表测量结果的准确 程度叫仪表的准确度。 S m × 100%
m
式中Δm：最大绝对误差；Am：仪表的满量程 准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。 我国模拟量工业仪表等级分为七个等级： 仪表等级 0.1、 0.2、 0.5、 1.0、 1.5、 2.5、 5.0， 基本误差±0.1％±0.2％、±0.5％、±1.0％、±1.5％、±2.5％、±5.0％ 仪表准确度习惯上称为精度，准确度等级习惯上称为精 度等级。 应该指出，误差与错误不能相提并论：误差不可能避 免，而错误则可以避免。
2017/11/30
二、传感器的定义及组成
电量 一般是指物理学中的电学量，如电压、
电流、电阻、电容、电感等； 非电量 则是指除电量之外的一些参数，如压 力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加 速度、转速、温度、浓度、酸碱度等等。在众多 的实际测量中，大多数是对非电量的测量。
2017/11/30
三、传感器的一般选择原则
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据 具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用 传感器，是在组成测量系统时首先要解决的问题。当 传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备 也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取 决于传感器的选用是否合理。 如何选择合适的传感器，这需要分析多方面的因 素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也 有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器 更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用 条件具体分析。 2017/11/30 我们应从以下几方面因素进行考虑 :
课题一
课题二
传感器的认识
传感器的技术指标
2017/11/30
课题一 传感器的认识
[任务导入]
在现代化的大都市中，高楼大厦鳞次栉比， 大厦里看似舒适的环境，却因空调系统的通风管 道清洁不便致使室内空气污浊，影响人们的身体 健康。在狭小的空间里，要完成清扫工作是件不 容易的事。 瑞典某公司设计的通风管道清洗机器人专门 用于清洁及维护大厦中央空调系统的通风管道。
2017/11/30
（3）传感器的线性度δL 人们总希望传感器的输入与输出成唯一的对应 关系，而且最好呈线性关系，便于仪表显示。但一 般情况下，受外界环境的各种影响，传感器输入输 出不会完全符合线性关系。 线性度（非线性误差）就表示传感器的输入— 输出特性近似于一条直线的程度，计算公式如下：
L
2017/11/30
应该指出，不是所有传感器都有敏感和传感
元件之分，有些传感器的敏感元件可以直接将非 电量转化成电参量的变化。 比如铂电阻式温度传感器：当所测温度变化 时，其敏感元件的电阻值变化，经测量电路直接 转化成电压信号或电流信号。 也不是所有传感器都包含测量电路，有些传 感器因测量环境恶劣，测量电路不能正常工作或 误差较大，这样的传感器和测量转换电路是分开 的。比如温度传感器，电子元器件的工作温度最 高为125℃，当所测温度较高时，温度传感器不能 包含测量电路。
x 0 × 100% 100％ 0 0
式中Ax：测量值；A0：理论真值
2017/11/30
绝对误差是有单位的，和被测量具有相同 的量纲。用绝对误差无法比较不同的量程、不 同测量结果的误差，多数场合评价仪表精度都 用相对误差。 例如：用天平测得两个物体的质量分别是 100.0克和1.0克，两次测量的绝对误差都是0.1 克，从绝对误差来看，对两次测量的评价是相 同的，但是前者的相对误差为0．1%，后者则 为10%，后者的相对误差是前者的一百倍。 所以，只有用相对误差才能够表达仪表测 量结果的可靠程度，即误差。
频率响应范围。
传感器的响应动态信号时总有一定的延迟，即动 态响应时间。在测量时总希望延迟时间越短越好。 传感器的频率响应范围是指传感器能够保持输出 信号不失真的频率范围。传感器的频率响应特性决定 了被测量的频率范围，传感器的频率响应高，可测的 信号频率范围就宽。传感器的频率响应范围主要受传 感器结构特性的影响，固有频率低的传感器，其频率 响应也较低。 在校验传感器的动态特性时，常用一些标准输入 信号的响应来表示，如阶跃信号、正弦信号，即可求 2017/11/30 得动态响应时间和频率响应范围。
2017/11/30
（2）传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量最小变 化的能力。也就是说，如果输入量小于分辨力时， 传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量 的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过 分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满 量程范围内各点的分辨力是不相同的。 在选用传感器时应特别关注该项指标，特别是 在要求测量精度较高的时候，传感器的精度虽然较 高，但如果分辨力低，仍不能满足测量要求。
（4）传感器的迟滞δH 传感器正行程（输入量增大）和反行程（输入量 减小）的输入-输出特性曲线不能完全重合。迟滞是 指传感器在相同工作条件下全测量范围校准时，正、 反行程校准曲线间的最大差值，在数值上用此最大差 值对满量程输出的百分比来表示，计算公式如下：
H
H max 100％ Ymax Ymin
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四、传感器的作用
在检测和自动控制系统中，传感器的作用相 当于人的五官，常将传感器的功能与人类5大感觉 器官相比拟： 光敏传感器——视觉 声敏传感器——听觉 气敏传感器——嗅觉 化学传感器——味觉 压敏、温敏、流体传感器——触觉 自动化程度越高，系统对传感器的依赖性越 大，传感器对系统功能的决定性作用越明显。
误差是测量值与真实值之差，分为绝对误差和 相对误差。
2017/11/30
1．绝对误差△ 绝对误差反映测量值偏离真值的大小： △＝Ax-A0 式中Ax：测量值；A0：理论真值。 绝对误差△和测量值Ax具有相同的单位。用绝对 误差无法比较不同测量结果的可靠程度。 2．相对误差γ 人们用测量值的绝对误差与测量值之比来评价， 称它为相对误差，并可化成百分比，也叫百分误差。 相对误差γ由下式计算：
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二、传感器的技术指标
1．传感器的静态技术指标 传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随 时间变化时，传感器的输入与输出之间所对应的关 系。 表征传感器静态特征的技术指标主要有：线性 度、迟滞、重复性、灵敏度和分辨力等。
2017/11/30
（1）传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量 变化△y对输入量变化△x的比值。它是输出—输入 特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间呈 线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随 输入量的变化而变化。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。 当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可 理解为放大倍数。 例如，某温度传感器，在温度变化1℃时，输 出电压变化为20mV，则其灵敏度应表示为 20mV/℃。
模块一 认识传感器
传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅 猛发展起来的高新技术之一。如果说计算机是人 类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。 当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐 步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技 术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。
2017/11/30
模块一 认识传感器
L max 100％ Ymax Ymin
2017/11/30
式中 ΔLmax—实际测量曲线与理论直线（拟和直 线）间的最大差值； Ymax-Ymin—传感器最大输出范围。
1—拟合直线 2—实际特性曲线 理论直线（拟合直线）的获得方法有多种。 如将传感器特性曲线的零点和满量程点相连所成 的直线作为的理论直线；或用最小二乘法拟合直 线作为理论直线。 2017/11/30
2017/11/30
2017/11/30
Βιβλιοθήκη Baidu
管道清洗机器人是由坦克状的车、各种传感 器、显示器、录像机、控制箱及操控杆组成。 工作人员可以根据机器人感受到的外部信息 用操控杆控制机器人前进、倒退、转弯，清扫通 风管道。 机器人之所以能感受到外界环境的各种信息， 正是因为在机器人的各部位安装了相应的传感器 来感觉环境信息。 那么什么是传感器？它能够起什么作用？本 课题任务就是认识传感器，了解传感器在人们生 活以及自动化生产中的作用。
R
R max 100％ Ymax Ymin
式中 ΔRmax—正、反行程校准点测量平均值与测 量数据间的最大差值。
传感器的静态测量精度包含线性度、迟滞、重复性。
2017/11/30
2．传感器的动态指标 动态特性，是指传感器在输入随时间变化时，它 的输出的特性。主要考虑两项指标：动态响应时间和
2017/11/30
知识点 ¤ 了解传感器的作用与分类 ¤ 学习传感器的组成和适用场所
◆
◆ 技能点 ¤ 掌握传感器的组成与使用
2017/11/30
[相关知识]
一、传感器的认识
视觉传感器
流量传感器 压力传感器 力传感器
2017/11/30
位移传感器
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的 非电量信息，如温度、压力、流量、位移等，并 将检测到的信息，按一定规律转换成电信号或其 他所需形式的信息输出，用以满足信息的传输、 处理、存储、显示、记录或控制等要求。 传感器是自动化系统和机器人技术中的关键 部件，它是实现自动检测的首要环节，为自动控 制提供控制依据。传感器在机械电子、测量、控 制、计量等领域应用广泛。
2017/11/30
2017/11/30
课题二 传感器的技术指标
[任务导入]
要实时监测一个高温箱的温度：测量温度大 约为50 ℃ ～80℃，检测结果的精度要达到1 ℃ 。 现有三种带数字显示表的温度传感器，它们 的量程分别是0 ℃ ～500℃、0 ℃ ～300℃、 0 ℃ ～100℃，精度等级分别是0.2级、0.5级和 1.0级，为了满足需要，你应该怎样选择呢？判别 传感器好坏的标准是什么？ 本课题任务就是通过学习传感器的各项技术 指标的含义，了解传感器的判别标准。
知识点 ¤ 了解传感器的判别标准 ¤ 学习传感器各项技术指标的含义
◆
◆ 技能点 ¤ 掌握传感器的误差计算与一般选用
2017/11/30
[相关知识]
一、测量误差与仪表等级
在实际测量过程中，由于测量仪器的精度限制， 测量原理和方法不完善，或测量者感官能力的限制， 测量的结果不可能绝对精确，总会产生误差。
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是： “能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可 用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件 组成。” 广义地说，传感器就是一种能把物理量或化学 量转换成便于测量、便于利用的电信号的器件，可 以用下图所示的框图简单表示。
2017/11/30
传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路 组成。 敏感元件直接与被测量接触，转换成与被测量 有确定关系、更易于转换的非电量（如压力转化成 位移、流量转化成速度）；传感元件再将这一非电 量转换成电参量（如电阻、电容、电感）。 传感元件输出的信号幅度很小，而且混杂有干 扰信号和噪声，转换电路能够起到滤波、线性化、 放大作用，转化成易于测量、处理的电信号，如电 压、电流、频率等。
式中 ΔHmax—正、反行程 校准曲线间的最大差值。 迟滞会引起传感器的分辨力变 差，或造成测量盲区。
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1—正向特性 2—反向特性
（5）重复性δR 重复性是指传感器在相同的工作条件下，输入按 同一方向作全测量范围连续变动多次时（一般为3 次），特性曲线的不一致性。在数值上用各校准点上 正、反行程的平均值与测量数据的最大差值对满量程 输出的百分比值来表示，计算公式如下：
2017/11/30
三、传感器的分类
目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比 较常用的有如下三种： １. 按传感器的物理量分类，可分为温度、压力、 流量、速度、位移、力等传感器。 ２. 按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、 电感、霍尔、光电、热电偶等传感器。 ３. 传感器输出信号的性质分类，可分为：输出 为开关量（“１”和“0”或“开”和“关”）的开 关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器；输出为 脉冲或代码的数字型传感器。
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3．仪表的准确度S 在正常的使用条件下，仪表测量结果的准确 程度叫仪表的准确度。 S m × 100%
m
式中Δm：最大绝对误差；Am：仪表的满量程 准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。 我国模拟量工业仪表等级分为七个等级： 仪表等级 0.1、 0.2、 0.5、 1.0、 1.5、 2.5、 5.0， 基本误差±0.1％±0.2％、±0.5％、±1.0％、±1.5％、±2.5％、±5.0％ 仪表准确度习惯上称为精度，准确度等级习惯上称为精 度等级。 应该指出，误差与错误不能相提并论：误差不可能避 免，而错误则可以避免。
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二、传感器的定义及组成
电量 一般是指物理学中的电学量，如电压、
电流、电阻、电容、电感等； 非电量 则是指除电量之外的一些参数，如压 力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加 速度、转速、温度、浓度、酸碱度等等。在众多 的实际测量中，大多数是对非电量的测量。
2017/11/30
三、传感器的一般选择原则
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据 具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用 传感器，是在组成测量系统时首先要解决的问题。当 传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备 也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取 决于传感器的选用是否合理。 如何选择合适的传感器，这需要分析多方面的因 素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也 有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器 更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用 条件具体分析。 2017/11/30 我们应从以下几方面因素进行考虑 :
课题一
课题二
传感器的认识
传感器的技术指标
2017/11/30
课题一 传感器的认识
[任务导入]
在现代化的大都市中，高楼大厦鳞次栉比， 大厦里看似舒适的环境，却因空调系统的通风管 道清洁不便致使室内空气污浊，影响人们的身体 健康。在狭小的空间里，要完成清扫工作是件不 容易的事。 瑞典某公司设计的通风管道清洗机器人专门 用于清洁及维护大厦中央空调系统的通风管道。
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（3）传感器的线性度δL 人们总希望传感器的输入与输出成唯一的对应 关系，而且最好呈线性关系，便于仪表显示。但一 般情况下，受外界环境的各种影响，传感器输入输 出不会完全符合线性关系。 线性度（非线性误差）就表示传感器的输入— 输出特性近似于一条直线的程度，计算公式如下：
L
2017/11/30
应该指出，不是所有传感器都有敏感和传感
元件之分，有些传感器的敏感元件可以直接将非 电量转化成电参量的变化。 比如铂电阻式温度传感器：当所测温度变化 时，其敏感元件的电阻值变化，经测量电路直接 转化成电压信号或电流信号。 也不是所有传感器都包含测量电路，有些传 感器因测量环境恶劣，测量电路不能正常工作或 误差较大，这样的传感器和测量转换电路是分开 的。比如温度传感器，电子元器件的工作温度最 高为125℃，当所测温度较高时，温度传感器不能 包含测量电路。
x 0 × 100% 100％ 0 0
式中Ax：测量值；A0：理论真值
2017/11/30
绝对误差是有单位的，和被测量具有相同 的量纲。用绝对误差无法比较不同的量程、不 同测量结果的误差，多数场合评价仪表精度都 用相对误差。 例如：用天平测得两个物体的质量分别是 100.0克和1.0克，两次测量的绝对误差都是0.1 克，从绝对误差来看，对两次测量的评价是相 同的，但是前者的相对误差为0．1%，后者则 为10%，后者的相对误差是前者的一百倍。 所以，只有用相对误差才能够表达仪表测 量结果的可靠程度，即误差。
频率响应范围。
传感器的响应动态信号时总有一定的延迟，即动 态响应时间。在测量时总希望延迟时间越短越好。 传感器的频率响应范围是指传感器能够保持输出 信号不失真的频率范围。传感器的频率响应特性决定 了被测量的频率范围，传感器的频率响应高，可测的 信号频率范围就宽。传感器的频率响应范围主要受传 感器结构特性的影响，固有频率低的传感器，其频率 响应也较低。 在校验传感器的动态特性时，常用一些标准输入 信号的响应来表示，如阶跃信号、正弦信号，即可求 2017/11/30 得动态响应时间和频率响应范围。
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（2）传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量最小变 化的能力。也就是说，如果输入量小于分辨力时， 传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量 的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过 分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满 量程范围内各点的分辨力是不相同的。 在选用传感器时应特别关注该项指标，特别是 在要求测量精度较高的时候，传感器的精度虽然较 高，但如果分辨力低，仍不能满足测量要求。
（4）传感器的迟滞δH 传感器正行程（输入量增大）和反行程（输入量 减小）的输入-输出特性曲线不能完全重合。迟滞是 指传感器在相同工作条件下全测量范围校准时，正、 反行程校准曲线间的最大差值，在数值上用此最大差 值对满量程输出的百分比来表示，计算公式如下：
H
H max 100％ Ymax Ymin
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四、传感器的作用
在检测和自动控制系统中，传感器的作用相 当于人的五官，常将传感器的功能与人类5大感觉 器官相比拟： 光敏传感器——视觉 声敏传感器——听觉 气敏传感器——嗅觉 化学传感器——味觉 压敏、温敏、流体传感器——触觉 自动化程度越高，系统对传感器的依赖性越 大，传感器对系统功能的决定性作用越明显。
误差是测量值与真实值之差，分为绝对误差和 相对误差。
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1．绝对误差△ 绝对误差反映测量值偏离真值的大小： △＝Ax-A0 式中Ax：测量值；A0：理论真值。 绝对误差△和测量值Ax具有相同的单位。用绝对 误差无法比较不同测量结果的可靠程度。 2．相对误差γ 人们用测量值的绝对误差与测量值之比来评价， 称它为相对误差，并可化成百分比，也叫百分误差。 相对误差γ由下式计算：
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二、传感器的技术指标
1．传感器的静态技术指标 传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随 时间变化时，传感器的输入与输出之间所对应的关 系。 表征传感器静态特征的技术指标主要有：线性 度、迟滞、重复性、灵敏度和分辨力等。
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（1）传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量 变化△y对输入量变化△x的比值。它是输出—输入 特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间呈 线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随 输入量的变化而变化。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。 当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可 理解为放大倍数。 例如，某温度传感器，在温度变化1℃时，输 出电压变化为20mV，则其灵敏度应表示为 20mV/℃。
模块一 认识传感器
传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅 猛发展起来的高新技术之一。如果说计算机是人 类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。 当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐 步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技 术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。
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模块一 认识传感器
L max 100％ Ymax Ymin
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式中 ΔLmax—实际测量曲线与理论直线（拟和直 线）间的最大差值； Ymax-Ymin—传感器最大输出范围。
1—拟合直线 2—实际特性曲线 理论直线（拟合直线）的获得方法有多种。 如将传感器特性曲线的零点和满量程点相连所成 的直线作为的理论直线；或用最小二乘法拟合直 线作为理论直线。 2017/11/30
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管道清洗机器人是由坦克状的车、各种传感 器、显示器、录像机、控制箱及操控杆组成。 工作人员可以根据机器人感受到的外部信息 用操控杆控制机器人前进、倒退、转弯，清扫通 风管道。 机器人之所以能感受到外界环境的各种信息， 正是因为在机器人的各部位安装了相应的传感器 来感觉环境信息。 那么什么是传感器？它能够起什么作用？本 课题任务就是认识传感器，了解传感器在人们生 活以及自动化生产中的作用。
R
R max 100％ Ymax Ymin
式中 ΔRmax—正、反行程校准点测量平均值与测 量数据间的最大差值。
传感器的静态测量精度包含线性度、迟滞、重复性。
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2．传感器的动态指标 动态特性，是指传感器在输入随时间变化时，它 的输出的特性。主要考虑两项指标：动态响应时间和
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知识点 ¤ 了解传感器的作用与分类 ¤ 学习传感器的组成和适用场所
◆
◆ 技能点 ¤ 掌握传感器的组成与使用
2017/11/30
[相关知识]
一、传感器的认识
视觉传感器
流量传感器 压力传感器 力传感器
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位移传感器
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的 非电量信息，如温度、压力、流量、位移等，并 将检测到的信息，按一定规律转换成电信号或其 他所需形式的信息输出，用以满足信息的传输、 处理、存储、显示、记录或控制等要求。 传感器是自动化系统和机器人技术中的关键 部件，它是实现自动检测的首要环节，为自动控 制提供控制依据。传感器在机械电子、测量、控 制、计量等领域应用广泛。
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2017/11/30
课题二 传感器的技术指标
[任务导入]
要实时监测一个高温箱的温度：测量温度大 约为50 ℃ ～80℃，检测结果的精度要达到1 ℃ 。 现有三种带数字显示表的温度传感器，它们 的量程分别是0 ℃ ～500℃、0 ℃ ～300℃、 0 ℃ ～100℃，精度等级分别是0.2级、0.5级和 1.0级，为了满足需要，你应该怎样选择呢？判别 传感器好坏的标准是什么？ 本课题任务就是通过学习传感器的各项技术 指标的含义，了解传感器的判别标准。