传感器及其应用课件
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第1章 绪 论 1.1 传感器的地位和作用
例1 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。
一、改善传感器的性能的技术途径
1．差动技术
差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应 用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等 对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线 性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可 使灵敏度增大。
2．平均技术
在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其 原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出 则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来 的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差 理论，总的误差将减小为
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
例2 粮仓温度、湿度检测
无论是金属粮仓还是土仓，为防止霉变，粮 食都是分层存放，仓内温度和湿度不能过高，为 此，需在各层安放温湿度传感器进行检测。装有 温湿度探头的粮仓示意图如下。
将各层探头输出接至温湿度巡检仪上，通过 巡检仪监视器监视各点温湿度情况。通过通风口 保持温湿度在要求范围内。
二. 一般要求
1、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、工业生产等领域中稳定性、可靠性至关重 要。
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。 4、量程 测量被测量的范围。一般量程越大，精度越低。
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。
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。
例4：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。
A
T
B
热电偶
hf
mV T0
I G
光电池
f Q+ + + + +
–––––
压电传感器
R
R
U0
RT
R0
Ui 热敏电阻传感器
1.3 传感器的分类与要求分类
一.分类 1.按输入量分类
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 模拟式传感器和数字式传感器。
传感器应用场合（领域）不同，叫法不同。 过程控制：变送器。（标准化的传感器） 射线检测：发送器、接收器。探头。 二、组成
例如：气体压力传感器
P
膜盒
S 差动电感 L 电桥电路 U0
气体压力传感器组成框图
由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感 元件与转换元件二合一。直接能将被测量转 换为电量输出。 压电传感器、光电池。热敏电阻等。
δΣ=±δ/√n 式中 n—传感单元数。
可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感 器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器 灵敏度。
3．补偿与修正技术
补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：
★ 针对传感器本身特性
★ 针对传感器的工作条件或外界环境
对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小 和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。
装有温湿度探头的粮仓示意图
探 头
通 风 口
通 风 口
通 风 口
例3：开发区海湾公司生产的感温、 感烟火灾报警器
其监控系统组成框图如图2:
探头11
探头12
集 控 器
1Βιβλιοθήκη Baidu
中 央 监 控
探头1N
图1 监控系统组成框图
可见在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）；
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。
6、体积小、能耗低、成本低
结构型传感器向物性型半导体传感器发展。
如测人体血压的电子血压计。（uW mW级）
1.4 传感器的发展趋势
传感技术的发展分为两个方面：
●提高与改善传感器的技术性能；
●寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。
总结
传感器作为整个检测系统的前哨，它提取信息 的准确与否直接决定着整个检测系统的精度。
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。
国内高精度、多功能、集成化、智能化传感器 急需开发研制。
针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高 传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温 度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以 控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。 而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出 温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。
1.2 传感器的定义与组成
一、定义 （Sensor）
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。 输入量是物理量、化学量和生物量。 输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、 处理及显示） 输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要 满足测控系统的应用要求。
例1 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。
一、改善传感器的性能的技术途径
1．差动技术
差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应 用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等 对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线 性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可 使灵敏度增大。
2．平均技术
在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其 原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出 则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来 的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差 理论，总的误差将减小为
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
例2 粮仓温度、湿度检测
无论是金属粮仓还是土仓，为防止霉变，粮 食都是分层存放，仓内温度和湿度不能过高，为 此，需在各层安放温湿度传感器进行检测。装有 温湿度探头的粮仓示意图如下。
将各层探头输出接至温湿度巡检仪上，通过 巡检仪监视器监视各点温湿度情况。通过通风口 保持温湿度在要求范围内。
二. 一般要求
1、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、工业生产等领域中稳定性、可靠性至关重 要。
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。 4、量程 测量被测量的范围。一般量程越大，精度越低。
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。
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。
例4：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。
A
T
B
热电偶
hf
mV T0
I G
光电池
f Q+ + + + +
–––––
压电传感器
R
R
U0
RT
R0
Ui 热敏电阻传感器
1.3 传感器的分类与要求分类
一.分类 1.按输入量分类
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 模拟式传感器和数字式传感器。
传感器应用场合（领域）不同，叫法不同。 过程控制：变送器。（标准化的传感器） 射线检测：发送器、接收器。探头。 二、组成
例如：气体压力传感器
P
膜盒
S 差动电感 L 电桥电路 U0
气体压力传感器组成框图
由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感 元件与转换元件二合一。直接能将被测量转 换为电量输出。 压电传感器、光电池。热敏电阻等。
δΣ=±δ/√n 式中 n—传感单元数。
可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感 器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器 灵敏度。
3．补偿与修正技术
补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：
★ 针对传感器本身特性
★ 针对传感器的工作条件或外界环境
对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小 和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。
装有温湿度探头的粮仓示意图
探 头
通 风 口
通 风 口
通 风 口
例3：开发区海湾公司生产的感温、 感烟火灾报警器
其监控系统组成框图如图2:
探头11
探头12
集 控 器
1Βιβλιοθήκη Baidu
中 央 监 控
探头1N
图1 监控系统组成框图
可见在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）；
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。
6、体积小、能耗低、成本低
结构型传感器向物性型半导体传感器发展。
如测人体血压的电子血压计。（uW mW级）
1.4 传感器的发展趋势
传感技术的发展分为两个方面：
●提高与改善传感器的技术性能；
●寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。
总结
传感器作为整个检测系统的前哨，它提取信息 的准确与否直接决定着整个检测系统的精度。
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。
国内高精度、多功能、集成化、智能化传感器 急需开发研制。
针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高 传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温 度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以 控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。 而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出 温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。
1.2 传感器的定义与组成
一、定义 （Sensor）
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。 输入量是物理量、化学量和生物量。 输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、 处理及显示） 输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要 满足测控系统的应用要求。