第一講 傳感器的基本概念

傳感器原理與應用第一講傳感器的基本概念（教材第一章）應用電子技術教研室吳睿1

課程概述

本門課程的特點：1、是一門專業(yè)基礎課2、課程具有較強實踐性3、課程涉及的知識面廣4、是一門工程性、應用性都非常強的課程2課程的內容主要內容傳感器的基礎知識(第一章/講）電阻式傳感器（第二章/講）△電容式傳感器（第三章/講）△電感式傳感器（第四章/講）熱電式傳感器（第五章/講）△壓電式傳感器（第六章/講）△光電式傳感器（第七章/講）△磁電式傳感器（第八章/講）△其他新型傳感器理論+試驗

課程概述△：表示“重要內容”3課程學習思路認識該傳感器的結構與原理分析其工作電路學習其應用學習其新技術

課程概述4課程要求

1、對課程的內容分“了解、理解、掌握”三個層次提出要求；

2、對各類傳感器的工作原理、基本結構、應用領域中技術有一定的認識；

3、在未來具體工作中，在傳感器和執(zhí)行器選擇、使用、設計以及進一步深入研究方面具備良好的基礎；

4、在學習過程中，應當從應用的角度出發(fā)。

課程概述5中國傳感器專業(yè)網：/中國傳感器在線:/中國傳感網：

傳感器資訊網：

傳感器信息港：

/中國傳感器知識網：

國家傳感器質量監(jiān)督檢驗中心/cgq/1.asp中國測試技術研究院：/國際標準傳感器協(xié)會/tc/sensors學習參考網址61.1什么是傳感器？

傳感器的應用、定義與組成1.2傳感器的分類1.3傳感器的技術特點1.4傳感器的基本特性

（1.4和1.5節(jié)內容合并）第一講傳感器的基礎知識781.1什么是傳感器？第一講傳感器的基礎知識91.1什么是傳感器眼（視覺）

耳（聽覺）

鼻（嗅覺）皮膚（觸覺）

舌（味覺）感知外界信息→大腦→肌體人體系統(tǒng)和機器系統(tǒng)比較引入傳感器人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界的信息，經過大腦的思維（信息處理），作出相應的動作。而用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，則可以說電子計算機相當于人的大腦（一般俗稱電腦），而傳感器則相當于人的五官部分（“電五官”）。10傳感器是獲取自然領域中信息的主要途徑與手段。11傳感器的功用現(xiàn)代信息技術的三大支柱：傳感檢測技術

采集

通訊技術

傳輸計算機技術

處理傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。12傳感器在各個領域中的需要量13傳感器的作用涵蓋吃穿用、農輕重、海陸空(1)是產品檢驗和質量控制的重要手段(2)安全經濟運行監(jiān)測方面不可缺少(3)與自動控制技術密不可分(4)傳感器發(fā)展推動科學技術的進步1415傳感器的作用未來世界是個充滿傳感器的世界，還會有：智能房屋（自動識別主人，太陽能提供能源）智能衣服（自動調節(jié)溫度）智能公路（自動記錄公路的壓力、溫度、車流量）智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位）智能……16智能化水質檢驗

水庫無線水質感應器下游用戶用戶什么是傳感器？國家標準（GB7665-87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。17

非電學量→傳感器→電學量

角度位移速度壓力溫度濕度聲強光照磁場

傳感器電壓電流電阻電容1819對于各種各樣的被測量，有各種各樣的傳感器。下面請看幾個傳感器應用實例:

實例1：產品生產線檢測20實例2：氣體探測系統(tǒng)顯示報警信號送PC串行總線、局域網(L工AN)21傳感器的組成輸出量為電量的傳感器，一般由敏感元件、轉換元件、基本轉換電路三部分組成。敏感元件信號調節(jié)電路轉換元件被測量輸出電量輔助電源教材P2圖1-1傳感器組成框圖22敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。

直線位移傳感器23轉換元件：將敏感元件的輸出轉換成一定的電路參數。有時敏感元件和轉換元件的功能是由一個元件（敏感元件）實現(xiàn)的。24信號調節(jié)電路：將敏感元件或轉換元件輸出的電路參數轉換、調理成一定形式的電量輸出。常用的轉換電路有:電橋、放大器、變阻器、振蕩器等。2526國標GB/T14479-93規(guī)定傳感器圖用圖形符號表示方法：

正方形表示轉換元件,三角形表示敏感元件；

X表示被測量符號，*表示轉換原理。*X27幾個典型傳感器的圖用圖形符號ＰaP電容式壓力傳感器壓電式加速度傳感器電位器式壓力傳感器1．按工作原理分類:結構型、物性型、復合型結構型：主要是通過機械結構的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被測參數轉換成相應的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而檢測出被測信號。例如:電容式和電感式傳感器。物性型：利用某些材料本身物理性質的變化而實現(xiàn)測量，它是以半導體、電介質、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。如:水銀溫度計。復合型：將中間轉換環(huán)節(jié)與物性型敏感元件復合而成的傳感器。1.2傳感器的分類282．按被測物理量分類機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,

旋轉角,轉數,質量,重量,力,

壓力,真空度,力矩,風速,流速,

流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場.溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩293．按敏感材料分類按制造傳感器的材料分如：半導體傳感器陶瓷傳感器光導纖維傳感器高分子材料傳感器金屬傳感器空氣質量傳感器陶瓷壓力傳感器304．按能量的關系分類:能量轉換型和能量控制型.能量轉換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應變片.315．按敏感元件與被測對象之間的能量關系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計.結構型:依靠傳感器結構參數的變化實現(xiàn)信號轉變.

例如:電容式和電感式傳感器.326．按輸出電信號類型分類根據傳感器輸出電信號的類型不同，可以分為：模擬量傳感器:發(fā)出的是連續(xù)信號，用電壓、電流、電阻等表示被測參數的大小。比如溫度傳感器、壓力傳感器等都是常見的模擬量傳感器。數字量傳感器：把被測參量轉換成數字量輸出的傳感器。比如轉速傳感器等。開關量傳感器:發(fā)出的信號是接點信號，有斷開和閉合兩種狀態(tài)，比如液位開關就是一種常見的開關量傳感器。3334開孔圓盤1.3傳感器的技術特點（了解）P6傳感器技術包括傳感器的研究、設計、試制、生產、檢測與應用。組建形成了一門相對獨立的專門學科。其具有以下技術特點：內容范圍廣且離散：物理、化學、生物、電子等知識密集程度甚高、邊緣學科色彩極濃：學科交叉應用技術復雜、工藝要求高功能優(yōu)、性能好品種繁多、應用廣泛351.4傳感器的基本特性（教材1.4和1.5兩節(jié)內容合）傳感器作為感受被測量信息的器件，希望它按照能按照一定的規(guī)律輸出有用信號。因此需要研究描述傳感器的方法，來表示其輸出——輸入關系及特性，以便用理論指導其設計、制造、校準與使用。最有效的描述傳感器的輸入輸出關系的方法是傳感器的數學模型。一、傳感器的描述方法36

輸入信號分為：靜態(tài)信號：被測的非電量是穩(wěn)定的，不隨時間變化或變化及其緩慢。動態(tài)信號：被測的非電量隨時間的變化而變化。

對應傳感器特性有：靜態(tài)特性、動態(tài)特性

根據輸入信號的性質不同，對應的模型有：靜態(tài)模型、動態(tài)模型1.4傳感器的基本特性（1.4和1.5兩節(jié)內容合）37二、傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性表示傳感器在被測量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入輸出關系。也即當輸入量為常量，或變化極慢時，這一關系就稱為靜態(tài)特性。1.4傳感器的基本特性（1.4和1.5兩節(jié)內容合）3839

對靜態(tài)特性而言，傳感器的輸入量x與輸出量y之間的關系通?？捎靡粋€如下的多項式表示：y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

式中：a0——輸入量x為零時的輸出量；

a1—傳感器的線性靈敏度，常用K或S表示；

a2，…，an——非線性項的待定系數。各項系數決定了特性曲線的具體形式。

該多項式即傳感器的靜態(tài)模型。P8（1-1）40穩(wěn)定性(零漂)傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力沖擊與振動電磁場線性滯后重復性靈敏度輸入誤差因素外界影響

傳感器輸入輸出作用圖輸出取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制，有時也可以對外界條件加以限制。衡量傳感器特性的主要技術指標41傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標來描述，如靈敏度、線性度、重復性、遲滯、分辨率、穩(wěn)定性和漂移等。傳感器線性度是其輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離直線的程度，稱為非線性誤差。式中：Δmax——輸出量和輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差；

YFS——輸出滿量程值。1.線性度(非線性差)(Linearity)P10（1-10）42（a）（b）（c）（d）教材P10圖1-3傳感器的線性度表示432.靈敏度(Sensitivity)靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標。其定義是輸出量增量Δy與引起輸出量增量Δy的相應輸入量增量Δx之比。用Sn表示靈敏度，即：它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，對于線性傳感器，靈敏度常表為：K=y/x

。很顯然，靈敏度S值越大，表示傳感器越靈敏。P10（1-11）44教材P11圖1-4傳感器的靈敏度定義45例1：某位移傳感器，在輸入量變化5mm時，輸出電壓變化為300mV，求它的靈敏度Sn。解：由傳感器靈敏度表達式：46重復性是指傳感器輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度?；颍寒a生原因：傳感器機械部分存在摩擦、間隙、松動、積塵等3.重復性（Repeatability）

P11（1-12）P11（1-13）474.遲滯（滯環(huán)）（Hysteresis）

傳感器在正、反行程期間輸入、輸出曲線不重合的現(xiàn)象稱遲滯48遲滯誤差一般由滿量程輸出的百分數表示：

?m=Y2-Y1為正、反行程輸出值間的最大差值。

例：一電子秤增加砝碼10g——50g——100g——200g電橋輸出0.5mv---2mv---4mv---10mv減砝碼輸出1mv---5mv---8mv---10mv4.遲滯（滯環(huán)）（Hysteresis）(續(xù)）P12（1-16）49

分辨率和分辯力都是表示傳感器能檢測被測量的最小值的性能指標。

分辨率是以滿量程的百分數來表示，無量綱；

分辯力是以最小量程的單位值來表示，有量綱。

穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性。5.分辨率和分辯力（Resolution）6.穩(wěn)定性50傳感器的漂移是指在外界的干擾下，傳感器輸出量發(fā)生與輸入量無關的、不需要的變化。產生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結構參數；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。最常見的漂移是溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸出的變化，溫度漂移主要表現(xiàn)為溫度零點漂移和溫度靈敏度漂移。7.漂移51與精確度有關指標：精密度、準確度和精確度(精度