1、华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理 传感器传感器在检测系统中处于前端，它的性能如何将在检测系统中处于前端，它的性能如何将直接影响整个系统的工作状态与质量。传感器在信直接影响整个系统的工作状态与质量。传感器在信息社会中的作用非同一般。息社会中的作用非同一般。被测对象被测对象传感器传感器信号信号调理调理电路电路分析分析与记与记录装置录装置第第3 3章章 常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理传感器的基本概传感器的基本概念念磁电式传感器磁电式传感器电阻式传感器电阻式传感器压
2、电式传感器压电式传感器电容式传感器电容式传感器电感式传感器电感式传感器学习内容学习内容 第第3章章 常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理电涡流式传感电涡流式传感器器热电式传感器热电式传感器光电式传感器光电式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器光纤式传感器光纤式传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.1 3.1 传感器的基本概念传感器的基本概念传感器是传感器是IT时代三时代三大支柱技术之一。大支柱技术之一。 （IT行业人士）行业人士）华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理ITIT行业的三大支柱技术行业的三大
3、支柱技术计算机技术计算机技术传感器技术传感器技术通信技术通信技术大脑大脑 神经系统神经系统五官五官 被誉称为被誉称为“电电五官五官”, ,是人类是人类五官的补充和五官的补充和扩展扩展3.1 3.1 传感器的基本概念传感器的基本概念华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理 传感器的定义传感器的定义 传感器的基本组成传感器的基本组成 传感器的分类传感器的分类 传感器的性能参数及要求传感器的性能参数及要求 传感器的标定与校准传感器的标定与校准学习内容学习内容 3.1 3.1 传感器的基本概念传感器的基本概念华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工
4、作原理常用传感器的工作原理3.1.1 3.1.1 传感器的定义传感器的定义 广义上说：广义上说：能感知某一物理量、化学量、生物量等的信息，能感知某一物理量、化学量、生物量等的信息，并能按一定规律将其转化为可以加以利用的信息的装置。并能按一定规律将其转化为可以加以利用的信息的装置。 狭义上说：狭义上说：传感器就是能感知被测量，并能按一定规律将其传感器就是能感知被测量，并能按一定规律将其转化为电量的装置。转化为电量的装置。 根据中华人民共和国根据中华人民共和国国家标准国家标准(GB7665.87)(GB7665.87)传感器通用术传感器通用术语语，传感器，传感器(Transducer/Sensor
5、)(Transducer/Sensor)的定义是：的定义是：能感受规定能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。物理量物理量电电 量量华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.1.1 3.1.1 传感器的重要性传感器的重要性 2020世纪世纪8080年代年代日本急需发展日本急需发展的十大技术之的十大技术之首首美国专家称：美国专家称：2020世纪世纪8080年代是传年代是传感器时代感器时代 我国在我国在2020世纪世纪8080年代，年代，利用利用863863高新技术计划，高新技术
6、计划，开发了一系列开发了一系列“高、高、精、尖精、尖”的传感器的传感器 2121世纪是信息时代，而传世纪是信息时代，而传感器技术是信息技术的源感器技术是信息技术的源头技术，其应用遍及当今头技术，其应用遍及当今社会的任何一个角落社会的任何一个角落华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.1.1 3.1.1 传感器的重要性传感器的重要性烟雾报警器烟雾报警器家用电器家用电器电子体温计电子体温计酒精测试计酒精测试计麦克风麦克风条形码识别器条形码识别器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.1.1 3.1.1 传感器的
7、重要性传感器的重要性机械手机械手华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理通常传感器由通常传感器由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成。其组成。其中敏感元件中敏感元件(Sensing element)(Sensing element)是指传感器是指传感器中能直接感受被测量的部分；转换元件中能直接感受被测量的部分；转换元件(Transition element)(Transition element)是指传感器中能将敏是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。号部分。3.1.2 3.1.2 传感
8、器的基本组成传感器的基本组成被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 传感器的基本组成传感器的基本组成F敏感元件敏感元件转换元件转换元件应变效应应变效应：金属导体或半：金属导体或半导体在受到外力作用时会导体在受到外力作用时会产生相应的应变，其电阻产生相应的应变，其电阻也会随之发生变化。也会随之发生变化。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 传感器的一般构成传感器的一
9、般构成 压 力 作 用 膜片形变（应变） 应变片电阻改变 敏感元件敏感元件转换元件转换元件应变式压力传感器结构简图应变式压力传感器结构简图华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 传感器的一般构成传感器的一般构成被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息有些被测非电量可以有些被测非电量可以直接被变换为电量，直接被变换为电量，这时候传感器中的敏这时候传感器中的敏感元件和转换元件就感元件和转换元件就合二为一了。合二为一了。 有些国家和有些学科有些国家和有些学科领域，将传感器称
10、为变换领域，将传感器称为变换器、探测器或换能器等器、探测器或换能器等华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.1.3 3.1.3 传感器的分类传感器的分类1)1)按信号变换的特征分类按信号变换的特征分类3)3)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类电气式传感器、光学式传感器、机械式传感器等电气式传感器、光学式传感器、机械式传感器等物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换来实现信号变换. .如如: :水银温度计。水银温度计。结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转依靠传感器结构参数
11、的变化实现信号转变。例如变。例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器2)2)按用途分类按用途分类力传感器、加速度传感器、温度传感器、流量传感器等力传感器、加速度传感器、温度传感器、流量传感器等华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.1.3 3.1.3 传感器的分类传感器的分类4)4)按能量关系分类按能量关系分类无源传感器无源传感器: :无源传感器本身不能换能，被测非电量仅无源传感器本身不能换能，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，所以必须具有辅对传感器中的能量起控制或调节作用，所以必须具有辅助能源，故又称为能量控制型传感器。例如助
12、能源，故又称为能量控制型传感器。例如: :电阻式、电阻式、电容式和电感式传感器都属于此类传感器。电容式和电感式传感器都属于此类传感器。有源传感器有源传感器: :有源传感器能将非电能量转换为电能量，有源传感器能将非电能量转换为电能量，也称为能量转换型传感器。通常配有电压测量和放大电也称为能量转换型传感器。通常配有电压测量和放大电路。例如路。例如: :光电式传感器、热电式传感器。光电式传感器、热电式传感器。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.1.3 3.1.3 传感器的分类传感器的分类5)5)按测量方式分类按测量方式分类接触式接触式: :接触式传感器
13、与被测物体接触，如接触式传感器与被测物体接触，如: :电阻应变式电阻应变式传感器和压电式传感器。传感器和压电式传感器。非接触式非接触式: :非接触式传感器与被测物体不接触。如非接触式传感器与被测物体不接触。如: :光电光电式传感器和红外线传感器等。式传感器和红外线传感器等。6)6)按输出信号的形式分类按输出信号的形式分类模拟式模拟式: :模拟式传感器输出信号是连续变化的模拟量。如模拟式传感器输出信号是连续变化的模拟量。如: :电容式传感器。电容式传感器。数字式数字式: :数字式传感器输出的信号是数字量。如数字式传感器输出的信号是数字量。如: :光栅。光栅。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学
14、院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.1.3 3.1.3 传感器的发展趋势传感器的发展趋势发展趋势发展趋势三新三新四化四化 传感器的传感器的“三新四化三新四化”发展趋势是相互交叉、渗透发展趋势是相互交叉、渗透和相辅相成的。事实上，这远远不能完全描述传感器和相辅相成的。事实上，这远远不能完全描述传感器的前景。虽然传感器只是一个小小的装置，但它涉及的前景。虽然传感器只是一个小小的装置，但它涉及的学科非常广泛，如物理、化学、生物、医学、电子，的学科非常广泛，如物理、化学、生物、医学、电子，材料、工艺等等。随着在任何一个领域中研究的深入，材料、工艺等等。随着在任何一个领域中研究的深入，都会对传
15、感器的发展起到推进作用。都会对传感器的发展起到推进作用。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理霍尔元件霍尔元件三新三新新材料、新工艺、新效应：新材料、新工艺、新效应：目前发展最迅速的新材料是：半导体、陶瓷、光导目前发展最迅速的新材料是：半导体、陶瓷、光导纤维、磁性材料和纤维、磁性材料和“智能材料智能材料”，使众多非电量的，使众多非电量的测量成为可能。测量成为可能。振动传感器振动传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理四化四化集成化、多维化、多功能化和智能化集成化、多维化、多功能化和智能化将传感器、微处理器和
16、信号处理电路集成在同一芯将传感器、微处理器和信号处理电路集成在同一芯片上，结构一般是三维器件，即立体器件。目前该片上，结构一般是三维器件，即立体器件。目前该类传感器正在起飞。类传感器正在起飞。 嵌入式计算机嵌入式计算机ICIC总线数字温总线数字温度传感器度传感器 智能传感器是将智能传感器是将传感器与微型计算机传感器与微型计算机集成在一块芯片上，集成在一块芯片上，其主要特征是将敏感其主要特征是将敏感技术和信息处理技术技术和信息处理技术相结合，使其除了具相结合，使其除了具有感知的本能外，还有感知的本能外，还具有认知能力。具有认知能力。智能压力网络传感智能压力网络传感器器华南农业大学工程学院华南农业
17、大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.1.3 3.1.3 传感器的发展趋势传感器的发展趋势 智能传感器智能传感器 微处理器微处理器（Microprocessor）与传统传感器与传统传感器（Dumb Sensor）相结合，产生了相结合，产生了具有一定数据处理具有一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器器智能传感器智能传感器（Intelligent Sensor或或Smart Sensor），），智能传感器的出现给传统工业测控带来了巨大的智能传感器的出现给传统工业测控带来了巨大的进步，在工业生产、国防建设和其他科技领域发进步，
18、在工业生产、国防建设和其他科技领域发挥着重要的作用。挥着重要的作用。振动传感器振动传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理 网络传感器网络传感器 将网络接口芯片与智能传感器集成起来将网络接口芯片与智能传感器集成起来并使通信协议固化到智能传感器的并使通信协议固化到智能传感器的ROMROM中时，中时，就产生了网络传感器。就产生了网络传感器。3.1.3 3.1.3 传感器的发展趋势传感器的发展趋势IC总线数总线数字温度传字温度传感器感器智能压力网络传感智能压力网络传感器器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理3.
19、1.3 3.1.3 传感器的发展趋势传感器的发展趋势聋哑传感器聋哑传感器智能传感器智能传感器网络传感器网络传感器Dumb SensorDumb SensorSmart SensorSmart SensorNetworked SensorNetworked Sensor华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理 （1 1）阀值）阀值 （2 2）漂移）漂移 （3 3）过载能力）过载能力 （4 4）稳定性）稳定性 （5 5）重复性）重复性 （6 6）可靠性）可靠性 （7 7）传感器工作要求）传感器工作要求 高精度、低成本；高灵敏度；稳定性好；工作高精度、低成本；
20、高灵敏度；稳定性好；工作可靠；抗干扰能力强，动态特性良好；结构简可靠；抗干扰能力强，动态特性良好；结构简单、使用维护方便、功耗低等等。单、使用维护方便、功耗低等等。3.1.4 3.1.4 传感器的性能参数及要求传感器的性能参数及要求(P37)(P37)华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理 （1）传感器的标定）传感器的标定 定义：标定标定指利用标准设备产生已知非电量（标准量），或用基准量来确定传感器输出电量与非电量输入量之间的关系的过程。 1）标定系统的组成P38 2）静态标定P38 3）动态标定P383.1.5 3.1.5 传感器的标定与校准传感器的标定与校准华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理 （2）传感器的校准）传感器的校准 定义：传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可以继续使用，如能继续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正，确保传感器的测量精度的过程，称为传感器的校准传感器的校准。 校准与标定的内容是基本相同的。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理
