1、1第第1章章 传感器理论基础传感器理论基础n1.1 传感器基础传感器基础n1.1.1 传感器的概念传感器的概念n传感器（传感器（Transducer/Sensor）是一种能感）是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用量的器件和装置。用量的器件和装置。传感器就是把非电量转换成电量的装置。传感器就是把非电量转换成电量的装置。2022-12-1321.1.2 传感器的组成和分类传感器的组成和分类n1传感器的组成传感器的组成 n传感器是由敏感元件、转换元件和测量传感器是由敏感元件、转换元件和测量电路组成，如图电路组成，如图1-1所示。所示。2022-12
2、-1331.1.2 传感器的组成与分类传感器的组成与分类n敏感元件敏感元件(sensing element)：直接感受直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，它是传感器的核心。理量的元件，它是传感器的核心。n转换元件转换元件(transduction element)：将将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量电信号敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量电信号的元件。的元件。n测量电路测量电路(measuring circuit)：将转换将转换元件输出的电信号进行进一步转换和处理的部分，如元件输出的电信号进行进一步转换
3、和处理的部分，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。能。2022-12-1341.1.2 传感器的组成和分类传感器的组成和分类n（1）按照其工作原理，传感器可分为电参数式）按照其工作原理，传感器可分为电参数式(如电阻式、如电阻式、电感式和电容式电感式和电容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器及传感器、压电式传感器、光电式传感器及热电式传感器等。热电式传感器等。n（2）按照其被测量对象，传感器可分为力、位移、速度、）按照其被测量对象，传感器可分
4、为力、位移、速度、加速度传感器等。常见的被测物理量有机械量、声、磁、温加速度传感器等。常见的被测物理量有机械量、声、磁、温度和光等。度和光等。n（3）按照其结构，传感器可分为结构型、物性型和复合型）按照其结构，传感器可分为结构型、物性型和复合型传感器。物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的传感器。物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换，如：水银温度计。结构型传感器是依变化来实现信号变换，如：水银温度计。结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化实现信号变换，如：电容式传感器。靠传感器结构参数的变化实现信号变换，如：电容式传感器。n2传感器的分类传感器的分类 2022-
5、12-1351.1.3 传感器基本特性传感器基本特性n当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其输入输出关系特性称为静态特性。输入输出关系特性称为静态特性。n传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性，即传感器系统的输出信号，即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测和输入信号（被测量）量）x(t)之间的关系，传感器系统示意图如下图所之间的关系，传感器系统示意图如下图所示。示。2022-12-1361.1.3 传感器基本特性传感器基本特性n传感器的静态特性：传感器的静态特性：n1.测量范围：测量范围
6、：传感器所能测量到的最小输入量传感器所能测量到的最小输入量 与最大输入量与最大输入量 之间之间的范围称为传感器的测量范围。的范围称为传感器的测量范围。n2.量程：量程：传感器测量范围的上限值传感器测量范围的上限值 与下限值与下限值 的代数差的代数差-称为量程。称为量程。n3.精度：精度：传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的的概念。精度等级
7、以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差，即相对误差。最大允许误差，即相对误差。n4.灵敏度：灵敏度：灵敏度是指传感器输灵敏度是指传感器输n出的变化量与引起该变化量的输入变出的变化量与引起该变化量的输入变n化量之比，即化量之比，即，如右图所示。，如右图所示。2022-12-1371.1.3 传感器基本特性传感器基本特性n5.线性度：线性度：指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度。在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合直线的程度。在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。这样，线性度就用输入的方法来线
8、性化。这样，线性度就用输入-输出关系曲线与拟合输出关系曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。式中，式中，为非线性最大误差为非线性最大误差(最大偏差最大偏差);为满量程输出值。为满量程输出值。常用的直线拟合方法有理论拟合、端点拟合和端点平移拟合等，常用的直线拟合方法有理论拟合、端点拟合和端点平移拟合等，如图如图1-7所示。采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的所示。采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的线性度。线性度。2022-12-1381.1.3 传感器基本特性传感器基本特性2022-12-1391.1.3 传感器基本特性传
9、感器基本特性6.分辨率分辨率:分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量最小变化值的能力。输入量从某个任意值缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是分辨率。它可以用绝对值，也可以用量程的百分数来表示。该量说明了检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率愈好。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位的一个字。2022-12-13101.1.3 传感器基本特性传感器基本特性7.重复性重复性:重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线间不一致的程度.2022-12-13111.1.3 传感器基本特性传感器基本
10、特性8.迟滞迟滞:迟滞特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出特性曲线不重合的程度，如图所示为传感器的迟滞特性特性曲线。2022-12-13121.1.3 传感器基本特性传感器基本特性9.稳定性稳定性:稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。10.漂移漂移:漂移是指在外界的干扰下，在一定时间间隔内，传感器输出量发生与输入量无关的或不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等，如图所示。2022-12-13131.1.4 传感器的命名、代号和图形符号传感器的命名、代号和图形符号 传感器的命名传感器的命名 传感器的全称应由“主题词+四级修饰语”组成，即主题词 传感
11、器一级修饰语 被测量，包括修饰被测量的定语。二级修饰语 转换原理，一般可后缀以“式”字。三级修饰语 特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后缀以“型”字。四级修饰语 主要技术指标(如量程、精度、灵敏度等)。2022-12-13141.1.4 传感器的命名、代号和图形符号传感器的命名、代号和图形符号 2传感器的代号传感器的代号 一种传感器的代号应包括以下四部分：a 主称(传感器)；b 被测量；c 转换原理；d 序号，如图所示。2022-12-13151.1.4 传感器的命名、代号和图形符号传感器的命名、代号和图形符号 3传感器的图形符号传感器的图形
12、符号 传感器的图形符号是电气图用图形符号的一个组成部分。按GB/T 1447993传感器图用图形符号规定，传感器的图形符号由符号要素正方形和等边三角形组成，如图所示。2022-12-13161.1.5 传感器的发展趋势传感器的发展趋势（1）发现利用新现象、新效应；发现利用新现象、新效应；（2）开发新材料；）开发新材料；（3）采用高新技术；）采用高新技术；（4）拓展应用领域；）拓展应用领域；（5）提高传感器的性能；）提高传感器的性能；（6）传感器的微型化与低功耗；）传感器的微型化与低功耗；（7）传感器的集成化与多功能化；）传感器的集成化与多功能化；（8）传感器的智能化与数字化；）传感器的智能化与
13、数字化；（9）传感器的网络化。）传感器的网络化。2022-12-1317n1.2.1 检测技术检测技术 检测技术是以研究检测系统中的信检测技术是以研究检测系统中的信息提取、信息转换以及息提取、信息转换以及 信息处理的理论信息处理的理论与技术为主要内容的一门应用技术学科与技术为主要内容的一门应用技术学科。检测技术主要研究被测量的测量原理。检测技术主要研究被测量的测量原理、测量方法、检测系统和数据处理等方、测量方法、检测系统和数据处理等方面的内容。不同性质的被测量要采用不面的内容。不同性质的被测量要采用不同的原理去测量，测量同一性质的被测同的原理去测量，测量同一性质的被测量也可采用不同测量原理。量
14、也可采用不同测量原理。1.2 检测技术理论基础检测技术理论基础2022-12-1318n1.2.2 测量方法测量方法 1)直接测量、间接测量和组合测量直接测量、间接测量和组合测量(又称联立又称联立测量测量)。经过求解联立方程组，才能得到被测物理量的最后经过求解联立方程组，才能得到被测物理量的最后结果，则称这样的测量为组合测量。结果，则称这样的测量为组合测量。2)偏差式测量、零位式测量与微差式测量偏差式测量、零位式测量与微差式测量3)等精度测量与非等精度测量等精度测量与非等精度测量4)静态测量与动态测量静态测量与动态测量1.2检测技术理论基础检测技术理论基础2022-12-1319n1.2.3
15、检测系统检测系统检测系统是由被测对象、传感器、数据传输环节、数据检测系统是由被测对象、传感器、数据传输环节、数据处理环节和数据显示环节构成，处理环节和数据显示环节构成，1.2检测技术理论基础检测技术理论基础2022-12-1320n1.2.3 检测系统检测系统检测系统又分：开环检测系统与闭环检测系统检测系统又分：开环检测系统与闭环检测系统 1.2检测技术理论基础检测技术理论基础2022-12-1321n1.2.4 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 测量误差测量误差 在检测过程中，被测对象、检测系统、检测方法在检测过程中，被测对象、检测系统、检测方法和检测人员都会受到各种变动因素的影响。而对
16、被测和检测人员都会受到各种变动因素的影响。而对被测量的转换，有时也会改变被测对象原有的状态。这就量的转换，有时也会改变被测对象原有的状态。这就造成了检测结果和被测量的客观真值之间存在一定的造成了检测结果和被测量的客观真值之间存在一定的差别，这个差值称为测量误差。简言之，测量误差就差别，这个差值称为测量误差。简言之，测量误差就是测量值与真实值之间的差值，它反映了测量的精度是测量值与真实值之间的差值，它反映了测量的精度。测量误差的主要来源可以概括为工具误差、环境误。测量误差的主要来源可以概括为工具误差、环境误差、方法误差和人员误差等。差、方法误差和人员误差等。1.2检测技术理论基础检测技术理论基础
17、2022-12-1322n1.2.4 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 测量数据的估计和处理测量数据的估计和处理 n1)随机误差的评价指标随机误差的评价指标 n（1）算术平均值。在实际测量时，真值算术平均值。在实际测量时，真值A一般无法得到。可以一般无法得到。可以证明，随着测量次数的增多，算术平均值越来越接近真值，当证明，随着测量次数的增多，算术平均值越来越接近真值，当无限大时，测量值的算术平均值就是真值。无限大时，测量值的算术平均值就是真值。n（2）标准误差）标准误差(又称均方根误差又称均方根误差)。算术平均值是反映随机误差。算术平均值是反映随机误差的分布中心，而标准误差则反映随机误差的
18、分布范围。标准误的分布中心，而标准误差则反映随机误差的分布范围。标准误差越大，测量数据的分散范围也越大，标准误差可以描述测量差越大，测量数据的分散范围也越大，标准误差可以描述测量数据和测量结果的精度，是评价随机误差的重要指标。数据和测量结果的精度，是评价随机误差的重要指标。1.2检测技术理论基础检测技术理论基础2022-12-1323n1.2.4 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 系统误差的检查及消除系统误差的检查及消除n1）系统误差的检查方法）系统误差的检查方法（1）实验对比法。）实验对比法。（2）残余误差法。）残余误差法。n2)系统误差的消除方法系统误差的消除方法（1）交换法。交换法。（2）抵消法。抵消法。（3）代替法。）代替法。（4）对称测量法。对称测量法。（5）补偿法。补偿法。1.2检测技术理论基础检测技术理论基础2022-12-1324休息一下
