1、学习单元一传感器与自动测控系统学习单元二传感器的分类学习单元三传感器的命名、代号和图形符号学习单元四传感器的特性学习单元五传感器的标定与校准模块一模块一 传感器技术基础传感器技术基础学习单元六改善传感器性能的主要技术途径学习单元七传感器的发展趋势模块一模块一 传感器技术基础传感器技术基础 模块导读模块导读人类已经进入科学技术空前发展的信息社会，计算机、移动通信、机器人、自动控制技术及单片机嵌入系统迅速发展，尤其是物联网技术的突起，都迫切需要种类繁多的传感器。传感器是系统的“电五官”，负责信息的感知和采集，并将这些信息转化为能被系统处理的信号。在现代信息科学的三大支柱技术中，传感器技术居于首位。
2、本模块重点介绍传感器的定义、分类、特性及标定和校准，使读者对传感器技术有一个基本的认识和了解。学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器与自动测控系统世界是由物质组成的，表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。人类为了认识物质，需要对物质特性进行测量，测量中大多是针对非电量的测量，如力、位移、温度等。由于非电量不能直接使用一般电工仪表和电子仪器测量，电信号则易于直接用电子仪器测量和传输，因此常常将非电量转换成有对应关系的电量，如电流和电压，然后进行测量。实现这种转换技术的器件即为传感器。自动检测和自动控制系统处理的大都是电量，需要通过传感器对非电量的
3、原始信息进行精确可靠的捕获并转换为电量。学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器与自动测控系统 传感器概述一、一、传感器的作用是将被测非电物理量转换成与其有一定关系的电信号，它获得的信息准确与否，直接关系到整个系统的精确度。中华人民共和国国家标准传感器通用术语（GB/T 76652005）规定的传感器的定义为：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器
4、与自动测控系统传感器的组成框图如图1-1所示。图1-1 传感器的组成框图学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器与自动测控系统传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将其按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。中国物联网校企联盟认为：传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。根据传感器的敏感元件进行分类，可将传感器分为物理类（基于力、热、光、电、磁和声等物理效应）、化学类（基于化学反应的原理）和生物类（基于酶、抗体和激素等分子识别功能）；根据传感器的基本感知功能可将其分为热敏元件
5、、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十几大类。学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器与自动测控系统人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官；而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律，以及生产活动中就远远不够了。为了适应这种情况就需要传感器。因此，传感器是人类五官的延伸，又称之为“电五官”。人们常将传感器的功能与人类五大感觉器官相比拟：学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器与自动测控系统光敏传感器视觉；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。学习单元一学习单元一 传感器与
6、自动测控系统传感器与自动测控系统目前，最新的技术已经实现了意念的感知和传递。2014年2月，美国科学家完成了“阿凡达猴子实验”，实现了两只猴子之间的意念传递。通过一只猴子的意念控制另一只猴子的行为，即意念的测控（感知、传递、控制）。生物电传感器等意念。学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器与自动测控系统新技术革命的到来，使世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的问题就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最
7、好的质量。因此，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器与自动测控系统在基础学科研究中，传感器更具有其突出的地位。随着现代科学技术的发展，传感器进入了许多新领域。例如，在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到飞米（fm，1 fm=10-15m）的粒子世界；纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到飞秒（fs，1 fs=10-15 s，光在真空中1 fs仅走0.3 m）的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识，开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等。显然，要获取
8、大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难；而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器与自动测控系统传感器的发展趋势是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。总体上看，传感器技术是涉及能量转换原理，材料选择和制造，器件设计、开发和应用等的多项综合技术。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测
9、、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程甚至文物保护等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空到浩瀚的海洋以至各种复杂的工程系统，几乎每个现代化项目都离不开各种各样的传感器。学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器与自动测控系统由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的作用是十分重要与明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信在不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器与自动测控系统 自动测控系统概述二、二、自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量掌握所从事的一系列技术措施。
10、自动测控系统是完成这一系列技术措施的装置之一，它是检测控制器与研究对象的总和，通常可分为开环与闭环两种，其框图如图12和图13所示。图12 开环自动测控系统框图学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器与自动测控系统图13 闭环自动测控系统框图由图可以看出，一个完整的自动测控系统一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。学习单元一学习单元一 传感器与自动测控系统传感器与自动测控系统思考与练习问题1 传感器的定义是什么？它由哪几部分组成？它在自动测控系统中起什么作用？思考：问题2 为什么称传感器为电五官？谈谈传感器在信息社会中的地位。思考：学习单元二学习单元二 传
11、感器的分类传感器的分类根据某种原理设计的传感器可以同时测量多种非电物理量，而有时一种非电物理量又可以用几种不同传感器测量。因此，传感器有许多分类方法，常见的分类方法有两种：一种是按被测物理量来分，另一种是按传感器的工作原理来分。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类 按被测物理量分类 一、一、传感器按被测物理量的性质可分为温度传感器、力敏传感器、磁敏传感器、光敏传感器、位移传感器、加速度传感器、湿度传感器、声音传感器、色彩传感器、红外传感器、流量传感器、液位传感器等。这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量两类。例如，力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重力、应力、力
12、矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力敏传感器就可以了。了解基本被测量和派生被测量的关系，对选用传感器类型很有帮助。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类常见的非电基本被测量和派生被测量见表11。表11 常见的非电基本被测量和派生被测量学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类按被测物理量的性质进行分类的优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用；缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类 按传感器的工作原理分类二、二、传感器按工作原理可分为电阻式、电容式、电
13、感式、热电式、光电式、磁电式、压电式等。通常同一机理的传感器可以测量多种物理量，而同一被测物理量又可以采用多种不同类型的传感器来测量。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类表12 传感器按工作原理的分类学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类电阻应变式传感器电阻应变式传感器1.电阻应变式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电量输出。其实现方法是将电阻应变片粘贴在弹性元件表面上，当力、扭矩、速度、加速度等物理量作用在弹性元件上时，会导致弹性元件和粘贴的电阻应变片发生应变效应，进而引起电阻应变片电阻的变化。电阻应变片简称应变片，是一种能够将机械构件上
14、应变的变化转换为电阻变化的传感件，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。电阻应变效应是指金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类热电式传感器热电式传感器2.热电式传感器是一种将温度的变化转换成电量变化的装置。它利用敏感元件的电参数随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行测量，是众多传感器中应用最广泛、发展最快的传感器之一。热电式传感器所基于的物理原理主要包括热电效应、热阻效应、热辐射、磁导率随温度变化的特性等，因此按照工作原理，可将热电式传感器分为热敏电阻、热电偶、PN结型测温传感器、辐射高温计等。下面主要介绍热敏电阻。
15、学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类热敏电阻是最常见的温度检测元件之一，其测量精度高、种类多、发展较成熟，它由一种半导体材料制成，特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为电量的变化。热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度变化的特性制成的一种热敏元件。热敏电阻的导电性能主要由内部的载流子（电子和空穴）密度和迁移率所决定，当温度升高时，外层电子在热激发下大量成为载流子，载流子的密度大大增加，活动能力加强，从而导致其阻值的急剧下降。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类按照电阻的阻值随温度变化的情形，可将热敏电阻分为三类：阻值随温度的上升而减小的负温度系数（negati
16、ve temperature coefficient，NTC）热敏电阻，它的主要材料是过渡金属氧化物半导体陶瓷；阻值随温度的上升而增加的正温度系数（positive temperature coefficient，PTC）热敏电阻，其主要材料是掺杂的半导体陶瓷；临界温度系数热敏电阻（critical temperature resistor，CTR），它的阻值在特定的温度范围内随温度升高而降低34个数量级，主要材料是二氧化钒，并添加了一些金属氧化物，可组成理想的控制开关。在温度测量中，主要采用的是NTC和PTC热敏电阻，尤其是NTC热敏电阻。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类热敏电
17、阻主要用作检测元件和电路元件。热敏电阻在温度计、温度补偿、湿度计、分子量测定、液位报警、流速计、气体分析仪、真空计等仪器仪表中用作检测元件；在偏置线圈的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿、恒压电路、延迟电路、保护电路、自动增益控制电路、RC振荡电路、振幅稳定电路等电路中用作电路元件。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类光电式传感器光电式传感器3.光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器工作时首先把被测量的变化转换成为光量的变化，然后通过光电器件把光量的变化转换为相应的电量的变化，从而实现非电量的测量。光电式传感器的敏感元件是光电器件。光电
18、式传感器的工作原理基于光电效应。光电效应是指物体吸收了光能后，光能转换为该物体中某些电子的能量，从而产生电流的电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。能产生光电效应的器件称为光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等，下面主要介绍光敏电阻。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类光敏电阻是利用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器，表面涂有防潮树脂，具有光电效应。光敏电阻对光线十分敏感。在无光照时，电阻值（暗电阻）很大；当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小。例如，光电式传感器的一个应用是烟尘浊度监测仪。烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道里传输
19、过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。另外，光电式传感器也应用于光电式转速传感器、光电式液位传感器、无触点式路灯控制电路等。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类磁电式传感器磁电式传感器4.磁电式传感器是对磁场参量敏感的元器件，具有把磁物理量转换成电信号的功能。在磁电式传感器中，主要利用的是霍尔效应和磁阻效应。磁电式传感器主要分为三类：霍尔元件、磁敏电阻、磁敏二极管和三极管。其中，霍尔元件及霍尔传感器的应用量最大。霍尔元件的工作原理基于霍尔效应。霍尔效应是指磁场作用于载
20、流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象，输出的稳定电势差即霍尔电压。根据霍尔效应制成的霍尔器件可用于磁场和功率测量，也可制成开关元件。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类磁敏电阻是基于磁阻效应的磁敏元件。将一载流导体置于外磁场中，其电阻会随着磁场的变化而变化，这种现象称为磁阻效应。磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、位移和角速度检测器、安培计及磁敏交流放大器等。磁敏二极管是PN结型磁电转换元件，在磁场强度的变化下电流也发生变化，具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小和体积小等特点，因此适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。学习单元二学习单元二 传感器
21、的分类传感器的分类磁敏三极管与磁敏二极管一样，是PN结型磁电转换元件。磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显的变化，这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。磁敏三极管的应用领域与磁敏二极管相似，主要应用于测量磁场、大电流、磁力探伤、接近开关、程序控制、位置控制、转速测量和各种工业工程自动控制等技术领域。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类压电式传感器压电式传感器5.压电效应是指某些介质，当沿着一定方向施加力使之变形时，其内部产生极化现象，同时在表面上产生符号相反的电荷；外力去掉后又恢复不带电状态的现象。压电式传感器是利用某些物质的压电效应制成的，
22、当被测量物因为受力而产生变化时，传感器能够产生静电电荷或电压变化。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类大多数晶体都具有压电效应，其中石英晶体是性能比较好的材料，它被广泛应用于电子信息产业的各领域，如家电、无线电通信等。压电式力敏传感器是利用压电元件直接实现力电转换的传感器，在拉力、压力测量时，通常较多采用双片或多片石英晶片做压电元件，其特点是刚度大、测量范围宽、线性好。压电式力传感器按照测力状态可分为单向、双向和三向传感器，它们的结构基本一致，都是通过弹性膜、盒等收集压力并转换成力，再传递给压电元件。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类压电式加速度传感器又称为压电加速度计。
23、它是利用某些物质（如石英晶体）的压电效应，在加速度计受振动力作用时，加在压电元件上的力也随之变化。当被测物的振动频率远低于加速度计的固有频率时，力的变化与被测加速度成正比。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类光纤传感器光纤传感器6.光纤传感器一般由光源、光导纤维、光传感器元件、光调制机构和信号处理器等部分组成，其工作原理是：光源发出的光经光导纤维进入光传感元件，而在光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化的光再进入光调制机构，由其将传感元件测量检测的参数调制成幅度、相位、偏振等信息，这一过程称为光电转换过程，最后利用微处理器如频谱仪等进行信号处理。光纤传感器具有强抗干扰性，所以应用
24、范围很广，尤其适用于恶劣环境，具有很大的市场需求，如石油化工系统、矿井、大型电厂等需要检测氧气、碳氢化合物、一氧化碳等气体的场所。采用传统的传感器不但达不到要求的精度，而且易引起安全事故，光纤气敏传感器则可以安全有效地实现上述检测。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类这种分类方法的优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析；缺点是不便于使用者根据用途选用。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类 其他分类方法三、三、传感器按输出量分类有模拟式、数字式传感器；按工作效应分类有物理传感器、化学传感器、生物传感器等；按能量关系分类有能量转化
25、型、能量控制型传感器等。无论是哪一种分类方法，对于传感器来说，都有一些基本要求，具体表现为：学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类（1）足够的容量。传感器的工作范围或量程需要足够大，且具有一定的过载能力。（2）灵敏度高，精度适当。输出信号与被测信号呈确定的关系，通常为线性关系，并且比值要尽量大；同时，传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。（3）响应速度快，工作稳定，可靠性好。（4）使用性和适应性强。体积小，质量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小且不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。（5）使用经济。成本低，寿命长，便于使用、维修和校
26、准。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类本书介绍的传感器主要是按被测物理量分类，针对测量任务组织章节编写的，适当加以工作原理的分析，重点讲述各种传感器的用途，侧重培养应用技术能力，使读者学会应用传感器，并进一步开发利用新型传感器。学习单元二学习单元二 传感器的分类传感器的分类思考与练习问题 传感器的分类方法主要有哪几种？各有什么优点和缺点？思考：学习单元三学习单元三 传感器的命名、代号和图形符号传感器的命名、代号和图形符号中华人民共和国国家标准传感器命名法及代码（GB/T 76662005）规定了传感器的命名方法及图形符号，并将其作为统一传感器命名及图形符号的依据。该标准适用于传感器
27、的生产、科学研究、教学及其他相关领域。学习单元三学习单元三 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 传感器的命名一、一、根据GB/T 76662005的规定，传感器的全称应由“主题词+四级修饰语”组成，即 主题词传感器；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）。学习单元三学习单元三 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 传感器的代号二、二、d序号。c转换原理
28、；b被测量；a主称（传感器）；根据GB/T 76662005的规定，传感器的代号应包括以下四部分：学习单元三学习单元三 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产品代号的编制格式如图14所示。在被测量、转换原理和序号三部分代号之间须用连字符“”连接。图14 传感器产品代号的编制格式学习单元三学习单元三 传感器的命名、代号和图形符号传感器的命名、代号和图形符号例如：学习单元三学习单元三 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 传感器的图形符号三、三、图形符号通常在图样或技术文件中用来表示一个设备或概念的图形、标记或字符。由于它能象征性或形象化地标记信息，因
29、此可以越过语言障碍，直接地表达设计者的思想和意图，在实际中应用广泛。传感器的图形符号是电气图用图形符号的一个组成部分。学习单元三学习单元三 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1994年2月1日国家批准实施的传感器图用图形符号（GB/T 144791993）是与国际接轨的。按照此规定，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15所示。其中，正方形表示转换元件，等边三角形表示敏感元件。图15 传感器的图形符号学习单元三学习单元三 传感器的命名、代号和图形符号传感器的命名、代号和图形符号图16所示是几种典型传感器的图形符号。图16 几种典型传感器的图形符号 学习单
30、元三学习单元三 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GB/T 144791993给出了43种常用传感器的图形符号示例。标准规定，对于采用新型或特殊转换原理或检测技术的传感器，亦可参照标准的有关规定自行绘制，但必须经主管部门认可。学习单元三学习单元三 传感器的命名、代号和图形符号传感器的命名、代号和图形符号思考与练习问题 传感器的图形符号由哪几部分组成?思考：学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性传感器测量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。为了降低或消除传感器在测控系统中的误差，传感器需要具有良好的静态特性和动态特性，才能准确地感知和转换信号或能量。学习
31、单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性 传感器的静态特性一、一、静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有的相互关系。因为这时的输入量和输出量都和时间无关，如热电阻的阻值随温度变化特性，它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量（如温度）作为横坐标，把与其对应的输出量（如阻值）作为纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、重复性、迟滞和分辨力等。下面具体介绍几种传感器的静态特性指标。学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性线性度线性度1.线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度
32、，又称非线性误差。通常情况下，传感器的实际静态特性输出是一条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性拟合直线（见图1-7）的选取有多种方法，如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，称为最小二乘法拟合直线。显然，选取的拟合直线不同，所得的线性度值也不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差，并考虑使用与计算方便。图1-7 拟合直线 学习单元四学习单元四 传感器的特性
33、传感器的特性灵敏度灵敏度2.灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率；非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，用S表示灵敏度，如图1-8所示。图1-8 灵敏度学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性重复性重复性3.重复性是传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。如图1-9所示，正行程的最大重复性偏差为Rmax1，反行程的最大重复性偏差为Rmax2。图1-9 重复性学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性多次重复测试的曲线越重合，说明重复性越好，误差也小。重复性的好坏是与许多随机因素有关的。传
34、感器输出特性的不重复性主要是由传感器机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内摩擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因导致的。学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性迟滞迟滞 4.迟滞是指传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度，如图1-10所示，图中用Hmax表示最大迟滞偏差。图1-10 迟滞特性学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性产生这种现象的主要原因是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料内摩擦、积尘等。迟滞特性一般由实验方法确定。学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性分辨力分辨力5.传感
35、器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量，有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性稳定性稳定性6.稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性，它是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性漂移漂移7.传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移量的大小也是衡量传感器稳定性的重要性能指标。传感器的漂移有时会导致整个测量或控制系统处于瘫痪状态。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等，零点漂移和灵
36、敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移是环境温度变化引起的零点或灵敏度的变化。学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性 传感器的动态特性二、二、传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。由于传感器存在惯性滞后，当被测量随时间变化时，传感器的输出往往来不及达到平衡状态，即处于动态过渡过程之中，因此传感器的输出量表征为时间函数关系。在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。由于传感器及系统的动态特性取决于传感器及系统本身及输入信号的形式，因此工程上常用单位阶跃函数和正弦函数
37、等作为“标准”输入信号，对传感器及系统的动态特性进行分析，据此确立传感器及检测系统动态特性的指标。最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性阶跃响应特性阶跃响应特性1.给传感器输入一个单位阶跃函数信号：学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性其输出特性称为阶跃响应特性，如图1-11所示。由图可衡量阶跃响应的几项常见指标。图1-11 传感器的阶跃响应特性学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性（1）上升时间tr。传感器输出值由稳态值的10%上升到90%所需的时间。（2）响应时间
38、ts。输出值达到允许误差范围%所经历的时间。（3）超调量。输出值第一次超过稳态值的峰高，即=ymax-yc，常用/yc100%表示。上升时间tr、响应时间ts表征系统的响应速度性能，超调量则表征传感器的稳定性能。通过这两个方面可以比较完整地描述传感器的动态特性。学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性频率响应特性频率响应特性2.由控制理论可知，在初始条件为零时，传感器及系统输出的傅里叶变换和输入的傅里叶变换之比，即为传感器及系统的频率响应函数。将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，其输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系，称为频率响应特性。幅频特性即输出与输入的幅值比，相频特性
39、即输出与输入的相角差。由于相频特性与幅频特性之间有一定的内在关系，因此在表示传感器的频响特性及频域性能指标时主要用幅频特性。学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性图1-12所示为典型的对数幅频特性曲线。工程上通常将3 dB所对应的频率范围称为频响范围，又称通频带。对于传感器，则常根据所需测量精度来确定正负分贝数所对应的频率范围，称为工作频带。图1-12 典型的对数幅频特性曲线学习单元四学习单元四 传感器的特性传感器的特性思考与练习问题1 什么是传感器的静态特性？它由哪些技术指标描述?思考：问题2 什么是传感器的动态特性？其分析方法有哪几种？思考：学习单元五学习单元五 传感器的标定与校准
40、传感器的标定与校准任何一种传感器在装配完成后都必须按设计指标进行全面严格的性能鉴定。使用一段时间后（中国计量法规定一般为一年）或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验，以确保传感器的主要性能指标达到要求。学习单元五学习单元五 传感器的标定与校准传感器的标定与校准 标定与校准的方法一、一、传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确定传感器输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。传感器校准是指传感器须定期检测其基本性能参数，判定是否可继续使用，若能继续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正，确保传感器测量精确度的过程。校准与标
41、定的内容是基本相同的，下面对标定进行介绍。学习单元五学习单元五 传感器的标定与校准传感器的标定与校准工程测试中传感器的标定，应在与其使用条件相似的环境状态下进行，并将传感器所配用的滤波器、放大器及电缆等和传感器连接后一起标定，标定时应按照传感器规定的安装条件进行安装。传感器标定系统一般由被测物理量的标准发生器，被测物理量的标准测试系统，待标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等组成。学习单元五学习单元五 传感器的标定与校准传感器的标定与校准 静态标定二、二、输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等传感器的静态特性指标的过程称
42、为静态标定。传感器的静态标定设备有力标定设备（如测力砝码、拉压式测力计）、压力标定设备（如活塞式压力计、水银压力计、麦氏真空计）、位移标定设备（如量块、直尺等）、温度标定设备（如铂电阻温度计、铂铑铂热电偶、基准光电高温比较仪）等。学习单元五学习单元五 传感器的标定与校准传感器的标定与校准对标定设备的要求是：具有足够的精度，至少应比被标定的传感器及其系统高一个精度等级，并且符合国家计量量值传递的规定，或经计量部门检定合格；量程范围应与被标定的传感器量程相适应；性能稳定可靠；使用方便，能适用多种环境。学习单元五学习单元五 传感器的标定与校准传感器的标定与校准例如，应变式测力传感器静态标定设备系统框
43、图如图113所示。测力机用来产生标准力，高精度稳压电源经精密电阻箱衰减后向传感器提供稳定的电源电压，其值由数字电压表读取，传感器的输出由高精度数字电压表读出。图113 应变式测力传感器静态标定设备系统框图学习单元五学习单元五 传感器的标定与校准传感器的标定与校准 动态标定三、三、动态标定用于确定传感器的动态性能指标，它是指通过确定其线性工作范围（用同一频率不同幅值的正弦信号输入传感器，测量其输出）、频率响应函数、幅频特性和相频特性曲线、阶跃响应曲线来确定传感器的频率响应范围、幅值误差和相位误差、时间常数、阻尼比、固有频率等。传感器种类繁多，动态标定方法各异。标定中常用的动态激励设备有激振器（如
44、电磁振动台、低频回转台、机械振动台等）、激波管、周期与非周期函数压力发生器等。其中，激振器可用于加速度、速度、位移、力、压力传感器的动态标定。学习单元五学习单元五 传感器的标定与校准传感器的标定与校准思考与练习问题 传感器的标定和校准是如何定义的？为什么要进行标定和校准？思考：学习单元六学习单元六 改善传感器性能的主要技术途径改善传感器性能的主要技术途径传感器的性能指标包括很多方面，要使某一传感器的各项指标都优良，不仅设计制造困难，而且在实用上也没有必要。因此,应根据实际要求与可能，在保证主要性能指标的前提下，放宽对次要性能指标的要求，从而提高性能价格比。在设计、使用传感器时采用以下一些技术措
45、施可改善传感器性能：学习单元六学习单元六 改善传感器性能的主要技术途径改善传感器性能的主要技术途径稳定性技术稳定性技术1.学习单元六学习单元六 改善传感器性能的主要技术途径改善传感器性能的主要技术途径抗干扰技术抗干扰技术2.传感器可看成一个复杂的输入系统，输入信号除有被测量外，还有外界干扰因素。为减小测量误差，应设法削弱或消除外界干扰因素对传感器的影响，方法有以下两种:（1）减少影响传感器灵敏度的因素，如采用补偿、差动全桥等措施。（2）降低干扰因素对传感器的实际作用的功率，如采用屏蔽、隔离措施等。学习单元六学习单元六 改善传感器性能的主要技术途径改善传感器性能的主要技术途径补偿校正技术补偿校正
46、技术3.当传感器或检测系统的系统误差的变化规律过于复杂，采取一定的技术措施后仍难满足要求，或者可满足要求，但经济上不合算或技术过于复杂而无现实意义时，可找出误差的方向和数值，采用修正曲线方法加以补偿或校正。学习单元六学习单元六 改善传感器性能的主要技术途径改善传感器性能的主要技术途径合理选择传感器材料、结构与参数合理选择传感器材料、结构与参数4.选用传感器时，应根据要求，合理选择传感器的基本参数、环境参数，并根据使用条件选择合适的种类及结构和材质等。学习单元六学习单元六 改善传感器性能的主要技术途径改善传感器性能的主要技术途径思考与练习问题 改善传感器性能的主要技术途径有哪些？思考：学习单元六
47、学习单元六 改善传感器性能的主要技术途径改善传感器性能的主要技术途径课堂体验基本内容 找出日常生活中的传感器，并说说它们的类别和作用。本环节由教师组织学生进行，教师和学生一起讨论日常生活中用到的传感器，学生根据前面所学知识对传感器采集的信息进行分析，并对传感器进行分类，如电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等。学习单元七学习单元七 传感器的发展趋势传感器的发展趋势传感器作为人类认识和感知世界的一种工具，其发展历史相当久远，可以说它是伴随着人类文明的进程而发展起来的。传感器技术的发展程度，影响、决定着人类认识世界的程度与能力。学习单元七学习单元七 传感器的发展趋势传感器的发展趋
48、势随着科学的进步和社会的发展，传感器技术在国民经济和人们日常生活中占有越来越重要的地位。人们对传感器的种类、性能等方面的要求越来越高，这也进一步促进了传感器技术的快速发展。许多国家都把传感器技术列为重点发展的关键技术之一。美国曾把20世纪80年代看成传感器技术时代，并将其列为20世纪90年代22项关键技术之一；日本把传感器技术列为20世纪80 年代十大技术之首。从20世纪80年代中后期开始，我国也把传感器技术列为国家优先发展的重要技术之一。传感器技术是一项与现代技术密切相关的尖端技术，近年来发展很快，其主要特点及发展趋势表现在以下几个方面：学习单元七学习单元七 传感器的发展趋势传感器的发展趋势
49、发现利用新现象、新效应发现利用新现象、新效应1.利用物理现象、化学反应和生物效应是各种传感器工作的基本原理，所以发现新现象与新效应是发展传感器技术的重要工作，是研制新型传感器的理论基础，其意义极为深远。例如，日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度之高，仅次于超导量子干涉器件。但它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单，可用于磁成像技术，具有广泛的推广价值。学习单元七学习单元七 传感器的发展趋势传感器的发展趋势开发新材料开发新材料2.传感器材料是传感器技术发展的物质基础，随着材料科学的快速发展，人们可根据实际需要控制传感器材料的某些成分或含量，从而设计制
50、造出用于各种传感器的新的功能材料。例如，用高分子聚合物薄膜制成温度传感器，用光导纤维制成压力、流量、温度、位移等多种传感器，用陶瓷制成压力传感器，用半导体氧化物制成各种气体传感器等。这些新材料的应用，极大地提高了各类传感器的性能，促进了传感器技术的发展。学习单元七学习单元七 传感器的发展趋势传感器的发展趋势采用高新技术采用高新技术3.随着微电子技术、计算机技术、精密机械技术、高密封技术、特种加工技术、集成技术、薄膜技术、网络技术、纳米技术、激光技术、超导技术、生物技术等高新技术的迅猛发展，传感器技术进入了一个更为广阔的发展空间。高新技术成果的采用，成为传感器技术发展的技术基础和强大推动力。因此
