传感器原理及应用-基本概念.ppt

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教材传感器原理及应用黄贤武郑筱霞编箸电子科技大学出版社参考书n传感器原理、设计与应用（第三版）刘迎春叶湘滨编箸国防科技大学出版社n传感器原理与应用技术刘爱华，满宝元编著人民邮电出版社,2006年第一章基本概念基本概念1-1传感器的定义与组成传感器的定义与组成1-2传感器的特性传感器的特性1-3传感器的误差及信噪比传感器的误差及信噪比第一章基本概念基本概念1-1传感器的定义与组成传感器的定义与组成1-2传感器的特性传感器的特性1-3传感器的误差及信噪比传感器的误差及信噪比1-11-1传感器的定义与组成传感器的定义与组成n传感器的定义传感器的定义n传感器的分类传感器的分类n被测量与能量变换被测量与能量变换一、传感器的定义一、传感器的定义1、定义n所谓传感器是来自“感觉”一词传感器技术属现代高新技术（电五官）n根据GB7665-87，【传感器】（TransducerSensor）的定义定义为：

能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

n我国往往把“传感器”和“敏感元件”等同使用传感器的定义传感器的定义2、传感器的组成n敏感元件敏感元件（Sensingelement）直接感受或响应被测量的部分。

有时也将敏感元件称为传感器。

n转换元件转换元件（Transductionelement）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部分。

传感器的定义传感器的定义3、传感器的特征参数传感器的特征参数n被测量传感器输入量，是传感器命名和分类的重要依据。

n输出量含有原始信号，且为便于接收与处理的信号形式。

传感器的定义传感器的定义4、传感器的传感器的应用从被检测对象中获取原始信号

（1）用于自动检测系统传感器的定义传感器的定义4、传感器的传感器的应用续

（2）用于测控系统自动检测与自动控制系统自动检测与自动控制系统nn在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。

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石化企业输油管道、储油罐等压力容器的石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测破损和泄露检测在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测时，必须对其性能质量检测nn图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。

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种传感器。

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传感器与家用电器传感器与家用电器传感器与家用电器传感器与家用电器自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院等。

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传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用nn机械手、机器人中的机械手、机器人中的传感器：

传感器：

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嗅觉传感器。

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人类基因组计划的研器。

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人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免究也大大促进了对酶、免究也大大促进了对酶、免究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、疫、微生物、细胞、疫、微生物、细胞、疫、微生物、细胞、DNADNA、RNARNA、蛋白质、嗅觉、味、蛋白质、嗅觉、味、蛋白质、嗅觉、味、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、觉和体液组份以及血气、觉和体液组份以及血气、觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传血压、血流量、脉搏等传血压、血流量、脉搏等传血压、血流量、脉搏等传感器的研究。

感器的研究。

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医学医学传感器与航空及航天传感器与航空及航天nn飞行器：

控制在预定轨飞行器：

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控制在预定轨道上道上道上道上nn陀螺仪、阳光传感器、陀螺仪、阳光传感器、陀螺仪、阳光传感器、陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感星光传感器、地磁传感星光传感器、地磁传感星光传感器、地磁传感器器器器航天航天传感器与环境保护传感器与环境保护nn保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于污水流量、用于污水流量、用于污水流量、用于污水流量、PHPH值、电导、浊度、值、电导、浊度、值、电导、浊度、值、电导、浊度、CODCOD、BODBOD、TPTP、TNTN、矿物油、氰化物、氨氮、总、矿物油、氰化物、氨氮、总、矿物油、氰化物、氨氮、总、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、烟尘、烟气、烟尘、烟气、烟尘、烟气、SO2SO2、NONO、O3O3、COCO等参数测等参数测等参数测等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。

量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。

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烟尘浊度测量烟尘浊度测量传感器与遥感技术传感器与遥感技术传感器与遥感技术传感器与遥感技术飞机及航天飞行器：

近紫外线、可见光、远红外线、微波飞机及航天飞行器：

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近紫外线、可见光、远红外线、微波船舶：

超声波传感器船舶：

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超声波传感器微波微波微波微波红外接收传感器红外接收传感器红外接收传感器红外接收传感器红外线分布差异红外线分布差异红外线分布差异红外线分布差异矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区地地地地面面面面二、传感器的分类二、传感器的分类11、按传感器输入量（用途）分类、按传感器输入量（用途）分类生产厂家往往按输入量分类，以向户提供基本的使用信息。

如：

位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器、光强传感器、湿度传感器、粘度传感器、浓度传感器、。

传感器的分类传感器的分类2、按传感器工作机理分类此种分类方法能表示输入变量和输出变之间的关系。

传感器的分类传感器的分类2、按传感器工作机理分类续1

（1）物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量的传感器。

如：

各种压电晶体传感器。

（2）结构型传感器是以结构（如形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被测量转换为电量。

如：

气隙型电感式传感器。

传感器的分类传感器的分类2、按传感器工作机理分类续2（3）化学传感器是利用化学反应的原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。

如：

离子选择性电极。

（4）生物传感器是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器。

近年来发展很快。

传感器的分类传感器的分类3、按信息能量变换方式分类在传感器内部，信息的传递与变换伴随着能量的流动。

（1）能量变换型：

传感器从被测对象中获取能量，用于直接输出。

如：

热电偶、光电池、压电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。

（2）能量控制型：

传感器从被测对象中获取能量，用于控制激励源，故又称有源型传感器。

如：

电阻式、电感式、电容式、霍尔式、。

三、被测量与能量变换三、被测量与能量变换11、示容变量和示强变量、示容变量和示强变量

（1）示容变量或称为流通变量、扩展量（Extensive）示容变量是与空间分布成比例的量，表示能容纳多少的量。

如：

长度、面积、体积、质量、位移、速度、电荷、磁力线、电流、热流、熵、。

被测量与能量变换被测量与能量变换1、示容变量和示强变量

（2）示强变量或跨越变量,密集量（Intensive）示强变量是指在某种场合下，表示作用程度的量。

如：

力、压力、温度、温差、电压、磁通、光通、气体浓度、湿度。

被测量与能量变换被测量与能量变换1、示容变量和示强变量示容量与示强量组合之积是与某种能量相对应的。

如：

力与位移之积是功、力与速度之积是功率、压力与体积之积是气体力学能量、温度与熵之积是热能、温差与热流之积是热功率、电压与电荷之积是电能、电压与电流之积是电功率。

被测量与能量变换被测量与能量变换2、传感器能量变换传感器的工作过程可以视为是将示容量与示强量由一种组合变成另一种组合。

被测量与能量变换被测量与能量变换33、能量变换与误差、能量变换与误差

（1）传感器从被测物体拾取能量时对被测物体的状态产生了影响，从而导致了误差。

如：

热电偶测温时，输入的热流是被测物体传递的，若热电偶的热容量过大，将使被测物体的温度下降，从而产生误差。

（2）传感器输出端的负载消耗传感器的能量时，亦对被测物体造成误差。

传感器对被测物体的影响越小，负载对传感器输出的影响越小，测量精度就越高。

被测量与能量变换被测量与能量变换44、传感器信号变换根据传感器输出信号是模拟量或是数字量，可将信号变换分为两大类。

【模拟变换】输入为模拟量，输出为模拟量。

【数字变换】输入为模拟量，输出为数字量。

被测量与能量变换被测量与能量变换5、传感器的输入与输出特性

（1）传感器的输入特性（负荷效应）传感器的输入特性是用来衡量传感器对被测对象的影响程度。

其主要参数是广义输入阻抗Zi，定义为由于示强变量X与示容变量x的乘积为能量W（或功率），则有能量或功率：

被测量与能量变换被测量与能量变换5、传感器的输入与输出特性可知：

当被测量为示强变量时（如：

被测量为力、压力、温度等），传感器广义输入阻抗越大，从被测对象吸收的能量就越小，误差也就越小。

当被测量为示容变量时（如：

位移、速度、加速度等），传感器广义输入阻抗则越小越好。

当被测示容变量为0时（如：

用力传感器测量静态力时），此时被测点处于力平衡状态，速度为0，此时输入特性应用静态刚度来表示静态刚度：

，此时被测力的功：

被测量与能量变换被测量与能量变换5、传感器的输入与输出特性

（2）传感器的输出特性（阻抗匹配）传感器的输出特性是用来衡量传感器承受负载能力大小的重要参数。

主要参数是广义输出阻抗Zo，定义为从提高负载能力出发，Zo越小越好，承载能力强；从获得最大功率出发，Zo等于负载阻抗。

总的要求是：

希望从被测对象处获取较小的能量，而输出大的有用信号。

四、传感器的发展趋势四、传感器的发展趋势n发现新现象n开发新材料n采用微细加工技术n集成化n智能化n仿生传感器第一章基本概念基本概念1-1传感器的定义与组成传感器的定义与组成1-2传感器的特性传感器的特性1-3传感器的误差及信噪比传感器的误差及信噪比1-2传感器的特性传感器的特性n传感器的静态特性传感器的静态特性n传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的特性就是对输入输出关系的描述，理想的特性是在任何情况下输入与输出都是一一对应的。

分静态特性和动态特性。

1-2传感器的特性传感器的特性一、传感器的静态特性【静态特性】：

输入不随时间变化时（在稳态信号作用下），传感器输出与输入之间的关系。

、变换函数（静态特性的一般数学模型）、变换函数（静态特性的一般数学模型）变换函数反映传感器输入与输出间的关系式，y=f（x）其中x为输入量，y为输出量。

几种典型的变换函数如下表一、传感器的静态特性、变换函数通常，要求传感器在静态情况下的输入与输出保持线性关系，实际上，如上表所示，很难满足理想的线性关系，一般用多项式表示只有当二阶以上的项为0时，才满足理想的线性关系。

一、传感器的静态特性2、灵敏度（静态灵敏度）当输入变化为x时，有：

其中k（x）称为灵敏度，是传感器在工作点上的微商（dydx），是静态特性的最主要指标。

当k（x）为定值时，即y与x成比例，由测量值y便可直接求得x。

灵敏度具有可比性。

一、传感器的静态特性3、精度传感器的精度是指测量结果的可靠程度，它以给定的准确度表示重复某个读数的能力，其误差愈小，则精度愈高。

定义为：

传感器的精度表示传感器在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分比，其中，A为测量范围内允许的最大绝对误差。

在应用中，为了简化传感器的精度的表示方法，引用了精度等级的概念，分为：

0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。

精度等级越小精度越高一、传感器的静态特性4、线性度（非线性误差）在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（F.S）输出值的百分比称为线性度。

线性度：

拟合方法有基端线性拟合、最佳直线拟合和最小二乘法拟合。

一、传感器的静态特性5、最小检测量和分辨率是指传感器能确切反映被测量的最低极限量x，小于这个量的区域称为死区。

对于数字传感器，常用分辨率来表示。

最小检测量（或感度）的影响因素二：

（1）输入的变动量x在传感器内部被吸收如：

带有螺纹或齿条传递的传感器，由于螺纹和螺母间、齿轮和齿条间存在间隙，当输入变量x小于这一间隙时，便被传感器内部吸收。

一、传感器的静态特性5、最小检测量和分辨率续1

（2）传感器输入、输出端均存在噪声干扰，x过小时，被外界噪声所淹没。

最小检测量：

其中，C为系数，一般取15，N为噪声电平，K为灵敏度。

对于数字式传感器，则用输出数字指示值最后一位数字所代表的输入量来表示，称为分辨率。

一、传感器的静态特性6、滞后性在输入量增加过程中测得的某一点输出值，与在输入减少过程测得的同一点值不一样，这种现象称为滞后。

图中曲线称为滞环特性曲线。

一、传感器的静态特性6、滞后性续1对滞后性的衡量，一般用滞环的最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，称为滞环误差或如果传感器存在滞后性，则输入与输出就不能保持一一的对应关系，因此应尽量使之变小。

产生滞后性的原因主要是材料的物理性质所造成的。

一、传感器的静态特性7、重复性重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全量程范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。

一、传感器的静态特性7、重复性续1不一致性一般用各测量值正、反行程标准偏差最大值的两位或三倍值与满量程输出值的百分比来表示（或称为回差）或其中，为标准偏差。

一、传感器的静态特性8、零点漂移传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值），即为零点飘移，用百分比表示：

其中，y0为最大零点偏差（或相应偏差）。

一、传感器的静态特性9、温度漂移温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。

一般以温度变化1时，输出最大偏差与满量程的百分比表示：

其中，max为输出最大偏差，T为温度变化范围。

1-2传感器的特性传感器的特性二、传感器的动态特性【传感器动态特性】传感器的响应特性。

【传感器响应】当输入信号随时间变化时，输出信号随之变化的情况。

二、传感器的动态特性1、动态特性的一般数学模型由于传感器在工作中，质量加速或减速需要时间，能量存取需要时间，信号在传输过程中克服阻力需要时间，所以输出信号总是要迟后输入信号，不可能同步变化。

动态特性的一般数学模型为一常系数微分方程:

式中，y（t）为输出信号，x（t）为输入信号，a0,a1,an及b0,b1,bm均为常数。

二、传感器的动态特性1、动态特性的一般数学模型续1对上式两边进行拉氏变换，得则得系统的传递函数如下在一般情况下，上面的传递函数可以分解为分母为一次多项式和二次多项式的分式形式，用一次多项式作分母的系统称为传递函数的一阶系统（即惯性环节），用二次多项式作分母的系统称为传递函数的二阶系统（即振荡环节）。

所以一阶和二阶系统的响应是最基本的响应。

传感器的动态特性2、零阶传感器的数学模型零阶传感器的微分方程只有a0、b0两个系数，方程为:

或其中k为静态灵敏度，所以零阶系统的动态特性即就是系统的静态特性。

传感器的动态特性2、零阶传感器的数学模型-续1典型的零阶系统如线性电位器输出电压与电刷位移之间的关系：

传感器的动态特性3、一阶传感器的数学模型（惯性环节）n一阶系统的方程式为或其中（a1/a0），称为时间常数，（b0/a0）为静态灵敏度。

n一阶系统函数（传递函数）传感器的动态特性3、一阶传感器的数学模型-续1典型的一阶传感器如热电偶传感器的动态特性3、一阶传感器的数学模型-续2微分方程如下:

其中:

Rmc，为热电偶的时间常数，R为介质与热电偶之间的热阻，m热电偶质量，c为热电偶的比热，mc为热电偶的热容量。

传感器的动态特性4、二阶传感器的数学模型（振荡环节）n二阶系统的微分方程为n二阶系统函数（拉氏传递函数）传感器的动态特性4、二阶传感器的数学模型-续1式中，为静态刚度；，无阻尼固有频率；，阻尼比。

上述三个量称为二阶传感器的特征量。

典型的二阶传感器有光线示波器的振动子、铠装热电偶（即带保护套管的热电偶）。

传感器的动态特性5、传感器的动态特性【时域方面】采用瞬态响应法（阶跃响应）【频域方面】采用频率响应法（正弦响应）

（1）单位阶跃响应函数为传感器的动态特性5、传感器的动态特性阶跃响应1

（2）一阶传感器的阶跃响应其中，为时间常数。

传感器的动态特性5、传感器的动态特性阶跃响应2（3）二阶传感器的阶跃响应二阶系统分欠阻尼系统（R时，有：

其中，1，为工作臂Rx的电阻相对变化率。

金属电阻应变传感器五、测量电路22、直流电桥的特点及基本类型、直流电桥的特点及基本类型、结构：

直流电桥是由连接成环形的四个电阻（桥臂电阻）所组成，由一直流电源提供能量，输出端与放大器相连。

金属电阻应变传感器五、测量电路、电桥平衡条件：

此时，测量输出端的输出为零。

金属电阻应变传感器五、测量电路、桥路输出电压若输出端放大器的输入阻抗很高，则可视为输出端开路，即：

RL，此时两支路中的电流分别为在R1和R3上的压降分别为金属电阻应变传感器五、测量电路则桥路输出端的电压为金属电阻应变传感器五、测量电路、电桥的电压灵敏度若R1为电阻式传感器，R2、R3、R4为固定桥臂，R10、R20、R30、R40为平衡时的初始阻值，此时输出为零，当RL，R1变化R时，则输出为金属电阻应变传感器五、测量电路令，根据平衡条件：

（桥臂比），则如果R1，略去分母中的R，则有则电压灵敏度为：

金属电阻应变传感器五、测量电路提高KU的途径：

n提高电源电压（受电源耗散功的限制）；n选择合适的桥臂比n（n=1时最大：

）。

金属电阻应变传感器五、测量电路33、电桥的结构形式、电桥的结构形式

（1）串联对称式：

相等两桥臂同在一个支路中形成串联形式。

即金属电阻应变传感器五、测量电路在单臂工作时，R1=R10+R，取RL=，此时有令，根据平衡条件：

，则略去分母中的R，近似有：

金属电阻应变传感器五、测量电路从上式中可看出：

n输出电压的大小只与R有关，且成正比；n必须有高稳定性电源，以维持UE不变，否则会影响输出；n只有当2R4时，上式才成立。

金属电阻应变传感器五、测量电路（）并联对称式相等两桥臂分别接入不同支路的对称位置。

即金属电阻应变传感器五、测量电路在单臂工作时，R1=R10+R，取RL=，此时有令，则有金属电阻应变传感器五、测量电路从上式中可看出:

n输出电压除与R和UE有关外，还与同一支路中桥臂比m有关，n当m=1时，与串联对称式相同。

金属电阻应变传感器五、测量电路（3）等臂电桥组成桥路的四个臂，其阻值均相等。

即平衡条件：

，假设RL=，根据应变片的工作情况，分三种情况加以分析金属电阻应变传感器五、测量电路单臂工作：

电桥工作臂R1为电阻传感元件。

输出电压金属电阻应变传感器五、测量电路半桥线路（双臂工作）：

电桥工作臂R1和R2为电阻传感元件。

输出电压从公式中可以看出nUO与R之间为线性关系；n输出电压为单臂时的两倍。

金属电阻应变传感器五、测量电路全桥线路（四臂工作）：

电桥的四个工作臂均为电阻传感元件。

输出电压:

从公式中可以看出nUO与R之间为线性关系；n输出电压为单臂时的倍；n输出电压UO与电源电压UE的比值在数值上等于R。

金属电阻应变传感器五、测量电路、负载电阻为有限值的情况上述均假定RL=，当RL为有限值时，则负载RL上的压降为式中，RTh为等效内阻上式说明，在考虑负载后，输出电压缩小了倍。

金属电阻应变传感器五、测量电路、桥路的电阻平衡n在桥路中，实际上很艰使桥臂电阻绝对相同，总会存在差异，因此，必须设计调零电路，以使初始状态达到平衡。

n调零电路一般由两个电阻（其中一个为可调电阻）组成星形连接电路。

金属电阻应变传感器五、测量电路带调零电路的电桥。

可调平衡范围金属电阻应变传感器五、测量电路6、非线性误差及其补偿方法从前述电桥的输出电压知：

其中，说明桥的输出出电压与输入电压之间