第一章-传感器的技术基础

第1章 传感器与检测技术基础检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段。

而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要手段。

我们已经知道，对于电量参数的测量具有测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机方便地连接进行数据处理、也可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等一系列优点。

但是在工程上和实际的测量中，所需要测量的参数往往有相当大的部分为非电量，例如温度、位移、压力、流量等，所以通常就把将这些非电量转换为电信号输出的装置或设备称为传感器。

传感器与检测技术是一门随着现代科学技术发展而迅猛发展的综合性技术学科，广泛应用于人类的社会生产和科学研究中，起着越来越重要的作用，成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要技术。

检测的基本任务就是获取有用的信息，通过借助专门的仪器、设备，设计合理的实验方法以及进行必要的信号分析与数据处理，从而获得与被测对象有关的信息，最后将结果提供显示或输入其他信息处理装置、控制系统。

因此，传感器与检测技术属于信息科学范畴，它与通信技术、计算机技术一起分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”，是信息技术的三大支柱(传感技术、通信技术和计算机技术)之一。

检测技术的发展与生产和科学技术的发展是紧密相关的，它们互相依赖、相互促进。

现代科技的发展不断地向检测技术提出新的要求，推动了检测技术的发展。

与此同时，检测技术迅速吸取各个科技领域(如材料科学、微电子学、计算机科学等)的新成果，开发出新的检测方法和先进的检测仪器，同时又给科学研究提供了有力的工具和先进的手段，从而促进了科学技术的发展。

在各种现代机械设备的设计和制造中，检测技术的成本已达到设备系统总成本的50%～70%。

据资料统计：一辆汽车需要30～100余种传感器及配套检测仪表用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等；而一架飞机需要3600余种传感器及配套检测仪表用来监测飞机各部位的参数(压力、应力、温度等)和发动机的参数(转速、振动等)等。

第一章传感器的基本知识复习思考题1. 简述传感器的概念、作用及组成。

2. 传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？3. 传感器是如何命名的？其代号包括哪几部分？在各种文件中如何应用？4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？5. 传感器的动态特性主要从哪两方面来描述？采用什么样的激励信号？其含义是什么？1.1 传感器的作用与地位◆世界是由物质组成的，各种事物都是物质的不同形态。

人们为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。

◆人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能，人的大脑对“五官”感受到的信息进行加工、处理，从而调节人的行为活动。

◆人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对某一事物的存在与否作定性了解，有时需要进行大量的实验测量以确定对象的量值的确切数据，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种仪器设备就是传感器。

传感器是人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。

电量和非电量◆表征物质特性及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。

◆电量——一般是指物理学中的电学量，例如电压、电流、电阻、电容及电感等；◆非电量——则是指除电量之外的一些参数，例如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度及酸碱度等等。

◆人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。

传感器的作用◆非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。

◆非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。

◆传感器是获取自然或生产中信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。

采用传感器技术的非电量电测方法，就是目前应用最广泛的测量技术。

传感器的地位◆随着科学技术的发展，传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱产业，分别充当信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，他们构成了一个完整的自动检测系统。

第1章传感器与检测技术基础思考题答案l.检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。

答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。

当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。

下图给出了检测系统的组成框图。

检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。

测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。

通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。

根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。

显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。

3.测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法? 如何进行?答：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，最好采用微差式测量。

此时输出电压认可表示为U0，U0=U+△U，其中△U是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U 来讲为一小量。

如果采用偏差法测量，仪表必须有较大量程以满足U0的要求，因此对△U，这个小量造成的U0的变化就很难测准。

测量原理如下图所示：图中使用了高灵敏度电压表——毫伏表和电位差计，R r和E分别表示稳压电源的内阻和电动势，凡表示稳压电源的负载，E1、R1和R w表示电位差计的参数。

在测量前调整R1使电位差计工作电流I1为标准值。

然后，使稳压电源负载电阻R1为额定值。

调整RP的活动触点，使毫伏表指示为零，这相当于事先用零位式测量出额定输出电压U。

正式测量开始后，只需增加或减小负载电阻R L的值，负载变动所引起的稳压电源输出电压U0的微小波动值ΔU，即可由毫伏表指示出来。

传感器技术手册随着科技的不断发展，传感器技术在各个领域中扮演着越来越重要的角色。

传感器是一种能够感知并转换物理量、化学量或生物量的设备，它们广泛应用于自动化工业控制、环境监测、医疗诊断、智能交通等众多领域。

本手册将为读者提供关于传感器技术的全面介绍和详细内容。

第一章：传感器基础知识1.1 传感器的定义与分类1.2 传感器的工作原理1.3 传感器的特性参数1.4 传感器的选择与应用第二章：传感器应用领域2.1 工业自动化领域的传感器应用- 温度传感器的应用- 压力传感器的应用- 液位传感器的应用2.2 环境监测领域的传感器应用- 气体传感器的应用- 光学传感器的应用- 水质传感器的应用2.3 医疗诊断领域的传感器应用 - 心电传感器的应用- 血糖传感器的应用- 呼吸传感器的应用2.4 智能交通领域的传感器应用 - 路面传感器的应用- 车速传感器的应用- 道路监控传感器的应用第三章：传感器技术的发展趋势 3.1 微型化与集成化3.2 智能化与自适应性3.3 高灵敏度与高精度3.4 高可靠性与长寿命第四章：传感器技术的挑战与应对 4.1 跨学科融合4.2 信号处理与数据分析4.3 能源供给与节能技术4.4 新材料与新工艺第五章：传感器技术的前景展望5.1 人工智能与传感器技术的结合5.2 物联网与传感器技术的发展5.3 生物传感器与医疗应用的突破5.4 可穿戴设备与传感器技术的融合通过阅读本手册，读者将能够深入了解传感器技术的基础知识、应用领域、发展趋势以及面临的挑战和应对措施。

传感器技术的持续创新与发展将为各个行业带来巨大的改变和机遇，期待读者通过本手册对传感器技术有更为全面的认识和理解，为相关领域的研究和应用提供参考和指导。

传感器培训资料第一部分：传感器的基本概念传感器是一种能够感知环境中的各种物理量并将其转化为电信号的装置。

通过测量物理量，传感器可以帮助我们获得环境中各种数据，从而实现自动化控制和监测。

传感器的种类繁多，常见的传感器包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光电传感器等。

在不同的应用场景中，需要选择不同类型的传感器来完成具体的任务。

第二部分：传感器的工作原理传感器的工作原理通常通过物理效应来实现。

例如，温度传感器通常利用热敏电阻或热电偶来测量温度；压力传感器则利用压阻效应或压电效应来转换压力为电信号。

在传感器的内部，通常还会带有信号放大电路、模数转换器等元件，用来将感知到的物理量转化为标准的电信号输出。

第三部分：传感器的应用场景传感器广泛应用于工业控制、汽车领域、医疗设备等各个领域。

例如，温度传感器可以用于控制空调温度、汽车发动机的温度监测等；压力传感器可以用于测量液体或气体的压力、监测管道的泄漏等。

第四部分：传感器的选择和安装在选择传感器时，需要考虑其测量范围、精度、响应时间等指标，以及适用的工作环境，如温度、湿度等。

在安装传感器时，需要注意避免干扰源，保证传感器测量的准确性。

第五部分：传感器的维护和保养传感器作为自动化系统中的重要部件，需要进行定期的维护和保养。

对于一些易受环境影响的传感器，如湿度传感器、光电传感器等，需要保持其表面清洁，防止积灰或水汽影响测量精度。

第六部分：传感器的未来发展随着科技的不断进步，传感器的应用范围将会更加广泛，同时传感器本身的性能也将进一步提升。

例如，新型传感器可能会采用纳米技术制备，具有更高的灵敏度和更小的体积；同时，通过无线传输技术，传感器也有望实现无线监测和控制，大大提高其应用灵活性。

通过本次传感器培训，希望大家能够对传感器有更深入的了解，从而能够更好地应用传感器解决实际问题，提高工作效率和产品质量。

同时也希望大家能够关注传感器领域的最新发展，不断更新自己的知识，为行业的发展做出更大的贡献。

传感器技术及其信号处理方法第一章传感器概述1.1 传感器技术基础传感器(sensor)是一种把物理量转换成电信号的器件。

可以说，传感器代表了物理世界与电气设备（如计算机）世界接口的一部分。

这种接口的另一部分由把电信号转换成物理量的执行器（actuator)表示。

为什么我们这么关心这个接口？近年来，电子行业拥有了巨大的信息处理能力。

其中最明显的例子是个人计算机。

此外，价格低廉的微处理器的使用对汽车、微波炉、玩具等嵌入式计算产品的设计产生了重大影响。

最近几年，使用微处理器进行功能控制的产品越来越多。

在汽车行业，为满足污染限制要求必须利用微处理器的这种信息处理能力。

而在其他行业，这种能力又带来了降低产品成本、提高产品性能的优势。

所有这些微处理器都需要输人电压以接收指令和数据、因此，随着廉价微处理器的出现，传感器在各种产品中的应用也越来越多。

此外，由于传感器输出的是电信号，因而传感器也就能够按电子没备的描述方式来插述。

同电子产品数据手册一样，很多传感器数据手册也都遵照某种格式撰写。

然而，目前存在很多种格式，而且传感器规格说明的国际标准还没有制订，这样，传感器系统设计师就会遇到对同一传感器性能参数存在不同的解释，这常常令人混淆。

这种混淆并非由于这些术语的含义无法理解，而是在于传感器界不同的人群习惯于使用不同的术语，认识到这一点至关重要。

1.1.1 传感器数据手册为了解决上述术语使用的差异向题，有必要首先命绍数据手册的功用，数据手册主要是一份营销文件，用来突出某一传感器的优点，強调其潜在的应用，但是有可能忽视该传感器的不足。

很多情况下，传感器是设计用来满足特定用户的特定性能要求的，而数锯手册就集中了该用户最感兴趣的性能参数。

这种情况下，传感器制造商和客户就有可能越来越习惯于使用某种约定的传感器性能参数定义，而这种定义却未必通用，这样，这种传感器未来的新用户必须认清这种情形以便恰当地理解这些参数。

人们常常遇到不同的定义。

第一章传感器技术基础1、传感器是将（）量转化为与之有确定对应关系的，便于应用的另一种量的（）装置。

2、传感器一般由（）元件和（）元件组成。

3、在采用直线拟合线性化时，传感器输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，通常用相对误差γL来表示，称为( ),其计算公式为（）。

4、传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，( )的变化量与 ( )的变化量的比值。

对线性传感器来说，其灵敏度是( )。

5. 用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转化为电信号的过程。

下列属于这类传感器的是（）A、红外报警装置B、走廊照明灯的声控开关C、自动洗衣机中的压力传感装置D、电饭煲中控制加热和保温的温控器6、属于传感器动态特性指标的是（）A. 重复性B．线性度C．灵敏度D．固有频率7、传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的( )A.线性度越好B.迟滞越小C.重复性越好D.分辨率越高8、非线性度是表示校准曲线( )的程度。

A.接近真值B.偏离拟合直线C.正反行程不重合D.重复性9、某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm 变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V 减至2.5V，求该仪器的灵敏度。

10、某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器：0.45Ω/℃电桥：0.02V/Ω放大器：100(放大倍数)笔式记录仪：0.2cm/V求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。

11、有一个电位器式位移传感器（线性），其线圈总电阻是10Ω，电刷最大行程4mm。

若最大消耗功率不允许超过40W，传感器所用激励电压为允许的最大激励电压，试确定输入位移量为1.2mm时的输出电压值。

12、名词解释：（1）传感器的静态特性（2）传感器的动态特性第二章电阻式传感器1.要使直流电桥平衡，必须使电桥相对臂电阻值的________相等。

2.电阻式传感器的主要类型有___、____、_____ 等三种。

第1章 传感器基础知识1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。

我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。

从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

我国国家标准对传感器的定义是：“能够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和装置”。

定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。

按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。

2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。

答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；①敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。

②传感器：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,通常由敏感元件和转换元件组成。

③信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的 装置。

④变送器：能输出标准信号的传感器关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。

传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。

第二章:传感器特性 何谓传感器的静态特性，传感器的主要静态特性有哪些? 静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。

主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

(1) 线性度指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。

(2) 灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。

其定义为输出量的增量Δy 与引起该增量的相应输入量增量Δx 之比。

它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度S 值越大，表示传感器越灵敏.(3) 迟滞传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。