第1章 传感器的基本概念

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。

传感器复习题与答案传感器原理与应⽤复习题第⼀章传感器概述1．什么是传感器？传感器由哪⼏个部分组成？试述它们的作⽤和相互关系。

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

⼴义传感器⼀般由信号检出器件和信号处理器件两部分组成；狭义的定义：能把外界⾮电信号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。

以上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。

（2）组成部分：传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。

（3）他们的作⽤和相互关系：敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输⼊，转换成电路参量；上述电路参数接⼊基本转换电路，便可转换成电量输出。

2．传感器的总体发展趋势是什么？现代传感器有哪些特征，现在的传感器多以什么物理量输出？（1）发展趋势：①发展、利⽤新效应；②开发新材料；③提⾼传感器性能和检测范围；④微型化与微功耗；⑤集成化与多功能化；⑥传感器的智能化；⑦传感器的数字化和⽹络化。

（2）特征：由传统的分⽴式朝着集成化。

数字化、多动能化、微型化、智能化、⽹络化和光机电⼀体化的⽅向发展，具有⾼精度、⾼性能、⾼灵敏度、⾼可靠性、⾼稳定性、长寿命、⾼信噪⽐、宽量程和⽆维护等特点。

（3）输出：电量输出。

3．压⼒、加速度、转速等常见物理量可⽤什么传感器测量？各有什么特点？本⾝发热⼩，缺点是输出⾮线性。

4（1）按传感器检测的量分类，有物理量、化学量，⽣物量；（2）按传感器的输出信号性质分裂，有模拟和数字；（3）按传感器的结构分类，有结构性、物性型、复合型；（4）按传感器功能分类，单功能，多功能，智能；（5）按传感器转换原理分类，有机电、光电、热电、磁电、电化学；（6）按传感器能源分类，有有源和⽆源；根据我国的传感器分类体系表，主要分为物理量传感器、化学量传感器、⽣物量传感器三⼤类。

第一章传感器概述1．1 传感器的组成与分类1．1．1 传感器的定义✧传感器是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。

敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。

✧传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。

1．1．2 传感器的组成✧一般讲传感器由敏感元件和转换元件组成。

但由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。

因此调节信号与转换电路及所需电源都应作为传感器组成的一部分。

如图1-1所示。

传感器组成方块图✧常见的调节信号与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，他们分别与相应的传感器相配合。

1．1．3 传感器的分类✧表1-1 按输入量分类、按工作原理分类、按物理现象分类、按能量关系分类和按输出信号分类。

1．2 传感器在科技发展中的重要性1．2．1 传感器的作用与地位将计算机比喻人的大脑，传感器比喻为人的感觉器官。

功能正常完美的感觉器官，迅速准确地采集与转换获得的外界信息，使大脑发挥应有的作用。

自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。

1．2．2 传感器技术是信息技术的基础与支柱现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，它们就是传感器技术、通信技术和计算机技术。

传感器在信息采集系统中处于前端，它的性能将影响整个系统的工作状态和质量。

1．2．3 科学技术的发展与传感器有密切关系传感器的重要性还体现在已经广泛应用于各个学科领域。

如工业自动化、农业现代化、军事工程、航天技术、机器人技术、资源探测、海洋开发、环境监测、安全保卫、医疗诊断、家用电器等领域。

1．3 传感器技术的发展动向✧传感器技术共性是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将非电量转换成电量。

✧传感器技术的主要发展方向一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。

第1章概论一传感器的概念与发展1．1 传感器基本概念传感器（transducer/sensor）的定义是：能感受规定的被测量并按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。

其中，敏感元件（sensing element）是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件（transducer element）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以及其它某种可用信号的部分。

传感器狭义地定义为：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

可以预料，当人类跨入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念将随之发展成为：能把外界信息转换成光信号输出的器件。

传感器的任务就是感知与测量。

在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。

在18世纪产业革命以前，传感技术由人的感官实现：人观天象而仕农耕，察火色以冶铜铁。

从18世纪产业革命以来，特别是在20世纪信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官，即工程传感器来实现。

目前，工程传感器应用如此广泛，以至可以说任何机械电气系统都离不开它。

现代工业、现代科学探索、特别是现代军事都要依靠传感器技术。

一个大国如果没有自身传感技术的不断进步，必将处处被动。

现代技术的发展，创造了多种多样的工程传感器。

工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知的量，如紫外线、红外线、超声波、磁场等。

从这个意义上讲，工程传感器超过人的感官能力。

有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测，但工程传感器测量得更快、更精确。

例如虽然人眼和光传感器都能检测可见光，进行物体识别与测距，但是人眼的视觉残留约为0．1s，而光晶体管的响应时间可短到纳秒以下；人眼的角分辨率为1ˊ，而光栅测距的精确度可达1"；激光定位的精度在月球距离3×104km范围内可达10cm以下；工程传感器可以把人所不能看到的物体通过数据处理变为视觉图像。

第一章1.传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？答：（1）传感器是能够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。

（2）传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路组成，有的还需辅助电源。

2.传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？答：一般常用的分类方法有四种：①按测量原理分类；②按输入信号分类；③按结构型和物理型分类；④按使用材料分类。

第二章1.何谓传感器的静态特性，传感器的主要静态特性有哪些？答：（1）传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。

（2）主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、漂移。

2.何谓传感器的动态特性，怎样衡量传感器的动态特性？答：（1）传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即输出对随时间变化的输入量的响应特性。

（2）传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来衡量。

瞬态响应常采用阶跃信号作为输入，频率响应常采用正弦函数作为输入。

第三章1.试分析电位器式传感器的负载特性，什么是负载误差？如何减小负载误差？答：（1）电位器输出端有负载时，其特性称为负载特性。

负载电阻和电位器的比值为有限值，负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差。

对于线性电位器，负载误差即为其非线性误差。

（2）减小负载误差方法：①尽量减小负载系数，通常希望m＜0.1，为此可采用高输入阻抗放大器；②将电位器工作区间限制在负载误差曲线范围内；③将电位器空载特性设计成某种上凸特性，负载特性必然下降。

第四章1.简述电阻应变式传感器的温度误差原因，如何补偿。

答：（1）原因：①温度变化引起敏感栅金属丝电阻变化；②试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，两者随温度变化产生的形变不等，使应变片产生附加应变。

（2）补偿方法：①电桥补偿法；②辅助测温元件微型计算机补偿法；③应变计自补偿2.什么是直流电桥？若按桥臂工作方式分类，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？答：（1）桥臂的供电电源是直流电的称为直流电桥。