第三章 传感器检测及其接口电路

方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传感 器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、面 型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感元件 集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器； 或是传感器与放大、运算、温度补偿等电路集成一 体具有多种功能。
三、传感器的发展方向
3、传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器的
（二）传感器的基本特性
1、传感器的静态特性
传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传 感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要 技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞性和重复性等。
(1) 线性度 通常希望输出与输入特性（曲线）为线性，这对标定
和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近 线性，与理论直线有偏差。
1、传感器的静态特性
（2）灵敏度。传感器在静态标准条件下,输出变 化对输入变化的比值称为灵敏度,用S0表示,
输出量的变化量 S0 输入量的变化量
y x
(3-2)
对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。
1、传感器的静态特性
(3)迟滞性
传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行 程中，输出输入特性曲线的不重合程度称为迟滞， 迟滞性误差一般以满量程输出yFS的百分数表示：
如称重传感器中的弹性元件，将力转换为弹性变形输 出。
（2）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成 电信号（如电阻、电感、电容等）形式。
（3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电 量，如电压、电流、频率等。
2、传感器的分类
按输入量分： 位移、速度、加速度、压力、温度等 按工作原理分：
式中:
H
Hm yFS
100 %
ΔHm——输出值在正、反行程间的最大差值。
1、传感器的静态特性 迟滞性一般由实验方法确定，如图3-4所示。
y y
FS
0 xFS x
图3-4 迟滞特性
Hm
1、传感器的静态特性
(4)重复性
传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向
作全量程连续多次重复测量时，所得输出—输入曲
（6）零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零
漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。
2、传感器的动态特性
传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态 特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。 传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验 分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升 时间、调节时间、频率响应范围、临界频率等。
智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功 能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自 诊断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器 与计算机的这些功能集成于同一芯片上，就成为智 能传感器。
三、传感器的发展方向
4、传感器的网络化 主要表现为两个方面：
一是为了解决现场总线的多样性问题，IEEE 1451.2 工 作 组 建 立 了 智 能 传 感 器 接 口 模 块 （STIM）标准。 二是以IEEE 802.15.4（Zigbee）为基础的 无线传感器网络技术得以迅速发展。 信息的短距离无线传输方式：数传模块，蓝牙
1、传感器的静态特性
传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特性曲 线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。
y
2
yFS
1 max
1—实 际 曲 线 2—理 想 曲 线
0
xFS
x图3-3 传感器的线源自度示意图1、传感器的静态特性
线性度可用下式计算：
L
max 100 % yFS
式中：
（3-1）
γL——线性度(非线性误差)； Δmax——最大非线性绝对误差； yFS ——输出满度值。
应变式、压电式、磁电式、霍尔式等 按能量转换分：
有源型、无源型 按输出的信号分：
非电量型
传感器
有接点型（微动开关，接触开关，
二值型
行程开关）
无接点型（光电开关，接近开关）
电量
电阻型（电位器，电阻应变片） 模拟型 电压、电流型（热电偶, 光电池）
电感、电容型（可变电容）
计数型（二次型+计数型） 数字型 代码型（旋转编码器，磁尺）
快速、准确、可靠、经济的获取信号是对
传感器的基本要求。传感器的选择所要考虑的
问题主要包括：
1）足够的量程；
2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高；
3）精度适当、稳定性高；
4）反应速度快、工作可靠；
5）实用性和适应性强；
6）使用经济；
23
第二节 位移测量传感器
目前广泛采用电容式、电感式、应变片式、 及数字式传感器（光栅、感应同步器及光电编 码器）来进行位移或力的测量。
第三章 传感器检测及其接口 电路
第一节 传感器
一、 检测系统的组成
1、传感器 功能：把各种非电量信息转换为电信号，传感器又称 为一次仪表。传感器相当于人的五官部分（“电五官”） 2、电信号处理系统 功能：对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、 转换、记录、指示、显示等处理，通常被称为二次仪表。 非电量检测系统的结构形式如图3-1所示。
线的不一致程度，称为重复性。重复性误差用满量
程输出的百分数表示，即
γ Rm 100%
式中:
R
yFS
ΔRm——最大重复性误差。
1、传感器的静态特性
y y
FS
Rm2 R
m1
0
图4-5 重复特性
xFS x
1、传感器的静态特性 （5）分辨力
传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在 输入零点附近的分辨力称为阈值。
三、传感器的发展方向
1、新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定
律，由此启发人们进一步发现新现象、采用新原 理、开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具 有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、 多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。
三、传感器的发展方向
2、传感器的集成化和多功能化 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等
一、 检测系统的组成
图 3-1 非电量检测系统的结构形式
二、传感器的基本概念与特性
（一）传感器的基本概念： 1
传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三 部分组成，如图3-2
被测量 敏感 元件
转换
基本转换 电量
元件
电路
图3-2 传感器的组成框图
1
（1）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量 的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关 系（理想的关系—线性）。