传感器的基本概念

物理量
电量
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信 号转换成电信号的装置。
6.1 机器人传感器概述
6.1.1 传感器的基本概念
2、传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换部分组成
基
被 测 量
敏 感 元 件
转 换 元 件
本 转 换 电
电 信 号
路
6.1 机器人传感器概述
6.2 内传感器
增量式编码器
6.2.1 位移（位置）传感器
（1）信号性质
输出信号为一串脉冲，每一个脉
冲对应一个分辨角，对脉冲进行计 数N，就是对 的累加，即，角位移 ＝N。
如： ＝0.352，脉冲N＝1000，
则：
＝ 0.352×1000＝ 352
增量式编码器的信号性质
6.2 内传感器
增量式编码器
6.2 内传感器
6.2.1 位移（位置）传感器
2、光电编码器
光电编码器是角度（角速度）检测装置，通过光 电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 数字量的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠 等优点，应用广泛。
编码器
6.2 内传感器
6.2.1 位移（位置）传感器
2、光电编码器
轴式
套式
电信号
二进制编码
• 满足机器人控制的要求 • 满足机器人自身安全和机器人使用者的安全性要求
6.1 机器人传感器概述
6.1.4 机器人传感器的分类
1)按被测物理量分类 常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力,力矩;
热工量:温度、热量、比热容、热流、 热 分布、压力（压强）、压差、真空度、流 量、流速、物位、 液位、界面、噪声

分辨力越小，表明传感器检测非电量的能力越 强，分辨力的高低从某个侧面反映了传感器的 精度。
（4）迟滞 迟滞反映传感器正向特性与反向特性不一致的
程度。产生这种现象的原因是由于传感器的机 械部分不可避免地存在间隙、摩擦及松动。
图1-12 迟滞特性
（5）重复性
重复性是指传感器输入量按同一方向作全量程连续 多次测量时所得输出-输入特性曲线不重合的程度。 它是反映传感器精密度的一个指标，产生的原因与迟 滞性基本相同，重复性越好，误差越小。
（a） 雷达波探测器 外热成像生命探测仪
（b） 视频探测器 （c） 音频探测器 （d） 红 图1-6 生命探测设备
4．农业生产中使用的传感器
图1-7 塑料大棚
5．汽车中使用的传感器
图1-8 汽车中使用的部分传感器
二、传感器的概念与定义
1．传感器的概念 传感器是一种能把特定被测量的信息按
一定规律转换成某种可用信号并输出的器件或 装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示 和控制等要求。
2．传感器的动态特性
传感器要检测的输入信号是随时间而变化的。 传感器应能跟踪输入信号的变化，这样才能获 得正确的输出信号；如果输入信号变化太快， 传感器就可能跟踪不上，这种跟踪输入信号的 特性就是传感器的响应特性，即为动态特性。 表征传感器动态特性的主要参数有响应速度、 频率响应。
（1）响应速度
是将感受的被测的量转换成电信号的部分。
将电信号转换为便于显示、记录、处理和控制
的有用电信号。有用电信号有很多形式，如电
压、电流、频率等。随着科学技术的发展，输
出信号将来也可能是光信号或其他的信号。
传感器的特性有
和
之分。
主要有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复

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检测技术及传感器的基本概念
3. 显示装置 (1) 模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示被测 量数值的大小，如毫伏表、毫安表等，其特点是读数方便、 直观，结构简单，价格低廉，在检测系统中一直被大量使用。 但这种显示方式的精度要受标尺最小分度的限制，而且读数 时易引入主观误差。 (2) 数字显示是指用数字形式来显示测量值，目前大多 采用LED发光数码管或液晶显示屏等，如数字电压表。这类 检测仪器还可附加打印机，打印记录测量数值，并易于计算 机联机，使数据处理更加方便。
在t1 时刻，RX上的电压为
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检测技术及传感器的基本概念
1. 绝对测量、相对误差和引用误差 1) 绝对误差 绝对误差是指测量值AX 与被测量真值 A0之间的差值， 用δ 表示，即
(1-2)
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检测技术及传感器的基本概念
由式(1-2)可知，绝对误差的单位与被测量的单位相同， 且有正负之分。用绝对误差表示仪表的误差大小也比较直观， 它被用来说明测量结果接近被测量真值的程度。在实来代替 A0，则式(1-2)可写成
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检测技术及传感器的基本概念
4. 数据处理装置和执行机构 数据处理装置就是利用微机技术，对被测结果进行处理、 运算、分析，对动态测试结果进行频谱、幅值和能量谱分析 等。 在自动测控系统中，经信号处理电路输出的与被测量对 应的电压或电流信号还可以驱动某些执行机构动作，为自动 控制系统提供控制信号。
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检测技术及传感器的基本概念 37
检测技术及传感器的基本概念
测量结构为
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检测技术及传感器的基本概念
2. 粗大误差的判别与坏值的舍弃 在重复测量得到的一系列测量值中，首先应将含有粗大 误差的坏值剔除后，才可进行有关的数据处理。但是也应当 防止无根据地随意丢掉一些误差大的测量值。对怀疑为坏值 的数据，应当加以分析，尽可能找出产生坏值的明确原因， 然后再决定取舍。实在找不出产生坏值的原因，或不能确定 哪个测量值是坏值时，可以按照统计学的异常数据处理法则， 判别坏值并加以舍弃。

2. 传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？ 答：传感器常用的分类方法有两种，一种是按被测输入量来分，另一种是按传感器的工作原理来分。 按被测输入量来分：这种分类方法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。其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。
较大的载荷，便于加工，实心圆柱形可测量大于 10kN 的力，空心圆柱形可测量 1～10kN 的力，应力变化 均匀。
（2） 圆环式弹性敏感元件比圆柱式输出的位移量大，因而具有较高的灵敏度，适用于测量较小的力。 但它的工艺性较差，加工时不易得到较高的精度。
2
传感器的分辩力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量 ∆min 。有时也用该值相对满量程
输入值的百分数表示，称为分辨率。阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、钝感区，是输入量 由零变化到使输出量开始发生可观变化的输入量的值。
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表示，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。通常又用其不稳 定度来表征其输出的稳定度。
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例 4： ±20g 压电式加速度传感器。 在侧重传感器科学研究的文献、报告及有关教材中，为方便对传感器进行原理及其分类 的研究，允许只采用第 2 级修饰语，省略其他各级修饰语。 传感器代号的标记方法：一般规定用大写汉字拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完整代号。传感器完 整代号应包括以下 4 个部分：（1）主称（传感器）；（2）被测量；（3）转换原理；（4）序号。4 部分 代号格式为：
（4）序号 （3）转换原理 （2）被测量 （1）主称
在被测量、转换原理、序号 3 部分代号之间有连字符“-”连接。 例 5：应变式位移传感器，代号为：CWY-YB-10； 例 6：光纤压力传感器，代号为：CY-GQ-1； 例 7：温度传感器，代号为：CW-01A； 例 8：电容式加速度传感器，代号为：CA-DR-2。 有少数代号用其英文的第一个字母表示，如加速度用“A”表示。 4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？ 答：传感器的静态特性主要由线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨力和阈值、稳定性、漂移及量程 范围等几种性能指标来描述。 含义：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理论拟合直线的程度，又称非线性误 差。通常用相对误差表示其大小； 灵敏度是指传感器在稳态下，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 特性曲线的斜率，对于非线性传感器，其灵敏度是一个随工作点而变的变量，它是特性曲线上某一点切线 的斜率。 重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。 迟滞是传感器在正向行程(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。