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第0章-传感器概论

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传感器原理及应用
教材及参考书
教材:《传感器》（第3版）
哈尔滨工业大学强锡富主编
机械工业出版社
参考书：《机械工程测试技术》(第二版)
黄长艺、严普强主编
机械工业出版社
参考书：《当代测试技术》
钱难能主编
华东化工学院出版社
绪论
一、测试技术简介
测试技术的发展与生产的发展、科技
的发展有着密切的联系。在工业发达的
国家里，测试技术的水平及其装置必定
是相当先进的，测试技术的应用领域也
十分广泛。
机械系统中常见的物理量
几何量—长度、角度、表面几何形状
机械量—振动（速度、加速度、位移）、力、
压力、力矩、扭矩、功率、质量、硬度
热工量—温度、温度场、湿度、流量
光学量—照度、光学参数（焦距、透光率）
电磁量—电压、电流、电势、磁场强度

测试技术的方法（以测力为例）
客
观
物
理
量

光
学
转
换
气
液
转
换

机
械
转
换

电
气
转
换

机械参数机械测试法
光学测试法光学参数
气液测试法气液参数
电测法电参数
电阻、电容、电感
电压、电流

力位移
力光电移动
力气液的压力变化
力电阻的变化

（明暗条纹的变化）

F
x

F
反光镜
F
P

F
应变片
各种测试法的优缺点：
•机械测试法：
惯性大，摩擦大，不便记录，不能测过程，
只能测静态
•光学测试法：
精度最高，但对环境要求苛刻，需在实验
室中作标准或高精度测量
•气液测试法：
要求有合适的动力源，气体的压缩性、液
体的阻尼跟不上快速的变化，一般只能用于准
静态测量
电测法的优点：
•电测法:
（1）精度高；
（2）灵敏度高，在很大范围内可进行方便调整，
测试范围很广；

（3）电惯性小，反映快，能够进行快速变化的
量的测量，频域范围很广；

（4）便于远距离传输和控制，可遥测、遥控；
（5）便于仪器的通用化和专业化生产；
（6）动力源普遍，有一定抗干扰能力适
合现场使用。
非电量被测量的二次转换
一次变换二次变换
被测量光测、气液测电测量
一般非电量电测法测试系统的
组成

非电量电测法测试系统的组成
人为
驱动信号

驱动装置

对象
被测

标定装置
信号
标准
控制系统
传感器
中间电路

显示记录

观察

者
非电量电测法测试系统的各部
分的作用：

1.传感器感受被测物理量并把它变换为便
于传输处理的电信号。

它是整个测试系统实现测试和自动控制
的首要的、关键的环节。

2.中间电路将传感器输出的微弱电信号进
行再次变换、放大、衰减、滤波、调制和解
调等，使它们成为便于显示、记录或进行数
据处理的信号。

3.显示与记录器将中间变换与测量电路送
来的电压或电流信号不失真地显示和记录出
来。
作用二
4.驱动装置产生人为驱动信号，是
被测对象处于人为的工作状态下，把内
部特性表现得更明显。

5.标定装置产生标准输入以便用实
验的方法来得到被测量与显示记录之间
准确地量的关系。
二、传感器在科技发展中的作用
三、传感器的定义
国家标准(GB7665-87)对传感器
(Transducer/Sensor)的定义：

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或装置。

教科书对其定义：
传感器是一种以一定的精确度把被测
量转换为与之有确定对应关系的、便于应
用的某种物理量的测量装置。
定义包含以下几方面意思：
•传感器是测量装置，能完成检测任务；
•它的输入量是某一被测量，可能是物理
量，也可能是化学量、生物量等；

•它的输出量是某一物理量，这种量要便
于传输、转换、处理、显示等等，这种
量可以是气、光、电物理量，但主要是
电物理量；

•输出输入有对应关系，且应有一定的精
确程度。
四、传感器的组成
以测量汽车油箱中汽油液位的装置为例
组成

被测量
敏感元件
传感元件
信号调节转换电路

辅助电源
电量
例：应变式力传感器
弹性膜片—敏感元件，将力转换为弹性
膜片的变形

应变片—传感元件，将弹性膜片的变形
转换成电阻值的变化
五、传感器的分类
传感器的分类方法有许多种，从传感
器的工作机理来说，可分为物理型、化
学型、生物型等。

本课程主要讲的是物理型传感器，
因此下面我们列表将物理型传感器的各
种分类情况进行介绍。
分类方法说明举例
按输入量分类
传感器以被测物理量分类，也
即按用途分类，便于用户选择。
位移传感器、速度传感器、

温度传感器、压力传感器等

按工作原理分类
（变换原理）
传感器以工作原理命名，

便于生产厂家专业生产。
应变式、电容式、电感式、

压电式、热电式等

按物理现象
分类（信号

变换特征）

结构型
传感器依赖其结构参数变化实现信息转换电容式传感器：利用电容极
板间隙或面积的变化C

物性型
传感器依赖其敏感元件物理特
性的变化实现信息转换
压电式传感器：压电效应，力电荷

热电偶：热电效应

按能量关
系分类

能量
转换型
传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量电容传感器：需外部供电，

使x(t) C电流或电压

能量
控制型
由外部供给传感器能量，而由

被测量来控制输出的能量

温度计：吸收被测物的能量

磁电式：线圈切割磁力线
感应电势

按输出信号
分类

模拟式输出量为模拟量

数字式输出量为数字量
六、传感器的命名
式
传感器

如：
•电阻式液位传感器
•电容式声传感器
•应变式力传感器
•压电式加速度传感器

表示变换元件、变换原理的种类
表示用途，指出被测量的种类
七、传感器的发展趋势
•高精度
•小型化
•集成化
•数字化
•智能化
•新型化

大量物型性传感器的涌现

化学传感器的开发
采用新工艺的传感器开发

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第1章 传感与检测技术概论

第1章 传感与检测技术概论


第1章 传感与检测技术概论 16
3.等精度测量与不等精度测量 在整个测量过程中，若影响和决定误差大小的全部因素 (条件)始终保持不变，如由同一个测量者，用同一台仪器， 用同样的方法，在同样的环境条件下，对同一被测量进行多 次重复测量，则称为等精度测量。在实际中，极难做到影响 和决定误差大小的全部因素(条件)始终保持不变，所以一般 情况下只是近似认为是等精度测量。 有时在科学研究或高精度测量中，往往在不同的测量条 件下，用不同精度的仪表，不同的测量方法，不同的测量次 数以及不同的测量者进行测量和对比，这种测量称为不等精 度测量。
示：
x=nu
(1-1)
n x u
(1-2)
第1章 传感与检测技术概论 6
式中：x——被测量值； u——标准量，即测量单位；
n——比值(纯数)，含有测量误差。 由测量所获得的被测量的量值叫测量结果，测量结果可 用一定的数值表示，也可以用一条曲线或某种图形表示，但 无论其表现形式如何，测量结果应包括比值和测量单位。测 量结果仅仅是被测量的最佳估计值，并非真值，所以还应给 出测量结果的质量，即测量结果的可信程度。这个可信程度 用测量不确定度表示，测量不确定度表征测量值的分散程度。 因此测量结果的完整表述应包括估计值、测量单位及测量不 确定度。
第1章 传感与检测技术概论 17
4.静态测量与动态测量 被测量在测量过程中是固定不变的，对这种被测量进行 的测量称为静态测量。静态测量不需要考虑时间因素对测量 的影响。 被测量在测量过程中是随时间不断变化的，对这种被测 量进行的测量称为动态测量。
第1章 传感与检测技术概论 18
1.1.3 检测系统 1.检测系统构成 检测系统规模的大小与被测量的性质、被测量的多少及
被测对象的性质有关。检测系统应具有对被测对象的特征量 进行采集、变换、处理、传输及显示等功能。检测系统的基 本构成如图1-1所示。
第一章 传感器的基本知识

第一章 传感器的基本知识

——适合于根据被测量选择相对应的传感器。
3. 传感器的分类（三种方法--2）
②按工作原理（转换原理）分类 如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、 磁电式传感器、压电传感器……
——能够从基本原理上归纳传感器的共性和特性。
3. 传感器的分类（三种方法--3）
③按能量的传递方式分类 将非电量转换成电量的转换元件均可分为两类
2．传感器的作用
l ）信息的收集 2）信息数据的转换 3）控制信息的采集
3. 传感器的结构类型
任务 ：①将被测量——转换——为特定的非电量 （如应变、位移等）；
②将非电量——转换——为电参数 （电阻、电感、电容、电势等）；
③将电参数——变换——为电量 （电压或电流）。
构成：①敏感元件——完成任务① ； ②转换元件——完成任务② ； ③测量电路——完成任务③ 。
描述拟合误差的大小用线性度来表示：
线性度
式中 ——最大非线性误差； ——传感器的满量程输出值平均值。
但是不同的拟合方法得到的线性度不同。
1）理论线性度（绝对线性度）：
拟合直线：
2）端基线性度：
拟合直线： a0——被测量为零时的传感器输出值。
3）平均选点线性度： 拟合直线：
4）独立线性度：
此时线性度计算公式应改写为： 独立线性度：
——有源元件和无源元件。
二、测量误差
有关测量技术中的部分名词:
(1)等精度测量。在同一条件下所进行的一系列重复测 量称为等精度测量。
(2)非等精度测量。在多次测量中，如．对测量结果 精确度有影响的一切条件不能完全维持不变称为非等 精度测量。
(3)真值。被测量本身所具有的真正值称之为真值。 量的真值是一个理想的概念，一般是不知道的。但在 某些特定情况下，真值又是可知的，如一个整圆周角 为360。等。
1.传感器与检测技术概论

1.传感器与检测技术概论

1.传感器与检测技术概论：传感器与检测技术概论传感器与检测技术1.1 检测技术及仪表的地位与作用1.1.1 检测技术及仪表的地位与作用1.1.2 检测技术是仪器仪表的技术基础1.2 传感器概述1.2.1 传感器的基本概念1.2.2 传感器的分类和命名法传感器与检测技术检测的两个过程(图1-1)变成与被测量成一定对应关系的电信号显示仪表传感器与检测技术1.2.1 什么是传感器？在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器，电冰箱、电饭煲中的温度传感器; 空调中的温度和湿度传感器; 煤气灶中的煤气泄漏传感器; 水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器; 照相机中的光传感器; 汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。

传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？传感器与检测技术1.2.1什么是传感器传感器与检测技术1.2传感器概述1.2.1什么是传感器人体系统和机器系统比较眼(视觉) 耳(听觉) 鼻(嗅觉) 皮肤(触觉) 舌(味觉)感知外界信息→大脑→肌体传感器与检测技术1.2传感器概述1.2.1什么是传感器人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。

如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。

传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。

外界信息感官大脑肌体传感器计算机执行机构传感器与检测技术1.2传感器概述1.2.1什么是传感器从广义的角度来说，信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。

传感器与检测技术1.2.1 传感器的定义“能感受(或响应)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”。

这一定义包含了几个方面的含义：①传感器是测量装置，能完成测量任务；②它的输入量是某一被测量，可能是物理量、也可能是化学量、生物量等；③它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处理和显示等，这就是所谓的“可用信号”的含义；④输出与输入有一定的对应关系，这种关系要有一定的规律。

第一章 传感技术概论

第一章 传感技术概论


五、传感器的命名方法及代号
• （1）命名方法：传感器产品名称 应由主题词加四级修饰语构成
• 主题词－传感器 • 第一级修饰语（最靠近主题词）－被测量，包括修饰被测量的定 语 • 第二级修饰语－转换原理，一般后续以“式”字 • 第三级修饰语－特征描述，指必须强调的传感器结构性能、材料 特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般后续以“型”字 （可省略） 第四级修饰语－主要技术指标（量程，精确度，灵敏范围等） 举例： 100mm应变式位移传感器 半导体型光电式色传感器 光电式烟尘浓度传感器 注意：可指保留第一级或第二级修饰语，省略其他各级修饰语。
（1）理想传感器 输出（y）―输入（x）关系是一条直线，为线性输出―输入特性，即y = a · 。 x a称为传感器的线性灵敏度，或称理论灵敏度
（2）实际传感器 ：非线性输出―—输入特性 传感器的输出－—输入特性是非线性的，在静态情况下，如果不考虑滞后和 蠕变效应，输出－输入特性总可以用如下多项式来逼近
wwweawcomcn参考网站第一章传感技术概论第二章光电传感原理第三章光生伏特传感器第四章光电发射器件第五章光电导器件第六章光热红外传感器第七章光纤传感调制技术第八章光纤温度传感器第九章光纤机械量传感器光电传感原理传感器概念分类发展趋势色敏光电传光电二极管三级管传感器光电池光传光热传感器激光传感器光纤传感器图像传感器光电传感器的工作原理结构主要参数检测电路及其典型应用1111传感器的作用定义传感器的作用定义组成与分类组成与分类1212传感器的基本特性静态动态传感器的基本特性静态动态1313传感器的误差与信噪比传感器的误差与信噪比1414传感技术器件的发展趋势传感技术器件的发展趋势掌握掌握传感器的基本概念组成及分类
• • • •
•
静态特性分析：若采用两个特性相同的传感器 差动组合，则输出为y1-y2=2(a1x+a3x3+a5x5+„„) 可有效改善非线性，提高灵敏度。 故理性情况为a1大，a2=0（偶次项系数为0），