传感器与检测技术1

1、传感器与检测技术成绩评定 平时成绩60分； 期末考试40分。课程性质：专业课（必修）一、检测技术的概念检测（Detection）定义： 利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检测技术。例：曹冲称象方法：比较法；方法：比较法；装置：船、石头、小秤；装置：船、石头、小秤；检查检查、测量测量，从而得到：，从而得到：定性定性、定量定量的结果。的结果。检测技术在工业生产领域的应用：倍增器检测技术在工业生产领域的应用：倍增器 检测技术的作用检测技术的作用在线检测：在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定零件尺寸、产品

2、缺陷、装配定位位离线检测：离线检测：零件参数、零件参数、 尺寸与形位公差、尺寸与形位公差、 品质参数品质参数作作 用：用：现代工程装备中，现代工程装备中， 检测环节的成检测环节的成本约占本约占5070%号号检测技术的作用检测技术的作用检测技术的作用检测技术的作用自动收费系统自动收费系统家庭与办公自动化家庭与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传衣物重量传感器，衣质传感器，水温传

3、感器，水质感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器传感器，透光率光传感器(洗净度洗净度) 液位传感器，电液位传感器，电阻传感器阻传感器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传感器在日常生活中的应用与日俱增在日常生活中的应用与日俱增 家用电器：家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器数字体温计：接触式数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式热敏电阻，非接触式-红外传感器红外传感器自动感应灯：亮度检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检

4、测空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器驻极电容传感器遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管办公商务：办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵CCDCCD扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵CCDCCD红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：医疗卫生：电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测 - - 压力传感器压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪

5、 - - 离子传感器离子传感器 自动检测系统的组成自动检测系统的组成 自动检测系统原理框图自动检测系统原理框图指一个能将被测的非电量变换成电量的器件。指一个能将被测的非电量变换成电量的器件。 将温度转换为电压的传感器将温度转换为电压的传感器热电偶热电偶n传感器：传感器：例例1 1 汽车上通常有多少传感器汽车上通常有多少传感器1.1.曲轴转速传感器曲轴转速传感器, ,用于检测发动机转速和判定一用于检测发动机转速和判定一( (四四) )缸上止点。缸上止点。 2.2.凸轮轴位置传感器，用于区分一（四）缸压缩上止点。凸轮轴位置传感器，用于区分一（四）缸压缩上止点。 3.3.节气门位置传感器，用于检测发

6、动机的节气门位置（也是用节气门位置传感器，用于检测发动机的节气门位置（也是用于提供发动机负荷信号）。于提供发动机负荷信号）。 4.4.爆震传感器，用于检测发动机是否发生爆震。爆震传感器，用于检测发动机是否发生爆震。5.5.水温传感器，用于检测发动机冷却液温度（提供发动机温度水温传感器，用于检测发动机冷却液温度（提供发动机温度信号）。信号）。 6.6.进气温度传感器，用于检测进气温度。进气温度传感器，用于检测进气温度。 7.7.进气管绝对压力传感器，用于检测进气管内的进气压力。进气管绝对压力传感器，用于检测进气管内的进气压力。8.8.空气流量计，用于检测进气空气的质量。空气流量计，用于检测进气空

7、气的质量。9.9.加速踏板位置传感器，用于检测加速踏板位置。加速踏板位置传感器，用于检测加速踏板位置。10.10.轮速传感器，用于检测轮速。轮速传感器，用于检测轮速。11.11.车速传感器，用于检测车速。车速传感器，用于检测车速。 此外还有风速传感器、雨量传感器、光照强度传感器、车身高此外还有风速传感器、雨量传感器、光照强度传感器、车身高度传感器、燃油液位传感器、燃油温度传感器、机油压力传感度传感器、燃油液位传感器、燃油温度传感器、机油压力传感器、喷油器升程传感器等等。器、喷油器升程传感器等等。 在汽车中的应用日新月异在汽车中的应用日新月异发动机：发动机：向发动机的电子控制单元（向发动机的电子

8、控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器，普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 底底 盘：盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等控制变速器系统、悬架系

9、统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车车 身：身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 无论是金属粮仓还是土仓，为防止霉变，粮无论是金属粮仓还是土仓，为防止霉变，粮食都是分层存放，仓内温度和湿度不能过高，为食都是分层存放，仓内温度和湿度不能过高，为此，需在各层安放温湿度传感器进行检测。装有此，需在各层安放温湿度传感器进行检测。装有温湿度探头的粮仓示意图如下。温湿

10、度探头的粮仓示意图如下。 将各层探头输出接至温湿度巡检仪上，通过将各层探头输出接至温湿度巡检仪上，通过巡检仪监视器监视各点温湿度情况。通过通风口巡检仪监视器监视各点温湿度情况。通过通风口保持温湿度在要求范围内。保持温湿度在要求范围内。例例2 粮仓温度、湿度检测粮仓温度、湿度检测装有温湿度探头的粮仓示意图装有温湿度探头的粮仓示意图通通风风口口探探头头通通风风口口通通风风口口例3：感温、 感烟火灾报警器集集控控器器1中中央央监监控控 监控系统组成框图监控系统组成框图探头探头11探头探头12探头探头1N其监控系统组成框图如图:可在每一房间安放一对感温、感烟探头（智能传感可在每一房间安放一对感温、感烟

11、探头（智能传感器），它们输出温度、浓度信号通过串行通讯线送器），它们输出温度、浓度信号通过串行通讯线送入由微机组成的检测系统（集控器）；入由微机组成的检测系统（集控器）；集控器负责信号汇总，汇总各房间的温度和浓度信集控器负责信号汇总，汇总各房间的温度和浓度信号，并监控各房间温度、烟浓度是否异常，如异常，号，并监控各房间温度、烟浓度是否异常，如异常，声光报警并打开喷淋设备灭火，一层一台。声光报警并打开喷淋设备灭火，一层一台。各层集控器通过各层集控器通过CANCAN总线、总线、M-BUSM-BUS总线等现场总线将总线等现场总线将温度、浓度等信号送入中央监控计算机。值班人员温度、浓度等信号送入中央监

12、控计算机。值班人员在电脑屏幕上直观监视各房间情况（温度、烟雾浓在电脑屏幕上直观监视各房间情况（温度、烟雾浓度）。房间、楼道装配摄像头，还可通过电视屏幕度）。房间、楼道装配摄像头，还可通过电视屏幕查看房间、楼道情况。可看出没有感温、感烟传感查看房间、楼道情况。可看出没有感温、感烟传感器，就像人缺少感官，系统无法工作。器，就像人缺少感官，系统无法工作。传感器与传感器技术的地位和作用传感器与传感器技术的地位和作用-位移测试位移测试 传感器与传感器技术的地位和作用传感器与传感器技术的地位和作用-滚柱分选滚柱分选 二、传感器的定义二、传感器的定义 国家标准（GB7665-87）中传感器（Transduc

13、er/Sensor）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成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。可用输出信号的器件或装置。物理量物理量电量电量传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器是测量装置，能完成检测任务；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学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；量、生物量等；输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；等，可以是气、光、电物理量，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。输出输入有

14、对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器功用：一感二传传感器功用：一感二传,即感受被测信息即感受被测信息,并传送出去。并传送出去。V、I、F、P三、传感器的组成三、传感器的组成 辅助电源辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路被测量被测量电量电量敏感元件敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。定关系的某一物理量的元件。转换元件转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入：敏感元件的输出就是它的输入，它把输

15、入转换成电路参量。转换成电路参量。基本转换电路基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。称转换电路），便可转换成电量输出。 传感器组成的理解：传感器组成的理解： 敏感元件敏感元件的作用通常是将被测量（非电量的作用通常是将被测量（非电量1）变换成另一个与被测量有确定关系的非电量变换成另一个与被测量有确定关系的非电量2，而非电量，而非电量2易于通过变换元件转换为电量。易于通过变换元件转换为电量。例如应变式压力传感器中的弹性模片就将其例如应变式压力传感器中的弹性模片就将其被测量（压力）转换为另一非电量（应变）。被测量（压力）转换

16、为另一非电量（应变）。 变换元件变换元件通常不直接感受被测量。通常不直接感受被测量。例如应变例如应变压力传感器中的应变片，它并不直接感受压压力传感器中的应变片，它并不直接感受压力，而是将应变转换为电阻的变化。力，而是将应变转换为电阻的变化。 不是所有的传感器都能明确的区分敏感元件不是所有的传感器都能明确的区分敏感元件与变换元件。与变换元件。 传感器的输出信号通常需要必要的信号调节电传感器的输出信号通常需要必要的信号调节电路将其进行放大或转换，而变成易于传输、处路将其进行放大或转换，而变成易于传输、处理、记录和显示的形式。理、记录和显示的形式。 常见的常见的信号调节电路信号调节电路有放大器、电桥

17、、阻抗变有放大器、电桥、阻抗变换器、振荡器等。换器、振荡器等。 信号调节电路通常完成传感器输出与后续测量信号调节电路通常完成传感器输出与后续测量电路之间的匹配。电路之间的匹配。 实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是多数是开环系统开环系统，也有些是带反馈的，也有些是带反馈的闭环系统闭环系统。 最简单最简单的传感器由一个敏感元件的传感器由一个敏感元件(兼转换元件兼转换元件)组成，组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些有些传感器传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式由敏感元件和转换元

18、件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。若干次转换。由于空间的限制或者其他原因由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了信号，从而决定了转换电路转换电路是传感器的组成环节之一。是传感器的组成环节之一。 电容式接近开关在物位测量控制中的应用电容式接近开关在物位测量

19、控制中的应用传感器与传感器技术传感器与传感器技术 传感器传感器传感器与传感器技术传感器与传感器技术 四、传感器的分类四、传感器的分类 1、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等 2、按构成原理，物性型与结构型两大类、按构成原理，物性型与结构型两大类 3、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器量转换型传感器4、按照物理原理分类：十种、按照物理原理分类：十种5、按照传感器的用途分类、按照传感器的用途分类 ：位移、压力、振动、温度传感器：位移、压力、振动、温度

20、传感器7、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号 6、根据转换过程可逆与否、根据转换过程可逆与否 ：单向和双向：单向和双向8、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器 按被测物理量按被测物理量( (用途用途) )分类分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量;

21、;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩按构成原理分类按构成原理分类物性型传感器物性型传感器是利用是利用物质定律物质定律构成的构成的, ,如虎克定律、如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不

22、物性型传感器的性能随材料的不同而异同而异。如，光电管，它利用了物质法则中的外。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。传感器。 结构型传感器结构型传感器是利用物理学中是利用物理学中场的定律场的定律构成构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律的，包括动力

23、场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是的数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础化为基础，而不是以材料特性变化为基础。 物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结

24、构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. . 根据能量转换情况：根据能量转换情况：能量转换型传感器能量转换型传感器，又称有，又称有源型或发生器型，源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。

25、能量控制型传感器能量控制型传感器，在信息变化过程中，在信息变化过程中，传感传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此

26、类传感器。感器。 能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .按照物理原理分类：按照物理原理分类：电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； 磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； 压电式传感器：声波传感器、超声波

27、传感器；压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； 光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；气电式传感器：电位器式、应变式；气电式传感器：电位器式、应变式； 热电式传感器：热电偶、热电阻；热电式传感器：热电偶、热电阻； 波式传感器：超声波式、微波式等；波式传感器：超声波式、微波式等；射线式传感器：热辐射式、射线式传感器：热辐射式、射线式；射线式；半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。其他原理的传感

28、器：差动变压器、振弦式等。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。 五、传感器的发展趋势五、传感器的发展趋势 传感技术的发展分为两个方面：提高与改善传感器的技术性能提高与改善传感器的技术性能；寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。 一）改善传感器的性能的技术途径一）改善传感器的性能的技术途径1 1差动技术差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化温度变化、电源波动电源波动、外界干扰

29、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差共模误差，减小非线非线性误差性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大灵敏度增大。 2 2平均技术平均技术 在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为=/n式中 n传感单元数。 可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。3 3补偿与修正技术补偿与修正技术 补偿与修正技术的运用大致针对两种情况： 针对传感器本身特性针对传感器本身特性

30、针对传感器的工作条件或外界环境针对传感器的工作条件或外界环境 对于传感器特性传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。 针对传感器工作条件或外界环境传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。4 4屏蔽、隔离与干

31、扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：u 减小传感器对影响因素的灵敏度u 降低外界因素对传感器实际作用的程度对于电磁干扰，可以采用屏蔽屏蔽、隔离隔离措施，也可用滤滤波波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。 5 5稳定性处理稳定性处理 在使用传感器时，若测量要求较高，必要

32、时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。能将发生变化。传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。二）传感器的发展动向v 开发新型传感器

33、开发新型传感器 v 开发新材料开发新材料 v 新工艺的采用新工艺的采用 v 集成化、多功能化集成化、多功能化v 智能化智能化 开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化 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探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结结构型传感器构型传感器，一般说它的结构复杂

34、，体积偏大，价格结构复杂，体积偏大，价格偏高偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。 (micro-electromechanical systems (MEMS)微电机系统微电机系统 )1 1开发新型传感器开发新型传感器新型传感器包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今

35、后的发展方向之一。2 2开发新材料开发新材料（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。

36、3 3新工艺的采用新工艺的采用例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。 4 4集成化、多功能化集成化、多功能化同一功能的多元件并列化同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。(Charge Coupled Device电荷耦合器件) 多功能一体化多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。把多个功能不同的传感元件集成在一起把多个功能不同的传

37、感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。 为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。5 5智能化智能化对外界信息具有检测检测、数据处理数据处理、逻辑判断逻辑判断、自诊断自诊断和自适应自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工

38、艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。智能传感器的结构框图 被测量传感器预处理及接口微型机输出接口执行机构显示和记录信号预处理模拟信号数字化输入接口MP、ROM、RAM信息处理及校正软件D / A转换、驱动电路智能式应力传感器的硬件结构图应 力 传 感 器 1应 力 传 感 器 2应 力 传 感 器 n多路开关程 控放 大 器A / D控 制逻 辑键 盘 及显 示 器打 印 机RAMROMD / A串 行通 信 口8031单 片 机模 拟 量 输出智能式应力传感器的软件结构图 开机主程序模块信号采集模块信号处理模块

39、故障诊断模块键盘输入及显示模块输出及打印模块通信模块1.2 测量方法和测量误差测量方法和测量误差一、测量的意义一、测量的意义 1 1测量的意义：测量的意义： 测量是人类对自然界中客观事物取得测量是人类对自然界中客观事物取得数量观念数量观念的一种认识过程。在这一过程中，人们借助于专门的一种认识过程。在这一过程中，人们借助于专门工具，通过试验和对试验数据的分析计算，求得被工具，通过试验和对试验数据的分析计算，求得被测量的值，获得对于客观事物的定量的概念和内在测量的值，获得对于客观事物的定量的概念和内在规律的认识。规律的认识。 1.2.1 测量的意义及方法测量的意义及方法u测量技术可分为若干分支，如

40、测量技术可分为若干分支，如力学测量、电学测量、热工测量力学测量、电学测量、热工测量等。等。u热工测量是指热工测量是指温度、湿度、压力、流量、烟气成分温度、湿度、压力、流量、烟气成分等参数的测量。等参数的测量。2 2应用方面应用方面 （1）过程监测：过程监测：对过程参数的监测。对过程参数的监测。 （2）过程控制：过程控制：为生产过程的自动控制为生产过程的自动控制提供依据。提供依据。 （3）试验分析与系统辨识：试验分析与系统辨识：解决科学上解决科学上的和过程上的问题，一般需要综合运用理的和过程上的问题，一般需要综合运用理论和实验的方法。测量技术应用于实验分论和实验的方法。测量技术应用于实验分析，是

41、测量技术的一个典型应用。析，是测量技术的一个典型应用。 二、测量方法二、测量方法u测量的定义：测量的定义：就是用实验的方法，就是用实验的方法，借助于一定的借助于一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关比较，并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。于被测量的定量信息。 测量的结果包括数值测量的结果包括数值大小大小和测量和测量单位单位两部分。数值两部分。数值的大小可以用数字表示，也可以是曲线或者图形。的大小可以用数字表示，也可以是曲线或者图形。无论表现形式如何，在测量结果中必须注明单

42、位。无论表现形式如何，在测量结果中必须注明单位。测量过程的核心是测量过程的核心是比较比较。u使测量结果有意义的要求：使测量结果有意义的要求：u用来进行比较的标准量应该是国际上或国家所公用来进行比较的标准量应该是国际上或国家所公认的，且性能稳定。认的，且性能稳定。u进行比较所用的方法和仪表必须经过验证。进行比较所用的方法和仪表必须经过验证。测量的基本方程式：测量的基本方程式： X = aU 式中，式中， X 被测量；被测量； U 标准量（即选用的测量单位）；标准量（即选用的测量单位）； a 被测量与标准量的数字比值。被测量与标准量的数字比值。u测量方法测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法。就

43、是实现被测量与标准量比较的方法。 测量方法是实现测量过程所采用的具体方法，应当测量方法是实现测量过程所采用的具体方法，应当根据被测量的性质、特点和测量任务的要求来选择根据被测量的性质、特点和测量任务的要求来选择适当的测量方法。按照测量手续可以将测量方法分适当的测量方法。按照测量手续可以将测量方法分为为直接测量和间接测量直接测量和间接测量；按照获得测量值的方式可；按照获得测量值的方式可以分为以分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量偏差式测量、零位式测量和微差式测量；此；此外，根据传感器是否与被测对象直接接触，可区分外，根据传感器是否与被测对象直接接触，可区分为为接触式接触式测量和测量和非接触式非

44、接触式测量；而根据被测对象的测量；而根据被测对象的变化特点又可分为变化特点又可分为静态静态测量和测量和动态动态测量等。测量等。 u测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）：测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）： （1）直接测量法：直接测量法：使被测量直接与选用的标准量进行比较，使被测量直接与选用的标准量进行比较，或者预先或者预先分度或分度或标定好了的测量仪表进行测量，从而直接求标定好了的测量仪表进行测量，从而直接求得被测量数值的测量方法。得被测量数值的测量方法。 直接测量是工程技术中大量采用的方法，其优点是直观、简直接测量是工程技术中大量采用的方法，其优点是直观、简便、迅速，但不易达到很高

45、的测量精度。便、迅速，但不易达到很高的测量精度。(电流表测电流、弹簧秤称称重量) （2）间接测量法：间接测量法：通过直接测量与被测量有某种确定函数关通过直接测量与被测量有某种确定函数关系的其它各个变量，然后将所测得的数值代入函数关系进行系的其它各个变量，然后将所测得的数值代入函数关系进行计算，从而求得被测量数值的方法。计算，从而求得被测量数值的方法。 测量结果测量结果y和直接测量值和直接测量值xi(i1，2，3)之间的关系式为：之间的关系式为：yf(x1x2x3) 。间接测量手续多，花费时间长，当被测量不便间接测量手续多，花费时间长，当被测量不便于直接测量或没有相应直接测量的仪表时才采用。于直

46、接测量或没有相应直接测量的仪表时才采用。(测水塔的水量、曹冲称象)（3）组合测量法：组合测量法：测量中使各个未知量以不同测量中使各个未知量以不同的组合形式出现（或改变测量条件以获得这种的组合形式出现（或改变测量条件以获得这种不同组合），根据直接测量或间接测量所获得不同组合），根据直接测量或间接测量所获得的数据，通过解联立方程组以求得未知量的数的数据，通过解联立方程组以求得未知量的数值，这类测量称为组合测量。值，这类测量称为组合测量。(若干个被测量及测量量的情况)偏差式测量：偏差式测量： 在测量过程中，利用测量仪表指针相对于刻度初始点的位在测量过程中，利用测量仪表指针相对于刻度初始点的位移移(即

47、偏差即偏差)来决定被测量的测量方法，称为偏差式测量。它来决定被测量的测量方法，称为偏差式测量。它以间接方式实现被测量和标准量的比较。以间接方式实现被测量和标准量的比较。 偏差式测量仪表在进行测量时，一般利用被测量产生的偏差式测量仪表在进行测量时，一般利用被测量产生的力或力矩，使仪表的弹性元件变形，从而产生一个相反的作力或力矩，使仪表的弹性元件变形，从而产生一个相反的作用，并一直增大到与被测量所产生的力或力矩相平衡时，弹用，并一直增大到与被测量所产生的力或力矩相平衡时，弹性元件的变形就停止了，此变形即可通过一定的机构转变成性元件的变形就停止了，此变形即可通过一定的机构转变成仪表指针相对标尺起点的

48、位移，指针所指示的标尺刻度值就仪表指针相对标尺起点的位移，指针所指示的标尺刻度值就表示了被测量的数值。表示了被测量的数值。 偏差式测量偏差式测量简单、迅速，但精度不高简单、迅速，但精度不高，这种测量方法广，这种测量方法广泛应用于工程测量中。泛应用于工程测量中。 模拟电流/压表、体重秤等。u根据测量方式分为根据测量方式分为 偏差式测量、零位式测量和微差式测量偏差式测量、零位式测量和微差式测量零位式测量：零位式测量： 用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表，从而判定被测量值等于已知标准量的方法称作零式仪表，从而判定被测量值等于已知标准量

49、的方法称作零位式测量。用天平测量物体的质量就是零位式测量的一零位式测量。用天平测量物体的质量就是零位式测量的一个简单例子。个简单例子。指零仪表指零时，被测量与已知标准量相等。指零仪表指零时，被测量与已知标准量相等。天平、电位差计等。 采用零位式测量法进行测量时，优点是可以获得比较采用零位式测量法进行测量时，优点是可以获得比较高的测量精度，但是测量过程比较复杂。采用自动平衡操高的测量精度，但是测量过程比较复杂。采用自动平衡操作以后，虽然可以加快测量过程，但它的反应速度由于受作以后，虽然可以加快测量过程，但它的反应速度由于受工作原理所限工作原理所限,也不会很高。因此，这种测量方法不适用也不会很高。

50、因此，这种测量方法不适用于测量变化迅速的信号，只于测量变化迅速的信号，只适用于测量变化较缓慢的信号适用于测量变化较缓慢的信号。电位差计简化等效电路 在进行测量之前，应先调在进行测量之前，应先调R R1 1，将回路工作电流，将回路工作电流I I校准；在校准；在测量时，要调整测量时，要调整R R的活动触点，使检流计的活动触点，使检流计G G回零，这时回零，这时I Ig g=O=O，即即U Uh h=U=Ux x，这样，标准电压，这样，标准电压U Uh h的值就表示被测未知电压值的值就表示被测未知电压值U Ux x. .微差式测量：微差式测量： 将被测量与已知的标准量相比较将被测量与已知的标准量相比

51、较, , 取得差值后取得差值后, , 再再用偏差法测得此差值。用偏差法测得此差值。游标卡尺等。 这是综合零位式测量和偏差式测量的优点而提出的这是综合零位式测量和偏差式测量的优点而提出的一种测量方法，基本思路是将被测量一种测量方法，基本思路是将被测量x x的大部分作用先的大部分作用先与已知标准量与已知标准量N N的作用相抵消，剩余部分即两者差值的作用相抵消，剩余部分即两者差值xNxN，这个差值再用偏差法测量。微差式测量中，总，这个差值再用偏差法测量。微差式测量中，总是设法使差值很小，因此可选用高灵敏度的偏差式仪是设法使差值很小，因此可选用高灵敏度的偏差式仪表。即使差值的测量精度不高，但最终结果仍

52、可达到较表。即使差值的测量精度不高，但最终结果仍可达到较高的精度。高的精度。 微差式测量法是偏差式测量法和零位式测量法的结合。它通过测量待测量与标准量之差（通常该差值很小）来得到待测量量值。 u测量方法的其它分类方式：测量方法的其它分类方式：u按按不同的测量条件分：不同的测量条件分：等精度测量：等精度测量：用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量非等精度测量：非等精度测量：用不同精度的仪表或不同的测量方法, 或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量u按被测量在测量过程中的状态不同分：按被测量在测量过程中的状态不同分： 静态测量与动态测量静态测量与动态测量 (即根据被测量变化的

53、快慢分为) 三、测量系统的组成三、测量系统的组成 测量系统由四个基本环节组成：传感测量系统由四个基本环节组成：传感器、变换器或变送器、传输通道和显示装器、变换器或变送器、传输通道和显示装置。置。传感器变换器传输通道显示装置被测量测量值四、测量环节的功能四、测量环节的功能1、传感器（敏感元件）、传感器（敏感元件）u它是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。它是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。u理想敏感元件应满足的要求：理想敏感元件应满足的要求：u敏感元件输入与输出之间应该有稳定的单值函数关敏感元件输入与输出之间应该有稳定的单值函数关系。系。u敏感元件应该只对被测量的变化敏感，而对其它一敏感

54、元件应该只对被测量的变化敏感，而对其它一切可能的输入信号不敏感。切可能的输入信号不敏感。u在测量过程中，敏感元件应该不干扰或尽量少干扰在测量过程中，敏感元件应该不干扰或尽量少干扰被测介质的状态。被测介质的状态。2、变换器（变送器）变换器（变送器）u它是传感器和显示装置中间的部分，它是将传它是传感器和显示装置中间的部分，它是将传感器输出的信号变换成显示装置易于接收的部感器输出的信号变换成显示装置易于接收的部件。件。u对变换器的要求：性能稳定，精确度高，使信对变换器的要求：性能稳定，精确度高，使信息损失最小。息损失最小。3、显示装置、显示装置u它是测量系统直接与观测者发生联系的部分它是测量系统直接

55、与观测者发生联系的部分u显示装置的基本形式：显示装置的基本形式：u模拟式显示元件模拟式显示元件u数字式显示元件数字式显示元件u屏幕式显示元件屏幕式显示元件4、传输通道、传输通道u它是仪表各环节间输入、输出信号的连接部分。它是仪表各环节间输入、输出信号的连接部分。u分为电线、光导纤维和管路等。分为电线、光导纤维和管路等。 在工程实践中经常碰到这样的情况：某个新设计、在工程实践中经常碰到这样的情况：某个新设计、研制、调试成功的检测研制、调试成功的检测(仪器仪器)系统在实验室调试时测系统在实验室调试时测得的精度已经达到甚至超过设计指标，但一旦安装到得的精度已经达到甚至超过设计指标，但一旦安装到环境比

56、较恶劣、干扰严重的工作现场，其实测精度往环境比较恶劣、干扰严重的工作现场，其实测精度往往大大低于实验室能达到的水平往大大低于实验室能达到的水平,甚至出现严重超差和甚至出现严重超差和无法正常运行的情况；无法正常运行的情况； 在检测过程中，被测对象、检测系统、检测方法在检测过程中，被测对象、检测系统、检测方法和检测人员都会受到各种变动因素的影响。而且，对和检测人员都会受到各种变动因素的影响。而且，对被测量的转换，有时也会改变被测对象原有的状态。被测量的转换，有时也会改变被测对象原有的状态。这就造成了检测结果和被测量的客观真值之间存在一这就造成了检测结果和被测量的客观真值之间存在一定的差别。这个差值

57、称为定的差别。这个差值称为测量误差测量误差。测量误差的主要。测量误差的主要来源可以概括为工具误差、环境误差、方法误差和人来源可以概括为工具误差、环境误差、方法误差和人员误差等。员误差等。1.2.2 检测系统误差分析基础检测系统误差分析基础 误差的表示方法误差的表示方法 绝对误差绝对误差 相对误差相对误差 引用误差引用误差 基本误差基本误差(仪表在规定的标准条件下所具有的误差。) 附加误差附加误差(仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。) 测量误差的性质测量误差的性质 随机误差随机误差 系统误差系统误差 粗大误差粗大误差1.1.测量误差的定义测量误差的定义 由于检测系统由于检测系统( (仪表仪

58、表) )不可能绝对精确，测量不可能绝对精确，测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境因素和原理的局限、测量方法的不尽完善、环境因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等，使得测量结果不能准确地反映象的原有状态等，使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差测量误差。一、基本概念一、基本概念测量误差是测得值减去被测量的真值。测量误差是测得值减去被测量的真值。2.2.真值：真值： 在分析测量误差时，人们采用的被测量真值是指在在分析测量误差时，人们采用的被测量真值是

59、指在确定的时间、地点和状态下，被测量所表现出来的确定的时间、地点和状态下，被测量所表现出来的实际大小。一般来说，真值是未知的，所以误差也实际大小。一般来说，真值是未知的，所以误差也是未知的。但有些值可以作为真值来使用。例如是未知的。但有些值可以作为真值来使用。例如理理论真值论真值，它是理论设计和理论公式的表达值。还有，它是理论设计和理论公式的表达值。还有计量学计量学约定真值约定真值，它是由国际计量学大会确定的长，它是由国际计量学大会确定的长度、质量、时间等基本单位。度、质量、时间等基本单位。 一个量严格定义的理论值通常叫一个量严格定义的理论值通常叫理论真值理论真值.(1)(1)约定真值约定真值

60、 约定真值约定真值是一个接近真值的值，它与真值之差可忽是一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值之平均值作为约定真值。足够多次的测量值之平均值作为约定真值。约定真值约定真值(conventional true value) (conventional true value) 是对于给定目的是对于给定目的具有适当不确定度的、赋予特定量的值，有时该值是约具有适当不确定度的、赋予特定量的值，有时该值是约定采用的。实际上对于给定目的，并不需要获得特定量定采用的。实际上对于给定目的，并不需要获得特定量的真值