《传感器》第1章 传感器的基本概念

1、1 什么是传感器和传感器技术 传感器与传感器技术的作用和地位 传感器应用领域 传感器的定义和组成 传感器分类 传感器技术的特点 传感器的需求、水平、现状 传感器与传感器技术发展趋势 传感器的一般特性 第1章 传感器的基本概念 2什么是传感器和传感器技术 为了研究自然现象和制造劳动工具，人类必须了解外界各类信息。外界信息感 官人 脑肢 体人 体 系 统传感器计算机执行器机 器 系 统通信系统通信系统神经系统神经系统3 传感器是获取信息的工具。 是指那些对某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。 传感器（ Transducer 或 Se

2、nsor ），俗称探头，有时亦被称为换能器、变送器、变换器或探测器。 传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术。工业测量标准输出信号能量转换转换效率4密封型压力变送器 压阻式压力传感器电容式差压变送器旋转差动变压器电涡流传感器电感式接近开关电阻应变式力传感器5热电阻、热电偶热敏电阻光敏电阻压电加速度传感器光电管光敏二、三极管6旋转编码器霍尔电压传感器超声物位开关 湿度传感器光电池热释电传感器CCD图像传感器集成霍尔传感器7 传感器位于系统之首，其作用相当于人的五官，直接敏感外界信息。是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要

3、通过它转换成便于传输、处理、记录、显示和控制的可用信号。自动测控（监控）系统作用：传感器与传感器技术的作用和地位8地位：传感器技术与通信技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱。 传感器技术（感官） 采集信息； 通信技术 （神经） 传输信息 ； 计算机技术（大脑） 处理信息。 传感器技术是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。如果没有先进的传感器技术，那么信息的准确获取就成为一句空话，通信技术和计算机技术就成了无源之水。 “没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界所公认。科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。所以国内外都将

4、传感器技术列为重点发展的高技术。 9传感器应用领域 传感器的应用范围很广，从航天、航空、兵器、船舟、交通、冶金、机械、电子、化工、轻工、能源、环保、煤炭、石油、医疗卫生、生物工程、宇宙开发等领域至农、林、牧、副、渔业，甚至人们日常生活的各个方方面面，几乎无处不使用传感器，无处不需要传感器技术。 也可以说，传感器已几乎应用到各个领域。 10信息处理电信电话科技测试设备控制交通控制输电系统机床机器人家用电器照相机汽车飞机船舶气象海洋环境污染医疗防火光能利用热能利用土木建筑农林机械能利用货币金融食品11155110103473659816127783431 314711170769361262124

5、2014需要量11例：化工产品自动生产过程：1、自动检测与自动控制系统 石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业。设备推动力液体或气体检测压力或压强进料自动称重按比例混合反应容器内液体成品半成品在生产线上传输自动控制传输速度自动控制容器液位测定容器中的压力体积自动称重分装计数122、汽车 传统：行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量、水温等。 安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速 控制装置、汽车行驶记录仪（黑匣子）、倒车雷达等。 环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置等。133、家用电器、通信及文化用品 微波炉、电磁灶、燃气灶、电饭锅、电子热水器、饮水机、吸尘器、风

6、干器、电熨斗、加湿器、电风扇、空调器、洗衣机、洗碗机、消毒柜、电冰箱、照相机、摄像机、电视机、录像机、家庭影院、电话机、手机、传真机、复印机、扫描仪、打印机等。144、机器人 工业机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验）。汽车焊接机器人仓库机器人 汽车喷漆机器人15 智能机器人：判断能力日本喂饭机器人 瑞士“达芬奇”手术机器人 美军爆炸物处理机器人 日本营救机器人 16日本厨师机器人 日本丰田公司机器人乐队 德国人形机器人调制速溶茶 17日立新款机器人服务生 韩国机器人艺人 中科院机器人能歌善舞哈工大仿人型残疾人假手 18美国宇航局机器人检修太空设备 美国宇航局探索机器人 美军排雷机器人

7、 月球车19电影泰坦尼克中用于水下探测的“邓肯”号机器人采矿机器人美国“水下龙虾”机器人 205、医学医用传感器： 人体内部温度、血液、呼吸流量、 肿瘤、心音、腔内压力、心脑电波等检测、化验。6、航空及航天 飞行器在预定轨道上速度、加速度、飞行距离、高度、陀螺仪、阳光、星光、地磁、周围环境、内部设备监控、本身状态、气压等的检测。217、环境保护、环境监测、现代农业、智能家居智能温室农牧业22智能家居238、遥感技术飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波传感器等。船舶：超声波传感器。微波红外接收传感器红外线分布差异矿藏埋藏地区地 面秘鲁两大型露天铜矿遥感影像 249、军事技术领域“信

8、息时代的军事革命” 美国参联会副主席欧文斯上将“改变那种认为军事力量主要是军舰、坦克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转为重视诸如传感器这类东西的作用。” “陆军、海军、空军都将只不过是历史的产物你也许将成立一个把所有的传感器放在一起的军种（可称之为传感器军）用于观察战场”25传感器定义：传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。 国家标准GB 7665-87对传感器下的定义是： 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输

9、出信号的器件或装置。国际电工委员会IEC的定义是： 传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。传感器定义和组成 26 如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。例如：压电传感器、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。 组成：敏感元件转换元件信号调理电路辅助电路被测量非电量其它量非电量电量电信号标准信号电量并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。 传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路和辅助电路组成。271. 敏感元件（预变换器）（Sensing Element）：传感器中能直接感受或

10、响应被测量（非电量）并输出与之成确定关系的其它量（非电量）的部分。 （在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件）。2. 转换元件（Transduction Element）：传感器中能将敏感元件感受或响应到的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号（一般为电信号）的部分。3. 信号调理电路：能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号（常用电压、电流、频率）的电路。 类型视转换元件的分类而定，常采用的有电桥电路、放大器、振荡器、

11、阻抗变换、补偿及其它特殊电路，如高阻抗输入电路、脉宽调制电路等。4. 辅助电路：通常指电源，即交、直流供电系统。 28 当被测压力 p 增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。 电位器转换元件电阻变化电量电压变化有用电信号输出信号调理电路分压比电路电源辅助电路压力非电量角位移非电量敏感元件弹簧管1-弹簧管 2-电位器 3-电刷 4-齿条、齿轮举例1：测量压力的电位器式压力传感器29举例2：应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹性膜片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变（形变）；弹性膜片的应变施加在电阻应变片上，使应变片也产生应变（形变），

12、应变量转换成电阻的变化量，电阻应变片就是转换元件。 应变片转换元件电阻变化电量电压变化有用电信号输出信号调理电路电桥电源辅助电路压力非电量形变非电量敏感元件弹性膜片30传感器分类 传感器种类繁多（国内6000多种，美国17000种），功能各异。 同一被测量可用不同转换原理实现探测；利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器；而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域，故传感器有不同的分类法。3132其它分类：按输出信号的传送方式：电传送、气传送（易燃、易爆环境）和光传送（抗干扰、绝缘能力强）；位式作用（开关作用）和连续作用；有触点及无触点（利用晶体管或晶闸管

13、的通断发出信号）；常规式及灵巧式（Smart， 处理电路使用微处理器，功能丰富、使用灵活）；接触式（敏感元件必须和被测物质接触）及非接触式；普通型、隔爆型（在内部电路和周围易燃气体之间采取了隔离措施，允许使用在有一定危险性的环境里）及本安型（本质安全型，依靠特殊设计的电路保证在正常工作及故障状态下都不会引起燃爆事故，可用在十分易燃易爆的场所）。33传感器技术的特点 传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测与应用。它已逐渐形成了一门相对独立的专门学科。与其它学科相比，它具有如下技术特点: 1.内容范围广且离散 传感器可涉及到的内容广而离散的特点主要体现在传感器技术可利用的物理学、化学、

14、生物学、电子学等学科中的基础“效应”、“反应”、“机理”不仅为数甚多，而且它们往往彼此独立、甚至是完全不相关。2.知识密集程度甚高、边缘学科色彩极浓 由于传感器技术是以材料的电、磁、光、声、热、力等功能效应和功能形态变换原理为基础，并综合了物理学、化学、生物工程、微电子学、材料科学、精密机械、微细加工、试验测量等方面的知识和技术而形成的一门科学。由此可见，传感器技术是学科交错应用极多，知识密集极高，与许多基础科学和专业工程学有着极为密切关系的技术。 343.技术复杂、工艺要求高 传感器的制造涉及了许多高新技术，如集成技术、薄膜技术、超导技术、微细或纳米加工技术、粘合技术、高密封技术、特种加工技

15、术以及多功能化、智能化技术等。因此，传感器的制造工艺难度很大，要求很高。4.功能优、性能好 传感器功能优良主要体现在其功能的扩展性好、适应性强。具体地说，传感器不但具备人类“五官”所具有的视、听、触、嗅、味觉功能，而且还能检测五官不能感觉到的信息，同时还能在人类无法忍受的高温、高压等恶劣环境下工作。性能好体现在传感器的量程宽、精度高、可靠性好等方面。5.品种繁多、应用广泛 由于现代信息系统中待测的信息（待测量）很多，而且一种待测量往往可用几种传感器来测量，因此，传感器产品品种极为庞杂、繁多。 35传感器的需求、水平、现状 由于传感器技术的重要性，上世纪80年代以来国际上出现了“传感器热”。引起

16、各国政府高度重视。 日本把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本政府还在21世纪技术预测中将传感器列为首位。 美国把传感器技术列为90年代22项关键技术之一，美国白宫将“传感器及信号处理”列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。 西欧各国在制定“尤里卡”发展计划中，把传感器技术作为优先发展的重点技术。 我国政府在“863计划”及重点科技攻关项目中，均把传感器列在重要位置。36 传感器技术之所以受到如此看重并获得极为迅速发展的原因是： 1.微型计算机的普及、信息处理技术的飞速发展，而获取信息的工具传感器处于明显拖后腿的状态，形成推动传感器技术发

17、展的动力。 2. 广阔的市场和强烈的社会需求是传感器技术发展的又一强劲推动力，传感器的销售值反映一个国家科技发达与社会进步的程度。 中国电子信息产业发展研究院预测，未来五年国内传感器市场年复合增长31%。汽车、物流、环保、安防、RFID、数码等领域的快速发展，尤其是物联网已进入市场导入期，传感器市场增长较快， 2015年中国传感器市场规模有望达到1200亿元以上。37 自动化过程（机器系统）都包括有三种主要功能块：传感器、计算机(或微处理器)、执行器。 传感器相当于人的感官，时时检测“对象”的状态及其相应的物理参量，并及时馈送给计算机； 计算机相当于人的大脑，经过运算、分析、判断，根据“对象”

18、状态偏离设定值的方向与程度，对执行器下达修正动作的命令； 执行器相当于人的肢体，按大脑的命令对“对象”进行操作。执行器传感器计算机对象显示监视（测量）监控（测控）38执行器包括：风车、水磨、蒸汽机、内燃机、电机、各种阀体、继电器、电磁铁等。39 透视人类自动化的历史进程，我们看到： 首先人们发展了执行器，然后计算机的出现，通过扩展计算机程序的“智能”，产生了“信息革命”。现在，人们正在通过应用传感器来扩展“感觉”，去获得信息数据，以便校正自动化过程中的偏差，并能根据各种情况的变化做出实时正确的处理。 在实际应用中，需要三个功能块（传感器、计算机、执行器）都经济耐用，有良好的性能价格比。 目前随

19、着计算机、执行器的迅猛发展，传感器的价格性能比相对来说却居高不下，传感器、计算机、执行器价格性能比的下降幅度为 3 : 10 : 1000，传感器与其它两个功能块的发展形势不相适应，制约了自动化的发展。 需要大力发展传感器。40传感器与传感器技术发展趋势 一是开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是增加品种、减小体积和重量，向标准化、固态化、集成化、多功能化、数字化、智能化、网络化方向发展。标准化： 不同厂家的产品，在硬件、软件、通信规程、连接方式等方 面互相兼容、互换联用，既方便用户使用，又易于安装维修。固态化： 采用半导体、电介质、强磁性体、陶瓷等材料。集成化

20、： 将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导 体技术将其制作在同一芯片上。多功能化：传感器具有多种参数的检测功能。数字化： 用数字信号取代模拟信号，提高可靠性和抗干扰能力。智能化： 将信号检测、驱动回路和信号处理回路等外围电路全部集成在 一起，使它具有自诊断、远距离通信、自动调整零点和量程等 功能。网络化： 传感器网络的发展,使测控系统主动进行信息处理以及远距离 实时在线测量成为可能。 41传感器网络：有线传感器网络、无线传感器网络。（物联网的重要组成部分）42传感器的一般特性 一个传感器就是一个系统，一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出

21、和输入间的关系和特性。 从传感器的静态输入输出关系建立的数学模型叫静态模型； 从传感器的动态输入输出关系建立的数学模型叫动态模型。 传感器所测量的非电量一般有两种形式： 一种是稳定的，即不随时间变化或变化极其缓慢，称为静态信号； 另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。 由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。 为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好的静态特性和动态特性，才能使信号(或能量)按规律准确地转换。 静态模型 动态模型 静态特性 动态特性 43静态模型 式中 x 输入量； y 输出量； a0 零位输出； a

22、1 传感器线性灵敏度，常用K 或S 表示 a2 ，an 非线性项的待定系数。 静态模型是指在静态信号情况下，描述传感器输出与输入量间的一种函数关系。 一般可用多项式来表示： 44动态模型 动态模型指传感器在准动态信号或动态信号作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。 动态模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。45静态特性 传感器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称为静态特性。 静态数学模型 a0= 0 时，表示静态特性曲线通过原点。此时静态特性有四种典型情况： 1. 理想线性 （图a）2. 具有 x 奇次阶项的非线性 （图b） 3. 具有 x 一次及偶次阶项的非线性

23、 （图c） 4. 具有 x 奇、偶次阶项的非线性 （图d）46 除图(a)为理想线性特性外（几乎每一种传感器都不具备如此特性，即都存在非线性），其余均为非线性关系。 仅具有奇次方的多项式模型，图(b)，在原点附近一定范围内基本上是线性特性。 在设计传感器时，应将测量范围选取在静态特性最接近直线的一小段，此时原点可能不在零点。以图(d)为例，如取 ab 段，则原点在 c 点。 传感器静态特性的非线性，使其输出不能成比例地反映被测量的变化情况，而且对动态特性也有一定影响。因此在使用非线性传感器时，必须对传感器输出特性进行线性处理。47传感器的静态特性主要由下列几种性能指标来描述: 1. 线性度（非

24、线性误差） 2. 灵敏度 3. 分辨率和分辨力4. 迟滞（滞环） 5.重复性6.精确度（精度）7. 稳定性8. 漂移 48 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间的线性程度。 一般来说传感器都是非线性的，在非线性项的次数不高、输入量变化范围不大时，可用切线或割线等直线来近似代表实际曲线的一段，这种方法称为传感器的非线性特性的线性化，所采用的直线称为拟合直线。线性度（非线性误差） 实际静态特性曲线与拟合直线之间的偏差称为非线性误差。 49 非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线算出来的。因而，基准直线不同，所得线性度也不同。 非线性误差： 式中Ymax为输出量和输入量实际曲线与拟合直

25、线之间的最大偏差；YFS为输出满量程值。 50灵 敏 度 传感器的灵敏度是其在稳态下输出变化对输入变化的比值，常用Sn或K来表示。即 对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图 (a) 所示。即 非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图 (b) 所示，即用 dy/dx 表示传感器在某一工作点的灵敏度。 51 分辨率和分辩力都是表示传感器能检测被测量的最小值的性能指标。 分辨力：指传感器能检出被测信号的最小变化量。分辩力是以最小量程的单位值来表示，有量纲。 分辨率：将分辨力除以传感器的满量程就是传感器的分辨率。分辨率常以百分比或几分之一表示，无量纲。 分 辨 率 和 分 辩 力52迟滞(滞

26、环)现象 迟滞特性能表明传感器在正向(输入量增大)行程和反向(输入量减小)行程期间，辅出-输入特性曲线不重合的程度。 对于同一大小的输入信号x，在x连续增大的行程中，对应某一输出量为yi ，在x连续减小过程中，对应于输出量为yd之间的差值叫做滞环误差，这就是所谓的迟滞现象。该误差用E表示为 在整个测量范围内产生的最大滞环误差用max表示，它与满量程输出值YFS的比值称为最大滞环率。 53重 复 性 重复性表示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。多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差也越小。 不重复性一般采用下式的极限误差式表示： 式中max为输出最大不重复误差； yFS 为满量程输出值。 54精确度（精度） 说明精确度的指标有三个：精密度、正确度和精确度。 1.精密度 它说明测量结果的分散性。即对某一稳定的对象（被测量）由同一测量者用同一传感器和测量仪表在相当短的时间内连续重复测量多次（等精度测量），其测量结果的分散程度。精密度越小说明测量越精密（对应随机误差）。 2.正确度 正确度说明测量结果偏离真值的程度，即示值有规则偏离真值的程度。指所测值与真值的符合程度（对应系统误差）。 3.精确度 它含有精密度与正确度两者之和的意思，即测量的综合优良程度。在最简单的场合下可取两者的代