第一章 传感器的技术基础

现代传感器设计及应用2023/2/11崔云先2014.3第一章传感器技术基础★传感器的概念与定义★

传感器的分类★传感器的构成★传感器的地位和作用2023/2/12传感器最早来自“感觉”一词，工程技术领域中，传感器认为是生物体五官的工程模拟。中文：传感器、变换器、敏感元件、换能器、一次仪表…英文：Sensor、Transducer、Detecter、Pick-up、Detectingelement…日：センサ.トランズデューサ.

敏感素子？俄：Датчик2023/2/131.1传感器的概念与定义1.传感器概念2023/2/141.1传感器的概念与定义1.传感器概念

传感器是一种能把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录显示和控制的要求。借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。

物理量电量定义：（国际、国内尚未有统一）国内：原机械工业部在所指定的《过程检测控制仪表术语》中对传感器的定义是：“借助于检测元件接受物理量形式的信息，并按一定规律转换成同样或别种物理量的信息仪表”。国家标准GB/T7665-1987

《传感器通用术语》中为“能感受规定的物理量并按照一定规律转化成可用信号的装置叫传感器，通常由敏感元件和转换元件组成”。2023/2/151.1传感器的概念与定义2.传感器定义国外：美国仪器仪表协会（ISA）定义：传感器是把被测量变换为有用信号的一种装置。包括敏感元件、变换电路以及把这些元件和电路组合在一起的机构。2023/2/161.1传感器的概念与定义2.传感器定义目前，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。非电量电测法定义：通过传感器把被测的非电量（如压力、流量、温度等）转换成电信号（电压、电流、电阻、电感等）输出，再经过二次仪表测量出电信号的大小，然后根据电信号与非电量之间的关系，最后得到非电量的数值。这类仪表称为电测仪表。这种方法称为非电量电测法。2023/2/17以上均为传感器的狭义定义，综合国内外传感器的定义可得到其广义定义：可感知信息并能进行转换的器件和装置。2023/2/181.1传感器的概念与定义1.2传感器的分类2023/2/191.按功能分类视觉（眼）：光→电（电→光）听觉（耳）：位移→电触觉（皮）：热→电味觉（舌）：酸度传感器、盐度传感器、离子传感器嗅觉（鼻）：机械量:长度、厚度、位移、速度、加速度、旋转角、转数、质量、重量、力、压力、真空度、力矩、风速、流速、流量；声:

声压，噪声。磁:磁通，磁场。温度:温度、热量、比热。光：亮度、色彩。2023/2/1101.2.传感器的分类2.按被测物理量分类2023/2/111机械式,电气式,光学式,流体式等.3.按传感器工作原理分类:1.2.传感器的分类线速度型传感器2023/2/1124.按信号变换特征分类:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.压电测力计结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.

例如:电容式和电感式传感器.1.2.传感器的分类2023/2/113分为：能量转换型和能量控制型5.按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.无源传感器

例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部有源传感器

供给能量的变化.例如:电容、电感型传感器.1.2.传感器的分类1.3传感器的构成1.传感器的基本构成2023/2/114辅助电源显示器记录仪数据处理仪器转换元件测量电路敏感元件

传感器的构成框图敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（也包括电量）的元件。转换元件：将敏感元件输出的非电物理量（如应变、位移、应力等）转换为电学量的元件。测量电路：能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。2023/2/1151.3传感器的构成1.传感器的基本构成1.3传感器的构成（1）基本型：基本型是最简单、最基本的传感器构成形式，也叫自源型，只由敏感元件单独组成。输出量多为力学量输出量一般为电学量。特点：不需要外能源，敏感元件可直接从被测对象获得能量，并转换成电量。如：热电偶传感器，压电传感器等。2023/2/1162.传感器的构成方法敏感元件输出输入1.3传感器的构成(2)有源型：采用辅助能源使敏感元件的工作点稳定。不需要变换电路即可有较大的电量输出。2023/2/1172.传感器的构成方法敏感元件输出输入辅助能源如光电管、霍尔式传感器等。1.3传感器的构成(3)有源变换型：在有源型基础上加上转换电路而构成。2023/2/1182.传感器的构成方法敏感元件输出输入辅助能源转换电路如：电阻应变式、电感位移式、电涡流位移式等。1.3传感器的构成（4）双敏感元件补偿型：采用原理相同，性能一致的的两个敏感元件加辅助电路构成。2023/2/1192.传感器的构成方法电源敏感元件输出输入转换电路敏感元件环境影响如：应变式、固态压阻式等传感器1.3传感器的构成2023/2/1202.传感器的构成方法电源敏感元件输出输入转换电路敏感元件环境影响（5）推挽型：测量时输入信号同时加到原理相同、性能一致的两个敏感元件上，通过测量电路，使有用的输出量增加，干扰相减。1.3传感器的构成（6）环境敏感元件补偿型：由两个原理性质不同的敏感元件为核心组成。2023/2/1212.传感器的构成方法电源敏感元件输出输入转换电路敏感元件环境影响如：采用热敏元件的温度补偿、压电的温度和加速度干扰补偿等1.3传感器的构成(7)反馈型：传感器敏感元件同时兼做反馈元件，使传感器输入处于平衡状态，也称为平衡式传感器。目前主要有力反馈型和热反馈型。2023/2/1222.传感器的构成方法反向敏感元件输出输入敏感元件敏感元件电量非电量如：差动电容力平衡式加速度传感器、热线热反馈型流速传感器等。1.4传感器的地位和作用支撑现代文明的传感器1.工程领域中的应用：机电工程：从数控机床到机器人宇宙开发：阿波罗10飞船：火箭P：2077（温559、压力140、信号501、遥控142）飞船P：1218：离散信号392“整个宇宙飞船就是一个高性能传感器的集合体”，耗资300亿、40万人参加。

资源调查：大气污染、水质检测，噪声2.基础科学领域：宏观上千光年宇宙→微观10-13cm微粒时长数十亿年天→10-24秒瞬变温度1亿度等离子→0.01k超导体？压力3000↑大气压→10-15

mmHg真空从宏观到微观的测试，均离不开传感器3.生活领域：家用领域（饭、洗、报警…）

交通领域（汽、火、飞、船）、高速动车1.4传感器的地位和作用1.4传感器的地位和作用二、信息社会的两大支柱

1、从第一次产业革命说起…

（1）动力→体力（2）信息（感知、控制）→脑力2、电脑与电五官

笨拙的“人——机”联系“人——传感器——计算机”

“大脑发达、五官迟钝”被动局面

计算机核心、芯片运算记忆功能↑1倍∕年电路密度还可增100倍↑、价格↓↓战略重点的转移八十年的技术革新的主角是传