传感技术(绪论特性)

传感技术信息工程系

王琦

课程介绍

本课程属于自动化专业的专业选修课，它是《自动检测技术》这门专业基础课的后续课程。大家在学习了《自动检测技术》这门课后，已经对各种参数的测量原理、测量方法、测量仪器仪表有了一定的了解。既然，测量仪表从结构上而言可划分为：敏感元件（感受元件）、变送元件和显示元件三部分。那么，在本学期又专门设置这门课目的何在？它与《自动检测技术》中敏感元件的工作原理的阐述、分析有何区别呢？概括地说，《传感技术》这门课是以敏感元件的工作原理为入手点，着重分析传感器是如何将输出信号与被测量一一对应起来的，并介绍如何选择传感器的型号，在应用中如何使传感器的工作品质得以充分体现。各种类型、不同功能的传感器及其在实际中的广泛应用对同学们开阔视野、进一步认识参数检测有极大的帮助。本教材依据传感器的工作原理进行章节划分，包括：热电传感器、应变传感器、磁敏传感器、压电传感器、光纤传感器、光栅传感器、光电传感器、气敏、湿敏传感器、智能传感器等章节，内容多、覆盖面广。希望同学们在学习过程中，经常性地、有意识地与《自动检测技术》相联系，总结两课程的区别与联系。参考书籍

《集成传感器应用入门》

浙江大学出版社《传感及其遥控遥测技术应用》

丁镇生

电子工业出版社《传感器及其应用电路》

何希才

电子工业出版社《传感器电路设计手册》

吉野新治

中国计量出版社绪论传感器（sensor或Transducer）是一种装置或器件。国家标准GB7665-87给传感器的定义是：能够感受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，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的重要性

传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节

传感器是航天、航海事业中不可缺少的器件

传感器是机器人的重要组成部件

能源开发和合理利用离不开传感器

传感器是产品定型、汽车试车、飞机试飞等的必要器件

传感器在生物医学和医疗器械工程等方面的应用前景广阔

传感器已渗透到人们的日常生活之中

传感器的发展方向

新型传感器将伴随新效应的发现和新材料的开发

集成化、多功能

智能化

充分利用微加工技术和工艺

不断向高稳定性、高可靠性、高精度发展

传感器技术面临从传统向新型的突破

图像传感器领域的变化只是传感器技术变化的一个缩影。传感器技术的最大特点就是不断引入多学科的新技术发展新功能，现在，随着电子、MEMS（微机电系统）、生物技术、物理、化学、光学等等技术的飞速发展，以及人类对自然变化认知的深入，传感器技术已经进入由传统向新型突破的关键阶段，预计未来传感器技术发展将呈现出微型化、数字化、多功能化、智能化和网络化等趋势。现在，3D传感器和加速计等MEMS器件正在包括手机、游戏机、玩具、GPS、笔记本电脑以及硬盘等在内的新兴应用中迅速扩张;医疗电子，尤其是便携医疗电子市场也将对各种新型传感器产生巨大的需求。而传感器最大的应用市场——汽车——也正呈现出电子化、智能化越来越明显的趋势，在汽车动力系统中，凸轮和曲轴传感器因为与汽车的“心脏”发动机密切相关，成为动力系统的关键;在安全管理系统中，压力传感器实现侧气囊控制;车门模块中，车门把手、车窗控制上使用了直流马达位置传感器;变速箱通过使用2轴或3轴角度/线性传感器;被动安全装置包括座椅承重的检测、安全带打开/扣住的监测、座椅位置调节的检测（保证气囊系统的有效保护）等等。

此外，专家预计，传感网络还将成为继计算机、通信网络之后的信息产业第三次浪潮。有调研机构预测，到2020年，物物互联业务与现有人人互联业务之比将达到30:1，物物互联将成为下一个万亿级的信息产业。

传感器的微型化、数字化、多功能化、智能化和网络化等发展趋势也对传感器的制造工艺和材料提出了更高要求。磁敏、气敏、力敏、热敏、光电、激光等多种传感器应运而生，传感器的材料也从金属发展成为半导体、陶瓷、光学纤维等材料。微型化、智能化、非接触测量和MEMS传感技术也将逐步取代传统的机械式、应变片式、滑动电位器等传感技术。今后各大传感器厂商在市场上的比拼重点，将是提升传感器的技术含量，扩大传感器应用范围，降低生产成本，并推动新的技术革命，促进传感器工业的发展。1传感器的特性

传感器的组成传感器的分类传感器的基本特性传感器的组成

传感器=敏感元件（预变换器）+变换元件（变换器）敏感元件（预变换器）：将待测的非电量变换成电量或易于变换为电量的另一种非电量。变换元件（变换器）：将非电量变换为电量。传感器的输入信号是被测的物理量（如：长度、重量）等，其输出信号尽可能只是被测信号的确定性单值函数，且最好呈线性。

传感器应唯一、正确地反映被测量的大小，而对其他干扰信号加以抑制，对不良影响加以修正。

传感器的分类

按输入被测量分类热工量：温度、热量、比热、压力、压差、流量、流速、风速、真空度机械量：位移、尺寸、形状、力、应力、力矩、振动、加速度、噪声物理、化学量：气体（液体）化学成分、浓度、盐度、粘度、湿度、密度、比重生物、医学量：心音、血压、体温、气流量、心电流、眼压、脑电波

传感器的分类

按工作原理分类

变电阻：电位器式、应变式、压阻式等传感器变磁阻：电感式、差动变压器式、涡流式等变电容：电容式、湿敏传感器变谐振频率：振动膜（筒、弦、梁）式传感器等变电荷：压电式传感器变电势：霍尔式、热电偶传感器

传感器的分类按输出信号形式分类非电量式：色温度传感器电量式：开关式：有触点式、无触点式

模拟量式：脉冲式（频率、峰值、脉宽）、

连续式（变电阻、变电压、变电流、

变电感、变电容）、频率变化式

数字量式：脉冲数式、编码式

传感器的基本特性

静态特性：被测量的各值处于稳定状态时，传感器的输出与输入之间关系的数学表达式、曲线或数表。

衡量传感器静态特性的重要指标有：线性度、迟滞、重复性、精度、灵敏度、阈值、分辨力和漂移。

动态特性：当被测量随时间变化时，传感器的输出与输入之间关系的数学表达式、曲线或数表。

静态特性

线性度：测出的输出—输入校准曲线与某一拟合直线的不吻合程度，称为传感器的非线性误差或线性度。

选取的拟合直线不同，线性度就不同，因而在给出线性度时，必须说明所依据的拟合直线。这些直线包括：理论直线、端点连线、最小二乘拟合直线、最佳直线等，与之对应的有理论线性度、端点连线线性度、最小二乘线性度、独立线性度等。

理论直线：以传感器的理论特性直线作为拟合直线，它与实际测试值无关。y=kx

端点连线：以传感器校准曲线两端点的连线作为拟合直线。y=b+kx

最小二乘拟合直线：该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。最佳直线：该直线能保证传感器正、反行程校准曲线对它的正、负偏差相等并且最小。由此所得“独立线性度”的拟合精度最高。

静态特性

重复性：表示传感器在同一工作条件下，被测输入量按同一方向做全程连续多次重复测量时，所得输出值（校准曲线）的一致程度。

迟滞：表明传感器在正、反行程期间，输出—输入曲线不重合的程度，即对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等。

静态特性灵敏度：传感器输出增量与输入增量之比。阈值：传感器的输入从零开始缓慢增加时，使输出变化的最小输入值。阈值是传感器的最小可测的输入量。分辨力：又称“灵敏度阈”，指传感器的输入从非零的任意值缓慢增加时，使输出变化的输入增量值。分辨力是传感器可测的最小输入变化量。分辨力与量程之比的百分数称为分辨率。工业仪表的精度：测量范围内最大绝对误差与量程之比的100倍。

精度（精确度）：系统误差和随机误差的综合误差指标。

漂移：反映传感器随环境的变化（温度）、时间的推移，输出的变化，漂移是传感器稳定性的重要性能指标。时间漂移：指传感器零位随时间变化的大小。零点漂移：指传感器的零位随温度变化的大小。灵敏度漂移：指传感器的灵敏度随温度变化的大小。动态特性

时域性能指标：以阶跃函数作为典型输入。使用函数发生器（激波管）、示波器。

时间常数T：输出上升到稳态值的63%所需的时间。上升时间tr：输出从稳态值的10%上升到90%所需的时间。响应时间t5、t2：输出达到稳态值的95%或98%所需的时间。超调量σ：过渡过程中，y(tp)>y(∞)，则

动态特性反映对于随时间变化的输入量的响应特性，它反映了传感器测量动态信号的能力。可以使