第一章 传感器技术基础

传感器原理与应用（清华大学出版社）第一章传感器技术基础第1章传感器技术基础1.1自动检测技术概论1.2测量方法与测量误差1.3传感器定义、组成、分类1.4传感器的基本特性1.1

自动检测技术概论1.1.1自动检测技术的重要性1.1.2自动检测系统1.1.3自动检测技术的发展趋势1.1.1

自动检测技术的重要性测试手段就是仪器仪表

在工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，即研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速地测得非电量的技术。非电量电测量技术优点

测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机联结进行数据处理、可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等。机械制造业化工行业烟草行业环境保护等部门现代物流行业科学研究和产品开发中文物保护领域综上所述，自动检测技术与我们的生产、生活密切相关。它是自动化领域的重要组成部分，尤其在自动控制中，如果对控制参数不能有效准确的检测，控制就成为无源之水，无本之木。1.1.2

自动检测系统检测系统的组成

在自动检测技术中，各组成部分常以信息流的过程来划分，一般可分为：信息的获取、转换、处理和输出几部分。系统首先要获取被检测的信息，把他变换成电量，然后把已经转换成电量的信息进行放大、整形等处理，再通过输出单元把信息显示出来，或者通过输出单元把已经处理的信息送到控制系统其它单元使用传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。测量电路：把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。输出单元：指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。1.1.3

自动检测技术的发展趋势不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。开发新型传感器。开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合，构成新一代智能化测试系统，使测量精度、自动化水平进一步提高。研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。1.2测量方法与测量误差1.2.1测量方法1.2.2测量误差的表示方法1.2.3测量误差的分类1.2.4测量的精密度、正确度和精确度1.2.5系统误差的发现和处理1.2.1

测量方法1.按照测量过程的特点分类（1）直接测量法（2）间接测量法（3）组合测量法1.2.1

测量方法2.按照测量的因素分类（1）等精度测量法（2）非等精度测量法3.按测量仪表特点分类（1）接触测量法（2）非接触测量法4.按测量对象的特点分类（1）静态测量法（2）动态测量法1.2.2

测量误差的表示方法任何物理量，在一定条件下，都存在一个客观值，这个客观值称为该物理量的真实值，或叫做真值。而用实验手段测出来的值则称为该物理量的测得值。实际测量中，由于仪器准确度、测量方法、环境等因素的影响，任何测量总得不到真实值，即测量结果和被测量的真值之间，总是或多或少地存在一些差异，这种差异就叫测量误差。误差存在于一切测量的过场中，这成为一条公理。1.2.2

测量误差的表示方法测量误差就是测量结果与被测量的真值之间的差，可用下式表示：式中，△：测量误差；

X：测量结果（由测量所得到的被测量值）；

X0：被测量的真值。(1)绝对误差绝对误差可以为正也可以为负值，且是一个有单位的物理量。实际测量中是用多次测量的算术平均值来代替真值，测得值与算术平均值之差称为偏差，又称残差，用△表示，即假定一个物体的真实长度为95.0mm，而测得值为95.5mm。则测量误差为0.5mm。另一物体的真实长度为9.0mm，测得值为9.5cm，测量误差也为0.5cm。从绝对误差看两者相等，但测量结果的准确度却大不一样。显然，评价一个测量结果的优劣，不仅要看绝对误差的大小，还要看被测量本身的大小。(2)相对误差相对误差为绝对误差与真值之比，因测得值与真值接近，所以也可近似用绝对误差与测得值之比值作为相对误差，一般用百分比来表示(3)引用误差为了计算和划分准确度等级的方便，通常采用引用误差，它是从相对误差演变过来的，定义为绝对误差与测量仪表量程之比，用百分数表示(4)基本误差基本误差是指仪表在规定的标准条件下工作时所具有的误差。如仪表在电源电压、电网频率、环境温度和湿度规定允许的波动范围等条件下工作时所具有的误差。(5)附加误差附加误差是指仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。如温度附加误差、频率附加误差、电源电压波动附加误差。1.2.3

测量误差的分类（1）系统误差（2）随机误差（3）粗大误差1.2.4

测量的精密度、准确度、精确度反映测量结果与真值接近程度的量

(1)准确度

(2)精密度

(3)精确度对于具体的测量，精密度高的而准确度不一定高，准确度高的精密度不一定高，但精确度高，则精密度和准确度都高。1.2.5

系统误差的发现和处理1、系统误差的发现理论分析及计算实验对比法数据分析法（1）理论分析法

分析实验所依据的原理是否严密，测量所用理论公式要求的条件是否满足。如伏安法测电阻实验中，电流表、电压表内阻是否符合要求等。分析实验方法是否完善，测量仪器所要求的使用条件在测量过程中是否已经满足。如天平的水平、零点是否调节妥当；各类电表水平或垂直放置是否正确等。（2）实验对比法

改变测量方法或实验条件，改变实验中某些参量的数值或测量值，调换测量仪器或操作人员等进行对比，看测量结果是否一致，这是发现定值系统误差最基本的方法。（3）数据分析法对同一被测量值进行多次重复测量，通过计算偏差、进行作图或列表分析，可发现测量中是否存在变值系统误差，这是残差统计法。如将测量数据按测量先后顺序排列，观察其偏离的符号，若正负大体相同，并无显著的变化规律，就可不用怀疑存在系统误差。即通过计算进行比较看其是否满足存在随机误差的条件，否则，测量中存在变值系统误差。2.系统误差的处理从产生误差源上消除系统误差引入修正值法选择适当的测量方法1.3

传感器的定义、组成与分类

1.3.1传感器的定义

1.3.2传感器的作用和组成

1.3.3传感器的分类1.3.1

传感器的定义（1）传感器是测量装置，能完成检测任务；（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；（3）它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等，其可以是光、电等信号，主要是电信号。（4）输出输入有对应关系，且应有一定的精确度。1.3.2

传感器的作用与组成1.传感器的作用传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传动出去。生产过程中有各种各样的参数需要进行检测和控制，如常用的力、压力、温度、流量、物位、转速、位移、振动等非电量。传感器是检测和控制这些参数的关键部件。1.3.2

传感器的作用与组成2.传感器的组成（1）敏感元件它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。（2）转换元件敏感元件的输出就是它的输入，他把输入量转换成电路参数量。（3）转换电路1.3.3

传感器的分类电位器传感器位移电阻丝应变片传感器、半导体应变传感器微应力、力、复合热丝传感器气流速度、液体流量电阻温度传感器温度、辐射热热敏电阻传感器温度光敏电阻传感器光强湿敏电阻湿度中间参量：电阻1.3.3

传感器的分类中间参量：电容电容传感器力、压力、负荷、位移液位、厚度、含水量电感传感器位移涡流传感器位移、厚度、硬度压磁传感器力、压力1.3.3

传感器的分类中间参量：电感差动变压器位移自整角机位移旋转变压器位移中间参量：频率振弦式传感器位移振筒式传感器压力、力石英谐振传感器力、温度等1.3.3

传感器的分类中间参量：计数光栅大角位移、大直线位移感应同步器磁栅角度编码器大角位移中间参量：数字1.3.3

传感器的分类中间参量：电动势热电偶温度、热流霍尔传感器磁通、电流磁电传感器速度、加速度光电池光强中间参量：电荷电离室离子计数、放射性强度压电传感器动态力、加速度1.4

传感器的基本特性

1.4.1静态特性

1.4.2动态特性

1.4.3传感器的主要技术指标1.4.1

传感器的静特性输出与输入间关系

微分方程静特性：输入量为常量，或变化极慢动特性：输入量随时间较快地变化时微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，可得到静特性（动特性的特例）表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系希望输出与输入具有确定的对应关系，且呈线性关系。静特性指标

线性度灵敏度迟滞重复性1、线性度静特性输出量输入量零点输出理论灵敏度非线性项系数直线拟合线性化非线性误差或线性度最大非线性误差满量程输出直线拟合线性化出发点获得最小的非线性误差拟合方法：①理论拟合；②过零旋转拟合；③端点连线拟合；④端点连线平移拟合；①理论拟合拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。方法十分简单，但一般说较大xyΔLmax②过零旋转拟合曲线过零的传感器。拟合时，使xyΔL2ΔL1③端点连线拟合把输出曲线两端点的连线作为拟合直线xyΔLmax④端点连线平移拟合在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离为原先的一半yxΔLmaxΔL12、灵敏度传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力表征传感器对输入量变化的反应能力(a)线性传感器(b)非线性传感器

3、迟滞正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞

—正反行程间输出的最大差值。迟滞误差的另一名称叫回程误差，常用绝对误差表示检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反