第一章传感器

第一节传感器的重要性（Theimportanceofsensor)一、传感器的重要性（Theimportanceofsensor)

人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。

同样，如果用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”）。可用下图表示

图0.1

身体与机器人的对应关系传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段

作为人脑的一种模拟的电子计算机的发展极为迅速，可是起五种感觉模拟作用的传感器却发展很慢，因而引起了人们的普通关注，如果不进行传感器的开发，现在的电子计算机将处于一种不能适应实际需要的状态。如上图所示，如同为了很好的将体力劳动和脑力劳动进行协调一样，也要求传感器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。

当传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域广泛应用的同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。例如：1.在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….在防盗防入侵地报警装置中也装有红外传感器。

2.美军研制的未来单兵作战武器---OICW

图0.2图0.3夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。3.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，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）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温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等。

底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：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。图0.4汽车传感器示意图4.数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器。自动感应灯：亮度检测---光敏电阻；空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶；电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器。遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管；可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD办公商务：扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器。电子血压计：血压检测---压力传感器。血糖测试仪、胆固醇检测仪---离子传感器二.传感器的作用（Thefunctionofsensor)

传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。传感器所检测的信号近来显著地增加，因而其品种也极其繁多。

为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。因此作为一种功能块的传感器可狭义的定义为：“将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。”如下图所示：图0.5第二节传感器的定义和组成

（DefinitionandComposingofsensor）一.传感器的定义（Thedefinitionofsensor)

根据中华人民共和国国家标准（GB7665——87），传感器（Transducer/Sensor)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出信号的器件或装置。

第二节传感器的定义和组成

（DefinitionandComposingofsensor）传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种量值的测量装置。顾名思义，传感器的功能是一感二

传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：敏感元件、转换元件、转换电路传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。其包含以下几个方面的意思：

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、生物量等3.输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。4.输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。

二.传感器的组成(Thecomposingofsensor)

传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：

1.敏感元件（Sensitiveelement）：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（Transductionelement）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。

3.转换电路（Transductioncircuit）：上述电路便可转换成电量输出。

实际上，有些传感器很简单参数接入转换电路，，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量。如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。图0.6传感器组成示意图第三节传感器的分类与命名

（CategoryandRequestofsensor）一.传感器的分类（Thecategoryofsensor）传感器种类繁多，目前常用的分类有两种：一种是以被测量来分，另一种是以传感器的原理来分。表0.1

按被测量来分类被测量类别被

测

量热工量温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流速、风速机械量位移（线位移、角位移），尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声物性和成分量气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（PH值）、盐度、浓度、粘度；密度、比重状态量颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量表0.2

按传感器的原理来分类序号工作原理序号工作原理1电阻式8光电式（红外式、光导纤维式）2电感式9谐振式3电容式10霍尔式（磁式）4阻抗式（电涡流式）11超声式5磁电式12同位素式6热电式13电化学式7压电式14微波式二.传感器的一般要求(Therequestofsensor)由于各种传感器的原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不可能相同，但是有些一般要求却基本上是共同的：a.足够的容量——传感器的工作范围或量程足够大；具有一定的过载能力。b.灵敏度高，精度适当——即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。c.响应速度快，工作稳定，可靠性好。

d.使用性和适应性强——体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。e.使用经济——成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。当然，能完全满足上述性能要求的传感器是很少的。我们应根据应用的目的、使用环境、被测对象状况、精度要求和原理等具体条件作全面综合考虑。综合考虑的原则、性能及指标，将在第一章中详细讨论。三传感器命名与代号1.3.1传感器的命名由主题词加四级修饰语构成。

I.

主题词——传感器；II.

第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语；III.

第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字；IV.

第三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、

敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字；

V.第四级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。例：题中的用法：在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合，应采用上述之顺序：如：传感器，位移，应变[计]式，100mm；正文中的用法：在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序。如：10mm应变式位移传感器。由主题词加四级修饰语构成

1.3.2传感器的代号依次为主称（传感器）被测量—转换原理—序号I.

主称——传感器，代号C；II.

被测量—用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。

III.

转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表3：常用转换原理代码表；IV.序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。例：应变式位移传感器：CWY-YB-20；光纤压力传感器：CY-GQ-2。第四节

检测技术基础一、检测技术的概念与作用

1、检测与测量：检测是意义更为广泛的测量

测量：以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作检测技术：测量+信号检出（极为重要）检测过程：信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理检测技术：检测方法、检测结构、检测信号处理---综合性技术2、检测的分类被测量值的物理属性：电量、非电量检测原理（物理的、化学的、生物学的）：电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化学分析、色谱分析、质谱分析等检测方法：主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、动态和静态3、测量单位测量：被测量基准量倍数（结果）单位避免混乱----国际单位制（SI）：比较SI基本单位：七个物理量单位---相互独立长度（m）质量（kg）时间（s）电流（A）热力学温度（K）物质的量（mol）光量（cd）

米----光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485实物单位----千克标准原器SI组合单位：由基本单位导出能量（J）=力距离=质量加速度距离J=kg（m/s2）m=m2·kg/s2能量---焦（耳）：长度、质量、时间大得多/小得多----词头：mm、m、nm（10-9m）；kHz、MHz（106Hz）、GHz（109Hz）二、检测技术的作用与意义1、产品检验和质量控制的重要手段被动检测主动检测（在线检测）质量控制领域2、在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用故障监测系统动态监测保证设备和人员安全提高经济效益3、自动化系统中不可缺少的组成部分生产过程：“物流”“信息流”检测获取信息分析判断自动控制自动化：信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行4、检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步检测手段水平决定科学研究的深度和广度理论研究成果离不开必要的检测手段控制管理数量状态趋向三、检测系统构成信息获取转换显示和处理（信号检出部分）（信号变换部分）（分析处理部分、通信接口及总线）图0.71、信号检出部分传感器（Sensor）----检出功能的器件信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）特点：1）输出量为电压、电流、频率电阻、电容、电感两种：数字量、模拟量2）输出的电信号一般较微弱：电压----毫伏级、微伏级；电流----毫安级、纳安级3）输出信号与噪声混杂在一起----传感器内部噪声传感器的信噪比小、输出信号弱----信号淹没在噪声中4）传感器的输出特性呈线性或非线性5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制。检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分。2、信号变换部分检出信号适合于分析和处理的信号信号调理电路阻抗变换----输出阻抗很高时；信号放大----输出信号微弱时；噪声抑制----信号淹没在噪声中；电压/电流（V/A）转换----需要电流输出时；模拟/数字（A/D）转换----需要输出数字信号时目的：1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量；2）消除或抑制传感器输出量中的无用信号；3）提高测量、分析的准确度；4）简化后续系统的组成。3、分析处理部分不断注入新内容----检测系统的研究中心计算机系统----强大问题分析能力、复杂系统的实时控制自动化、智能化4、通信接口与总线部分功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换接口---分系统和上位机之间/分系统之间交换信息通用标准接口---不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联USB、IEEE-488、RS-232（串行）、并行（硬件系统）总线：传送数字信号的公共通道----信号线的集合（规范、结构形式）RS-232C、VXI、Centronics（并行）四、检测方法选择：被测量的性质、特点和测量任务要求分类：（1）按测量手续：直接测量、间接测量（2）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、差分式测量（3）按传感器与被测对象是否直接接触：接触式测量、非接触式测量（4）根据对象变化的特点：静态测量、动态测量

1、直接测量与间接测量直接测量----与同类基准进行简单的比较以得到被测量线纹尺----物体尺寸、天平----物体重量间接测量----被测量无法或不易进行直接测量负载电阻功率=电压电流目标变量自变量（直接测量）（关系）2、偏移法与零位法测量1）偏移法---完全从被测量中获得信号转换所需能量例：弹簧秤2）零位法---不从信号源获得能量3、差分式测量结构：对称结构的两个传感器，被测量反对称作用在两个传感器上作用：消除干扰的影响测量原理线性化、提高灵敏度（常见检测结构形式）

测量误差高精度测量图0.8差分结构4、随动跟踪测量---基于零位法的测量例：高精度电子秤、伺服加速度计、高精度压力传感器

高精度测量图0.9五、检测系统的基本组成

一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。图0.10给出了检测系统的组成框图。力位移

速度

加速度

压力流量温度电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式电桥

放大器滤波器调制器解调器运算器

阻抗变换器

笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡数据处理器

频谱分析仪

FFT

实时信号分析仪

电子计算机

被测对象

传感器

中间变换测量装置

显示及记录装置

实验结果处理装置

激发装置

图0.10检测系统的具体组成图0.11图0.11.1传感器

传感器是把被测量(如物理量、化学量等)转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能一次性确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。检测技术中使用的传感器种类繁多，分类的方法也各不相同。从传感器应用的目的出发，可以按被测量的性质将传感器分为：机械量传感器，如位移传感器、力传感器、速度传感器、加速度传感器等；热工量传感器，如温度传感器、压力传感器、流量传感器等；化学量传感器；生物量传感器等。从传感器研究的目的出发，着眼于变换过程的特征可以将传感器按输出量的性质分为：I.

参量型传感器它的输出是电阻、电感、电容等无源电参量，相应的有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器等。Ⅱ.发电型传感器它的输出是电压或电流，相应的有热电隅传感器、光电传感器、磁电传感器、压电传感器等。1.2测量电路

测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。应当指出测量电路的种类和构成是由传感器的类型决定的，不同的传感器所要求配用的测量电路经常具有自己的特色。

1.3显示记录装置

显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解检测数值的大小或变化的过程。目前常用的有模拟显示、数字显示和图像显示三种。模拟式显示是利用指针对标尺的相对位置表示被测量数值的大小。如各种指针式电气测量仪表、其特点是读数方便、直观，结构简单、价格低廉，在检测系统中一直被大量应用。但这种显示方式的精度受标尺最小分度限制，而且读数时易引入主观误差。数字式显示则直接以十进制数字形式来显示读数，实际上是专用的数字电压表，它可以附加打印机，打印记录测量数值．并且易于和计算机联机，使数据处理更加方便。这种方式有利于消除读数的主观误差。图像显示，如果被测量处于动态变化之中，用显示仪表读数就十分困难，这时可以将输出信号送至记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线，作为检测结果，供分析使用。常用的自动记录仪器有笔式记录仪、光线示波器、磁带记录仪。六、检测技术的发展趋势

科学技术的迅猛发展，为检测技术的现代化创造了条件，主要表现在两个方面：第一、人们研究新原理、新材料和新工艺所取得的成果将产生更多品质优良的新型传感器。例如光纤传感器、液晶传感器、以高分子有机材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器等。

另外，代替视觉、嗅觉、味觉和听觉的各种仿生传感器和检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器也是今后传感器技术研究和发展的重要方向。新型传感器技术除了采用新原理、新材料和新工艺之外，还向着高精度小型化和集成化的方向发展。传感器集成化的一个方向是具有同样功能的传感器集成化。从而使对一个点的测量变成对一个平面和空间的测量。例如。利用电荷耦合器件形成的固体图像传感器来进行的文字和图形识别即是如此。

传感器集成化的另一个方向是不同功能的传感器集成化，从而使一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数。例如，测量血液中各种成分的多功能传感器。除了传感器自身的集成化之外，还可以把传感器和后续电路集成化。传感器和测量电路的集成化可以减少干扰，提高灵敏度，方便使用。如果将传感器和数据处理电路集成在一起。则可以方便地实现实时数据处理。

第二，检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。带有微处理机的各种智能化仪表已经出现，这类仪表选用微处理机做控制单元，利用计算机可编程的特点，使仪表内的各个环节自动地协调工作，并且具有数据处理和故障诊断功能，成为一代崭新仪表，把检测技术自动化推进到一个新水平。第五节测量误差的概念及其处理方法一、测量及测量方法1、测量测量是指人们用实验的方法，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。测量过程中使用的标准量应该是国际或国内公认的性能稳定的量，称为测量单位。

测量的结果包括数值大小和测量单位两部分。数值的大小可以用数字表示，也可以是曲线或者图形。无论表现形式如何，在测量结果中必须注明单位。否则，测量结果是没有意义的。测量：被测量基准量倍数（结果）单位比较一切测量过程都包括比较、示差、平衡和读数等四个步骤。例如，用钢卷尺测量杆件长度时，首先将卷尺拉出与杆件紧靠在一起，进行“比较”；然后找出卷尺与杆件的长度差别，即“示差”；进而调整卷尺长度使二者长度相等，达到“平衡”；最后从卷尺刻度上读出杆件的长度，即“读数”。测量过程的核心是比较，但被测量能直接与标准量比较的场合并不多，大多数情况下，是将被测量和标准量变换成双方易于比较的某个中间变量来进行的。例如，用弹簧秤称重。被测重量通过弹簧按比例伸长，图1.12直接测量示意图图1.13间接测量示意图转换为指针位移而标准重量转换成标尺刻度。这样，被测量和标准量都转换成位移这一中间变量，就可以进行直接比较。此外，为了提高测量精度，并且能够对变化快、持续时间短的动态量