《传感器与信号调理技术》课件第1章

第1章绪论1.1传感器概述及分类1.2传感器常用名词及术语1.3信号调理电路在检测技术中的作用及要求1.4传感器与信号调理技术的发展趋势

1.1传感器概述及分类

1.1.1传感器概述

随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测试与控制技术已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、机械制造、冶金、化工、轻工、生物化学工程、自动检测与计量等各个领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。1.1.2传感器分类

传感器种类繁多，通常有3种分类方法，即按工作原理分类、按能量的传递方式分类、按被测物理量分类。

1.按工作原理分类

这种分类方法是以传感器的工作原理作为分类的依据，如表1-1所示。在选择传感器时比较容易判断传感器所采用的原理，这有利于传感器专业技术人员从原理和设计上做归纳性的分析研究，使得传感器的使用更具有专业性。

2.按能量的传递方式分类

用能量观点分类，所有的传感器均可分为两大类，即能量变换式传感器和能量控制式传感器。

由于它不能进行能量转换，因此一般为不可逆的，也不附有力学系统。传感器按能量传递方式分类如表1-2所示。

3.按被测物理量分类

这种分类方法阐明了传感器的用途，对于使用者及生产单位来说，这种分类方法很方便，这种分类方法是将原理互不相同但作用相同的传感器归为一类，使用对象明确，便于

用户选择和使用，是常用的分类方法，如表1-3所示。

续表一

续表二1.2传感器常用名词及术语

传感器的品种繁多，测量参数不同，其性能参数也不

一样。

(1)测量范围：由传感器的测量上限值和测量下限值所确定的被测量的范围。

(2)量程：传感器测量范围的上限值和下限值的代数差。

(3)线性度：线性传感器测出的输入－输出曲线与某一规定直线不吻合的程度称为线性度，或称为非线性误差。

(4)重复性：在同一操作条件下，输入按同一方向做全测量范围连续变动多次时，传感器重复输出读值的能力。

(5)不重复性：在同一操作条件下，对传感器输入量按同一方向做全量程连续多次重复测量，其输出值的不一致程度。一般把以３次加载输出特性曲线在同一输入量时的最大偏移量与最大输出量之比的百分数称为不重复误差。

(6)滞后(迟滞)：在规定的测量范围内和相同的工作条件下，传感器在正、反行程中(即被测量先是逐渐增加，然后又逐渐减小)，同一输入所对应输出的不重合程度。滞后误差是输出曲线在同一输出量时最大偏差与最大输出的百分比。

(7)精确度(精度)：非线性误差、不重复误差及滞后误差这3项指标决定传感器的精确度，它是反映系统误差和随机误差的综合指标。一般来说，若已知这3项误差，可以通过误差合成(均方根偏差)方法求出精确度。

(8)准确度：测量结果与真值的偏离程度。准确度反映了系统误差的大小。

(9)精密度：测量中所测数值重复一致的程度。精密度反映了偶然误差的大小。

(10)灵敏度：传感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比。对线性传感器来说，传感器校准直线的斜率就是灵敏度，而非线性传感器的灵敏度则随输入量不同而变化。传感器的灵敏度大，其信号处理较容易，当信噪比(传感器输出信号Ｓ与噪声Ｎ之比，称为传感器的信噪比Ｓ/Ｎ)较小时，信号处理较为困难。

(11)分辨力(率)：传感器可能检测出的被测量的最小变化值。

(12)阈值：在传感器最小量程附近的分辨力(率)。阈值也称为灵敏阈或门槛灵敏度。

(13)稳定性：表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。

(14)过载(过负荷)：被测量超出传感器的测量范围的现象。

(15)过载限：在不引起传感器规定的性能指标产生永久变化的条件下，允许超过测量范围的最大能力。

(16)零点时间漂移：传感器在恒定的温度环境中，零点输出信号与时间的变化特性，称为传感器零点时间漂移，简称零漂。传感器的零漂一般按８小时内输出信号的变化来度量。

(17)零点温度漂移：传感器的零点输出随温度而变化的特性，称为传感器的零点温度漂移，一般用环境温度变化１０℃所引起的输出变化相对于最大输出的百分比表示。在实际使用中，时间漂移和温度漂移是同时存在的。

(18)灵敏度漂移：传感器的灵敏度随温度的改变而变化，它反映温度变化对传感器输出信号影响的大小。一般用温度每变化１０℃而引起传感器灵敏度的相对变化来表示。

(19)响应速度：传感器的响应速度反映其动态特性，对于一阶传感器，一般用时间常数的大小来表示，时间常数小，表示动态响应好。

(20)工作环境条件：能保证传感器的各项性能指标在规定的误差范围内的工作环境条件。一般是指传感器工作环境的温度范围和湿度范围。

(21)校准(标定)：用一定的试验方法，确定传感器输入－输出特性关系(特性方程、特性曲线和校准表)和精度的过程。

(22)温度误差：传感器工作温度偏离校准温度时引起的误差。在传感器测量范围内，用温度变化引起的输出最大变化值与校准温度下满量程输出的百分比表示。

(23)安装误差：由于传感器使用和校准时，安装的状态不同所引起的输出信号值的误差。

1.3信号调理电路在检测技术

中的作用及要求

1.3.1信号调理电路的作用

计算机测控技术是由传感器技术、信号调理技术、信号处理技术和执行器技术四个部分组成的。1.3.2信号调理电路设计的要求

1.精度方面的设计要求

1)低噪声与高抗干扰能力

2)低漂移、高稳定性

3)线性与保真度要好

4)选择合适的输入与输出阻抗

2.响应速度方面的设计要求

随着实时动态测量技术的发展，对信号调理电路的响应速度提出了更高的要求，如果没有良好的频率特性、高的响应速度，就不能准确地测量出被测对象的运动状况，无法对被测系统进行准确控制。

3.信号转换灵活方面的设计要求

为了适应在各种情况下测量与控制的需要，要求信号调理电路具有将被测信号灵活地进行各种转换的能力。

1)信号形式的转换

2)量程的变换

3)信号的选取

4)信号的处理与运算

4.可靠性和经济性方面的要求

随着测控系统的应用越来越广，规模越来越大，对系统的可靠性也提出了越来越高的要求，作为测控系统关键部件的信号调理电路的可靠性设计也就显得越发重要了。由于信号调理电路在大多数情况下需要由不同性能的元器件组成，电路也较为复杂。因此，要从元器件选择、老化、布局、线路走向、接插件形式等诸多方面重视电路的可靠性设计。

1.4传感器与信号调理技术的发展趋势

1.发展新现象

重新认识压电效应、热释电现象、磁阻效应等物理现象，以及各种化学反应和生物效应，充分利用这些现象设计制造出各种用途的传感器，这是传感器技术的重要基础性工作。

2.应用新材料

传感器材料是传感技术的重要基础，新功能材料的开发将导致新的传感器出现。半导体材料、陶瓷材料、光导纤维、纳米材料、生物活性材料以及超导材料的发展，为传感器技

术发展提供了物质基础。

3.应用新工艺

除利用机械加工方法使传感器的制造精密化外，今后的传感器制造工艺向着微细加工技术方向发展，也就是将半导体的精密加工技术应用到传感器的制造上。

4.集成传感器

集成传感器是新型传感器重要的发展方向之一，其基本原理是采用集成加工技术，将敏感元件、材料线路、放大器及温度补偿元件等都集成在一个基片上，如集成温度传感器、集成压力传感器、集成霍尔传感器等。

5.多维化传感器

一般的传感器只能获取一个点的信息，利用电子扫描方法，把多个传感器单元做在一起，就可以识别空间和复杂物体的状态，即所谓多维化传感器。

6.智能化传感器

智能化传感器是20世纪80年代末出现的一种带有微处理器的新型传感器。它克服了以往传感器被动的单纯信号检测的问题，兼有检