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1、第一章 传感器的基本概念n学习本课程所需的预备知识n 电路基础、电子测量技术、电子线路。n教学提要（重难点）、课程内容、教学要求、实验指 导n 传感器的概念以及传感器的基本特性是本章重点。 从传感器的作用开始，逐一介绍了传感器的概念、组 成以及分类，对传感器的基本特性作了详细阐述。1.1 传感器的定义n 关于传感器的定义，至今尚无一个比较全面的定义 。不过，对以下提法，学者们似乎不持异议。n国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统 中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供 测量的信号”。n根据中华人民共和国国家标准（GB766587 ），传感器（Transducer/Sensor) 的定义是
2、： 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。n所谓传感器，是指那些能够取代甚至超出人的“五 官”，具有视觉、听觉、触发、嗅觉和味觉等功能 的元器件或装置。n 与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多 ，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如 人类没有能力感知紫外或红外线辐射，无法忍受 的高温、高压、辐射等恶劣环境，还可以检测出 人类“五官”不能感知的各种信息(如微弱的磁、电 、离子、射线和的无色无味的气体等信息，以及 远远超出人体“五官”感觉功能的高频、高能信息 等)。n 对于一个测量系统，它所测量的各种物理量，其形式 是不一样的，可以是机械量、电磁量、热工量、光
3、学量 ，但不论是哪种物理量，它们都可以分为模拟量和数 字量两大类。n传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转 换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出，如 电压、电流、频率等信号。这一定义包含以下方面。n(1)传感器是一种测量装置，能够完成一定的检测任务；n(2)它的输入量种类很多，且多为模拟信号的非电量；n(3)它的输出量是经转换后的电量信号，且有一定的对应 关系和转换精度。1.2 传传感器的组组成n传感器是由敏感元件、转换元件及信号调节电路三部分组成的。n敏感元件是指传感器中能直接感受(或响应)与检出被测对象的待 测信息(非电量)的部分，n转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受
4、(或响应)出的信息直接转换成电信号的部分。n信号调节转换电路是能把转换元件输出的电信号转换为电压、电 流或频率量便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。 辅助电路通常包括电源，即交、直流供电系统。被 测 对 象敏感元件电源辅助电路转换 元件基本转换 电路非电量 非电量 电参量 电量 传传感器的组组成广东技术师范学院 传感技术与信号处理 第1章n敏感元件与转换元件在结构上常装在一起。为了减小 外界对转换电路的影响，也希望它们装在一起，但限 于空间结构，转换电路常装入单箱内。在转换电路后 面，往往还有信号的放大、处理、显示等后续电路， 它们通常不包含在传感器的范围之内。n但并不是所有的传感器
5、都必须包括敏感元件和转 换元件。如果敏感元件直 接输出的是电量，它就同 时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合 一的传感器是 很多的。例如，压电晶体、热电偶、 热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。n举例：测量压力的应变式压力传感器应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹性膜应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹性膜 片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变( (形变形变) )；弹；弹 性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的 变化量
6、，电阻应变片就是转换元件。变化量，电阻应变片就是转换元件。 弹性敏感元件（弹簧管）弹性敏感元件（弹簧管） 敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有 确定关系、更易于转换的非电量。在下图中，弹簧管将压力转换为角位移弹簧管放大图当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动 齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。即弹弹 簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移。 其他各种弹性敏感元件在上图中的各种弹性元件也能将压力转 换为角位移或直线位移。压力传感器的外形及内部结构被测量通过敏感元件转换后，再经传感元 件转换成电参量 在右图中， 电位器为传感元 件，它
7、将角位移 转换为电参量- -电阻的变化（ R） 360度圆盘形电位器接地测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。 分压比电路的计算公式如下： 直滑电位器式传感器的 输出电压Uo与滑动触点C的 位移量x成正比：对圆盘式电位器来说，Uo 与滑动臂的旋转角度成正比： 1.3 传感器的分类n可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理；它们 的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。n传感器种类繁多按被测量分类 按测量原理分类 按输出型式分类按电源型式分类n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。 广东技术师范学院
8、传感技术与信号处理 第1章n按被测量分类 （p4） 物理量传感器 化学量传感器 生物量传感器n按测量原理分类 电容式传感器 谐振式传感器 电位器式传感器 应变（计）式传感器 电阻式传感器 压电式传感器 电磁式传感器 压阻式传感器 电感式传感器 磁阻式传感器电离式传感器 差动变压器式传感器 电化学式传感器 霍耳式传感器 光导式传感器 激光传感器 光伏式传感器 辐射传感器 光纤传感器 超声（波）传感器 热电式传感器 声表面波传感器 伺服式传感器 n按输出型式分类 数字传感器模拟传感器n按电源型式分类 无源传感器有源传感器1.4 传感器的技术特点n传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检 测
9、与应用。它已逐渐形成了一门相 对独立的专门学科 。与其他学科相比，它具有如下技术特点：n1. 内容范围广且离散n2. 知识密集程度高、边缘学科色彩浓3. 制造技术复杂、工艺要求高n4. 功能优良、精度高、可靠性好 n5. 现代传感器品种繁多、应用广泛广东技术师范学院 传感技术与信号处理 第1章1.5 传感器的数学模型概述n从系统角度来看，一种传感器就是一种系统。根据系 统工程学理论，一个系统总可以用一个数学方程式或 函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输 出和输入间的关系和特性，从而，用这种关系指导对 传感器的设计、制造、校正和使用。通常从传感器的 静态输入输出关系和动态输入输出关系两
10、方面建 立数学模型，但是准确地建立一个系统的数学模型是 困难的。n在工程上，总是采用一些近似方法建立起系统的初步 模型，然后，经过反复模拟试验确立系统的最终数学 模型，这种方法同样适用传感器数学模型的建立。下 面介绍传感器静态和动态数学模型的一般描述方法。广东技术师范学院 传感技术与信号处理 第1章1. 系统概论无论系统复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处 理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。x(t)h(t)y(t)系统分析中的三类问题：1)当输入、输出是可测量的(已知)，可以通过它们推断系统的传输 特性。 (系统辨识)2)当系统特性已知，输出
11、可测量，可以通过它们推断导致该输出的 输入量。 (反求) 3)如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。( 预测) 2. 静态模型n静态模型是指在静态信号(输入信号不随时间变化的量)情况下，描述传感器输 出与输入量间的一种函数关系。如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的 静态模型一般可用多项式来表示：y=a0+a1x+a2x2+anxn (11)式中 x输入量； y输出量； a。零位输出；a1传感器线性灵敏度，常用K或S表示；a2，an非线性项的待定系数。n 传感器的静态模型有三种有用的特殊形式：ya1x (12)y=a1+a2X2+a4X4+ (13)ya1X+a3x3+a5x5
12、+ (14)式(12)表示传感器的输出和输入量呈严格的线性关系，式(13)和(14)均 为非线性关系。3. 动态模型n动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号(输入信号随时间而变化的量)作用下，描 述其输出和输人信号的一种数学关系。动态模型通常采用微分方程和传递函数等来描 述。n1). 微分方程n 绝大多数传感器都属模拟(连续变化)系列。描述模拟系统的一般方法是采用微分方程 。在实际的模型建立过程中，一般采用线性时不变系统理论描述传感器的动态特性， 即用高阶线性常系数微分方程表示传感器输出量y和输入量x的关系。其通式如下： n式中，y为输出量，x为输入量，ai,bi为常数。n对于复杂的系统，其
13、微分方程的建立求解都是很困难的；但是一旦求解出微分方程的 解就能分清其暂态响应和稳定响应。为了求解的方便，常采用拉普拉斯变换(简称拉氏 变换)将式(15)变为算子S的代数式或采用下面将要介绍的传递函数研究传感器动态 特性。2). 传递函数n如果y(t)在t0时，y(t)0，则y(t)的拉氏变换可定义为n我们定义输出y(t)的拉氏变换y(S)和输入x(t)的拉氏变换X(S)的比 为该系统的传递函数H(S)：n对y(t)进行拉氏变换的初始条件是t0，y(t)0。这对于传感器被 激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件均符合 上述初始条件。从式(17)可知，它与输入量x(t)无关，只与系 统结构参数ai，bi有关。因此，H(S)可以简单而恰当地描述其输 出与输入关系。n只要知道Y(S)，X(S)，H(S)三者中任意两者，第三者便可方便地求出。这时 可见，无需 了解复杂系统的具体内容，只要给系统一个激励信号x(t)，便可得 到系统的响应y(t)，系统特性就能被确定。它们可用图(a)框图表示。n 对于多环节串、并联组成的传感器，如果各个环节阻抗匹配适当，可忽略相 互间的影。则传感器的等效传递函数可按下列代数方式求得：n 若传感器由r
