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1、传感器技术及应用,陈文涛 主编,第一章 检测技术基础知识,第一节 传感器的基本知识,一.传感器的定义 二.传感器的组成 三.传感器分类 四.传感器技术的发展方向 五.传感器的基本特性,一.传感器的定义,传感器是一种以一定的精确度能够感受规定的被测量信息同时又能够将感受到的被测量信息按照一定的规律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器件或装置。 传感器的基本功能是将非电量转化成电量进行输出的装置。 传感器又称为变换器、换能器、变送器、发送器与探测器等。,二.传感器的组成,传感器的组成,敏感元件是直接感受被测量，并且将感受到的被测量转换为与被测量有确定关系的某一物理量的元件。 转
2、换元件的作用就是将敏感元件送出的非电量转化成适合于传输或测量的电信号。 由于传感器输出信号一般都很微弱，因此传感器在除敏感元件，转换元件两大组成部分之外，还必须加入信号调理转换电路将输出的信号进行调理与转换、放大、运算与调制之后才能进行显示和参与控制 。 传感器的各个组成部分可以集成在同一芯片上构成传感器模块和集成电路传感器 。,三.传感器分类,按被测参数分类 机械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振动、噪声 热工量：温度、热量、流量、风速、压力、液位 物性参数：浓度、粘度、比重、酸碱度 状态参量：裂纹、缺陷、泄露、磨损、表面质量,按传感器的工作原理分类 按传感器的工作原理可分为按应变原
3、理工作式、按电容原理工作式、按压电原理工作式、按磁电原理工作式、按光电效应原理工作式等，相应的有应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等。,按信号变换特性分类 结构型：主要通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。 物性型：利用敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。,按能量关系分类 能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作。例如热电偶、光电池等，这种类型传感器也称为有源传感器。 能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给的能量的变化。,四.传感器技术的发展方向,提高与改善传感器的测量精度、量程范围、可靠性等技术性能。 寻找新
4、原理、新材料、新工艺。 传感器的智能化。 传感器的集成化。 传感器的多功能化。 传感器的网络化和微型化。,五.传感器的基本特性,传感器输出输入之间的关系特性是传感器的基本特性。 基本特性又分为静态特性和动态特性。 静态特性是指静态信号作用下的输出输入关系特性。 动态特性是指动态信号作用下的输出输入关系特性,线性度：线性度是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。,传感器线性度示意图,灵敏度:灵敏度是指在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值，用s来表示，即 若测量系统是由灵敏度分别为s1、s2、s3等多个独立环节组成时，如图1-3所示传感器系统的总灵敏度S为,迟滞
5、:迟滞特性表明检测系统在正向（输入增大）和反向（输入减少）行程期间，输入输出特性曲线不一致的程度.,传感器迟滞示意图,重复性:重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。,传感器重复性示意图,分辨率 :分辨率指传感器在规定测量范围内能够精确检测到被测量的最小输入信号增量。 漂移 :传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。,第二节测量误差的分析与处理,一.测量的概念 二.测量的方法 三.测量误差的分类 四.测量误差的表示方法,一.测量的概念,测量：测量过程实际上是一个比较过程，就是将被测量与同种性质的标准量进行比较，
6、从而获得被测量大小的过程。 测量可分为狭义测量和广义测量两种。简单的比较过程称为狭义测量，而能对被测量完成检出、变换、分析、处理显示和控制的综合过程，则称为广义测量。,二.测量的方法,实现被测量与标准量比较得出的比值的方法，称为测量方法。 按测量过程的特点分类 1.直接测量：利用测量仪器，直接读取被测量的测量结果。 2.间接测量：已知被测量与其他几个量有 确定的函数关系，可以分别测出其他几个量,再利用函数关系求出被测量。 3.组合测量:是指在一个测量过程中同时采用直接测量和间接测量两种方法进行测量的测量方法。,按测量结果的方式分类 1.偏差式测量 2.零位式测量 3.微差式测量,1.偏差式测量
7、,利用测量仪表指针对于刻度初始点的偏移来读出被测量的的测量方法。如万用表测量。 特点：表内没有标准量具（如单位电流、单位电阻），只有经标准量具校准过的刻度盘。比较是将被测量与刻度盘比较。 精度低，但简单迅速。,2.零位式测量,调节已知标准量与被测量达到平衡状态（相等），读取标准量作为被测值。 特点：测量装置中有标准量具（如天平的砝码、电桥的标准电阻），测量过程是将被测量与标准量具比较，在平衡或指针指零时，读取标准量具的大小。 精度高，操作复杂，反应速度较慢。,3.微差式测量,零位式与偏差式测量的综合应用。 测量前先把被测量U调到基准数值大小，调节已知标准量使二者相等，读取被测值的基准大小U0。
8、 测量中只读取被测值的微小变化U 计算得测量结果为：,特点：测量装置中有标准量具，测量始条件是指针指零或平衡。 对微小信号实行偏差式测量。 减小了偏差式测量的范围，精度高，小信号反应速度快，适合于在线测量。,微差式测量原理图,按测量精度因素条件分类 1.等精度测量:是指在整个测量过程中，如果影响和决定误差大小的全部因素(条件)始终保持不变，比如由同一个测量者，用同一台仪器、同样的测量方法，在相同的环境条件下，对同一被测量进行多次重复测量的测量方法。 2.不等精度测量:是指有时在高精度测量中，在不同的测量环境条件下，用不同精度的仪表、不同的测量方法、不同的测量次数，以及不同的测量者进行测量和对比
9、的测量方法。,按测量对象的变化特点分类 1.静态测量:是指被测对象的大小不随时间变化而变化，处于稳定状态下进行的测量方法. 2.动态测量:是指被测对象的大小在测量过程中是随时间不断变化的，处于非稳定状态下进行的测量方法，称为动态测量。,按测量敏感元件是否与被测介质接触分类 1.接触测量:是指传感器直接与被测对象接触，感受被测量的变化，从而获取信号，并测量出其大小的方法。 2.非接触测量:是指传感器不直接与被测对象接触，而是间接感受被测量的变化，从而获取信号，并测量出其大小的方法。,按测量敏感元件是否与被测介质接触分类 1.接触测量:是指传感器直接与被测对象接触，感受被测量的变化，从而获取信号，
10、并测量出其大小的方法。 2.非接触测量:是指传感器不直接与被测对象接触，而是间接感受被测量的变化，从而获取信号，并测量出其大小的方法。,随机误差 1.在相同条件下，对同一被测量进行多次重复测量时，受偶然因素的影响而出现误差的绝对值和符号以不可预知的方式变化着，则此类误差称为随机误差。 2.随机误差能够反映测量结果的分散程度，通常称为精密度。随机误差越小，说明多次测量时的分散性越小，精密度要高。,检测技术中，用精准度（简称精度，它从精密度和准确度中各取一个字）反映精密度和准确度的综合结果。,a规律性系统误差小 正确度高。 结果分散性大 随机误差大 精密度低。,b规律性系统误差大 正确度低。 结果
11、重复性好 随机误差小 精密度高。,c规律性系统误差小 正确度高。 结果重复性好 随机误差小 精密度高。,准确度、精密度和精准度示意图,粗大误差 1.粗大误差是指明显偏离测量结果的误差，又称过失误差。 2.引起粗大误差的根本原因主要是由测量人员操作失误、读数错误、记数错误而引起的，也完全没有规律。,四测量误差的表示方法,绝对误差:绝对误差是指仪表的指示值X与被测量的真值X0之间的差值，可用下式表示： 测量值与真值的差,有单位、符号。绝对误差可以直接反映测量结果与真值之间的偏差值，但不可作为测量精度的指标。,相对误差：相对误差r是指仪表指示值的绝对误差与被测量的真值X0的比值，可用下式表示： 绝对
12、误差与真值的（百分）比,引用误差 ：引用误差r0是指绝对误差与仪表量程L的比值。 绝对误差与仪表量程的（百分）比,仪表的最大引用误差：最大绝对误差与量程之（百 分）比。,*该式分子是指整个量程中最大绝对误差，为定值，分母也是确定的。因此，对于一台确定的检测仪表或系统，最大引用误差就是定值，可以用来衡量仪表精度。,仪表的精度等级： 取仪表的最大引用误差，去掉百分号。,*常见仪表精度等级：01 02 05 10 15 20 25 50,37,本章小结,测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法，把被测量与作为单位的标准量进行比较，以确定出被测量是标准量的多少倍数的过程，所得的倍数就是测量值。测
13、量方法有不同的分类。根据测量手续不同可分为直接测量、间接测量和联立测量；根据测量时是否与被测对象相互接触可分为接触式测量和非接触式测量；根据被测信号的变化情况不同分为静态测量和动态测量；根据输出信号的性质不同分为模拟式测量和数字式测量；根据测量方式不同可分为偏差式测量、零位式测量与微差式测量。,38,测量误差是客观存在的，可用绝对误差和相对误差表示。绝对误差反映测量值偏离真值的多少，而相对误差反映测量值偏离真值的程度。根据测量数据中的误差所呈现的规律，误差分为三种，即系统误差、随机误差和粗大误差。 传感器是一种能够感受外界信息并按一定规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成，有时还要加上辅助电源。 传感器的静态特性反映了输入信号处于稳定状态时的输入-输出关系。衡量静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性和稳定性等。动特性是指输入量随时间变化的响应特性。,
