传感器技术第一章-概论1课件

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1、光纤光栅位移计光纤光栅位移计索尼索尼700700采用的新型采用的新型CMOSCMOS传感器传感器21 七月七月 202421 七月七月 2024一一 传感器的概念与发展传感器的概念与发展 1 11 1 传感器基本概念传感器基本概念 传感器（传感器（transducer/sensortransducer/sensor）的）的定义定义是：是：能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。元件组成。其中，敏感元件其中，敏感元件（sensing elementsensin

2、g element）是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件转换元件（transducer elementtransducer element）是指传感器中）是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号以及其它某种可用信号的部分。输或测量的电信号以及其它某种可用信号的部分。21 七月七月 2024 传感器传感器狭义地定义狭义地定义为：能把外界为：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。非电信息转换成电信号输出的器件。 可以预料，当人类跨入光子时代，光可以预料，当人类跨入光子时

3、代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念将随之发展的可用信号时，传感器的概念将随之发展成为：能把外界信息转换成光信号输出的成为：能把外界信息转换成光信号输出的器件。器件。 21 七月七月 2024 传感器的任务就是感知与测量。在人传感器的任务就是感知与测量。在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。的角色。 在在1818世纪产业革命以前，传感技术由世纪产业革命以前，传感技术由人的感官实现：人的感官实现：人观天象而仕农耕

4、，察火人观天象而仕农耕，察火色以冶铜铁。色以冶铜铁。 从从1818世纪产业革命以来，特别是在世纪产业革命以来，特别是在2020世纪信息革命中，传感技术越来越多地由世纪信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官，即工程传感器来实现。人造感官，即工程传感器来实现。21 七月七月 2024目前，工程传感器应用如此广泛，以至可目前，工程传感器应用如此广泛，以至可以说任何机械电气系统都离不开它。现代以说任何机械电气系统都离不开它。现代工业、现代科学探索、特别是现代军事都工业、现代科学探索、特别是现代军事都要依靠传感器技术。要依靠传感器技术。 一个大国如果没有自身传感技术的不一个大国如果没有自身传感技术的不

5、断进步，必将处处被动。断进步，必将处处被动。21 七月七月 2024现代技术的发展，创造了多种多样的工程传感器。现代技术的发展，创造了多种多样的工程传感器。工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知的量，如紫外线、红外线、超声波、磁场等。的量，如紫外线、红外线、超声波、磁场等。从这个意义上讲，工程传感器超过人的感官能力。从这个意义上讲，工程传感器超过人的感官能力。有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测，但有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测，但工程传感器测量得工程传感器测量得更快、更精确。更快、更精确。例如虽然人眼和光传感器都能检测可见光，进行例如虽

6、然人眼和光传感器都能检测可见光，进行物体识别与测距，但是人眼的视觉残留约为物体识别与测距，但是人眼的视觉残留约为0 01s1s，而光晶体管的响应时间可短到纳秒以下；人眼，而光晶体管的响应时间可短到纳秒以下；人眼的角分辨率为的角分辨率为1 1，而光栅测距的精确度可达，而光栅测距的精确度可达1 1”；激光定位的精度在月球距离激光定位的精度在月球距离3 3104km104km范围内可达范围内可达10cm10cm以下；以下；21 七月七月 2024工程传感器可以把人所不能看到的物体通过数据工程传感器可以把人所不能看到的物体通过数据处理变为视觉图像。处理变为视觉图像。CTCT技术就是一个例子，它把技术就

7、是一个例子，它把人体的内部形貌用断层图像显示出来，其他的例人体的内部形貌用断层图像显示出来，其他的例子还有遥感技术。子还有遥感技术。但是目前工程传感器在以下几方面还远比不上人但是目前工程传感器在以下几方面还远比不上人类的感官：多维信息感知、多方面功能信息的感类的感官：多维信息感知、多方面功能信息的感知功能、对信息变化的微分功能、信息的选择功知功能、对信息变化的微分功能、信息的选择功能、学习功能、对信息的联想功能、对模糊量的能、学习功能、对信息的联想功能、对模糊量的处理能力以及处理全局和局部关系的能力。这正处理能力以及处理全局和局部关系的能力。这正是今后传感器智能化的一些发展方向。是今后传感器智

8、能化的一些发展方向。21 七月七月 2024随着信息科学与微电子技术，特别是微型随着信息科学与微电子技术，特别是微型计算机与通信技术的迅猛发展，近期传感计算机与通信技术的迅猛发展，近期传感器的发展走上了与微处理器内微型计算机器的发展走上了与微处理器内微型计算机相结合的必由之路，智能（化）传感器的相结合的必由之路，智能（化）传感器的概念应运而生。概念应运而生。传感器技术传感器技术，则是涉及传感（检测）原理、，则是涉及传感（检测）原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术，因此传感器技术涉及多学科交叉研技术，因此传感器技术涉及多学科交叉研究。究。21 七月七

9、月 202412 传感器的构成与分类传感器的构成与分类传感器一般由敏感元件、转换元件、调理电路组传感器一般由敏感元件、转换元件、调理电路组成。成。 敏感元件敏感元件是构成传感器的核心，是指能直接感测是构成传感器的核心，是指能直接感测或响应被测量的部件。或响应被测量的部件。转换元件转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这的被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这种输出信号以电量的形式出现。种输出信号以电量的形式出现。调理电路调理电路是把传感元件输出的电信号转换成便于是把传感元件输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显

10、示的有用电信号所涉及的处理、控制、记录和显示的有用电信号所涉及的有关电路。有关电路。 21 七月七月 2024图图 1-1 为传感器组成框图：为传感器组成框图： 图图 1-1 传感器组成框图传感器组成框图转转 换换元元 件件敏敏 感感元元 件件调调 理理电电 路路 辅助电源辅助电源被测量被测量电量电量21 七月七月 2024传感器主要按其传感器主要按其工作原理和被测量工作原理和被测量来分类。来分类。传感器按其工作原理，一般可分为传感器按其工作原理，一般可分为物理型、化学物理型、化学型和生物型型和生物型三大类；三大类；按被测量按被测量输入信号分类，一般可以分为温度、输入信号分类，一般可以分为温度

11、、压力、流量、物位、加速度、速度、位移、转速、压力、流量、物位、加速度、速度、位移、转速、力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。传感器按其工作原理分类便于学习研究，把握本传感器按其工作原理分类便于学习研究，把握本质与共性；质与共性；按被测量来分类，能很方便地表示传感器的功能，按被测量来分类，能很方便地表示传感器的功能，便于选用。便于选用。本书的编排主要是按其工作原理分类，最后安排本书的编排主要是按其工作原理分类，最后安排一章参数检测内容从被测量角度讨论传感器原理一章参数检测内容从被测量角度讨论传感器原理应用。应用。 21 七月七月 2024物理型传感器物理型传感器又可

12、分为又可分为结构型传感器和物性型传结构型传感器和物性型传感器感器。物性传感器是利用某些功能材料本身所具有的内物性传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应感受被测量，并转换成电信号的传在特性及效应感受被测量，并转换成电信号的传感器。在物性传感器中，敏感元件与转换元件合感器。在物性传感器中，敏感元件与转换元件合为一体，一次完成为一体，一次完成“被测非电量一有用电量被测非电量一有用电量”的的直接转换。直接转换。结构型传感器是以结构为基础，利用某些物理规结构型传感器是以结构为基础，利用某些物理规律来感受被测量，并将其转换成电信号的传感器。律来感受被测量，并将其转换成电信号的传感器。这里需要加

13、入转换元件，实现这里需要加入转换元件，实现“被测非电量被测非电量有有用非电量用非电量有用电量有用电量”的间接转换。的间接转换。21 七月七月 2024按照敏感元件输出能量的来源又可以把传感器分按照敏感元件输出能量的来源又可以把传感器分成如下三类：成如下三类：（1 1）自源型）自源型 为仅含有转换元件的最简单、最基为仅含有转换元件的最简单、最基本的传感器构成型式。此型式的特点是，不需外本的传感器构成型式。此型式的特点是，不需外能源；其转换元件具有从被测对象直接吸取能量，能源；其转换元件具有从被测对象直接吸取能量，并转换成电量的电效应；但输出能量较弱，如热并转换成电量的电效应；但输出能量较弱，如热

14、电偶、压电器件等。电偶、压电器件等。（2 2）带激励源型）带激励源型 它是转换元件外加辅助能源的它是转换元件外加辅助能源的构成型式。这里的辅助能源起激励作用，它可以构成型式。这里的辅助能源起激励作用，它可以是电源，也可以是磁源。如某些磁电式和霍尔等是电源，也可以是磁源。如某些磁电式和霍尔等电磁感应式传感器即属此型。特点是：不需要变电磁感应式传感器即属此型。特点是：不需要变换（测量）电路即可有较大的电量输出。换（测量）电路即可有较大的电量输出。 21 七月七月 2024（3 3）外源型）外源型 由利用被测量实现阻抗变化的转由利用被测量实现阻抗变化的转换元件构成，它必须通过外电源经过测量电路在换元

15、件构成，它必须通过外电源经过测量电路在转换元件上加入电压或电流，在才能获得电量输转换元件上加入电压或电流，在才能获得电量输出。这些电路又称出。这些电路又称“信号调理与转换电路信号调理与转换电路”。常。常用的如电桥。放大器。振荡器、阻抗变换器和脉用的如电桥。放大器。振荡器、阻抗变换器和脉冲调宽电路等。冲调宽电路等。自源型和带激励源型，由于其转换元件起着能量自源型和带激励源型，由于其转换元件起着能量转换的作用，故谓转换的作用，故谓“能量转换型传感器能量转换型传感器”，外源，外源型又称能量控制型。型又称能量控制型。能量转换型传感器中用到的物理效应有：压电效能量转换型传感器中用到的物理效应有：压电效应

16、、磁致伸缩效应、热释电效应、光电动势效应、应、磁致伸缩效应、热释电效应、光电动势效应、光电放射效应、热电效应、光子滞后效应等等。光电放射效应、热电效应、光子滞后效应等等。21 七月七月 2024能量转换型传感器中用到的物理效应有：应变电能量转换型传感器中用到的物理效应有：应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电阻效应、霍阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电阻效应、霍尔效应、约瑟夫逊效应以及阻抗（电阻、电容、尔效应、约瑟夫逊效应以及阻抗（电阻、电容、电感）几何尺寸的控制等等。电感）几何尺寸的控制等等。 对传感器的基本要求如下：对传感器的基本要求如下：（1 1）足够的容量足够的容量传感器的工作范围或量程

17、足够传感器的工作范围或量程足够大；具有一定过载能力。大；具有一定过载能力。（2 2）灵敏度高，精度适当灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与即要求其输出信号与被测输人信号成确定关系（通常为线性），且比被测输人信号成确定关系（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。能满足要求。21 七月七月 2024（3 3）响应速度快，工作稳定、可靠性好。响应速度快，工作稳定、可靠性好。（4 4）适用性和适应性强适用性和适应性强体积小，重量轻，动作体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小能量小，对被测对象的状态影响小

18、；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。用或标准形式，以便与系统对接。（5 5）使用经济使用经济成本低，寿命长，且便于使用、成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。维修和校准。21 七月七月 2024表表1 传感器的分类传感器的分类分分 类类 法法型型 式式说说 明明按构成基本效应分按构成基本效应分物理型、物理型、化学型、生物型化学型、生物型分别以转换中的物理效应、化学效应等命名分别以转换中的物理效应、化学效应等命名按构成原理分按构成原理分结构型结构型以其转换元件结构参数特性变化实现信号转换以其转换元件结构参

19、数特性变化实现信号转换物性型物性型以其转换元件物理特性变化实现信号转换以其转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分按能量关系分能量转换型能量转换型传感器输出量直接由被测量能量转换而得传感器输出量直接由被测量能量转换而得能量控制型能量控制型传感器输出量能量由外源供给传感器输出量能量由外源供给, ,但受被测输入量但受被测输入量控制控制按作用原理分按作用原理分应变式、电容式、应变式、电容式、压电式、热电式等压电式、热电式等以传感器对信号转换的作用原理命名以传感器对信号转换的作用原理命名按输入量分按输入量分位移、压力、温度、位移、压力、温度、流址、气体等流址、气体等以被测量命名（即按用途分类法）以

20、被测量命名（即按用途分类法）按输出量分按输出量分模拟式模拟式输出量为模拟信号输出量为模拟信号数字式数字式输出量为数字信号输出量为数字信号21 七月七月 202413 传感器技术的发展趋势传感器技术的发展趋势（一）传感器的集成化和微型化（一）传感器的集成化和微型化所谓集成化，就是在同一芯片上，或将众多同类所谓集成化，就是在同一芯片上，或将众多同类型的单个传感器件集成为一维、二维阵列型传感型的单个传感器件集成为一维、二维阵列型传感器，或将传感器件与调理、补偿等处理电路集成器，或将传感器件与调理、补偿等处理电路集成一体化。前一种集成化使传感器在可见光图像传一体化。前一种集成化使传感器在可见光图像传感

21、器、电容指纹传感器中已经实现，并正在向更感器、电容指纹传感器中已经实现，并正在向更高密度发展。目前高密度发展。目前, ,在红外成像信号检测领域在红外成像信号检测领域, ,世世界各国都热衷于二维混合红外焦平面阵列界各国都热衷于二维混合红外焦平面阵列IRFPAs(InfraredIRFPAs(Infrared Focal-Plane Arrays), Focal-Plane Arrays), 结构如结构如图图1-21-2所示。后一种集成化传感器将处理电路集成所示。后一种集成化传感器将处理电路集成一体化，极大地方便了使用。目前市场上已有多一体化，极大地方便了使用。目前市场上已有多种中低精度的产品，但

22、高精度集成化传感器仍有种中低精度的产品，但高精度集成化传感器仍有待研发。待研发。21 七月七月 2024图图 1-2 二维混合红外焦平面阵列二维混合红外焦平面阵列21 七月七月 2024（二）传感器的数字化与智能化（二）传感器的数字化与智能化为了使传感器与计算机直接相连接，发展数字化传感器是为了使传感器与计算机直接相连接，发展数字化传感器是很重要的。数字技术是信息技术的基础，数字化又是智能很重要的。数字技术是信息技术的基础，数字化又是智能化的前提，智能式传感器离不开传感器的数字化。化的前提，智能式传感器离不开传感器的数字化。所谓智能化传感器（所谓智能化传感器（Smart SensorsSmar

23、t Sensors）是以专用微处理器）是以专用微处理器控制的、具有双向通信功能的传感器系统。它不仅具有信控制的、具有双向通信功能的传感器系统。它不仅具有信号检测、转换和处理功能，同时还具有存储、记忆、自补号检测、转换和处理功能，同时还具有存储、记忆、自补偿、自诊断等多种功能。按构成模式，智能式传感器有分偿、自诊断等多种功能。按构成模式，智能式传感器有分立模块式和集成一体式之分。立模块式和集成一体式之分。预计未来的预计未来的1010年，传感器智能化将首先发展成由硅微传感年，传感器智能化将首先发展成由硅微传感器、微处理器、微执行器和接口电路等多片模块组成的闭器、微处理器、微执行器和接口电路等多片模

24、块组成的闭环传感器系统。如果通过集成技术进一步将上述多片相关环传感器系统。如果通过集成技术进一步将上述多片相关模块全部制作在一个芯片上形成单片集成，就可形成更高模块全部制作在一个芯片上形成单片集成，就可形成更高级的智能传感器了。级的智能传感器了。 21 七月七月 2024新型片式汽车尾气传感器新型片式汽车尾气传感器G G系列新型传感器系列新型传感器21 七月七月 202421 七月七月 202421 七月七月 2024新新型型接接近近开开关关传传感感器器21 七月七月 2024还有两点要特别指出：还有两点要特别指出： 第一第一，固态功能材料（如半导体、电介质、超导体等）的固态功能材料（如半导体

25、、电介质、超导体等）的进一步开发，以及集成技术、微机械加工技术的不断完善，进一步开发，以及集成技术、微机械加工技术的不断完善，为传感器的集成化、微型化和智能化开辟了广阔的前景。为传感器的集成化、微型化和智能化开辟了广阔的前景。如今，传感器的发展有一股强劲的势头，这就是正在摆脱如今，传感器的发展有一股强劲的势头，这就是正在摆脱传统的结构设计与生产，而转向优先选用硅材料，以微机传统的结构设计与生产，而转向优先选用硅材料，以微机械加工技术为基础，以仿真程序为工具的微结构设计，来械加工技术为基础，以仿真程序为工具的微结构设计，来研制各种敏感机理的集成化、阵列化、智能化硅微传感器。研制各种敏感机理的集成

26、化、阵列化、智能化硅微传感器。这一现代传感器技术国外称之为这一现代传感器技术国外称之为“专用集成微型传感器技专用集成微型传感器技术术”ASIMASIM（Application specific integrated Application specific integrated microtransducermicrotransducer）。这种硅微传感器一旦付诸实用，将）。这种硅微传感器一旦付诸实用，将对众多高科技领域对众多高科技领域特别是航空航天、遥感遥测、环境特别是航空航天、遥感遥测、环境保护、生物医学和工业自动化领域有着重大的影响。保护、生物医学和工业自动化领域有着重大的影响。 21

27、七月七月 2024 第二，第二，微传感器网络正在研究。随着通信技术、微传感器网络正在研究。随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟成熟, ,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注器构成的传感器网络引起了人们的极大关注. .这种这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术分布式信息处理技术和通信技术,

28、,能够协作地实时能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息监测对象的信息, ,并对这些信息进行处理并对这些信息进行处理, ,获得详获得详尽而准确的信息尽而准确的信息, ,传送到需要这些信息的用户。传传送到需要这些信息的用户。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。传感器感器网络是信息感知和采集的一场革命。传感器网络作为一个全新的研究领域网络作为一个全新的研究领域, ,在基础理论和工程在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。研究课题。21 七月七月 2024（

29、三）开发新型传感器（三）开发新型传感器鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。其中利用量多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。其中利用量子力学诸效应研制的高灵敏阈传感器，用来检测极微弱信子力学诸效应研制的高灵敏阈传感器，用来检测极微弱信号，是传感器技术发展的新趋势之一。例如：利用核磁共号，是传感器

30、技术发展的新趋势之一。例如：利用核磁共振吸收效应的磁敏传感器，可将检测限扩展到地磁强度的振吸收效应的磁敏传感器，可将检测限扩展到地磁强度的10102 2；利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测量；利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测量10106K6K的超低温；以及由于光子滞后效应的利用，出现了的超低温；以及由于光子滞后效应的利用，出现了响应速度极快的红外传感器，等等。响应速度极快的红外传感器，等等。利用化学效应和生物效应开发的可供实用的生物传感器正利用化学效应和生物效应开发的可供实用的生物传感器正在引起关注。生物传感器对信息的高选择性和灵敏度吸引在引起关注。生物传感器对信息的高选择性和灵

31、敏度吸引众多科学人员从多方面开展研究。众多科学人员从多方面开展研究。 传感器今后的研发工作主要在开展基础研究、扩大传感器传感器今后的研发工作主要在开展基础研究、扩大传感器的功能与应用范围两个大方面。的功能与应用范围两个大方面。21 七月七月 2024二二 传感器技术基础传感器技术基础2 21 1 传感器的特性与指标传感器的特性与指标 2 21 11 1 传感器的静态特性传感器的静态特性静态特性表示传感器在被测输入量各个值静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出处于稳定状态时的输出输入关系，研输入关系，研究静态特性主要考虑其非线性、滞后、重究静态特性主要考虑其非线性、滞后、重复、

32、灵敏度、分辨力等方面。复、灵敏度、分辨力等方面。 21 七月七月 2024 1 线性度线性度线性度又称非线性，是表征传感器输出线性度又称非线性，是表征传感器输出输入输入校准曲线与所选定的拟合直线（作为工作直线）校准曲线与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。通常用相对之间的吻合（或偏离）程度的指标。通常用相对误差来表示线性度或非线性误差，即误差来表示线性度或非线性误差，即 式式(2-1)(2-1)式中式中 L Lmaxmax输出平均值与拟合直线间的最大输出平均值与拟合直线间的最大偏差；偏差； y yF F。S S。理论满量程输出值。理论满量程输出值。21 七月七月 2

33、024传感器的输出传感器的输出输入关系或多或少地存在非线输入关系或多或少地存在非线性问题，在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素性问题，在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静特性可用下列多项式代数方程表的情况下，其静特性可用下列多项式代数方程表示：示： 式（式（2-22-2） 式中式中 y y 输出量；输出量； x x 输入量；输入量； 零点输出；零点输出； 理论灵敏度；理论灵敏度； 非线性项系数非线性项系数21 七月七月 2024各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。静各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。静态特性曲线可实际测试获得，在非线性误差不太态特性曲线可实际测试获得，在非线

34、性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的方法来线性化。大的情况下，总是采用直线拟合的方法来线性化。显然，选定的拟合直线不同，计算所得的线性度显然，选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小数值也就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差，并考虑使用与计算方便。的非线性误差，并考虑使用与计算方便。下面介绍几种目前常用的下面介绍几种目前常用的拟合方法拟合方法： 21 七月七月 2024（1）理论直线法理论直线法 以传感器的理论特性线作为以传感器的理论特性线作为拟合直线，它与实际测试值无关。优点是简单、拟合直线，它与实际测试值无关。优点是简单、方便，但通常方

35、便，但通常LmaxLmax很大。很大。 （2 2）端点线法端点线法 以传感器校准曲线两端点间的连以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。其方程式为线作为拟合直线。其方程式为 式（式（2-3） 式中式中 b和和k分别为截距和斜率，这种方分别为截距和斜率，这种方法也很简便，但通常法也很简便，但通常Lmax也很大。也很大。 21 七月七月 2024（3）“最佳直线最佳直线”法法 这种方法以这种方法以“最佳直线最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正、负偏差相等并且最小，由此校准曲线对它的正、负偏差相等并且最小，由此所得的线性度称为

36、所得的线性度称为“独立线性度独立线性度”。显然，这种。显然，这种方法的拟合精度最高。通常情况下，方法的拟合精度最高。通常情况下，“最佳直线最佳直线”只能用图解法或通过计算机解算来获得。只能用图解法或通过计算机解算来获得。（4）最小二乘法）最小二乘法 这种方法按最小二乘原理求这种方法按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。差平方和最小。最小二乘法的拟合精度很高，但校准曲线相对拟最小二乘法的拟合精度很高，但校准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最小，最大正、合直线的最大偏差绝对值并不一定最小，最大正、负偏差的绝对值也不

37、一定相等。负偏差的绝对值也不一定相等。21 七月七月 2024几种不同的拟合方法如图几种不同的拟合方法如图2-1所示所示 （ a a ）理理论论直直线线法法21 七月七月 2024（ b b ）端端点点线线法法 21 七月七月 2024（ c c ） “最最佳佳直直线线”法法 21 七月七月 2024 2 回差（滞后）（回差（滞后）（Hysteresis） 回差回差是反映传感器在正（输人量增大）反（输入是反映传感器在正（输人量增大）反（输入量减小）行程过程中输出量减小）行程过程中输出输入曲线的不重合输入曲线的不重合程度的指标。通常用正反行程输出的最大差值程度的指标。通常用正反行程输出的最大差值

38、HmaxHmax计算，并以相对值表示（见图计算，并以相对值表示（见图2-22-2）。）。 式（式（2-42-4） 21 七月七月 2024图图22 回差（滞后）特性回差（滞后）特性21 七月七月 20243 重复性（重复性（Repeatability） 重复性重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性越好。重复性越好。重复性误差反映的是校准数据的离散程度，属随重复性误差反映的是校准数据的

39、离散程度，属随机误差，因此应根据标准偏差计算，即机误差，因此应根据标准偏差计算，即 式（式（2-62-6） 21 七月七月 2024式中式中 某校准点之输出值；某校准点之输出值； 输出值的算术平均值；输出值的算术平均值； n n 测量次数。测量次数。 按上述方法计算所得重复性误差不仅反映了某按上述方法计算所得重复性误差不仅反映了某一传感器输出的一致程度，而且还代表了在一一传感器输出的一致程度，而且还代表了在一定置信概率下的随机误差极限值。定置信概率下的随机误差极限值。 21 七月七月 20244 灵敏度（灵敏度（Sensitivity）灵敏度灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之是传感器输

40、出量增量与被测输入量增量之比，线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，比，线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即即 ，非线性传感器的灵敏度不是常数，非线性传感器的灵敏度不是常数，应以应以 表示。表示。 实用上由于外源传感器的输出量与供给传感器的实用上由于外源传感器的输出量与供给传感器的电源电压有关，其灵敏度的表达往往需要包含电电源电压有关，其灵敏度的表达往往需要包含电源电压的因素。例如某位移传感器，当电源电压源电压的因素。例如某位移传感器，当电源电压为为1V时，每时，每1mm位移变化引起输出电压变化位移变化引起输出电压变化100 mV，其灵敏度可表示为，其灵敏度可表示为 100（ ）。）。 2

41、1 七月七月 20245 分辨力（分辨力（Resolution） 分辨力分辨力是传感器在规定测量范围内所能检是传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。有时用测出的被测输入量的最小变化量。有时用该值相对满量程输入值之百分数表示，则该值相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。称为分辨率。21 七月七月 20246 阈值（阈值（Threshold） 阈值阈值是能使传感器输出端产生可测变化量是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓性，

42、形成所谓“死区死区”，则将死区的大小，则将死区的大小作为阈值；更多情况下阈值主要取决于传作为阈值；更多情况下阈值主要取决于传感器的噪声大小，因而有的传感器只给出感器的噪声大小，因而有的传感器只给出噪声电平。噪声电平。21 七月七月 2024 7 7 稳定性（稳定性（StabilityStability） 又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过一规定的时间能的能力。稳定性一般以室温条件下经过一规定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示

43、，有时也用标定的有效期来表示。来表示，有时也用标定的有效期来表示。 8 8 漂移（漂移（Drift)Drift) 漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。敏度漂移。 零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移（时漂）和温零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移（时漂）和温度漂移（温漂）。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度漂移（温漂）。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂为周围温度变化引起的零点度随时间的缓慢变化；温漂为周围温

44、度变化引起的零点或灵敏度漂移。或灵敏度漂移。 21 七月七月 20249 静态误差（精度）（静态误差（精度）（Precision） 这是评价传感器静态性能的综合性指标，指传这是评价传感器静态性能的综合性指标，指传感器在满量程内任一点输出值相对其理论值的可感器在满量程内任一点输出值相对其理论值的可能偏离（逼近）程度。它表示采用该传感器进行能偏离（逼近）程度。它表示采用该传感器进行静态测量时所得数值的不确定度。静态误差的计静态测量时所得数值的不确定度。静态误差的计算是将非线性、回差、重复性误差按几何法综合，算是将非线性、回差、重复性误差按几何法综合，即即 若仍用相对误差表示静态误差，则有若仍用相对

45、误差表示静态误差，则有 式（式（2-82-8） 21 七月七月 2024212 传感器的动态特性传感器的动态特性动态特性是反映传感器随时间变化的输入量的响应特性。动态特性是反映传感器随时间变化的输入量的响应特性。用传感器测试动态量时，希望它的输出量随时间变化的关用传感器测试动态量时，希望它的输出量随时间变化的关系与输入量随时问变化的关系尽可能一致，但实际并不尽系与输入量随时问变化的关系尽可能一致，但实际并不尽然，因此需要研究它的动态特性然，因此需要研究它的动态特性分析其动态误差。它分析其动态误差。它包括两部分：包括两部分：1 1）输出量达到稳定状态以后与理想输出量）输出量达到稳定状态以后与理想

46、输出量之间的差别；之间的差别；2 2）当输入量发生跃变时，输出量由一个稳）当输入量发生跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之间的过渡状态中的误差、由于实际测试态到另一个稳态之间的过渡状态中的误差、由于实际测试时输入量是千变万化的，且往往事先并不知道，故工程上时输入量是千变万化的，且往往事先并不知道，故工程上通常采用输入通常采用输入“标准标准”信号函数的方法进行分析，并据此信号函数的方法进行分析，并据此确立若干评定动态特性的指标。常用的确立若干评定动态特性的指标。常用的“标准标准”信号函数信号函数是正弦函数与阶跃函数。本节将分析传感器对正弦输入的是正弦函数与阶跃函数。本节将分析传感器对正弦输入的

47、响应（频率响应）和阶跃输入的响应（阶跃响应）特性及响应（频率响应）和阶跃输入的响应（阶跃响应）特性及性能指标。性能指标。 21 七月七月 2024在不考虑各种静态误差的条件下，可以用常在不考虑各种静态误差的条件下，可以用常系数线性微分方程描述单输入系数线性微分方程描述单输入x、单输出、单输出y传传感器动态特性，以下为其动态数学模型：感器动态特性，以下为其动态数学模型： 式（式（2-92-9） 21 七月七月 2024设设x(tx(t) )、y(ty(t) )的初始条件为零，对上式两边逐项进的初始条件为零，对上式两边逐项进行拉氏变换，可得：行拉氏变换，可得： 式（式（2-102-10） 由此得传

48、递函数：由此得传递函数： 式式(2-11)(2-11) 21 七月七月 2024传递函数是拉氏变换算子传递函数是拉氏变换算子S S的有理分式，所的有理分式，所有系数都是实数，这是由传感器的结构参有系数都是实数，这是由传感器的结构参数决定的。分子的阶次数决定的。分子的阶次m m不能大于分母的阶不能大于分母的阶次次n n，这是由物理条件决定的。分母的阶次，这是由物理条件决定的。分母的阶次用来代表传感器的特征：用来代表传感器的特征： n n0 0时，称为零阶；时，称为零阶； n n1 1时，称一阶；时，称一阶； n n2 2时，为二阶；时，为二阶； n n更大时，为高阶。更大时，为高阶。分析方法完全

49、借鉴于电路分析课程或控制原理课分析方法完全借鉴于电路分析课程或控制原理课程中的相应内容，只不过输入量为非电量。程中的相应内容，只不过输入量为非电量。21 七月七月 20242 21 12 21 1 传感器的频率响应特性传感器的频率响应特性将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，其输出信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率其输出信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应特性。设输入幅值为响应特性。设输入幅值为x x、角频率为、角频率为的正弦量的正弦量 则获得的输出量为则获得的输出量为 式中式中Y Y、分别为输出量的幅值和初相角。分别为输出量

50、的幅值和初相角。 21 七月七月 2024在传递函数式（在传递函数式（2-112-11）中令）中令s=js=j，代入得：，代入得： 式式(2-12)(2-12)式（式（2-122-12）将传感器的动态响应从时域转换到频域，）将传感器的动态响应从时域转换到频域，表示输出信号与输入信号之间的关系随着信号频率表示输出信号与输入信号之间的关系随着信号频率而变化的特性，故称之为传感器的频率响应特性，而变化的特性，故称之为传感器的频率响应特性，简称频率特性或频响特性。其物理意义是：当正弦简称频率特性或频响特性。其物理意义是：当正弦信号作用于传感器时，在稳定状态下的输出量与输信号作用于传感器时，在稳定状态下

51、的输出量与输入量之复数比。入量之复数比。 21 七月七月 2024在在形式上形式上它相当于将传递函数式（它相当于将传递函数式（2-112-11）中之）中之s s置换成置换成( )( )而得，因而又称为频率传递函数，而得，因而又称为频率传递函数，其指数形式为其指数形式为 式（式（2-132-13） 由此可得频率特性的模由此可得频率特性的模 式（式（2-142-14） 21 七月七月 2024称为传感器的动态灵敏度（或称增益）。称为传感器的动态灵敏度（或称增益）。A A（）表示输出表示输出, ,输入的幅值比随输入的幅值比随而变，故又称为幅频而变，故又称为幅频特性。以特性。以 和和 分别表示分别表示

52、A A（）的实部和虚部，频率特性的相位）的实部和虚部，频率特性的相位角角 代表输出超前于输入的角代表输出超前于输入的角度。对传感器而言，通常为负值，即输出滞后于度。对传感器而言，通常为负值，即输出滞后于输入。输入。 表示表示 随随而变，称之为相频特性。而变，称之为相频特性。21 七月七月 20242122 传感器的阶跃响应特性传感器的阶跃响应特性 当给静止的传感器输入一个单位阶跃信号当给静止的传感器输入一个单位阶跃信号 0 t0时，其输出信号称为阶跃响应时，其输出信号称为阶跃响应,可参见图可参见图2-321 七月七月 2024图图23阶跃响应曲线阶跃响应曲线（a a）一阶系统）一阶系统 （b

53、b）二阶系统）二阶系统 21 七月七月 2024衡量阶跃响应的指标有：衡量阶跃响应的指标有： （1 1）时间常数）时间常数 传感器输出值上升到稳态值传感器输出值上升到稳态值ycyc的的63.263.2所需的时间。所需的时间。（2 2）上升时间）上升时间TrTr 传感器输出值由稳态值的传感器输出值由稳态值的1010上升到上升到9090所需的时间，但有时也规定其他百分数。所需的时间，但有时也规定其他百分数。（3 3）响应时间）响应时间Ts Ts 输出值达到允许误差范围输出值达到允许误差范围2 2所经历的所经历的时间，或明确为时间，或明确为“百分之二响应时间百分之二响应时间”。（4 4）超调量）超调

54、量a1 a1 响应曲线第一次超过稳态值之峰高，即响应曲线第一次超过稳态值之峰高，即a1 =a1 =y ymax+max+y yc c，或用相对值，或用相对值a=a=（y ymaxmax- - y yc c）/ / y yc c100100表示。表示。（5 5）衰减率）衰减率 指相邻两个波峰（或波谷）高度下降的指相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数：百分数：=（anananan2 2）/ an/ an100100。（6 6）稳态误差）稳态误差essess 系无限长时间后传感器的稳态输出值系无限长时间后传感器的稳态输出值与目标值之间偏差与目标值之间偏差ssss的相对值：的相对值： essess=

55、 =（ssss / / y yc c）100100。21 七月七月 20242123 传感器典型环节的动态响应传感器典型环节的动态响应常见的传感器通常可以看成是零阶、一阶常见的传感器通常可以看成是零阶、一阶或二阶环节，或者是由或二阶环节，或者是由L L述环节组合而成的述环节组合而成的系统。下面将着重介绍零阶、一阶、二阶系统。下面将着重介绍零阶、一阶、二阶环节的动态响应特性环节的动态响应特性 21 七月七月 20241零阶环节零阶环节零阶环节的微分方程和传递函数分别为零阶环节的微分方程和传递函数分别为 式（式（2-162-16） 式（式（2-172-17）式中式中K K静态灵敏度。静态灵敏度。可

56、见零阶环节的输入量无论随时间怎么变化，输出量的幅可见零阶环节的输入量无论随时间怎么变化，输出量的幅值总与输入量成确定的比例关系，在时间上也无滞后。它值总与输入量成确定的比例关系，在时间上也无滞后。它是一种与频率无关的环节，故又称比例环节或无惯性环节。是一种与频率无关的环节，故又称比例环节或无惯性环节。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高的情在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高的情况下，都可以近似看作零阶环节。况下，都可以近似看作零阶环节。21 七月七月 2024 2一阶环节一阶环节一阶环节的微分方程为一阶环节的微分方程为 (2-18)(2-18) 令令 = = a al l

57、a a0 0时间常数；时间常数； K= K= b b0 0a a0 0静态灵敏度。静态灵敏度。则式则式(2-18)(2-18)变成变成 （2-192-19） 21 七月七月 2024其传递函数和频率特性分别为其传递函数和频率特性分别为: (2-20)(2-20) (2-21)(2-21)21 七月七月 2024幅频特性和相频特性分别为幅频特性和相频特性分别为: (2-22)(2-22) (2-23)(2-23) 21 七月七月 2024 图图2-4 2-4 一阶传感器对数幅频图一阶传感器对数幅频图A A（）与）与（）如图）如图2-42-4所示所示( (图中坐标为对数坐标图中坐标为对数坐标) )

58、 21 七月七月 2024动态相对误差：动态相对误差： (2-24) (2-24) 一阶环节输入阶跃信号后在一阶环节输入阶跃信号后在55之后采样，其动之后采样，其动态误差可以忽略，可认为输出已接近稳态。反过来，态误差可以忽略，可认为输出已接近稳态。反过来，若已知允许的相对误差值若已知允许的相对误差值计算出稳定时间：计算出稳定时间： (2-26)(2-26)为一阶环节的时间常数，为一阶环节的时间常数，越小阶跃响应越迅速，频率越小阶跃响应越迅速，频率响应的上截止频率越高。响应的上截止频率越高。的大小表示惯性的大小，故一的大小表示惯性的大小，故一阶环节又称为惯性环节。阶环节又称为惯性环节。 21 七

59、月七月 2024 3二阶环节二阶环节二阶环节的微分方程为二阶环节的微分方程为 (2-(2-26)26)令令 静态灵敏静态灵敏 时间常数时间常数 固有频率固有频率 阻尼比阻尼比21 七月七月 2024式（式（2-262-26）可写成）可写成 (2-27) (2-27) 其传递函数和频率响应分别为其传递函数和频率响应分别为:(2-28)(2-28) 21 七月七月 2024幅频特性和相频特性分别为幅频特性和相频特性分别为: (2-(2-29) 29) (2-30)(2-30)21 七月七月 2024图图 2-5 2-5 二阶环节的幅频特性与相频特性二阶环节的幅频特性与相频特性21 七月七月 202

60、4 二阶环节的幅频特性与相频特性如图二阶环节的幅频特性与相频特性如图2-52-5所示。所示。由图可见，当由图可见，当/ /n1n1时，时，A A（）K K，（）/ /0 0，近似于零阶环节。在无阻尼固有，近似于零阶环节。在无阻尼固有频率附近频率附近( (/ /n n=1=1），系统发生谐振。为了避免这），系统发生谐振。为了避免这种情况，可增大种情况，可增大值，当值，当0.7070.707时，谐振就不会时，谐振就不会发生了。当发生了。当 =0.7=0.7时时, ,幅频特性的平坦段最宽，而幅频特性的平坦段最宽，而且相频特性接近于一条斜直线。且相频特性接近于一条斜直线。 若对二阶环节输入一阶跃信号，

61、式（若对二阶环节输入一阶跃信号，式（2-252-25）就变）就变成成 : :（2-312-31） 21 七月七月 2024特征方程及其两根分别为特征方程及其两根分别为: : （2-322-32） （2-332-33） 21 七月七月 2024当当l l（过阻尼）时（过阻尼）时: : （2-342-34） 当当1 1（临界阻尼）时（临界阻尼）时: : （2-352-35） （2-362-36） 21 七月七月 2024当当1 1（欠阻尼）时（欠阻尼）时: : （2-372-37） 式中式中 -衰减振荡相位差。衰减振荡相位差。 21 七月七月 2024将上述三种情况绘成曲线，可得图将上述三种情况绘

62、成曲线，可得图2-6所示二所示二阶环节的阶跃响应曲线簇。阶环节的阶跃响应曲线簇。 图图2 26 6 二二阶阶环环节节的的阶阶跃跃响响应应21 七月七月 2024将上述三种情况绘成曲线，可得图将上述三种情况绘成曲线，可得图2-62-6所示二阶环所示二阶环节的阶跃响应曲线簇。由图可知，固有频率节的阶跃响应曲线簇。由图可知，固有频率n n越越高，则响应曲线上升越快，即响应速度越高；反高，则响应曲线上升越快，即响应速度越高；反之之n n越小，则响应速度越低。而阻尼比越小，则响应速度越低。而阻尼比越大，越大，则过冲现象减弱越快。则过冲现象减弱越快。1 1时完全没有过冲，也时完全没有过冲，也不产生振荡；不

63、产生振荡；1 1时，将产生衰减振荡。为使接时，将产生衰减振荡。为使接近稳态值的时间缩短，设计时常取近稳态值的时间缩短，设计时常取=0.6=0.60.80.8。当当=0=0时，式（时，式（2-372-37）变成）变成 ，形成等幅振荡，这时振荡频率就是二阶环节的振形成等幅振荡，这时振荡频率就是二阶环节的振动角频率动角频率n n，称为，称为“固有频率固有频率”。 21 七月七月 2024图图2 27 7 二二节节环环节节实实例例 图图2-72-7所示由弹簧（所示由弹簧（k k）、阻尼（）、阻尼（c c）和质量（）和质量（m m）组成的机械系统是二阶环节在传感器中的应用实组成的机械系统是二阶环节在传感

64、器中的应用实例。在外力例。在外力F F作用下，其运动微分方程为作用下，其运动微分方程为: : 21 七月七月 2024 213 传感器的性能指标一览传感器的性能指标一览 由于传感器的类型五花八门，使用要求千由于传感器的类型五花八门，使用要求千差万别，要列出可用来全面衡量传感器质差万别，要列出可用来全面衡量传感器质量优劣的统一指标极其困难；迄今为止，量优劣的统一指标极其困难；迄今为止，国内外还是采用罗列若干基本参数和比较国内外还是采用罗列若干基本参数和比较重要的环境参数指标的方法来作为检验、重要的环境参数指标的方法来作为检验、使用和评价传感器的依据。使用和评价传感器的依据。表表2-12-1列出了

65、传列出了传感器的一些常用指标，可供读者参考。感器的一些常用指标，可供读者参考。 21 七月七月 2024基本参数指标基本参数指标环境参数指标环境参数指标可靠性指可靠性指标标其它指标其它指标1 1量程指标：量程指标： 量程范围、过载能力等量程范围、过载能力等2 2灵敏度指标：灵敏度指标： 灵敏度、满量程输出、分灵敏度、满量程输出、分辩力、输入输出阻抗等辩力、输入输出阻抗等3 3精度方面的指标：精度方面的指标： 精度（误差）、重复性、精度（误差）、重复性、线性、回差、灵敏度误差、线性、回差、灵敏度误差、阈值、稳定性、漂移、静阈值、稳定性、漂移、静态总误差等态总误差等4 4动态性能指标：动态性能指标

66、： 固有频率、阻尼系数、频固有频率、阻尼系数、频响范围、频率特性、时间响范围、频率特性、时间常数、上升时间、响应时常数、上升时间、响应时间、过冲量、衰减率、稳间、过冲量、衰减率、稳定误差、临界速度、临界定误差、临界速度、临界频率等频率等1 1温度指标：温度指标： 工作温度范围、工作温度范围、温度误差、温温度误差、温度漂移、灵敏度漂移、灵敏度温度系数、度温度系数、热滞后等热滞后等2 2 抗冲振指标：抗冲振指标： 各向冲振容许各向冲振容许频率、振幅值、频率、振幅值、加速度、冲振加速度、冲振引起的误差等引起的误差等3 3 其他环境参数：其他环境参数： 抗干扰、抗介抗干扰、抗介质腐蚀、抗电质腐蚀、抗电

67、磁场干扰能力磁场干扰能力等等工作寿命、工作寿命、平均无平均无故障时故障时间、保间、保险期、险期、疲劳性疲劳性能、绝能、绝缘电阻、缘电阻、耐压、耐压、反抗飞反抗飞狐性能狐性能等等1 1使用方面：使用方面： 供电方式（直供电方式（直流、交流、频流、交流、频率、波形等）、率、波形等）、电压幅度与稳电压幅度与稳定度、功耗、定度、功耗、各项分布参数各项分布参数等等2 2结构方面：结构方面： 外形尺寸、重量、外形尺寸、重量、外壳、材质、外壳、材质、结构特点等结构特点等3 3安装连接方面：安装连接方面： 安装方式、馈安装方式、馈线、电缆等线、电缆等表表2 21 121 七月七月 202422 传感器设计中的

68、共性技术传感器设计中的共性技术221 差动技术差动技术 在使用中，通常要求传感器输出在使用中，通常要求传感器输出输入关系成输入关系成线性，但实际难于做到。如果输入量变化范围不线性，但实际难于做到。如果输入量变化范围不大，而且非线性项的方次不高时，在对多项式进大，而且非线性项的方次不高时，在对多项式进行分析后，找到了一种切实可行的减小非线性的行分析后，找到了一种切实可行的减小非线性的方法方法差动技术。这种技术也已广泛用于消除差动技术。这种技术也已广泛用于消除或减小由于结构原因引起的共模误差（如温度误或减小由于结构原因引起的共模误差（如温度误差）方面。其原理如下：差）方面。其原理如下： 21 七月

69、七月 2024设有一传感器，其输出为设有一传感器，其输出为: 用另一相同的传感器，但使其输入量符号相反（例用另一相同的传感器，但使其输入量符号相反（例如位移传感器使之反向移动），则它的输出为如位移传感器使之反向移动），则它的输出为: : 使二者输出相减，即使二者输出相减，即: : 21 七月七月 2024于是，总输出消除了零位输出和偶次非线性项，于是，总输出消除了零位输出和偶次非线性项，得到了对称于原点的相当宽的近似线性范围，减得到了对称于原点的相当宽的近似线性范围，减小了非线性，而且使灵敏度提高了一倍，抵消了小了非线性，而且使灵敏度提高了一倍，抵消了共模误差。在传感器中，外界被检测量的满量程

70、共模误差。在传感器中，外界被检测量的满量程往往只引起单个敏感元件的少量变化，为了取出往往只引起单个敏感元件的少量变化，为了取出这种少量变化，去除不变部分，需要在敏感部分这种少量变化，去除不变部分，需要在敏感部分采取差动技术，如各种测量桥路（不平衡电桥）。采取差动技术，如各种测量桥路（不平衡电桥）。差动技术差动技术已在电阻应变式、电感式、电容式等传已在电阻应变式、电感式、电容式等传感器中得到广泛应用。在干涉光学传感器技术中感器中得到广泛应用。在干涉光学传感器技术中光路光程差、谐振传感器中频率差等方法技术也光路光程差、谐振传感器中频率差等方法技术也源于动差动技。本书在相关章节将重点介绍该技源于动差

71、动技。本书在相关章节将重点介绍该技术。术。21 七月七月 2024222 零示法、微差法与闭环技术零示法、微差法与闭环技术设计或应用传感器时，设计或应用传感器时，零示法、微差法与闭环技术可用以零示法、微差法与闭环技术可用以消除或削弱系统误差。消除或削弱系统误差。零示法零示法可消除指示仪表不准而造成的误差。采用这种方法可消除指示仪表不准而造成的误差。采用这种方法时，被测量对指示仪表的作用与已知的标准量对它的作用时，被测量对指示仪表的作用与已知的标准量对它的作用相互平衡，使指示仪表示零，这时被测量就等于已知的标相互平衡，使指示仪表示零，这时被测量就等于已知的标准量。机械天平是零示法的例子。零示法在

72、传感器技术中准量。机械天平是零示法的例子。零示法在传感器技术中应用的实例是平衡电桥。应用的实例是平衡电桥。微差法微差法是在零示法的基础上发展起来的。由于零示法要求是在零示法的基础上发展起来的。由于零示法要求标准量与被测量完全相等，因而要求标准量连续可变，这标准量与被测量完全相等，因而要求标准量连续可变，这往往不易做到。人们发现如果标准量与被测量的差别减小往往不易做到。人们发现如果标准量与被测量的差别减小到一定程度，那么由于它们相互抵消的作用就能使指示仪到一定程度，那么由于它们相互抵消的作用就能使指示仪表的误差影响大大削弱，这就是微差法的原理。表的误差影响大大削弱，这就是微差法的原理。几何量测量

73、中广泛采用的测微仪检测工件尺寸的方法，就几何量测量中广泛采用的测微仪检测工件尺寸的方法，就是微差法测量的实例。用该法测量时，标准量可由量块或是微差法测量的实例。用该法测量时，标准量可由量块或标准工件提供，测量精度大大提高。标准工件提供，测量精度大大提高。 21 七月七月 2024当要求测试系统具有大的动态范围、高的灵敏度、分辨力当要求测试系统具有大的动态范围、高的灵敏度、分辨力与精度，以及优良的稳定性、重复性和可靠性时，开环测与精度，以及优良的稳定性、重复性和可靠性时，开环测试系统往往不能满足要求，于是出现了在零示法基础上发试系统往往不能满足要求，于是出现了在零示法基础上发展而成的闭环式传感器

74、系统。现多采用具有深度负反馈的展而成的闭环式传感器系统。现多采用具有深度负反馈的力平衡方式，这里被测力与反馈力对于高灵敏检测元件相力平衡方式，这里被测力与反馈力对于高灵敏检测元件相平衡（有微量差）。微量差被检测放大，放大器输出的电平衡（有微量差）。微量差被检测放大，放大器输出的电量产生反馈力，输出电量与测量力有一个良好的线性关系。量产生反馈力，输出电量与测量力有一个良好的线性关系。闭环式传感器在过程参数检测传感器技术中被广泛采用，闭环式传感器在过程参数检测传感器技术中被广泛采用，在微机械电容加速度传感器中常使用静电力平衡的方法。在微机械电容加速度传感器中常使用静电力平衡的方法。跟踪技术也属于闭

75、环技术思想。除对平衡点的跟踪外，还跟踪技术也属于闭环技术思想。除对平衡点的跟踪外，还可以跟踪某些特定值点（往往是极值点）以及综合指标参可以跟踪某些特定值点（往往是极值点）以及综合指标参数，产生反馈作用的量有一维或多维。跟踪技术有着广泛数，产生反馈作用的量有一维或多维。跟踪技术有着广泛的应用，如恒星跟踪、雷达多目标跟踪、导航惯性平台的的应用，如恒星跟踪、雷达多目标跟踪、导航惯性平台的跟踪等等。跟踪等等。21 七月七月 2024223 平均技术平均技术常用的平均技术有误差平均效应和数据平均处理。常用的平均技术有误差平均效应和数据平均处理。误差平均效应的原理是，利用误差平均效应的原理是，利用n n个

76、传感器单元同时个传感器单元同时感受被测量，因而其输出将是这些单元输出的总感受被测量，因而其输出将是这些单元输出的总和。假如将每一个单元可能带来的误差、均看作和。假如将每一个单元可能带来的误差、均看作随机误差，根据误差理论，总的误差将减小为随机误差，根据误差理论，总的误差将减小为 式（式（2-382-38） 例如例如n n1010时，误差减小为时，误差减小为31.631.6；n n500500时，误时，误差减小为差减小为4.54.5，21 七月七月 2024误差平均效应在容栅、光栅、感应同步器、编码误差平均效应在容栅、光栅、感应同步器、编码器等栅状传感器中都取得明显的效果。在其他一器等栅状传感器

77、中都取得明显的效果。在其他一些传感器中，误差平均效应对某些工艺性缺陷造些传感器中，误差平均效应对某些工艺性缺陷造成的误差同样起到弥补作用。成的误差同样起到弥补作用。按照同样的道理，如果我们将相同条件下的测量按照同样的道理，如果我们将相同条件下的测量重复。次或进行重复。次或进行n n次采样，然后进行数据平均处理，次采样，然后进行数据平均处理，随机误差也将减小随机误差也将减小 倍。因此，凡被测对象允倍。因此，凡被测对象允许进行多次重复测量（或采样），都可采用上述许进行多次重复测量（或采样），都可采用上述方法减小随机误差。方法减小随机误差。对于周期信号，可以在周期相关时刻对信号采样对于周期信号，可以

78、在周期相关时刻对信号采样累加就构成了相敏检波、同步积分等传感器信号累加就构成了相敏检波、同步积分等传感器信号调理电路。对于目标（被测量）相对静止，传感调理电路。对于目标（被测量）相对静止，传感器空间移动的系统，可以对传感器信息延时累加，器空间移动的系统，可以对传感器信息延时累加，由此构成谓之由此构成谓之“合成孔径合成孔径”信息处理方法。信息处理方法。 21 七月七月 20242 22 24 4 分段与细分技术分段与细分技术对于大尺寸高精度的几何测量问题，需要采取分对于大尺寸高精度的几何测量问题，需要采取分段测量的方案。首先确定被测量在哪个分段区间，段测量的方案。首先确定被测量在哪个分段区间，然

79、后在该段内进行局部细分。这项技术要求在工然后在该段内进行局部细分。这项技术要求在工艺经济的条件下，尽量密地把标尺等分成若干段，艺经济的条件下，尽量密地把标尺等分成若干段，这种分段的边界精度（或小范围平均精度）达到这种分段的边界精度（或小范围平均精度）达到了总体最终精度要求。测量过程从零位开始，记了总体最终精度要求。测量过程从零位开始，记录下所经段数，然后在段内用模拟方法细分。常录下所经段数，然后在段内用模拟方法细分。常用两支传感器完成段计数、模拟细分和分辨运动用两支传感器完成段计数、模拟细分和分辨运动方向的功能两只传感器之间的距离减去分段整倍方向的功能两只传感器之间的距离减去分段整倍数后相差数

80、后相差1/41/4分段，即运动测量时两支传感器分别分段，即运动测量时两支传感器分别发出正弦和余弦信号。段内用模拟方法细分一般发出正弦和余弦信号。段内用模拟方法细分一般只有只有1/101/101/1001/100精度。精度。21 七月七月 2024在激光干涉测长、感应同步器、光栅、磁栅、容在激光干涉测长、感应同步器、光栅、磁栅、容栅等传感器技术采用了分段与细分技术，用栅等传感器技术采用了分段与细分技术，用CCDCCD光光敏阵列测量光点位置也属于这项共性技术。这项敏阵列测量光点位置也属于这项共性技术。这项技术也可以认为是微差法的特殊应用。这项技术技术也可以认为是微差法的特殊应用。这项技术中，往往使

81、用多只敏感元件，覆盖多个分段，用中，往往使用多只敏感元件，覆盖多个分段，用空间平均方法提高测量精度。空间平均方法提高测量精度。当测量两点之间的位移时，可以用某匀速移动的当测量两点之间的位移时，可以用某匀速移动的物质（或能量）到达两点的时差来度量。这种匀物质（或能量）到达两点的时差来度量。这种匀速移动的物质（或能量）可以是物体，或声场、速移动的物质（或能量）可以是物体，或声场、电磁波、旋转磁场等等。技术上用时间分段。超电磁波、旋转磁场等等。技术上用时间分段。超声、雷达声、雷达 、激光等脉冲测距都是这种共性技术的、激光等脉冲测距都是这种共性技术的应用。当这种匀速移动的物质（或能量）被调制应用。当这

82、种匀速移动的物质（或能量）被调制（幅度、相位或编码等）还可以实现周期计数间（幅度、相位或编码等）还可以实现周期计数间的进一步的细分测量。的进一步的细分测量。21 七月七月 2024225 补偿与校正补偿与校正 有时传感器或测试系统的系统误差的变化规律过于复杂，有时传感器或测试系统的系统误差的变化规律过于复杂，采取了一定的技术措施后仍难满足要求；或虽可满足要求，采取了一定的技术措施后仍难满足要求；或虽可满足要求，但因价格昂贵或技术过分复杂而无现实意义。这时，可以但因价格昂贵或技术过分复杂而无现实意义。这时，可以找出误差的方向和数值，采用修正的方法（包括修正曲线找出误差的方向和数值，采用修正的方法

83、（包括修正曲线或公式加以补偿或校正。例如，传感器存在非线性可以或公式加以补偿或校正。例如，传感器存在非线性可以先测出其特性曲线，然后加以校正；又如存在温度误差，先测出其特性曲线，然后加以校正；又如存在温度误差，可在不同温度进行多次测量，找出温度对测量值影响的规可在不同温度进行多次测量，找出温度对测量值影响的规律，然后在实际测量时进行补偿。上述方法在传感器或测律，然后在实际测量时进行补偿。上述方法在传感器或测试系统中已被采用。试系统中已被采用。补偿与校正，可以利用电子技术通过线路（硬件）来解决；补偿与校正，可以利用电子技术通过线路（硬件）来解决；也可以采用微型计算机（通常采用单片微机）通过软件来

84、也可以采用微型计算机（通常采用单片微机）通过软件来实现。在测量电路中设置一个或多个基准信号元，通过测实现。在测量电路中设置一个或多个基准信号元，通过测量信号与基准信号的切换比较，可以实现自（动）校正的量信号与基准信号的切换比较，可以实现自（动）校正的目的。目的。21 七月七月 2024226 解耦技术解耦技术 在测量中往往有多个关心的被测量，这些被测量同时作用在多个或多在测量中往往有多个关心的被测量，这些被测量同时作用在多个或多种传感器上，或一个组合传感器上，这些被测量对传感器的输出产生种传感器上，或一个组合传感器上，这些被测量对传感器的输出产生交互影响。从传感器的输出量中解算出各自独立的被测

85、量的技术称之交互影响。从传感器的输出量中解算出各自独立的被测量的技术称之解耦技术，解耦可以用模拟加减方法，但更多地是用软件计算方法来解耦技术，解耦可以用模拟加减方法，但更多地是用软件计算方法来实现。实现。与以上所谈解耦技术接近的技术是所谓的盲源分离技术，就是研究在与以上所谈解耦技术接近的技术是所谓的盲源分离技术，就是研究在未知系统的传递函数、源信号的混合系数及其概率分布的情况下，从未知系统的传递函数、源信号的混合系数及其概率分布的情况下，从混合信号中分离出独立源信号的技术。通常是利用一定数目的传感器混合信号中分离出独立源信号的技术。通常是利用一定数目的传感器对几个源同时进行测量，每个传感器所测

86、量的都是这几个声源的混合对几个源同时进行测量，每个传感器所测量的都是这几个声源的混合信号，但是并不知道他们的混合矩阵。在这种情况下，希望能够把每信号，但是并不知道他们的混合矩阵。在这种情况下，希望能够把每个声源的信号单独拿出来，进行分析，这种情况在实际当中经常遇到。个声源的信号单独拿出来，进行分析，这种情况在实际当中经常遇到。由于系统的传递矩阵未知，信号源也是未知的，问题是多解的，一般由于系统的传递矩阵未知，信号源也是未知的，问题是多解的，一般方法无能为力，这时盲源分离技术就应运而生了。所有的盲源分离算方法无能为力，这时盲源分离技术就应运而生了。所有的盲源分离算法都依赖于一个基本假设法都依赖于

87、一个基本假设, ,即传感观测信号数必须大于或等于系统中即传感观测信号数必须大于或等于系统中的独立源数。在解决振动混响问题时会遇到这项技术。的独立源数。在解决振动混响问题时会遇到这项技术。本书在多维力的测量传感器技术中涉及到了静态的线性解耦问题。本书在多维力的测量传感器技术中涉及到了静态的线性解耦问题。 21 七月七月 2024237 图示化技术图示化技术这里图示化技术指传感信息图形化表示。传感器是这里图示化技术指传感信息图形化表示。传感器是“能感能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置或装置”。“可用可用”与表现形式有关，不

88、能仅限于一维，与表现形式有关，不能仅限于一维，有时多维形式更容易被人脑理解，找出共性与规律。有时多维形式更容易被人脑理解，找出共性与规律。用可见光图像传感器把被测物反射能力的空间分布转换成用可见光图像传感器把被测物反射能力的空间分布转换成一维时间序列电信号，然后经显示器转换成二维平面分布一维时间序列电信号，然后经显示器转换成二维平面分布光强信号，人眼就可以找出被测物边界、颜色、灰度等等光强信号，人眼就可以找出被测物边界、颜色、灰度等等多方面特征信息。医用多方面特征信息。医用B B型超声传感器把人体对内部组织型超声传感器把人体对内部组织对超声波的反射、透射能力的空间分布转换成一维时间序对超声波的

89、反射、透射能力的空间分布转换成一维时间序列电信号，然后经显示器转换成二维平面分布光强信号，列电信号，然后经显示器转换成二维平面分布光强信号，人眼就可以找出被测物边界、密度等等多方面特征信息。人眼就可以找出被测物边界、密度等等多方面特征信息。X X光光CTCT技术是通过运算，解耦出物体内部各细分单元对于技术是通过运算，解耦出物体内部各细分单元对于X X射线的透射能力，然后图示表现。我们还可以举出众多例射线的透射能力，然后图示表现。我们还可以举出众多例子，如表达速度、温度、磁场、重力等等的空间分布的传子，如表达速度、温度、磁场、重力等等的空间分布的传感技术。物体被测量的空间分布形式与物质的空间分布

90、形感技术。物体被测量的空间分布形式与物质的空间分布形式紧密相关，人眼和脑就能理解这些图像，这是上述各种式紧密相关，人眼和脑就能理解这些图像，这是上述各种传感的基础。传感的基础。21 七月七月 2024 把传感器信息通过运算转换成另一种形式，然后图示化表把传感器信息通过运算转换成另一种形式，然后图示化表现，是另一种图示化技术。傅立叶变换、小波变换等等都现，是另一种图示化技术。傅立叶变换、小波变换等等都是运算方法，某些变换的图形表示可能更利于人来理解或是运算方法，某些变换的图形表示可能更利于人来理解或计算机识别。计算机识别。对于噪声中的微弱信息的探测，人发现二维空间相关规律对于噪声中的微弱信息的探

91、测，人发现二维空间相关规律的能力强于一维空间，更强于一维时间。例如，相邻点测的能力强于一维空间，更强于一维时间。例如，相邻点测温有温有11的波动，但在遥感中一个地区大面积升高的波动，但在遥感中一个地区大面积升高0.10.1就就可以判断为异常。从通过小波变换后的微波反射图像中可可以判断为异常。从通过小波变换后的微波反射图像中可以发现电子干扰所掩盖的运动物体的蛛丝马迹，以及地下以发现电子干扰所掩盖的运动物体的蛛丝马迹，以及地下核试验所引起的电离层异常。核试验所引起的电离层异常。本书所涉及的磁敏、光电、超声等等传感器技术都可以用本书所涉及的磁敏、光电、超声等等传感器技术都可以用于某种分布的测量。于某种分布的测量。 21 七月七月 2024