传感器的基本知识课件

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1、学习要点学习要点u掌握传感器的概念及组成掌握传感器的概念及组成u熟悉传感器的分类方法熟悉传感器的分类方法u了解传感器的命名方法了解传感器的命名方法u掌握传感器的一般特性掌握传感器的一般特性11.1 传感器的作用与地位传感器的作用与地位1.2 传感器的应用与发展传感器的应用与发展 1.3 传感器的定义与组成传感器的定义与组成 1.4 传感器的分类传感器的分类 1.5 传感器的命名及代号传感器的命名及代号 1.6 传感器的基本特性传感器的基本特性 主要内容返回主目录21.1 传感器的作用与地位 u 世界是由物质组成的，各种事物都是物质的不同形态。人世界是由物质组成的，各种事物都是物质的不同形态。人

2、们为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。们为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。u 人的人的“五官五官”眼、耳、鼻、舌、皮肤眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有分别具有视、听、视、听、嗅、味、触觉嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能，人的等直接感受周围事物变化的功能，人的大脑大脑对对“五官五官”感受到的信息进行感受到的信息进行加工、处理加工、处理，从而调节人的行为活动。，从而调节人的行为活动。u 人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对某一事物的存在与否作某一事物的存在与否作定性定性了解了解，有时需要进行大量的实验测，有时需要进行大量

3、的实验测量以量以确定对象的量值的确切数据确定对象的量值的确切数据，所以单靠人的自身感觉器官，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种仪器设备就是仪器设备就是传感器传感器。传感器是人类传感器是人类“五官五官”的延伸，是信息的延伸，是信息采集系统的首要部件采集系统的首要部件。3电量和非电量u表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为特性，可分为电量和非电量电量和非电量两类。两类。u电量电量一般是指物理学中的电学量，例如电压、电一般是指物理学中的电

4、学量，例如电压、电流、电阻、电容及电感等；流、电阻、电容及电感等；u非电量非电量则是指除电量之外的一些参数，例如压力、则是指除电量之外的一些参数，例如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度及酸碱度等等。速、温度、浓度及酸碱度等等。u人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。行测量，其中大多数是对非电量的测量。4传感器的作用u非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪

5、表和电子仪器只能测量电量，测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。要求输入的信号为电信号。u非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，量，实现这种转换技术的器件就是实现这种转换技术的器件就是传感器传感器。u传感器是获取自然或生产中信息的关键器件，是现代传感器是获取自然或生产中信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。采用信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。采用传感器技术的非电量电测方法，就是目前应用最广泛传感器技术的非电量电测方法，就是目前应用最广泛的测量技术。的测量技术。5传感器

6、的地位u随着科学技术的发展，随着科学技术的发展，传感器技术、通信技术和计算传感器技术、通信技术和计算机技术机技术构成了现代信息产业的构成了现代信息产业的三大支柱产业三大支柱产业，分别充，分别充当信息系统的当信息系统的“感官感官”、“神经神经”和和“大脑大脑”，他们，他们构成了一个完整的自动检测系统。构成了一个完整的自动检测系统。u在利用信息的过程中，首先要解决的问题就是在利用信息的过程中，首先要解决的问题就是获取可获取可靠、准确信息靠、准确信息， 所以传感器精度的高低直接影响计算所以传感器精度的高低直接影响计算机控制系统的精度，可以说没有性能优良的传感器，机控制系统的精度，可以说没有性能优良的

7、传感器，就没有现代化技术的发展。就没有现代化技术的发展。返回本章目录61.2 传感器的应用与发展传感器几乎渗透到所有的技术领域。如传感器几乎渗透到所有的技术领域。如工业工业生产、宇宙开发、海洋探索、环境保护、资生产、宇宙开发、海洋探索、环境保护、资源利用、医学诊断、生物工程、文物保护源利用、医学诊断、生物工程、文物保护等等等广泛领域，并逐渐深入到人们的生活中。等广泛领域，并逐渐深入到人们的生活中。在机器人的技术发展中，传感器采用与否及在机器人的技术发展中，传感器采用与否及采用数量的多少是衡量机器人是否具有采用数量的多少是衡量机器人是否具有智能智能的标志，现代智能机器人因为采用了大量的、的标志，

8、现代智能机器人因为采用了大量的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器，才使得其具有自我诊断、自我补偿、感器，才使得其具有自我诊断、自我补偿、自我学习等能力，机器人通过传感器实现类自我学习等能力，机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用。传感器被称为机器人的似于人的知觉作用。传感器被称为机器人的“电五官电五官”。7在兵器领域中，使用了诸如在兵器领域中，使用了诸如机械式、压电、电容、电磁、机械式、压电、电容、电磁、光纤、红外、激光、生物、微波光纤、红外、激光、生物、微波等等传感器，以实现对周等等传感器，以实现对周围环境的监测与目标定位信息的收集，从而更好的

9、解决了围环境的监测与目标定位信息的收集，从而更好的解决了安全、可靠的防卫能力。安全、可靠的防卫能力。8在民用工业生产中，传感器也起着至关重要的作用。在民用工业生产中，传感器也起着至关重要的作用。如如一座大型炼钢厂就需要一座大型炼钢厂就需要2 2万万多台传感器和检测仪表多台传感器和检测仪表炼铁高炉监控炼铁高炉监控与传动系统与传动系统 9大型的大型的石油化工厂需要石油化工厂需要6 6千千台传感器和检测仪表台传感器和检测仪表10一部一部现代化汽车需要现代化汽车需要9090多多只传感器只传感器一台复印机需要一台复印机需要20多多只传感器只传感器11日常生活中的电冰箱、洗衣机、电饭煲、音像设备、日常生活

10、中的电冰箱、洗衣机、电饭煲、音像设备、电动自行车、空调器、照相机、电热水器、报警器等电动自行车、空调器、照相机、电热水器、报警器等家用电器都安装了传感器；家用电器都安装了传感器；12在医学上，人体的体温、血压、心脑电波及肿瘤等在医学上，人体的体温、血压、心脑电波及肿瘤等的准确诊断与监控都需要借助各种传感器来完成。的准确诊断与监控都需要借助各种传感器来完成。13当今信息时代，随着电子计算机技术的飞速发展，自动当今信息时代，随着电子计算机技术的飞速发展，自动检测、自动控制技术显露出非凡的能力，传感器是实现检测、自动控制技术显露出非凡的能力，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。没有传感器对原始

11、信自动检测和自动控制的首要环节。没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕获和转换，就没有现代化的自动检息进行精确可靠的捕获和转换，就没有现代化的自动检测和自动控制系统；没有传感器就没有现代科学技术的测和自动控制系统；没有传感器就没有现代科学技术的迅速发展。迅速发展。自自19801980年以来，世界传感器的产值年增长率达年以来，世界传感器的产值年增长率达15%15%30%30%，19851985年世界传感器市场的年产值为年世界传感器市场的年产值为5050亿亿，19901990年为年为155155亿亿。传感器的发展是如泉涌，不可阻挡，它是衡量一。传感器的发展是如泉涌，不可阻挡，它是衡量一个国家经济发展

12、及现代化程度的重要标志。个国家经济发展及现代化程度的重要标志。141.3 传感器的定义与组成1.3.1 1.3.1 传感器的定义传感器的定义n“能感受（或响应）能感受（或响应）规定的被测量规定的被测量并按照并按照一定的规律一定的规律转换成转换成可用输出信号可用输出信号的器件或装置的器件或装置”。 n这一定义包含了几个方面的含义：这一定义包含了几个方面的含义：传感器是测量装置，能完成测量任务；传感器是测量装置，能完成测量任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量、也可能是化学量、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；生物量等；它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转

13、换、处理它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处理和显示等，这就是所谓的和显示等，这就是所谓的“可用信号可用信号”的含义；的含义；输出与输入有一定的对应关系，这种关系要有一定的规律。输出与输入有一定的对应关系，这种关系要有一定的规律。根据字义可以理解传感器为根据字义可以理解传感器为一感二传一感二传，即感受信息并传递出，即感受信息并传递出去。去。15被测非电量被测非电量电量电量敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路转换电路它是直接感受被测量，并输它是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、出与被测量构成有确定关系、更易于转换的某一物理量的更易于转换的某一物理量的元件。元件。 将

14、敏感元件感将敏感元件感受或响应的被受或响应的被测量转换成适测量转换成适于传输或测量于传输或测量的电信号的电信号把转换元件输出把转换元件输出的电信号变换为的电信号变换为便于处理、显示、便于处理、显示、记录、控制和传记录、控制和传输的可用电信号输的可用电信号敏感敏感元件元件转换转换元件元件电源电源1.3.2 传感器的组成并并不是不是所有的传感器必须所有的传感器必须包括敏感元件和转换元包括敏感元件和转换元件件。如果如果敏感元件敏感元件直接输出直接输出的是的是电量电量，它就同时，它就同时兼为兼为转换元件转换元件如果如果转换元件转换元件能直接感受被测量能直接感受被测量而而输出与之成一输出与之成一定关系的

15、电量定关系的电量，它就同时，它就同时兼为敏感元件兼为敏感元件。例如压电。例如压电晶体、热电偶、热敏感电阻及光电器件等。敏感元晶体、热电偶、热敏感电阻及光电器件等。敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器是很多的。件与转换元件两者合二为一的传感器是很多的。返回本章目录161.4 传感器的分类常用的分类方法有两种：常用的分类方法有两种：u一种是按被测输入量来分一种是按被测输入量来分.u另一种是按传感器的工作原理来分另一种是按传感器的工作原理来分.171.4.1 按被测物理量分类u这一种方法是根据这一种方法是根据被测量的性质被测量的性质进行分类，如温度传感器、进行分类，如温度传感器、湿度传感器、压力传

16、感器、位移传感器、流量传感器、液位湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器及转距传感器等。传感器、力传感器、加速度传感器及转距传感器等。u这种分类方法把种类繁多的被测量分为这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量基本被测量和和派生被派生被测量测量。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力和力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要应力和力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。采用力传感器就可以了。u这种分类的这种分类的优点优点：比较明确地表达了：比较明确地

17、表达了传感器的用途传感器的用途，便于使，便于使用者根据其用途选用。用者根据其用途选用。u缺点缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。18表1-1 基本被测量和派生被测量基本被基本被测量量派生被派生被测量量基本被基本被测量量派生被派生被测量量位移位移线位移位移长度、厚度、度、厚度、应变、振、振动、磨磨损、平面度、平面度力力压力力重量、重量、应力、力矩力、力矩角位移角位移旋旋转角、偏角、偏转角、角振角、角振动时间时间频率率周期、周期、记数、数、统计分布分布速度速度线

18、速度速度速度、振速度、振动、流量、流量、动量量温度温度热容、气体速度、容、气体速度、涡流流角速度角速度转速、角振速、角振动、角、角动量量光光光通量与密度、光通量与密度、光光谱分布分布加速度加速度线加速度加速度振振动、冲、冲击、质量量湿度湿度水分、水气、露点水分、水气、露点角加速度角加速度角振角振动、转矩、矩、转动惯量量191.4.2 按传感器工作原理分类u这一种分类方法是以这一种分类方法是以工作原理划分工作原理划分，将物理、化学、，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。u这种分类的这种分类的优点优点是对传感器的工作原理表达的比较是

19、对传感器的工作原理表达的比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入的研究分析。感器进行深入的研究分析。u缺点缺点是不便于使用者根据用途选用。是不便于使用者根据用途选用。 201. 1. 电学式传感器电学式传感器u电学式传感器常用的有电学式传感器常用的有: 电阻式传感器电阻式传感器利用利用变阻器将被测非电量转换成电阻信号的变阻器将被测非电量转换成电阻信号的原理制成原理制成。 电容式传感器电容式传感器利用利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量和含量，从而使电容量发生变化的原理制成的。，从而使电容量

20、发生变化的原理制成的。 电感式传感器电感式传感器利用利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。电感量或压磁效应原理制成的。 磁电式传感器磁电式传感器利用利用电磁感应原理电磁感应原理，把被测非电量转换成电，把被测非电量转换成电量而制成。量而制成。 电涡流式传感器电涡流式传感器利用利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成属内形成涡涡 流的原理而制成。流的原理而制成。212. 2. 磁学式传感器磁学式传感器u磁学式传感器的是利用磁学式传感器的是利用铁磁物质的一些物铁磁物质的一些物理效应而

21、制成的理效应而制成的。u磁学式传感器的主要用于位移、转矩等参磁学式传感器的主要用于位移、转矩等参数的测量。数的测量。223. 3. 光电式传感器光电式传感器u光电式传感器在非电量电测及自动控制技光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电器件的光电效应和光学原理制成光电效应和光学原理制成。u光电式传感器主要用于光强、光通量、位光电式传感器主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。移、浓度等参数的测量。234. 4. 电势型传感器电势型传感器u电势型传感器是利用电势型传感器是利用热电效应、光电效应及霍热电效应、光电效应及霍耳效应耳

22、效应等原理而制成。等原理而制成。u电势型传感器主要用于温度、磁通量、电流、电势型传感器主要用于温度、磁通量、电流、速度、光通量及热辐射等参数的测量。速度、光通量及热辐射等参数的测量。245. 5. 电荷型传感器电荷型传感器u电荷型传感器是利用电荷型传感器是利用压电效应原理压电效应原理而制成。而制成。u主要用于力及加速度的测量。主要用于力及加速度的测量。 （动态力测量）（动态力测量）256.6.半导体型传感器半导体型传感器u半导体型传感器是利用半导体型传感器是利用半导体的压阻效应、内光半导体的压阻效应、内光电效应、电磁效应及半导体与气体接触产生物质电效应、电磁效应及半导体与气体接触产生物质变化等

23、原理而制成变化等原理而制成。u半导体型传感器主要用于温度、湿度、压力、加半导体型传感器主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。速度、磁场和有害气体的测量。267. 7. 谐振式传感器谐振式传感器u谐振式传感器是利用改变谐振式传感器是利用改变电或机械固有参数来电或机械固有参数来改变谐振频率改变谐振频率的原理而制成的原理而制成。u主要用来测量压力主要用来测量压力。278. 8. 电化学式传感器电化学式传感器u电化学式传感器是电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成以离子导电原理为基础而制成。u根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位

24、式电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱（极化）传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱（极化）式传感器和电解式传感器式传感器和电解式传感器等。等。u电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分、溶电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位参数的测量。电位参数的测量。28其他分类方法u按按能量能量分类分类有源传感器和无源传感器有源传感器和无源传感器；u按按输出信号的性质输出信号的性质分类分类模拟式和数字式模拟式和数字式传感器。数传感器。数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且

25、抗干字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如盘式角度数字传感器，光栅传感器等。扰性较强，例如盘式角度数字传感器，光栅传感器等。u本书主要是按本书主要是按被测量分类被测量分类编写的，适当加以工作原理的编写的，适当加以工作原理的分析，重点讲述各种传感器的用途，使读者学会使用传分析，重点讲述各种传感器的用途，使读者学会使用传感器，进一步去开发新型传感器。感器，进一步去开发新型传感器。返回本章目录291.5 传感器的命名及代号1.5.1 1.5.1 传感器命名法的构成传感器命名法的构成传感器产品的名称，应由传感器产品的名称，应由主题词主题词及及四级修饰语四级修饰语构成。构成。（1

26、 1）主题词）主题词传感器。传感器。（2 2）第一级修饰语）第一级修饰语被测量，包括修饰被测量的定语。被测量，包括修饰被测量的定语。（3 3）第二级修饰语）第二级修饰语转换原理，一般可后续以转换原理，一般可后续以“式式”字。字。（4 4）第三级修饰语）第三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必须的性能特征，构、性能、材料特征、敏感元件及其他必须的性能特征，一般可后续以一般可后续以“型型”字。字。（5 5）第四级修饰语）第四级修饰语主要技术指标（量程、精确度、灵主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。敏度等）。30n本命名法在有关

27、传感器的本命名法在有关传感器的统计表格、图书索引、统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理检索以及计算机汉字处理等特殊场合使用。等特殊场合使用。n例例1 传感器，绝对压力，应变式，放大型，传感器，绝对压力，应变式，放大型，13500kPa；n例例2 传感器，加速度，压电式，传感器，加速度，压电式，20g。n在在技术文件、产品样书、学术论文、教材及书技术文件、产品样书、学术论文、教材及书刊刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序相反的顺序。n例例1 13500kPa放大型应变式绝对压力传感放大型应变式绝对压力传感器；器；n例例2 20g压电式加速

28、度传感器。压电式加速度传感器。311.5.2 传感器代号的标记方法u一般规定用大写汉字拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完一般规定用大写汉字拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完整代号。整代号。u传感器完整代号应包括以下四个部分，格式如下：传感器完整代号应包括以下四个部分，格式如下： ：u（1）主称（传感器）；（）主称（传感器）；（2）被测量；（）被测量；（3）转换原理；）转换原理；（4）序号。）序号。返回本章目录u有少数代号用其英文的第一个字母表示，如加速度用有少数代号用其英文的第一个字母表示，如加速度用“A”表表示示。32n在被测量、转换原理、序号三部分代号之间有在被测量、转换原理、序号三部分代号之

29、间有连字符连字符“-”连接。连接。n例例1：应变式位移传感器，代号为：应变式位移传感器，代号为：CWY-YB-10；n例例2：光纤压力传感器，代号为：光纤压力传感器，代号为：CY-GQ-1；n例例3：温度传感器，代号为：温度传感器，代号为：CW-01A；n例例4：电容式加速度传感器，代号为：电容式加速度传感器，代号为：CA-DR-2。331.6 传感器的基本特性u传感器的基本特性，即输入输出特性 动态特性动态特性-被测量随时间快速变化时传感器被测量随时间快速变化时传感器 输入与输出间的关系。输入与输出间的关系。静态特性静态特性-被测量不随时间变化或随时间变化被测量不随时间变化或随时间变化 缓慢

30、时输入与输出间的关系。缓慢时输入与输出间的关系。传传感感器器的的基基本本特特性性34静态测量35缓慢变化的测量-静态测量36动态测量37n1）绝对误差：）绝对误差：n =Ax（测量值）（测量值）X0（被测量真值）（被测量真值） 某采购员分别在三家商店购买某采购员分别在三家商店购买100kg大大米、米、10kg苹果、苹果、1kg巧克力，发现均缺少约巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？最大，是何原因？ 1.1.绝对误差和相对误差绝对误差和相对误差38n2）相对误差）相对误差L:仪表量程仪表量程39n2）基本误差仪表的准确度等级

31、和基本误差仪表的准确度等级和基本误差 n 例：某指针式电压表的精度例：某指针式电压表的精度为为2.52.5级，用它来测量电压时可能产级，用它来测量电压时可能产生的最大引用误差为生的最大引用误差为2.5% 2.5% 。40n2.2.粗大误差、系统误差和随机误差粗大误差、系统误差和随机误差 1)粗大误差粗大误差 明显歪曲明显歪曲测量结果（明显偏离真值）的误差称测量结果（明显偏离真值）的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记

32、错、外界过大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。差时，应予以剔除。 41粗大误差举例n2、粗大误差、系统误差和随机误差 42n2)系统误差 系统误差也称装置误差，它反映系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。凡了测量值偏离真值的程度。凡误差的误差的数值固定或按一定规律变化者数值固定或按一定规律变化者，均属，均属于系统误差。于系统误差。 系统误差是有规律性的，因此可系统误差是有规律性的，

33、因此可以通过实验的方法或引入修正值的方以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。表的有关部件予以消除。 433 3）随机误差）随机误差 n 在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。n 存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。

34、 44长度相对测量值长度相对测量值随机误差的随机误差的正态分布规律正态分布规律45n 由心电图仪放大器由心电图仪放大器带宽不够引起的动态带宽不够引起的动态误差误差 当被测量随时间迅速变化时，当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。动态误差。 3.3.静态误差和动态误差静态误差和动态误差461.6.1 传感器的静态特性1.1.传感器的静态数学模型传感器的静态数学模型-静态的数学模型是指静态的数学模型是指在静态在静态信号作用下，传感器输出与输入量之间的一种函数关系信号作用下，传感器输

35、出与输入量之间的一种函数关系。如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可用次多项式来表示为型一般可用次多项式来表示为 (1-1)输入量，输入量，即被测量即被测量传感器的理传感器的理论输出量论输出量零输入时的零输入时的输出输出, ,也叫也叫零位输出零位输出传感器线性项传感器线性项系数也称线性系数也称线性灵敏度，常用灵敏度，常用K或或S表示表示非线性项系数，非线性项系数，其数值由具体其数值由具体传感器非线性传感器非线性特性决定特性决定47传传感感器器静静态态数数学学模模型型4 4种种特特殊殊形形式式理想的线性特性理想的线性特性-能准确无

36、误地反映被测的真值能准确无误地反映被测的真值线性传感器的特性线性传感器的特性-不过原点的直线不过原点的直线 仅有偶次非线性项仅有偶次非线性项-线性范围较窄，线性度较差，线性范围较窄，线性度较差，灵敏度为相应曲线的斜率灵敏度为相应曲线的斜率 仅有奇次非线性项仅有奇次非线性项-线性范围较宽，且特性曲线线性范围较宽，且特性曲线相对坐标原点对称，具有这种特性的传感器使用时应相对坐标原点对称，具有这种特性的传感器使用时应采取线性补偿措施采取线性补偿措施 图1-2 传感器典型静态特性曲线 n = 0,1,2, 482. 传感器的静态性能指标 性性能能指指标标来来描描述述传传感感器器的的静静态态特特性性主主

37、要要由由量程范围量程范围线性度线性度灵敏度灵敏度重复性重复性迟迟 滞滞分辨力和阈值分辨力和阈值稳定性稳定性漂漂 移移49线性度线性度u线性度线性度-传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离偏离理论拟合直线理论拟合直线的程度的程度，又称非线性误差。线性度可用下式表，又称非线性误差。线性度可用下式表示为示为 (1-6)实际曲线与拟实际曲线与拟合直线之间的合直线之间的最大偏差最大偏差满量程输满量程输出平均值出平均值最大输出最大输出平均值平均值最小输出最小输出平均值平均值50线性度是以拟合直线作为基准来确定的，线性度是以拟合直线作为基准来确定的，拟合方法不同，线

38、性度的大小也不同拟合方法不同，线性度的大小也不同u常用的拟合方法有常用的拟合方法有理论直线法、端点连线法、割线法、最小理论直线法、端点连线法、割线法、最小二乘法二乘法等。等。u端点连线法简单直观，应用比较广泛，但没有考虑所有测量端点连线法简单直观，应用比较广泛，但没有考虑所有测量数据的分布，拟合精度较低。数据的分布，拟合精度较低。u最小二乘法拟合精度最高，但计算繁琐，需要借助计算机来最小二乘法拟合精度最高，但计算繁琐，需要借助计算机来完成。完成。512. 2. 灵敏度灵敏度u灵敏度是灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。u线性传感器，其灵敏度就是

39、它的静态特性的斜率，如图线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图1-4a1-4a所示所示. .图图1-4 1-4 传感器的灵敏度传感器的灵敏度u非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图1-1-4b4b所示所示. .52作图法求灵敏度切点传感器特性曲线533. 重复性u重复性重复性-传感器在传感器在输入量按同一方向作全量程输入量按同一方向作全量程多次多次测试时，测试时，所得特性曲线不一致性的程度所得特性曲线不一致性的程度，如图如图1-51-5所示所示。不重复性主要由传感器的机械部分的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松

40、动、部件的内摩擦、积磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘、电路老化、工作点漂移等原因产生。尘、电路老化、工作点漂移等原因产生。u多次测试的不重复误差，多次测试的不重复误差，多次测试的曲线越重合，多次测试的曲线越重合，其重复性越好其重复性越好。输出最大不输出最大不重复误差重复误差满量程输出满量程输出平均值平均值图图1-5 1-5 重复性重复性54标准偏差标准偏差u重复性误差反映的是校准数据的重复性误差反映的是校准数据的离散程度离散程度，属，属随机误差随机误差，按，按上述方法计算就不太合理。由于测量次数不同，其最大偏差上述方法计算就不太合理。由于测量次数不同，其最大偏差也不一样。因此一般按也不一样

41、。因此一般按标准偏差标准偏差来计算重复性误差，其表达来计算重复性误差，其表达式为式为: : 标准偏差常用贝塞尔公式计算标准偏差常用贝塞尔公式计算全部校准点正、反行程输全部校准点正、反行程输出值的标准偏差中最大值出值的标准偏差中最大值某校准点某校准点的输出值的输出值在第个校准点上输在第个校准点上输出量的平均值出量的平均值测量次数测量次数554. 4. 迟滞现象迟滞现象u迟滞现象迟滞现象-传感器在传感器在正向正向行程行程( (输入量增大输入量增大) )和和反向行反向行程程( (输入量减小输入量减小) )期间期间，输出输出输入特性曲线不一致的程输入特性曲线不一致的程度度，如图，如图1616所示。所示

42、。（1-12）u迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，如轴承摩擦、迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂、材料内摩擦、积尘等。间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂、材料内摩擦、积尘等。最大滞环误差最大滞环误差 图图1-6 1-6 迟滞特性迟滞特性56图图1-7 1-7 分辨力和阈值分辨力和阈值5. 5. 分辨力和阈值分辨力和阈值 u传感器的分辩力传感器的分辩力-实际测量时，传感器的输入实际测量时，传感器的输入输出关系不可能保持绝对连续。有时输入量开始输出关系不可能保持绝对连续。有时输入量开始变化，但输出量并不立刻随之变化，而是输入量变化，但输出量并不立刻

43、随之变化，而是输入量变化到某一程度时输出才突然产生一小的阶跃变变化到某一程度时输出才突然产生一小的阶跃变化。实际上传感器的特性曲线并不是十分平滑，化。实际上传感器的特性曲线并不是十分平滑，而是呈阶梯形变化的，如图而是呈阶梯形变化的，如图1-71-7所示。在所示。在规定测量规定测量范围内所能检测的范围内所能检测的输入量的最小变化量输入量的最小变化量XminXmin（有量纲）（有量纲）。有时也用该值相对满量程输入值的。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示（分辨率百分数表示（分辨率- -无量纲）。无量纲）。u阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、

44、钝感区，是输入量由零变化到使输出量开始发生钝感区，是输入量由零变化到使输出量开始发生可观变化的输入量的值可观变化的输入量的值，图中的，图中的 值。值。57u对于数字仪表而言，指示数字的最对于数字仪表而言，指示数字的最后一位数字所代表的值就是它的分后一位数字所代表的值就是它的分辨力。当被测量的变化小于分辨力辨力。当被测量的变化小于分辨力时，仪表的最后一位数字保持不变。时，仪表的最后一位数字保持不变。u分辨力是一个可反映传感器能否精分辨力是一个可反映传感器能否精密测量的性能指标，即可用输入量密测量的性能指标，即可用输入量来表示，也可用输出量来表示。来表示，也可用输出量来表示。u造成传感器具有有限分

45、辨力的因素造成传感器具有有限分辨力的因素很多，如机械运动造成的干摩擦和很多，如机械运动造成的干摩擦和卡塞等。卡塞等。586. 6. 稳定性稳定性u稳定性有稳定性有短期稳定性短期稳定性和和长期稳定性长期稳定性之分。之分。u传感器常用传感器常用长期稳定性长期稳定性表示，它是指在室温条表示，它是指在室温条件下件下, ,经过相当长的时间间隔，如一天、一月经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的或一年，传感器的输出与起始标定输出与起始标定时的输出之时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征其输出间的差异。通常又用其不稳定度来表征其输出的稳定度。的稳定度。597. 7. 漂移漂移u传感器的漂移

46、传感器的漂移-外界的干扰下外界的干扰下，输出量发生输出量发生与输入量与输入量无关无关的不需要的变化的不需要的变化。零点漂移零点漂移灵敏度漂移灵敏度漂移漂移漂移时间漂移时间漂移-指在规定的条件下，零点指在规定的条件下，零点 或灵敏度随时间的缓慢变化或灵敏度随时间的缓慢变化温度漂移温度漂移-环境温度环境温度变变而引起的零点或而引起的零点或 灵敏度的变化灵敏度的变化温度漂移温度漂移时间漂移时间漂移608. 测量范围和量程u传感器所能测量的传感器所能测量的最大被测量最大被测量（输入量）的数值称为（输入量）的数值称为测量上限测量上限，最小被测量最小被测量称为称为测量下限测量下限，上限与下限之间的区间，则

47、称为测，上限与下限之间的区间，则称为测量范围。量范围。u量程量程-测量上限与下限的测量上限与下限的代数差代数差。例如：例如：u测量范围为测量范围为0 0+10N+10N，量程为，量程为10N10N；u测量范围为测量范围为-20-20+20+20，量程为，量程为4040；u测量范围为测量范围为1001001000Pa1000Pa，量程为，量程为900Pa900Pa；u通过测量范围，可以知道传感器的通过测量范围，可以知道传感器的测量上限与下限测量上限与下限，以便正确，以便正确使用传感器；通过量程，可以知道传感器的使用传感器；通过量程，可以知道传感器的满量程输入值满量程输入值，而，而其对应的满量程输

48、出值，乃是决定传感器性能的一个重要数据。其对应的满量程输出值，乃是决定传感器性能的一个重要数据。611.6.2 1.6.2 传感器的动态特性传感器的动态特性u在在动态动态( (快速变化快速变化) )的输入信号的输入信号情况下，要求传感器不仅能精情况下，要求传感器不仅能精确地测量信号的确地测量信号的幅值大小幅值大小，而且能测量出信号，而且能测量出信号变化变化的过程。的过程。这就要求传感器能迅速准确地这就要求传感器能迅速准确地响应响应和和再现被测信号的变化再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有也就是说，传感器要有良好的动态特性良好的动态特性。u具体研究传感器的动态特性时，通常从具体研究传感器的动

49、态特性时，通常从时域和频域时域和频域两方面采两方面采用用瞬态响应法瞬态响应法和和频率响应法频率响应法来分析。来分析。u最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例如用最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例如用阶跃函数阶跃函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。621. 传感器的动态数学模型 u传感器的动态数学模型传感器的动态数学模型-指在随时间变指在随时间变化的动态信号作用下，传感器输出与输入量化的动态信号作用下，传感器输出与输入量间的函数关系，它通常称为间的函数关系，它通常称为响应特性响应特性。u动态数学模型一般采用动态数学模型一般采用微

50、分方程微分方程和和传递函传递函数数描述。描述。63微分方程微分方程表达式 式中：式中： 与传感器的结构有关的常数与传感器的结构有关的常数 tt时间；时间；yy输出量输出量y(ty(t) )；xx输入量输入量x(tx(t) )。（1-13）u数学上常采用数学上常采用拉普拉斯变换拉普拉斯变换将实数域的微分方程变成复数域将实数域的微分方程变成复数域（S S域）的代数方程，求解代数方程就容易多了。域）的代数方程，求解代数方程就容易多了。 64传递函数传递函数u动态特性的传递函数在线性定常系统中是初始条件为动态特性的传递函数在线性定常系统中是初始条件为0 0时，时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换

51、之比。系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。u由数学理论知，如果当由数学理论知，如果当t0t0时时,y(t)=0,y(t)=0,则则y(t)y(t)的拉普拉斯的拉普拉斯变换可定义为变换可定义为 式中式中 s=s=+j+j， 00。对式（对式（113113）现两边取拉普拉斯变换，则得）现两边取拉普拉斯变换，则得(1-14) 65则系统的传递函数 为（113）66传递函数 H（S）表达式含义 (1-15) u（1-151-15）第二个等号右边是一个与输入无关的表达式，只与系统结构）第二个等号右边是一个与输入无关的表达式，只与系统结构参数有关，可见参数有关，可见传递函数传递函数H H（S S）

52、是描述传感器本身信息的特性）是描述传感器本身信息的特性，条件条件是是t 0t 0，y(ty(t) = 0) = 0，即，即传感器被激励之前所有储能元件如质量块、弹传感器被激励之前所有储能元件如质量块、弹性元件、电气元件均没有积存能量性元件、电气元件均没有积存能量。这样不必了解复杂系统的具体结。这样不必了解复杂系统的具体结构内容，只要给出一个激励构内容，只要给出一个激励x(tx(t) )，得到系统对，得到系统对x(tx(t) )的响应的响应y(ty(t) )，由它，由它们的拉普拉斯变换就可以确定系统的传递函数们的拉普拉斯变换就可以确定系统的传递函数H(sH(s) )。对于多环节串联。对于多环节串

53、联或并联组成的传感器或检测系统，如果各环节阻抗匹配适当，可略去或并联组成的传感器或检测系统，如果各环节阻抗匹配适当，可略去相互之间的影响，总的传递函数可由各环节传递函数相乘或相加求得。相互之间的影响，总的传递函数可由各环节传递函数相乘或相加求得。当传感器比较复杂或传感器的基本参数未知时，可以通过实验求得传当传感器比较复杂或传感器的基本参数未知时，可以通过实验求得传递函数。递函数。672. 动态特性u在动态在动态( (快速变化快速变化) )的输入信号作用下，要求传感器不仅能的输入信号作用下，要求传感器不仅能精确地测量信号的幅值大小，而且能测量出信号变化的精确地测量信号的幅值大小，而且能测量出信号

54、变化的过程。这就要求传感器能过程。这就要求传感器能迅速准确迅速准确地地响应和再现响应和再现被测信被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。动态特性动态特性时域时域-瞬态响应法（研究系统输出波形）瞬态响应法（研究系统输出波形） -阶跃信号阶跃信号频域频域-频率响应法来（研究系统稳态响应）频率响应法来（研究系统稳态响应） -正弦信号正弦信号68阶跃响应特性（时域）阶跃响应特性（时域） u给传感器输入一个单位阶跃函数信号给传感器输入一个单位阶跃函数信号u其输出特性称为阶跃响应特性。表征阶跃响应特其输出特性称为阶跃响应特性。表征阶跃响应特性的主要

55、技术指标有：时间常数、延迟时间、上升性的主要技术指标有：时间常数、延迟时间、上升时间、峰值时间、最大超调量、响应时间等。如图时间、峰值时间、最大超调量、响应时间等。如图1-81-8、1-91-9所示。所示。x x（t t）= = (1-16) 69图图1-9 1-9 二阶传感器阶跃响应特性二阶传感器阶跃响应特性图图1-8 1-8 一阶传感器阶跃响应特性一阶传感器阶跃响应特性时间常数时间常数-一阶传感器阶跃响应一阶传感器阶跃响应曲线由零上升到稳态曲线由零上升到稳态值的值的63.2%63.2%所需要的所需要的时间时间最大超调量最大超调量p p-阶跃阶跃响应曲线偏离稳态值响应曲线偏离稳态值的最大值，

56、常用百分的最大值，常用百分数表示，能说明传感数表示，能说明传感器的相对稳定性器的相对稳定性上升时间上升时间t tr r-响应响应曲线从稳态值的曲线从稳态值的10%10%上升到上升到90%90%所所需要的时间需要的时间峰值时间峰值时间t tp p-响响应曲线上升到第应曲线上升到第一个峰值所需要一个峰值所需要的时间的时间响应时间响应时间t ts s-响应曲线逐渐趋响应曲线逐渐趋于稳定，到与稳态值之差不超于稳定，到与稳态值之差不超过过 (5%-2%)(5%-2%)所需要的时间，所需要的时间，也称过渡过程时间也称过渡过程时间延迟时间延迟时间t td d-阶跃阶跃响应达到稳态值响应达到稳态值50%50%

57、所需要的时间所需要的时间70如图如图1-101-10所示。将所示。将 代入式代入式(1(115)15)中，传递函数中，传递函数H(sH(s) )变为变为H(jH(j) )，可得系，可得系统的频率响应特性。统的频率响应特性。频率响应特性频率响应特性给传感器输入各种给传感器输入各种频率不同而幅值相同频率不同而幅值相同，初初相位为零的正弦信号相位为零的正弦信号 ，其，其输出的输出的正弦信号的幅值正弦信号的幅值和和相位相位与与频率之间频率之间的的关系关系， 称为称为频率响应频率响应曲线曲线。也就是在稳态状态下。也就是在稳态状态下B/AB/A幅值比和相幅值比和相位位 随随 而变化的状态，而变化的状态，幅

58、频幅频特性特性相频相频特性特性71图图1-10 1-10 输入输出间的关系输入输出间的关系图图1-11 1-11 频率响应特性曲线频率响应特性曲线带宽频率带宽频率-传传感器在对数幅感器在对数幅频特性曲线上频特性曲线上幅值衰减幅值衰减 时所对应的频时所对应的频率范围率范围工作频带工作频带-当传感器当传感器幅值误差为幅值误差为5%5%（或（或10%10%）时其增益保持）时其增益保持在一定值内的频率范在一定值内的频率范围围跟随角跟随角-二阶传感器系统无阻尼自然振荡频率二阶传感器系统无阻尼自然振荡频率固有频率固有频率返回本章目录72本章小结本章小结u传感器的定义“能感受（或响应）能感受（或响应）规定的

59、被测量规定的被测量并按照并按照一定的规律一定的规律转换成转换成可用输出信号可用输出信号的器件或装置的器件或装置”u传感器的组成敏感元件、转换元件、转换电路、电源敏感元件、转换元件、转换电路、电源按传感器工作原理分类传感器的分类传感器代号的标记方法按被测物理量分类传感器命名法的构成 由由主题词主题词及及四级修饰语四级修饰语构成：构成：（1） 主题词主题词传感器。传感器。（2）第一级修饰语）第一级修饰语被测量被测量（3）第二级修饰语）第二级修饰语转换原理转换原理（4）第三级修饰语）第三级修饰语特征描述特征描述（5）第四级修饰语）第四级修饰语主要技术指标主要技术指标73本章小结本章小结u激励信号的类

60、型激励信号的类型阶跃信号和正弦信号。通常从时域阶跃信号和正弦信号。通常从时域和频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。和频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。u 传感器的静态特性传感器的静态特性在静态信号作用下，传感器输在静态信号作用下，传感器输出与输入量之间的一种函数关系。出与输入量之间的一种函数关系。 u传感器的静态特性主要由：线性度、灵敏度、重复性、传感器的静态特性主要由：线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨力和阈值、稳定性、漂移及量程范围等几种迟滞、分辨力和阈值、稳定性、漂移及量程范围等几种性能指标来描述。性能指标来描述。 u 传感器的动态特性传感器的动态特性指在随时间变化的动态信号作用下，指在随时间变化的动态信号作用下，传感器输出与输入量间的函数关系。传感器输出与输入量间的函数关系。 返回本章目录74