学习传感器与检测技术概述

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1、第1章传感与检测技术概述 （自（自动检测技技术/非非电量量测量技量技术）一、本一、本课程的程的专业地位：地位：专业必修必修课。二、本二、本课程的主要内容程的主要内容1、传感器、感器、测量及量及误差的基本知差的基本知识；2、常用、常用传感器的原理、感器的原理、结构、构、测量量电路及路及应用；用；3、传感器在工程感器在工程检测中的中的应用。用。三、三、课程要求程要求1、掌握、掌握传感器、感器、测量及量及误差的基本理差的基本理论；2、掌握常用、掌握常用传感器的基本原理、感器的基本原理、结构、特点、基本构、特点、基本测量量电路及路及应用；用；第1章传感与检测技术概述3、学会工程中常见的非电量测量方法，

2、了解传感器在工、学会工程中常见的非电量测量方法，了解传感器在工程检测中的应用方法；程检测中的应用方法；4、学会分析和设计传感器的应用电路。、学会分析和设计传感器的应用电路。四、课程特点四、课程特点综合性：综合性：传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新

3、技术密集型前沿技术；相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术；零散性：零散性：各章内容之间没有前后因果关系；各章内容之间没有前后因果关系；应用性：应用性：重点掌握各种传感器的应用方法。重点掌握各种传感器的应用方法。第1章传感与检测技术概述五、参考五、参考资料料传感器与感器与检测技技术 朱自勤朱自勤机械工机械工业出版社出版社传感器原理及工程感器原理及工程应用用 郁有文郁有文西安西安电子科技大学出版社子科技大学出版社传感器原理及感器原理及应用用 王化祥王化祥天津大学出版社天津大学出版社传感器原理及感器原理及应用用 王雪文王雪文北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社传感器原理及其感器原理及其应用

4、手册用手册 孙宝元宝元机械工机械工业出版社出版社非非电量量检测技技术 严钟豪豪机械工机械工业出版社出版社现代代传感技感技术 魏文广魏文广东北大学出版社北大学出版社传感器技感器技术 信息信息产业部部电子第四十九研究主子第四十九研究主办光光电子技子技术与信息与信息 中国科学院安徽光学精密机械研究所、中中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国光学学会光国光学学会光电技技术专业委委员会主会主办激光与激光与红外外 华北光北光电技技术研究所主研究所主办仪表技表技术与与传感器感器 沈阳沈阳仪器器仪表研究所主表研究所主办第1章传感与检测技术概述仪器器仪表网表网 （http:/www.china_ ）仪器商城网器

5、商城网 （http:/）传感器网感器网（http:/www.S）传感器技感器技术（http:/）中国中国传感器（感器（ http:/ ）中国工控网（中国工控网（ http:/ ）中国机器人网（中国机器人网（ http:/.) 电子子设计应用（用（ http:/www. ）电子子产品世界（品世界（ http:/www. ）第1章传感与检测技术概述第第1章章 传感器与检测技术概述传感器与检测技术概述1.1 传感器的概念、组成和分类传感器的概念、组成和分类1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性返回主目录第1章传感与检测技术概述第第1 1章章 传感器与检测技术的理论传感器与检测技术的理论基础基础 1

6、.1 1.1 传感器的概念、组成和分类传感器的概念、组成和分类 一、传感器的概念、组成与应用一、传感器的概念、组成与应用1、 现代信息技术的三大要素：现代信息技术的三大要素：信息获取信息获取传感器技术传感器技术 信息传输信息传输通信技术通信技术 信息处理信息处理计算机技术计算机技术 在在工工程程实实践践和和科科学学试试验验中中，信信息息采采集集的的主主要要含含义义是是测测量量取得测量数据。取得测量数据。第1章传感与检测技术概述2、测量的概念、测量的概念 测测量量是是人人类类对对自自然然界界客客观观事事物物获获得得数数量量观观念念的的一一种种认认识识过过程，即程，即借助于专门设备，求出被测量的数

7、值大小借助于专门设备，求出被测量的数值大小。3、测量的分类、测量的分类 电子测量电子测量电子测量仪器；电子测量仪器； 非电量测量非电量测量传感器；传感器；4、自动测量系统的组成、自动测量系统的组成 图11 自动测量系统组成第1章传感与检测技术概述5、自动测量技术的作用、自动测量技术的作用 以以电电子子技技术术、传传感感器器技技术术、计计算算机机技技术术为为基基础础的的自自动动测测量技术，是衡量一个国家科技水平的重要标志之一。量技术，是衡量一个国家科技水平的重要标志之一。 而而传传感感器器是是测测量量系系统统的的第第一一个个环环节节，它它能能否否获获得得信信息息和和获获取取信信息息的的正正确确与

8、与否否，关关系系到到整整个个测测量量系系统统的的精精确确度度，传传感感器器的的性性能能在在很很大大程程度度上上决决定定着着整整个个信信息息技技术术的的性性能能，因因此此世世界各国都将传感器技术列为重点发展的新技术。界各国都将传感器技术列为重点发展的新技术。6、传感器的定义（、传感器的定义（GB7665-87) 能能够够感感受受规规定定的的被被测测量量并并按按照照一一定定的的规规律律转转换换成成可可用用输输出信号出信号的器件或装置，通常由的器件或装置，通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成。组成。 第1章传感与检测技术概述7、传感器的组成、传感器的组成 通通常常传传感感器器由由敏敏感感元

9、元件件和和转转换换（传传感感）元元件件组组成成。 传传感感器组成框图如图器组成框图如图 1 - 2 所示。所示。 第1章传感与检测技术概述敏感元件：敏感元件：敏感元件：敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。被测量有确定关系的其它量的元件。传感元件：传感元件：传感元件：传感元件：又称转换元件又称转换元件/转换器。能将敏感元件感受到转换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。的非电量直接转换成电量的器件。信号调节与转换电路信号调节与转换电路信号调节与转换电路信号调节与转换电路/ /测量电路：测量电路：测量电

10、路：测量电路：能把传感元件输出的电信能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。路。第1章传感与检测技术概述敏感元件敏感元件传感元件传感元件压力传感器示例压力传感器示例第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述8、传感器的应用领域、传感器的应用领域（1）机械制造业：）机械制造业：智能机械智能机械 ：数控机床、加工中心、机器人等：数控机床、加工中心、机器人等（2）工工业业过过程程检检测测与与控控制制：石石油油、化化工工、电电力力、冶冶金金等等行行业业中中热工工艺参数检测和控制；热工工艺参数检测和控制；（3

11、）汽汽车车：车车速速、里里程程、燃燃油油、排排气气、车车灯灯、关关门门、防防盗盗、防防撞等；撞等；（4）环环保保：有有毒毒、有有害害、易易燃燃、易易爆爆气气体体检检测测，重重金金属属、污污水水检测，防酒后驾车等；检测，防酒后驾车等；（5）医医疗疗卫卫生生：血血压压、心心音音、脉脉搏搏检检测测，心心脏脏监监护护仪仪、彩彩超超、核磁共振等；核磁共振等；（6）航空航天：）航空航天：卫星、火箭、飞船、外星探测器等；卫星、火箭、飞船、外星探测器等；（7）国防工业：）国防工业：飞机、导弹、雷达、智能化电子武器等；飞机、导弹、雷达、智能化电子武器等；（8) 家家用用电电器器：空空调调、洗洗衣衣机机、电电冰冰

12、箱箱、微微波波炉炉、电电饭饭煲煲、电电熨斗、安全报警器等。熨斗、安全报警器等。第1章传感与检测技术概述传感器的主要应用传感器的主要应用信信信信息息息息处处处处理理理理电电电电信信信信电电电电话话话话科科科科技技技技测测测测试试试试设设设设备备备备控控控控制制制制交交交交通通通通控控控控制制制制输输输输电电电电系系系系统统统统机机机机床床床床机机机机器器器器人人人人家家家家用用用用电电电电器器器器照照照照相相相相机机机机汽汽汽汽车车车车飞飞飞飞机机机机船船船船舶舶舶舶气气气气象象象象海海海海洋洋洋洋环环环环境境境境污污污污染染染染医医医医疗疗疗疗防防防防火火火火光光光光能能能能利利利利用用用用热

13、热热热能能能能利利利利用用用用土土土土木木木木建建建建筑筑筑筑农农农农林林林林机机机机械械械械能能能能利利利利用用用用货货货货币币币币金金金金融融融融食食食食品品品品11111155551101101031034747363659598181616127277878343431 3131 314747111111707076769393616126262121242420201414需要量需要量需要量需要量第1章传感与检测技术概述 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立线上设备运行状态关系到整个生产线流

14、程。通常建立24小小时在线监测系统。时在线监测系统。 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。自动检测与自动控制系统自动检测与自动控制系统第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测。量检测。 图示为汽车出厂检验原理框图，图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过度、燃油压力及发动机转速

15、等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量第1章传感与检测技术概述汽车与传感器汽车与传感器汽车与传感器汽车与传感器 高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要需要301 00种传感器。种传感器。第1章传感与检测技术概述传感器与家用电器传感器与家用电器传感器与家用电器传感器与家用电器 自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子

16、热水器、风干器、电自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院录像机、家庭影院第1章传感与检测技术概述 全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度洗净度) 液位传感器，液位传感器，电阻传感器电阻传感器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。第1章传感与检测技术概述指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器第1章传感与检测技术概述鼠

17、标鼠标: :光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD:CCD传感器传感器PCPCPCPC机中的测试技术应用机中的测试技术应用机中的测试技术应用机中的测试技术应用第1章传感与检测技术概述软驱软驱: :速度速度, ,位置伺服位置伺服麦克风麦克风: :电容传声器电容传声器第1章传感与检测技术概述楼宇控制与安全防护楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯用

18、了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。运行状况。 第1章传感与检测技术概述 图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电废水管理和电梯监控。梯监控。第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述烟雾传感器烟雾传感器亮度传感器亮度传感器人体探测器人体探测器第1章传感与检测技术概述 机机械械手手、机机器器人人中中的的传传感感器器: 转转动动/移移动动位位置置传传感感器器、力力传传感感器器、视视觉觉

19、传传感感器器、听听觉觉传传感感器器、接接近近距距离离传传感感器器、触触觉觉传传感感器器、热觉传感器、嗅觉传感器。热觉传感器、嗅觉传感器。 传感在机器人上的应用传感在机器人上的应用第1章传感与检测技术概述密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学的机械手装配模型第1章传感与检测技术概述广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述机器人服务员机器人服务员第1章传感与检测技术概述沙漠机器人沙漠机器人第1章传感与检测技术概述 超声波测距传感器、判超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运置；红外线色彩传感器运动轨迹和动轨

20、迹和AGV小车位置识小车位置识别；条形码传感器，货品别；条形码传感器，货品识别。识别。香港理工香港理工AGVAGV模型模型AGV自动送货车自动送货车 自动导引运输车（Automated Guided Vehicle） 第1章传感与检测技术概述AGVAGV自自动动送送货货车车 第1章传感与检测技术概述2003200320032003年年年年9 9 9 9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构棺

21、的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。之谜。之谜。之谜。一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一条一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一条一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一条一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一条狭窄的通道，试图揭开狭窄的通道，试图揭开狭窄的通道，试图揭开狭窄的通道，试图揭开4600460046004600年前的秘密。它的探秘之年前的秘密。它的探秘之年前的秘密。它的探秘之年前的秘密。它的探秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。行以发现了又一道封闭的石门而告终。行以发现了又一道封闭的石门而告终。行以发现了又一道封闭的石

22、门而告终。 图坦卡蒙的诅咒图坦卡蒙的诅咒图坦卡蒙的诅咒图坦卡蒙的诅咒“不论是谁骚扰了法老的安不论是谁骚扰了法老的安不论是谁骚扰了法老的安不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上宁，死神之翼将在它的头上宁，死神之翼将在它的头上宁，死神之翼将在它的头上降临。降临。降临。降临。”第1章传感与检测技术概述小机器人挑战法老咒语，代替科学小机器人挑战法老咒语，代替科学小机器人挑战法老咒语，代替科学小机器人挑战法老咒语，代替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道。家勇探胡夫金字塔内部秘道。家勇探胡夫金字塔内部秘道。家勇探胡夫金字塔内部秘道。“金字塔漫游者金字塔漫游者”，5 51 11 1，地面探测雷，地面探测雷

23、达、超声波传感器达、超声波传感器（测石头厚度）。（测石头厚度）。第1章传感与检测技术概述传感器在生物医学上的应用传感器在生物医学上的应用医学医学第1章传感与检测技术概述 对人体的健康状况进行诊断需要进行对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。多种生理参数的测量。 国内已经成功地开发出了用于测量近国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、物、细胞、NANA、RNARNA、蛋白质、嗅觉、味觉、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、

24、血流量、脉搏和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。等传感器的研究。 第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量第1章传感与检测技术概述传感器与航空及航天传感器与航空及航天第1章传感与检测技术概述飞行器：控制在预定轨道上飞行器：控制在预定轨道上速度、加速度、飞行距离测量、速度、加速度、飞行距离测量、周围环境、内周围环境、内部设备监控、本身状态参数的测量。部设备监控、本身状态参数的测量。陀螺仪、阳光传陀螺仪、阳光传感器、星光传感感器、星光传

25、感器、地磁传感器器、地磁传感器第1章传感与检测技术概述传感器与环境保护传感器与环境保护 保护环境和生态平衡，实现可持续发展，保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于量用于污水流量、污水流量、PHPH值、电导、浊度、值、电导、浊度、CODCOD、BODBOD、TPTP、TNTN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO

26、2SO2、NONO、O3O3、COCO等参数测量等参数测量的传感器，这些传的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。感器中大多数亟待开发。 第1章传感与检测技术概述NOX NO + NO2dust sootH2SH2OHC C-totalCO2 COO2 HCN HCl HF NH3 SO2 烟尘浊度测量烟尘浊度测量第1章传感与检测技术概述红外线分布差异红外线分布差异矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区传感器与遥感技术传感器与遥感技术微波微波红外接收传感器红外接收传感器第1章传感与检测技术概述传感器在军事技术领域的应用传感器在军事技术领域的应用 先进的科学技术总是最先被应用于战先进的科学技术总是最先被应用于战

27、争。争。 以坦克、飞机、军舰为标志的作战平以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，各类传感器不过是台是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障设施。配属的保障设施。 第1章传感与检测技术概述 海湾战争中，伊拉克在科威特战区部海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署了署了42804280辆坦克，多国部队只有辆坦克，多国部队只有38003800辆坦辆坦克。克。 但结果是伊拉克的坦克但结果是伊拉克的坦克8989被毁，而被毁，而多国部队的坦克仅损失多国部队的坦克仅损失2020辆。辆。这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优势及精确制导武器方面的明显差距造成的。势

28、及精确制导武器方面的明显差距造成的。第1章传感与检测技术概述智能武器智能武器 把巨大的杀伤力和极高的精确性把巨大的杀伤力和极高的精确性相结合，将会使军事机构思考未来战争的相结合，将会使军事机构思考未来战争的方式发生革命方式发生革命 。 高技术常规武器成为比高技术常规武器成为比核武器更可靠的手段，核武器更可靠的手段， 打了不用管打了不用管 的制的制导炮弹能像导弹那样捕捉和跟踪目标，射导炮弹能像导弹那样捕捉和跟踪目标，射程远，威力大，价格低，命中率高，具有程远，威力大，价格低，命中率高，具有子母弹的打击能力，以及破甲弹、动能弹子母弹的打击能力，以及破甲弹、动能弹的攻击方式。的攻击方式。 第1章传感

29、与检测技术概述农业将是知识密集、技术密农业将是知识密集、技术密农业将是知识密集、技术密农业将是知识密集、技术密集的产业，设施农业可以有集的产业，设施农业可以有集的产业，设施农业可以有集的产业，设施农业可以有效提高农业生产效益和增强效提高农业生产效益和增强效提高农业生产效益和增强效提高农业生产效益和增强抗灾能力，借助温室及其配抗灾能力，借助温室及其配抗灾能力，借助温室及其配抗灾能力，借助温室及其配套装置来调节和控制作物生套装置来调节和控制作物生套装置来调节和控制作物生套装置来调节和控制作物生产环境条件，摆脱自然制约，产环境条件，摆脱自然制约，产环境条件，摆脱自然制约，产环境条件，摆脱自然制约，以

30、达到高产、高效、优质。以达到高产、高效、优质。以达到高产、高效、优质。以达到高产、高效、优质。 信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于温度、温度、温度、温度、湿度、土壤干燥度、湿度、土壤干燥度、湿度、土壤干燥度、湿度、土壤干燥度、CO2CO2CO2CO2、光照度、土壤养分等参数、光照度、土壤养分等参数

31、、光照度、土壤养分等参数、光照度、土壤养分等参数的的的的测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。 传感器与农业传感器与农业农业农业第1章传感与检测技术概述二、二、传感器的分类传感器的分类1、按被测量分类、按被测量分类（相应的传感器一般以被测量命名）：（相应的传感器一般以被

32、测量命名）：（1）热热工工量量传传感感器器：温温度度、热热量量、比比热热；压压力力、差差压压、真真空空度；流速、流量；物位（液位、料位）。度；流速、流量；物位（液位、料位）。（2）机机械械量量传传感感器器：位位移移、尺尺寸寸（长长度度、厚厚度度、宽宽度度、角角度度）；力、力矩；重量、质量；速度、加速度、转速。；力、力矩；重量、质量；速度、加速度、转速。（3）物物性性和和成成分分量量：成成分分量量（化化学学成成分分、浓浓度度、酸酸碱碱度度、盐盐度等）；物性（密度、比重、粘度等）。度等）；物性（密度、比重、粘度等）。（4）状状态态量量：颜颜色色、透透明明度度、磨磨损损量量、裂裂纹纹、缺缺陷陷、表表

33、面面粗粗糙度等）。糙度等）。第1章传感与检测技术概述2、按传感器的工作原理分类、按传感器的工作原理分类（1）物物理理型型传传感感器器：利利用用某某些些敏敏感感元元件件的的物物理理性性质质以以及及某某些些功功能能材材料料的的特特殊殊物物理理性性能能制制成成。如如：应应变变式式、电电容容式式、磁磁电电、光电、压电传感器等。光电、压电传感器等。（2）化化学学型型：利利用用电电化化学学反反应应原原理理制制成成。如如：气气敏敏传传感感器器、湿度传感器、离子传感器等。湿度传感器、离子传感器等。（3）生生物物传传感感器器：利利用用酶酶、微微生生物物、抗抗体体、细细胞胞及及组组织织等等作作为为敏敏感感材材料料

34、与与适适当当的的换换能能器器结结合合而而成成，利利用用特特有有的的化化学学反反应应和和电电化化学学技技术术对对生生物物化化学学物质进行测定。如：酶传感器、免疫传感器等。 第1章传感与检测技术概述3、按输出信号的性质分类、按输出信号的性质分类（1）模拟传感器：）模拟传感器：输出模拟信号；输出模拟信号；（2）数字传感器：）数字传感器：输出数字信号（脉冲、频率、二进制输出数字信号（脉冲、频率、二进制数码），抗干扰能力强。数码），抗干扰能力强。三、传感器的发展趋势三、传感器的发展趋势1、 三新三新：新材料、新工艺、新效应（原理）；：新材料、新工艺、新效应（原理）；2、四化：、四化：集成化、多维化、多功

35、能化、智能化。集成化、多维化、多功能化、智能化。第1章传感与检测技术概述 1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性 即即输输出出输输入入之之间间对对应应关关系系，又又称称为为输输出出输输入入特特性性，可可用静态特性和动态特性来描述。用静态特性和动态特性来描述。一、一、 传感器的静态特性传感器的静态特性（一一）静静态态特特性性：是是指指被被测测量量的的值值处处于于稳稳定定状状态态时时的的输输出出输输入入关关系系；即即输输入入量量与与输输出出量量之之间间的的关关系系式式中中不不含含有有时时间间变变量量。衡衡量静态特性的重要指标是线性度、量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度灵敏度, 迟滞和重复性等

36、。迟滞和重复性等。（二）传感器的静态特性表达式（二）传感器的静态特性表达式 1、理想传感器：、理想传感器： y=a1x 2、实际传感器：、实际传感器： y=a0+a1x+a2x2+anxn式中式中: a0输入量输入量x为零时的输出量为零时的输出量; a1, a2, , an非线性项系数；非线性项系数； x输入量；输入量；y输出量。输出量。1、传感器的零偏（零点）：、传感器的零偏（零点）：输入信号为零时传感器的输出值。输入信号为零时传感器的输出值。第1章传感与检测技术概述2 、传感器的测量范围与量程、传感器的测量范围与量程（1）测测量量范范围围：指指正正常常工工作作条条件件下下，传传感感器器能能

37、够够测测量量的的被被测测量量的总范围，通常用测量范围的下限值和上限值来表示。的总范围，通常用测量范围的下限值和上限值来表示。（2）量量程程：测测量量范范围围的的上上限限值值（或或对对应应的的输输出出值值 ）与与下下限限值值（或对应的输出值）的代数差。（或对应的输出值）的代数差。a0 零点；零点；xF.S满量程输入；满量程输入；XF.S输入量程；输入量程； XF.S=xmax-xminyF.S满量程输出；满量程输出；YF.S输出量程。输出量程。 YF.S=ymax-ymin注：仅知道量程时，无法确定测量范围。注：仅知道量程时，无法确定测量范围。传感器的静态特性曲线第1章传感与检测技术概述1、线性

38、度（非线性度/非线性误差）：传感器的实际静态特性曲线与拟合直线（规定直线）之间，在垂直方向上的最大偏差与输出量程的百分比称为线性度。通常用相对误差L表示, 即 式中: |(yL)max|最大非线性 绝对误差的绝对值; YFS输出量程。 (三）主要静态特性指标三）主要静态特性指标第1章传感与检测技术概述2 2、灵敏度、灵敏度 灵灵敏敏度度K K是是指指传传感感器器的的输输出出量量变变化化量量y y 与与引引起起此此变变化化的的输入变化量输入变化量xx的比值的比值, , 即即 K=y/xK=y/x 灵灵敏敏度度反反映映了了传传感感器器对对被被测测参参数数变变化化的的灵灵敏敏程程度度。对对于于线线性

39、性传传感感器器, , 它它的的灵灵敏敏度度就就是是它它的的静静态态特特性性的的斜斜率率, , 即即K=y/xK=y/x为为常常数数, , 而而非非线线性性传传感感器器的的灵灵敏敏度度为为一一变变量量, , 用用K=dy/dxK=dy/dx表表示示。传传感感器器的灵敏度如图所示。的灵敏度如图所示。 第1章传感与检测技术概述 多环节串联而成的测量系统的灵敏度为：多环节串联而成的测量系统的灵敏度为： K=K1K2Kn 例例1：某线性位移测量仪，当被测位移由某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到变到5mm时，位移时，位移测量仪的输出电压由测量仪的输出电压由3.5V减至减至2.5V，求该仪器的灵敏

40、度。若再接一，求该仪器的灵敏度。若再接一个放大器（放大倍数为个放大器（放大倍数为10）后驱动笔式记录仪（灵敏度为）后驱动笔式记录仪（灵敏度为0.2cm/V），试求系统的总灵敏度。），试求系统的总灵敏度。解：解：K1 =y/x=（3.5-2.5）V/(5-4.5)mm = -2V/mm K2=10 K3= 0.2cm/V K=K1K2K3= -2V/mm10 0.2cm/V= - 4cm/mm 第1章传感与检测技术概述3、精确度、精确度 测量误差测量误差 被被测测参参数数的的测测量量值值与与真真实实值值不不一一致致的的程程度度用用测测量量误误差差表表示示。测测量量误误差差就就是是被被测测量量的的

41、测测量量值值与与真真实实值值之之间间的的差差值值，它它反反映映了了测测量量质量的好坏。质量的好坏。（1）测量误差的表示方法）测量误差的表示方法绝对误差：绝对误差：可用下式定义可用下式定义: x = x-x0 式中式中: x绝对误差绝对误差; x测量值测量值; x0约定真值。约定真值。 第1章传感与检测技术概述 对对测测量量值值进进行行修修正正时时, 要要用用到到绝绝对对误误差差。 修修正正值值是是与与绝绝对对误误差差大大小小相相等等、符符号号相相反反的的值值,C= -x = x0-x， 实实际际值值等等于于测测量量值值加加上上修修正值。即正值。即 x0=x+C。 绝绝对对误误差差不不能能很很好

42、好说说明明测测量量质质量量的的好好坏坏，只只适适用用于于被被测测量量值值相相同同的的场场合合。 例例如如, 在在温温度度测测量量时时, 绝绝对对误误差差=1 , 对对体体温温测测量量来来说说是不允许的是不允许的, 而对测量而对测量钢水温度钢水温度来说却是一个极好的测量结果。来说却是一个极好的测量结果。相对误差：相对误差：定义由下式给出定义由下式给出: = x/ x0 100%式中式中: 相对误差相对误差, 一般用百分数给出一般用百分数给出; x绝对误差绝对误差; x0约定真值。约定真值。 第1章传感与检测技术概述 相相对对误误差差比比绝绝对对误误差差能能更更好好地地说说明明测测量量精精确确度度

43、，但但它它只只能能说说明明不不同同测测量量结结果果的的准准确确度度，无无法法衡衡量量传传感感器器本本身身在在整整个个测测量量范范围围内内的的质质量量，（如如一一台台温温度度传传感感器器测测100的的相相对对误误差差为为2%2%，另另一一台台测测1000 的相对误差为的相对误差为1%）为此又采用了引用误差的概念。）为此又采用了引用误差的概念。引引用用误误差差：是是仪仪表表中中通通用用的的一一种种误误差差表表示示方方法法。 它它是是相相对对仪仪表表满满量程的一种误差量程的一种误差, 一般也用百分数表示，即一般也用百分数表示，即 = x / XF.S 100%= x /(xmax-xmin) 100

44、% 式中式中: 引用误差；引用误差； x绝对误差；绝对误差； XF.S 仪表输入量程（测量范围上限仪表输入量程（测量范围上限 测量范围下限）测量范围下限）; xmax 仪表量程的上限值；仪表量程的上限值； xmin仪表量程的上限值；仪表量程的上限值； 第1章传感与检测技术概述基基本本误误差差：是是指指仪仪表表在在规规定定的的标标准准条条件件下下所所具具有有的的误误差差。 例例如如, 仪仪表表是是在在电电源源电电压压(2205)V、电电网网频频率率(502)Hz、环环境境温温度度(205)、 湿湿度度65%5%的的条条件件下下标标定定的的。如如果果这这台台仪仪表表在在这这个个条条件件下下工工作作

45、, 则则仪仪表表所所具具有有的的误误差差为为基基本本误误差差。测测量量仪仪表表的的精精度度等等级级就就是是由由基基本本误误差差决决定定的的，一一般般用用引引用误差表示。用误差表示。附附加加误误差差：是是指指当当仪仪表表的的使使用用条条件件偏偏离离额额定定条条件件下下出出现现的的误误差差。例例如如, 温温度度附附加加误误差差、频频率率附附加加误误差差、电电源源电电压压波波动动附加误差等。附加误差等。 精确度：精确度：表示传感器测量结果与真值之间的偏离程度。表示传感器测量结果与真值之间的偏离程度。第1章传感与检测技术概述 精精确确度度等等级级：是是根根据据最最大大引引用用误误差差来来确确定定的的。

46、工工程程中中以以一一系系列列标标准准数数值值作作为为仪仪表表基基本本误误差差的的最最大大允允许许值值来来分分档档表表示示仪仪表表的的精精确确度度，称称为为精精确确度度等等级级。常常用用的的精精确确度度等等级级有有0.1级级、0.2级级、0.5级级、1.0级级、1.5级、级、2.0级、级、2.5级、级、4.0级、级、 5.0级。级。注注：精精确确度度等等级级已已知知的的仪仪表表只只有有在在被被测测量量值值接接近近满满量量程程时时，才才能能发发挥挥它它的的测测量量精精度度。因因此此选选用用仪仪表表时时应应根根据据被被测测量量的的大大小小和和测测量量精精度度的要求，合理选择仪表量程和精确度等级。的要

47、求，合理选择仪表量程和精确度等级。例例3：测测800 要要求求误误差差4 ，现现有有以以下下测测温温仪仪表表，应应选选哪哪一一种种？（1）0500 , 1.0级；级； （2）01000 ，0.5 级；级； （3）01000 ，0.2级；级； （4）02000 ，0.2级。级。第1章传感与检测技术概述解：解：（1）不能测；）不能测；（2）测）测800 可能出现的最大绝对误差为可能出现的最大绝对误差为1000 （ 0.5%）= 5 ；（3）测）测800 可能出现的最大绝对误差为可能出现的最大绝对误差为1000 （ 0.2%）= 2 ；（4）测）测800 可能出现的最大绝对误差为可能出现的最大绝对误

48、差为2000 （ 0.2%）= 4 ； 应选第（应选第（3）种。）种。例例3：测测800 要求误差要求误差4 ，现有以下测温仪表，应选，现有以下测温仪表，应选哪一种？哪一种？ （1）0500 , 1.0级；级； （2）01000 ，0.5 级；级； （3）01000 ，0.2级；级； （4）02000 ，0.2级。级。第1章传感与检测技术概述 二、二、 传感器的动态特性传感器的动态特性 输输入入信信号号变变化化时时，引引起起输输出出信信号号也也随随时时间间变变化化，这这个个过过程叫程叫响应。响应。 传传感感器器的的动动态态特特性性是是指指其其输输出出对对随随时时间间变变化化的的输输入入量量的的

49、响响应应特特性性。 当当被被测测量量随随时时间间变变化化,是是时时间间的的函函数数时时, 则则传传感感器器的的输输出出量量也也是是时时间间的的函函数数,其其间间的的关关系系要要用用动动特特性性来来表表示示。 一一个个动动态态特特性性好好的的传传感感器器, 其其输输出出将将再再现现输输入入量量的的变变化化规规律律, 即即具具有有相相同同的的时时间间函函数数。实实际际上上除除了了具具有有理理想想的的比比例例特特性性外外, 输输出出信信号号将将不不会会与与输输入入信信号号具具有有相相同同的的时时间间函函数数,这这种种输输出出与与输入间的差异就是所谓的输入间的差异就是所谓的动态误差动态误差。 第1章传

50、感与检测技术概述 实实际际工工作作中中，传传感感器器的的动动态态特特性性常常用用实实验验方方法法求求得得，即即根根据据传传感器对一些标准信号的响应来评定它的动态特性。感器对一些标准信号的响应来评定它的动态特性。 在在时时域域内内，常常用用阶阶跃跃信信号号来来分分析析传传感感器器的的动动态态特特性性瞬瞬时时响响应应特性特性。 在在频频域域内内，则则采采用用正正弦弦输输入入信信号号来来分分析析传传感感器器的的动动态态特特性性频频率响应特性率响应特性。1、瞬时响应特性指标、瞬时响应特性指标时间常数时间常数 ：当输入产生阶跃：当输入产生阶跃变化时，输出信号从初始值变化变化时，输出信号从初始值变化到到6

51、3.2%所需的时间。所需的时间。 越小，越小，传感器的响应速度越快传感器的响应速度越快 。一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应第1章传感与检测技术概述二阶传感器的单位阶跃响应曲线二阶传感器的单位阶跃响应曲线延时时间延时时间td：二阶传感器输出达到稳定值的二阶传感器输出达到稳定值的50%所需的时间。所需的时间。 上升时间上升时间tr：二阶传感器输出达到稳定值的二阶传感器输出达到稳定值的90%所需的时间。所需的时间。 建立时间（响应时间）建立时间（响应时间） ts：二阶传感器输出进入稳态值规定范二阶传感器输出进入稳态值规定范 围之内所需的时间。围之内所需的时间。第1章传感与检测技术概述

52、 峰值时间峰值时间tp：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值 所需的时间。所需的时间。超调量超调量 p ：输出超过稳定值的最大量。输出超过稳定值的最大量。 p =A1 / y( ) 100% 衰衰减减比比d：二二阶阶传传感感器器输输出出响响应应曲曲线线第第一一个个峰峰值值与与第第二二个个峰值之比峰值之比, 即即A1/A2 。第1章传感与检测技术概述传感器的频率响应特性指标包括：传感器的频率响应特性指标包括：（1） 频带：频带：传感器增益保持在一定值（由所需测量精确度传感器增益保持在一定值（由所需测量精确度确定的公差带）内的频率范围为传感器频带或通频带确定的公

53、差带）内的频率范围为传感器频带或通频带, 对应对应有上、下截止频率。有上、下截止频率。 (2) 时时间间常常数数：用用时时间间常常数数来来表表征征一一阶阶传传感感器器的的动动态态特特性性。越小越小, 频带越宽。频带越宽。 (3) 固固有有频频率率n：二二阶阶传传感感器器的的固固有有频频率率n表表征征了了其其动动态态特特性，性， n 越大，动态误差越小，频带越宽。越大，动态误差越小，频带越宽。 2、频率响应特性、频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性, 称为称为频率响应特性。频率响应特性。传感器的频率响应特性包括传感器的频率响应特性包括幅频特性幅频特性和和相频特

54、性相频特性。第1章传感与检测技术概述作业：作业：P19 1-4P19 1-4、1-5 1-5 补充作业补充作业1、 某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器：铂电阻温度传感器： 0.35 / 电桥：电桥： 0.01V/放大器：放大器： 100笔式记录仪：笔式记录仪： 0.1cm/V求：求：（1）测温系统的总灵敏度；）测温系统的总灵敏度； （2）记录仪笔尖位移）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。时，所对应的温度变化值。2、 有三台测温仪表，量程均为有三台测温仪表，量程均为0600，精确度等级分别为，精确度等级分别为2.5级、级、2.0级、级、1.5级，现要测量级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过的温度，要求相对误差不超过 2.5%，选哪台仪表合适？，选哪台仪表合适？