第1章 傳感器理論基礎

1、第第1章章 傳感器理論基礎傳感器理論基礎n1.1 傳感器基礎傳感器基礎n1.1.1 傳感器的概念傳感器的概念n傳感器（傳感器（transducer/sensor）是一種能感）是一種能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用量的器件和裝置。用量的器件和裝置。 傳感器就是把非電量轉換成電量的裝置。傳感器就是把非電量轉換成電量的裝置。12021-11-1821.1.2 傳感器的組成和分類傳感器的組成和分類n1傳感器的組成傳感器的組成 n傳感器是由敏感元件、轉換元件和測量傳感器是由敏感元件、轉換元件和測量電路組成，如圖電路組成，如圖1-1所示。所示。1.1.2

2、傳感器的組成與分類傳感器的組成與分類n敏感元件敏感元件(sensing element)： 直接感受直接感受被測量的變化，并輸出與被測量成確定關系的某一物被測量的變化，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件，它是傳感器的核心。理量的元件，它是傳感器的核心。n轉換元件轉換元件(transduction element)： 將將敏感元件輸出的物理量轉換成適于傳輸或測量電信號敏感元件輸出的物理量轉換成適于傳輸或測量電信號的元件。的元件。n測量電路測量電路(measuring circuit)： 將轉換將轉換元件輸出的電信號進行進一步轉換和處理的部分，如元件輸出的電信號進行進一步轉換和處理的部分，

3、如放大、濾波、線性化、補償等，以獲得更好的品質特放大、濾波、線性化、補償等，以獲得更好的品質特性，便于后續(xù)電路實現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制等功性，便于后續(xù)電路實現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制等功能。能。2021-11-1832021-11-1841.1.2 傳感器的組成和分類傳感器的組成和分類n（1）按照其工作原理，傳感器可分為電參數式）按照其工作原理，傳感器可分為電參數式(如電阻式、如電阻式、電感式和電容式電感式和電容式)傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器及傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器及熱電式傳感器等。熱電式傳感器等。n（2）按照其被測量對象，傳感器可分為力、位移、速度、）按照其被測量對象，傳

4、感器可分為力、位移、速度、加速度傳感器等。常見的被測物理量有機械量、聲、磁、溫加速度傳感器等。常見的被測物理量有機械量、聲、磁、溫度和光等。度和光等。n（3）按照其結構，傳感器可分為結構型、物性型和復合型）按照其結構，傳感器可分為結構型、物性型和復合型傳感器。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質的傳感器。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現(xiàn)信號變換，如：水銀溫度計。結構型傳感器是依變化來實現(xiàn)信號變換，如：水銀溫度計。結構型傳感器是依靠傳感器結構參數的變化實現(xiàn)信號變換，如：電容式傳感器?？總鞲衅鹘Y構參數的變化實現(xiàn)信號變換，如：電容式傳感器。n2傳感器的分類傳感器的分類 1

5、.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性n當傳感器的輸入信號是常量，不隨時間變化時，其當傳感器的輸入信號是常量，不隨時間變化時，其輸入輸出關系特性稱為靜態(tài)特性。輸入輸出關系特性稱為靜態(tài)特性。n傳感器的基本特性是指系統(tǒng)的輸入與輸出關系特性傳感器的基本特性是指系統(tǒng)的輸入與輸出關系特性，即傳感器系統(tǒng)的輸出信號，即傳感器系統(tǒng)的輸出信號y(t)和輸入信號（被測和輸入信號（被測量）量）x(t)之間的關系，傳感器系統(tǒng)示意圖如下圖所之間的關系，傳感器系統(tǒng)示意圖如下圖所示。示。2021-11-1851.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性n傳感器的靜態(tài)特性：傳感器的靜態(tài)特性：n1. 測量范圍：測量范圍：傳感器所能

6、測量到的最小輸入量傳感器所能測量到的最小輸入量 與最大輸入量與最大輸入量 之間之間的范圍稱為傳感器的測量范圍。的范圍稱為傳感器的測量范圍。n2. 量程：量程：傳感器測量范圍的上限值傳感器測量范圍的上限值 與下限值與下限值 的代數差的代數差 - 稱為量程。稱為量程。n3. 精度：精度：傳感器的精度是指測量結果的可靠程度，是測量中各類誤差傳感器的精度是指測量結果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映。工程技術中為簡化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級的綜合反映。工程技術中為簡化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級的概念。精度等級以一系列標準百分比數值分檔表示，代表傳感器測量的的概念。精度等級以一

7、系列標準百分比數值分檔表示，代表傳感器測量的最大允許誤差，即相對誤差。最大允許誤差，即相對誤差。 n4. 靈敏度：靈敏度：靈敏度是指傳感器輸靈敏度是指傳感器輸n出的變化量與引起該變化量的輸入變出的變化量與引起該變化量的輸入變n化量之比，即化量之比，即 ，如右圖所示。，如右圖所示。2021-11-1861.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性n5. 線性度：線性度：指其輸出量與輸入量之間的關系曲線偏離理想指其輸出量與輸入量之間的關系曲線偏離理想直線的程度。在非線性誤差不太大的情況下，通常采用直線擬合直線的程度。在非線性誤差不太大的情況下，通常采用直線擬合的方法來線性化。這樣，線性度就用輸入的方法

8、來線性化。這樣，線性度就用輸入-輸出關系曲線與擬合輸出關系曲線與擬合直線之間最大偏差與滿量程輸出的百分比來表示。直線之間最大偏差與滿量程輸出的百分比來表示。 式中，式中， 為非線性最大誤差為非線性最大誤差(最大偏差最大偏差); 為滿量程輸出值。為滿量程輸出值。常用的直線擬合方法有理論擬合、端點擬合和端點平移擬合等，常用的直線擬合方法有理論擬合、端點擬合和端點平移擬合等，如圖如圖1-7所示。采取不同的方法選取擬合直線，可以得到不同的所示。采取不同的方法選取擬合直線，可以得到不同的線性度。線性度。2021-11-1871.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性2021-11-1881.1.3 傳感器

9、基本特性傳感器基本特性2021-11-1896. 分辨率分辨率 : 分辨率是指檢測儀表能夠精確檢測出被測量最小變化值的能力。輸入量從某個任意值緩慢增加，直到可以測量到輸出的變化為止，此時的輸入量就是分辨率。它可以用絕對值，也可以用量程的百分數來表示。該量說明了檢測儀表響應與分辨輸入量微小變化的能力。靈敏度愈高，分辨率愈好。一般模擬式儀表的分辨率規(guī)定為最小刻度分格值的一半。數字式儀表的分辨率是最后一位的一個字。 1.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性2021-11-18107. 重復性重復性: 重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線間不一致的程度.1.1.3 傳感

10、器基本特性傳感器基本特性2021-11-18118. 遲滯遲滯: 遲滯特性表明傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中輸出特性曲線不重合的程度，如圖所示為傳感器的遲滯特性特性曲線。 1.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性2021-11-18129. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性: 穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內保持其性能參數的能力。10. 漂移漂移: 漂移是指在外界的干擾下，在一定時間間隔內，傳感器輸出量發(fā)生與輸入量無關的或不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等，如圖所示。 1.1.4 傳感器的命名、代號和圖形符號傳感器的命名、代號和圖形符號 2021-11-18131.傳感器的命名傳感器的

11、命名 傳感器的全稱應由“主題詞+四級修飾語”組成，即主題詞 傳感器一級修飾語 被測量，包括修飾被測量的定語。二級修飾語 轉換原理，一般可后綴以“式”字。三級修飾語 特征描述，指必須強調的傳感器結構、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后綴以“型”字。四級修飾語 主要技術指標(如量程、精度、靈敏度等)。 1.1.4 傳感器的命名、代號和圖形符號傳感器的命名、代號和圖形符號 2021-11-18142傳感器的代號傳感器的代號 一種傳感器的代號應包括以下四部分： a 主稱(傳感器)；b 被測量；c 轉換原理；d 序號，如圖所示。1.1.4 傳感器的命名、代號和圖形符號傳感器的命名、代

12、號和圖形符號 2021-11-18153傳感器的圖形符號傳感器的圖形符號 傳感器的圖形符號是電氣圖用圖形符號的一個組成部分。按gb/t 1447993傳感器圖用圖形符號規(guī)定，傳感器的圖形符號由符號要素正方形和等邊三角形組成，如圖所示。1.1.5 傳感器的發(fā)展趨勢傳感器的發(fā)展趨勢 2021-11-1816（1） 發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象、新效應；發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象、新效應；（2）開發(fā)新材料；）開發(fā)新材料；（3）采用高新技術；）采用高新技術；（4）拓展應用領域；）拓展應用領域；（5）提高傳感器的性能；）提高傳感器的性能； （6）傳感器的微型化與低功耗；）傳感器的微型化與低功耗； （7）傳感器的集成化與多功能化；

13、）傳感器的集成化與多功能化； （8）傳感器的智能化與數字化；）傳感器的智能化與數字化； （9）傳感器的網絡化。）傳感器的網絡化。 2021-11-1817n1.2.1 檢測技術檢測技術 檢測技術是以研究檢測系統(tǒng)中的信檢測技術是以研究檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉換以及息提取、信息轉換以及 信息處理的理論信息處理的理論與技術為主要內容的一門應用技術學科與技術為主要內容的一門應用技術學科。檢測技術主要研究被測量的測量原理。檢測技術主要研究被測量的測量原理、測量方法、檢測系統(tǒng)和數據處理等方、測量方法、檢測系統(tǒng)和數據處理等方面的內容。不同性質的被測量要采用不面的內容。不同性質的被測量要采用不同的原理去測

14、量，測量同一性質的被測同的原理去測量，測量同一性質的被測量也可采用不同測量原理。量也可采用不同測量原理。1.2 檢測技術理論基礎檢測技術理論基礎2021-11-1818n1.2.2 測量方法測量方法 1) 直接測量、間接測量和組合測量直接測量、間接測量和組合測量 (又稱聯(lián)立又稱聯(lián)立測量測量)。經過求解聯(lián)立方程組，才能得到被測物理量的最后經過求解聯(lián)立方程組，才能得到被測物理量的最后結果，則稱這樣的測量為組合測量。結果，則稱這樣的測量為組合測量。 2) 偏差式測量、零位式測量與微差式測量偏差式測量、零位式測量與微差式測量3) 等精度測量與非等精度測量等精度測量與非等精度測量4) 靜態(tài)測量與動態(tài)測量

15、靜態(tài)測量與動態(tài)測量1.2檢測技術理論基礎檢測技術理論基礎2021-11-1819n1.2. 3 檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)是由被測對象、傳感器、數據傳輸環(huán)節(jié)、數據檢測系統(tǒng)是由被測對象、傳感器、數據傳輸環(huán)節(jié)、數據處理環(huán)節(jié)和數據顯示環(huán)節(jié)構成，處理環(huán)節(jié)和數據顯示環(huán)節(jié)構成， 1.2檢測技術理論基礎檢測技術理論基礎2021-11-1820n1.2. 3 檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)又分：開環(huán)檢測系統(tǒng)與閉環(huán)檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)又分：開環(huán)檢測系統(tǒng)與閉環(huán)檢測系統(tǒng) 1.2檢測技術理論基礎檢測技術理論基礎2021-11-1821n1.2. 4 測量誤差及數據處理測量誤差及數據處理 測量誤差測量誤差 在檢測過程中，被測對象、

16、檢測系統(tǒng)、檢測方法在檢測過程中，被測對象、檢測系統(tǒng)、檢測方法和檢測人員都會受到各種變動因素的影響。而對被測和檢測人員都會受到各種變動因素的影響。而對被測量的轉換，有時也會改變被測對象原有的狀態(tài)。這就量的轉換，有時也會改變被測對象原有的狀態(tài)。這就造成了檢測結果和被測量的客觀真值之間存在一定的造成了檢測結果和被測量的客觀真值之間存在一定的差別，這個差值稱為測量誤差。簡言之，測量誤差就差別，這個差值稱為測量誤差。簡言之，測量誤差就是測量值與真實值之間的差值，它反映了測量的精度是測量值與真實值之間的差值，它反映了測量的精度。測量誤差的主要來源可以概括為工具誤差、環(huán)境誤。測量誤差的主要來源可以概括為工具

17、誤差、環(huán)境誤差、方法誤差和人員誤差等。差、方法誤差和人員誤差等。1.2檢測技術理論基礎檢測技術理論基礎2021-11-1822n1.2. 4 測量誤差及數據處理測量誤差及數據處理 測量數據的估計和處理測量數據的估計和處理 n1) 隨機誤差的評價指標隨機誤差的評價指標 n（1） 算術平均值。在實際測量時，真值算術平均值。在實際測量時，真值a一般無法得到?？梢砸话銦o法得到。可以證明，隨著測量次數的增多，算術平均值越來越接近真值，當證明，隨著測量次數的增多，算術平均值越來越接近真值，當無限大時，測量值的算術平均值就是真值。無限大時，測量值的算術平均值就是真值。 n（2）標準誤差）標準誤差(又稱均方根誤差又稱均方根誤差)。算術平均值是反映隨機誤差。算術平均值是反映隨機誤差的分布中心，而標準誤差則反映隨機誤差的分布范圍。標準誤的分布中心，而標準誤差則反映隨機誤差的分布范圍。標準誤差越大，測量數據的分散范圍也越大，標準誤差可以描述測量差越大，測量數據的分散范圍也越大，標準誤差可以描述測量數據和測量結果的精度，是評價隨機誤差的重要指標。數