第1章 傳感器技術(shù)概述

傳感器技術(shù)與應(yīng)用第1章傳感器技術(shù)概述1.1傳感器的定義1.2傳感器的構(gòu)成1.3傳感器的分類1.4傳感器的命名規(guī)則與代碼1.5傳感器的基本特性1.6傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)1.7傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢2第1章知識目標(biāo)（1）了解傳統(tǒng)傳感器與智能傳感器的區(qū)別；（2）掌握傳感器常規(guī)的分類依據(jù)和類型；（3）了解傳感器主要靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)的定義及其工程意義；（4）掌握傳統(tǒng)傳感器、智能傳感器的一般構(gòu)成；（5）了解傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢；（6）了解傳感器標(biāo)定與校準(zhǔn)的定義及其操作規(guī)范。3第1章能力目標(biāo)（1）能夠模塊化解析傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成；（2）能夠根據(jù)傳感器的名稱分析判斷其命名依據(jù)，進(jìn)而了解傳感器的主要特性；（3）能夠掌握傳感器主要靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)的檢測方法；（4）能夠掌握傳感器標(biāo)定與校準(zhǔn)的基本方法。41.1傳感器的定義我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《傳感器通用術(shù)語》（GB/T7665-2005）對傳感器的定義：“能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。51.2傳感器的構(gòu)成（1）敏感元件的作用：能夠直接感受被測量的變化，并將其轉(zhuǎn)化為應(yīng)變、位移等物理量的變化。6（2）轉(zhuǎn)換元件的作用：將敏感元件感受到的被測量的變化，轉(zhuǎn)換成電阻、電容、電感等阻抗參量的變化。7（3）測量轉(zhuǎn)換電路的作用：將轉(zhuǎn)換元件對應(yīng)的阻抗的變化，轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率、脈寬調(diào)制信號等便于傳輸和測量的電信號的變化。8（4）信號調(diào)理電路的作用：為滿足后續(xù)電路對數(shù)據(jù)分析處理的要求，選擇性配置放大、濾波、整形等信號處理電路（信號調(diào)理電路）。9（5）輔助電源的作用：為測量轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路提供激勵(lì)。1011變送器4~20mA1~5V0~20mA-10~10V0~10V國際電工委員會(huì)IEC111.3傳感器的分類

主要實(shí)現(xiàn)信號的檢測、轉(zhuǎn)換、調(diào)理等功能，部分基于微處理器的傳統(tǒng)傳感器可以對檢測的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算、存儲、顯示和遠(yuǎn)程傳輸。

在實(shí)現(xiàn)信號的檢測、轉(zhuǎn)換、調(diào)理功能的前提下，能夠基于人工智能算法實(shí)現(xiàn)邏輯思維與判斷功能；能夠?qū)崿F(xiàn)自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)、自診斷、自修復(fù)、自決策；能夠在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中自組網(wǎng)；能夠支持智能邊緣計(jì)算等。121314151617能量變換型能量控制型18191.4傳感器的命名規(guī)則與代碼我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《傳感器命名法及代號》（GB/T7666-2005）明確了傳感器的命名規(guī)則：1.主題詞為“傳感器”。2.第一級修飾語為“被測量”，包括修飾被測量的定語。3.第二級修飾語為“轉(zhuǎn)換原理”，一般可在后面加“式”字。4.第三級修飾語為“特征描述”，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器的結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件以及其他必要的性能特征，一般可以在后面加“型”字。5.第四級修飾語為“主要技術(shù)指標(biāo)”，如量程、測量范圍、精度等。20（2）在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣本、學(xué)術(shù)論文、教材及書刊中的陳述表達(dá)，傳感器的產(chǎn)品命名要按照相反的順序表達(dá)。例如：傳感器，位移，超聲波式，±15m。（1）“主題詞+四級修飾語”的命名法主要用于有關(guān)傳感器的統(tǒng)計(jì)表格、圖書索引、檢索以及計(jì)算機(jī)漢字處理等特殊場合。例如：±15m超聲波式位移傳感器。21傳感器的命名代碼：221.

“主稱”代碼，用字母為“C”標(biāo)記，即“傳感器”拼音的第一個(gè)大寫字母。2.“被測量”代碼，用一個(gè)或兩個(gè)漢語拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記或用指定字母表示。3.“轉(zhuǎn)換原理”代碼，用一個(gè)或兩個(gè)漢語拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記。4.“序號”用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，由廠家自定，用于表征產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特性、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等信息。如果產(chǎn)品的性能參數(shù)不變，僅在局部有改變，其序號可在原序號的基礎(chǔ)上順序添加大寫字母A、B、C等（注意不用字母表中的I、Q兩個(gè)字母）。例如：電渦流位移傳感器的代號是：CWY—WL—10壓電式加速度傳感器的代號是：CA—YD—5231.5傳感器的基本特性傳感器的基本特性是指由傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定的傳感器外部的輸入?輸出關(guān)系特性?！o態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性1.5.1傳感器的靜態(tài)特性

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算方法》（GB/T18459-2001）中對傳感器的靜態(tài)特性定義：“被測量處于不變或緩變情況下，輸出與輸入之間的關(guān)系。即傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器測量系統(tǒng)在靜態(tài)信號作用下對應(yīng)的輸入-輸出關(guān)系”。輸出量輸入量零點(diǎn)輸出量線性項(xiàng)系數(shù)非線性項(xiàng)系數(shù)24理想的傳感器測量系統(tǒng)靜態(tài)特性：

實(shí)際工程應(yīng)用的傳感器測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性都會(huì)存在一定的非線性，一般需要借助擬合法或插值法獲得近似的特性曲線，對實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。25在設(shè)計(jì)和選擇傳感器時(shí)需要根據(jù)應(yīng)用場景的需要，需要重點(diǎn)關(guān)注某些靜態(tài)性能指標(biāo)：傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo):測量范圍、量程、分辨力、分辨率、閾值、靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性、漂移、準(zhǔn)確度、可靠性、穩(wěn)定性……注意：

本教材主要的靜態(tài)性能指標(biāo)的定義依據(jù)我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算方法》（GB/T18459-2001）。26（1）測量范圍被測量：下限值上限值~DS18B20的測溫范圍：-55℃～+125℃鉑熱電阻PT100的測溫范圍：-250℃～+850℃K型熱電偶的測溫范圍：-200℃～+1200℃27（2）量程量程下限值上限值-DS18B20的測溫范圍：-55℃～+125℃=量程=125℃-（-55℃）=180℃某微位移傳感器的測量范圍為0~10mm，其量程為：10mm也稱為滿量程（FS：FullSpan）輸入28“滿量程輸出”，又稱為“校準(zhǔn)滿量程輸出”：是指傳感器最大輸出值與最小輸出值的代數(shù)差。29（3）分辨力在整個(gè)輸入量程內(nèi)都能產(chǎn)生可觀測的輸出量變化的最小輸入變化量。被測量的最小變化量。衡量傳感器對輸入量變化的響應(yīng)能力、分辨能力。30（4）分辨率相對分辨力例如：某溫度傳感器的分辨力為0.1℃，滿量程輸入為500℃，分辨率為：分辨力分辨率=滿量程輸入值×100%

31（5）閾值能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的：最小被測量的值閾值表明了傳感器的最小可測的輸入量分辨力表明了傳感器的最小可測出的輸入量的變化量閾值、分辨力的區(qū)別？靈敏度界限門檻靈敏度死區(qū)失靈區(qū)32（6）靈敏度輸出變化量靈敏度=輸入變化量衡量傳感器對輸入量變化的反應(yīng)能力。壓力傳感器的輸入量量綱為力的單位：N；輸出量的量綱為電壓的單位mV，則靈敏度的單位為：mV/N定義：輸出變化量與相應(yīng)的輸入變化量之比。3334（7）線性度非線性誤差最大非線性偏差線性度=滿量程輸出值?100%35特性曲線擬合樣例36最小二乘法37（8）遲滯回程誤差最大滯環(huán)誤差遲滯誤差=滿量程輸出值×100%滯環(huán)滯后量反向行程正向行程在輸入量作滿量程變化時(shí)，對于同一輸入量，傳感器的正、反行程輸出量之差。反映的是傳感器對應(yīng)同一輸入信號，正行程和反行程的輸入-輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象。

產(chǎn)生遲滯性的主要原因：傳感器內(nèi)部敏感元件材料的物理屬性和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在的性能缺陷。例如：機(jī)械部分存在間隙、摩擦、松動(dòng)、積塵等問題。38（9）重復(fù)性衡量傳感器測量數(shù)據(jù)的離散程度。

在短的時(shí)間間隔內(nèi)，在相同的工作條件下，同一輸入量從同一方向進(jìn)行滿量程變化，多次趨近并到達(dá)同一校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)所測量的一組輸出量之間的分散程度。全部校準(zhǔn)點(diǎn)正、反行程輸出值標(biāo)準(zhǔn)偏差中的最大值。產(chǎn)生重復(fù)性的原因與遲滯性原因相近。39（10）漂移衡量傳感器性能穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

指傳感器在輸入量不變的情況下，輸出量隨時(shí)間或溫度等因素的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。①

傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)等參數(shù)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化。——時(shí)間漂移。導(dǎo)致漂移的因素：②

傳感器測試環(huán)境的變化，例如：溫度、濕度、磁場、機(jī)械震動(dòng)、電源變化等環(huán)境因素發(fā)生變化。

40（11）準(zhǔn)確度絕對誤差真值測量值-=傳感器準(zhǔn)確度等級：國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：-200℃～+850℃的鉑熱電阻PT100，準(zhǔn)確度對應(yīng)A、B兩個(gè)級別。A級:絕對誤差的絕對值不大于（0.15+0.002?實(shí)際溫度絕對值）℃B級：絕對誤差的絕對值不大于（0.30+0.005?實(shí)際溫度絕對值）℃41（12）穩(wěn)定性指在規(guī)定工作條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，傳感器的性能參數(shù)保持不變的能力。傳感器的穩(wěn)定性可以用穩(wěn)定性誤差來表征。穩(wěn)定性誤差對應(yīng)兩種表達(dá)形式：絕對誤差、相對誤差。（13）可靠性指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，規(guī)定工作條件下，運(yùn)行指標(biāo)不超限值的前提下，傳感器無故障完成規(guī)定功能的能力。傳感器的可靠性評價(jià)指標(biāo)一般是平均無故障時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)間、故障率（失效率）。421.5.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性反映的是傳感器輸出量對隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。大多數(shù)傳感器的動(dòng)態(tài)模型——高階常系數(shù)線性微分方程：輸出量輸入量微分方程階數(shù)43（1）零階系統(tǒng)傳感器的靜態(tài)靈敏度（放大系數(shù)）：比例系統(tǒng)零階系統(tǒng)的輸出量與輸入量保持較好的線性度。例如：變面積的電容式傳感器可以視為零階系統(tǒng)。44（2）一階系統(tǒng)傳感器的時(shí)間常數(shù)：例如：不帶保護(hù)套管的熱電偶溫度檢測系統(tǒng)可以視為一階系統(tǒng)。45一階傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式：傳感器的靜態(tài)靈敏度傳感器時(shí)間常數(shù)復(fù)變量幅頻特性表達(dá)式相頻特性表達(dá)式46（a）幅頻特性曲線4748（b）相頻特性曲線（3）二階系統(tǒng)傳感器的阻尼比系數(shù)：傳感器的固有角頻率：例如：帶保護(hù)套管的熱電偶溫度檢測系統(tǒng)可以視為二階系統(tǒng)。4950二階傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式:幅頻特性表達(dá)式相頻特性表達(dá)式51（a）幅頻特性曲線（b）相頻特性曲線傳感器的動(dòng)態(tài)特性常見分析方法：瞬態(tài)響應(yīng)法與頻率響應(yīng)法（1）瞬態(tài)響應(yīng)法屬于時(shí)域研究法，提供給傳感器輸入端的典型激勵(lì)信號有階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、斜坡函數(shù)等。52二階傳感器系統(tǒng)的主要?jiǎng)討B(tài)性能指標(biāo)含義：53

超調(diào)量表明傳感器系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)量值越小越好。54（2）頻率響應(yīng)法屬于頻域研究法，給傳感器測量系統(tǒng)提供正弦輸入信號。主要結(jié)合幅頻特性曲線、相頻特性特性曲線進(jìn)行分析研究主要?jiǎng)討B(tài)性能指標(biāo):551.6傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)

對于新研制或剛生產(chǎn)的傳感器需要進(jìn)行技術(shù)標(biāo)定，對于使用中的傳感器需要進(jìn)行定期的校準(zhǔn)，有的傳感器每次使用前均需要校準(zhǔn)。56標(biāo)定目的：

使用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量儀器對即將投入生產(chǎn)應(yīng)用的傳感器的主要?jiǎng)?、靜態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，確保傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到行業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計(jì)、制造、性能要求，同時(shí)也為后續(xù)的校準(zhǔn)提供校準(zhǔn)數(shù)據(jù)依據(jù)。（1）傳感器的標(biāo)定注意：

只有標(biāo)定完成且參數(shù)符合行業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的傳感器才能提供產(chǎn)品合格證。標(biāo)定分類：

靜態(tài)標(biāo)定、動(dòng)態(tài)標(biāo)定。57（2）傳感器的校準(zhǔn)校準(zhǔn)目的：

考慮到傳感器在使用過程中，會(huì)因元器件老化、環(huán)境改變、機(jī)械性能變化等原因，導(dǎo)致性能參數(shù)與出廠前或安裝使用時(shí)的標(biāo)定參數(shù)有差異，因此就使用測量準(zhǔn)確度等級高的測量儀器，有時(shí)需要配合性能參數(shù)剛標(biāo)定過的同類型傳感器，對使用中的傳感器進(jìn)行主要性能參數(shù)的檢測，稱為校準(zhǔn)。

在傳感器使用過程中，可以定期或不定期，甚至每次使用前都可以對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，對應(yīng)的技術(shù)文件被稱為《校準(zhǔn)證書》或《校準(zhǔn)報(bào)告》。581.7傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢

傳感器是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)感知層的基礎(chǔ)核心器件。