第一章-传感器的技术基础
传感器与检测技术1
第1章 传感器与检测技术基础检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段。
而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要手段。
我们已经知道，对于电量参数的测量具有测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机方便地连接进行数据处理、也可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等一系列优点。
但是在工程上和实际的测量中，所需要测量的参数往往有相当大的部分为非电量，例如温度、位移、压力、流量等，所以通常就把将这些非电量转换为电信号输出的装置或设备称为传感器。
传感器与检测技术是一门随着现代科学技术发展而迅猛发展的综合性技术学科，广泛应用于人类的社会生产和科学研究中，起着越来越重要的作用，成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要技术。
检测的基本任务就是获取有用的信息，通过借助专门的仪器、设备，设计合理的实验方法以及进行必要的信号分析与数据处理，从而获得与被测对象有关的信息，最后将结果提供显示或输入其他信息处理装置、控制系统。
因此，传感器与检测技术属于信息科学范畴，它与通信技术、计算机技术一起分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”，是信息技术的三大支柱(传感技术、通信技术和计算机技术)之一。
检测技术的发展与生产和科学技术的发展是紧密相关的，它们互相依赖、相互促进。
现代科技的发展不断地向检测技术提出新的要求，推动了检测技术的发展。
与此同时，检测技术迅速吸取各个科技领域(如材料科学、微电子学、计算机科学等)的新成果，开发出新的检测方法和先进的检测仪器，同时又给科学研究提供了有力的工具和先进的手段，从而促进了科学技术的发展。
在各种现代机械设备的设计和制造中，检测技术的成本已达到设备系统总成本的50%～70%。
据资料统计：一辆汽车需要30～100余种传感器及配套检测仪表用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等；而一架飞机需要3600余种传感器及配套检测仪表用来监测飞机各部位的参数(压力、应力、温度等)和发动机的参数(转速、振动等)等。
第一章 传感器的基本知识
第一章传感器的基本知识复习思考题1. 简述传感器的概念、作用及组成。
2. 传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？3. 传感器是如何命名的？其代号包括哪几部分？在各种文件中如何应用？4. 传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？5. 传感器的动态特性主要从哪两方面来描述？采用什么样的激励信号？其含义是什么？1.1 传感器的作用与地位◆世界是由物质组成的，各种事物都是物质的不同形态。
人们为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。
◆人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能，人的大脑对“五官”感受到的信息进行加工、处理，从而调节人的行为活动。
◆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定性了解，有时需要进行大量的实验测量以确定对象的量值的确切数据，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，这种仪器设备就是传感器。
传感器是人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。
电量和非电量◆表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。
◆电量——一般是指物理学中的电学量，例如电压、电流、电阻、电容及电感等；◆非电量——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、转速、温度、浓度及酸碱度等等。
◆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。
传感器的作用◆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，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。
◆非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。
◆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。
传感器的地位◆随着科学技术的发展，传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱产业，分别充当信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，他们构成了一个完整的自动检测系统。
第一章 传感器与检测技术基础思考题答案
第1章传感器与检测技术基础思考题答案l.检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。
答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。
当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。
下图给出了检测系统的组成框图。
检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。
测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。
根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。
显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
3.测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法? 如何进行?答：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，最好采用微差式测量。
此时输出电压认可表示为U0，U0=U+△U，其中△U是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U 来讲为一小量。
如果采用偏差法测量，仪表必须有较大量程以满足U0的要求，因此对△U，这个小量造成的U0的变化就很难测准。
测量原理如下图所示：图中使用了高灵敏度电压表——毫伏表和电位差计，R r和E分别表示稳压电源的内阻和电动势，凡表示稳压电源的负载，E1、R1和R w表示电位差计的参数。
在测量前调整R1使电位差计工作电流I1为标准值。
然后，使稳压电源负载电阻R1为额定值。
调整RP的活动触点，使毫伏表指示为零，这相当于事先用零位式测量出额定输出电压U。
正式测量开始后，只需增加或减小负载电阻R L的值，负载变动所引起的稳压电源输出电压U0的微小波动值ΔU，即可由毫伏表指示出来。
传感器技术课件ch011技术基础
（1）电容式传感器——结构型传感器
C 0 0rl b
d
固定极板 b
C C0 C 0r（l l） b d
L
△L
d
化简得： C 1 l l l 活动极板
C0
l
l
输出灵敏度 S C C 0 0rb
l l
d
结构型传感器的特性主要由其结构参数决定，
与构成传感器的物质的性质无关。
5
电源
L 线圈
永久磁铁
动铁芯（衔铁）
特点：通过带外电源的 变换电路，才能获得有 用的电量输出 能量控制型
11
四、传感器的分类
按输入物理量：位移、速度、温度传感器
按工作原理：电容式、电感式、热电式传感器
分类方法
按能量关系： 能量转换型（有源传感器） 能量控制型（无源传感器）
按输出信号性质：模拟式、数字式传感器
传感
有用 电量
信号调节
电量
元件
元件
转换电路
辅助电路
物性型 传感器
被测非电量 传感元件 有用电量
结构型 传感器
被测非电量 敏感 有用非电量 传感 有用电量
元件
元件
7
例1-2 大吨位电容式称重传感器
C 0 A 0 r
d
C A 0 r
d
弹性体
极板 支架
被测非电量： 外界压力
敏感元件： 弹性体
（2）压敏传感器——物性型传感器
压阻效应
压力 P
压力大小 电阻率的变化来自材料性质半导体材料物性型传感器主要由构成传感器的物质的性质决定。
特性 性能 成本 应用
结构型传感器
结构参数决定 稳定 较高 广泛
物性型传感器
传感器与检测技术1-传感器与检测技术的基础知识
y a0 a1x a2 x2 a3x3 an xn
1.3 传感器的基本特性
1.3.1 传感器的静态特性
2.静态特性的校准(标定)条件—静态标准条件
检测系统(传感器)的静态特性是在静态标准条件下进行校准 (标定)的。
检测技术研究的主要内容包括测量原理、测量方法、测量 系统和数据处理四个方面。
检测是利用各种物理、化学及生物效应，选择合适的方法 与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与 测量的方法赋予定性或定量结果的过程。
1.1 检测技术概述
1.1.2 检测方法
1.直接测量、间接测量和联立测量 (1)直接测量 (2)间接测量 (3)联立测量 2.偏差式测量、零位式测量和微差式测量 (1)偏差式测量 (2)零位式测量 (3)微差式测量
测量范围是指检测系统所能测量到的最小被测输入量(下限)
至最大被测输入量(上限)之间的范围，即( xmin , xmax )。
②量程 量程是指检测系统测量上限和测量下限的代数差，即
L xmax xmin
1.3 传感器的基本特性
1.3.1 传感器的静态特性
3.传感器的静态性能指标
(2)灵敏度
灵敏度是指检测系统(传感器)在静态测量时，输出量的增量
15.1数字式检测仪表的设计
1.1.3 检测系统的组成
1.2 传感器基础知识
1.2.1 传感器的定义及组成
传感器的国家标准定义为能感受(或响应)规定的被测量，并按 照一定规律将其转换成可用信号输出的器件或装置。这里的可用 信号是指便于处理、传输的信号，目前电信号是最易于处理和传 输的。
传感器的通常定义为“能把外界非电信息转换成电信号输出 的器件或装置”或“能把非电量转换成电量的器件或装置”。
第1章_传感器技术基础
第1章 传感器技术基础
频率响应函数
对于稳定系统 ，令s=j，得
H (j) Y (j) X (j)
bm j m an j n
bm1 j m1 b1 j b0 an1 j n1 a1 j a0
(2.19
H(j) 系统的频率响应函数，简称频率响应或频率特性。
第1章 传感器技术基础
传感器的动态模型： 传递函数
研究一个传感器系统，只要给系统一个激励x(t)，并通过 实验求得系统的输出y(t)，则由H(s)=L[y(t)]/L[x(t)]即可确定 系统的特性。
本章主要分析传感器对正弦输入的响应（频率响应）和 阶跃输入的响应（阶跃响应）特性及性能指标。
第1章 传感器技术基础
第一节 传感器的一般数学模型
第1章 传感器技术基础
第一节 传感器的一般数学模型
（2）传感器的动态模型：
▪ 微分方程
▪ 传递函数
第1章 传感器技术基础
第二节 传感器的特性与指标
一、传感器的静态特性
研究传感器的频域特性时主要用幅频特性。
第1章 传感器技术基础
二、传感器的动态特性
➢ 对数幅频特性
▪ 将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器， 其它输出正弦信号的幅值、相位与输入信号频率之间 的关系
第1章 传感器技术基础
传感器的种类和形式很多，但它们一般可以简化为零阶 环节（比例环节）、一阶或二阶系统。
第1章 传感器技术基础
2)二阶传感器的单位阶跃响应
二阶传感器的传递函数:
H(s)
s2
n2 2n s
s
,s传感器输出的拉氏变换为 1
传感器技术手册
传感器技术手册随着科技的不断发展，传感器技术在各个领域中扮演着越来越重要的角色。
传感器是一种能够感知并转换物理量、化学量或生物量的设备，它们广泛应用于自动化工业控制、环境监测、医疗诊断、智能交通等众多领域。
本手册将为读者提供关于传感器技术的全面介绍和详细内容。
第一章：传感器基础知识1.1 传感器的定义与分类1.2 传感器的工作原理1.3 传感器的特性参数1.4 传感器的选择与应用第二章：传感器应用领域2.1 工业自动化领域的传感器应用- 温度传感器的应用- 压力传感器的应用- 液位传感器的应用2.2 环境监测领域的传感器应用- 气体传感器的应用- 光学传感器的应用- 水质传感器的应用2.3 医疗诊断领域的传感器应用 - 心电传感器的应用- 血糖传感器的应用- 呼吸传感器的应用2.4 智能交通领域的传感器应用 - 路面传感器的应用- 车速传感器的应用- 道路监控传感器的应用第三章：传感器技术的发展趋势 3.1 微型化与集成化3.2 智能化与自适应性3.3 高灵敏度与高精度3.4 高可靠性与长寿命第四章：传感器技术的挑战与应对 4.1 跨学科融合4.2 信号处理与数据分析4.3 能源供给与节能技术4.4 新材料与新工艺第五章：传感器技术的前景展望5.1 人工智能与传感器技术的结合5.2 物联网与传感器技术的发展5.3 生物传感器与医疗应用的突破5.4 可穿戴设备与传感器技术的融合通过阅读本手册，读者将能够深入了解传感器技术的基础知识、应用领域、发展趋势以及面临的挑战和应对措施。
传感器技术的持续创新与发展将为各个行业带来巨大的改变和机遇，期待读者通过本手册对传感器技术有更为全面的认识和理解，为相关领域的研究和应用提供参考和指导。
第一章传感器技术基础知识
时间常数：用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性。τ越小， 频带越宽。
固有频率：二阶传感器的固有频率ωn表征了其动态特性。
传感器的选用原则
与测量条件有关的因素 (1)测量的目的 (2)被测试量的选择 (3)测量范围 (4)输入信号的幅值，频带宽度 (5)精度要求 (6)测量所需要的时间
相应的响应曲线 ：
传感器存在惯性，它的输出不能立即复现输入信号，而是从零开 始，按指数规律上升，最终达到稳态值。 理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但实际上 当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。 τ越小，响应曲线越接近于输入阶跃曲线， 因此，τ值是一阶传感器重要的性能参数。
测量
测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或 设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，
并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测
量的定量信息。
xnu或
x——被测量值；
n x u
u——标准量，即测量单位；
n——比值，含有测量误差。
测量过程
传感器从被测对象获取被测量的信息，建立起 测量信号，经过变换、传输、处理，从而获得 被测量量值的过程。
线性传感器
S y x
灵敏度是它的静态特性的斜率，即S为常数。
非线性传感器
它的灵敏度S为一变量，用下式表示。
S dy dx
传感器的灵敏度如图1-3所示。
Y
Y
S y - y0
Yo
x
X O
a）线形传感器
Байду номын сангаас
Y dy
dx S dy dx X
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1.3 传感器的构成
2. 传感器的构成方法
（6）环境敏感元件补偿型：由两个原理性质不 同的敏感元件为核心组成。
输入
环境 影响
敏感元件
输出
敏感元件
转换电路
电源
如：采用热敏元件的温度补偿、压电的温度
2020和/5/4加速度干扰补偿等
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1.3 传感器的构成
2. 传感器的构成方法
(7)反馈型：传感器敏感元件同时兼做反馈元件，使 传感器输入处于平衡状态，也称为平衡式传感器。
力140、信号501、遥控142）飞船P：1218：离散信号 392 “整个宇宙飞船就是一个高性能传感器的集合体”， 耗资300亿、40万人参加。 资源调查：大气污染、水质检测，噪声
1.4传感器的地位和作用
2.基础科学领域：
宏观上千光年宇宙→微观 10-13 cm微粒 时长数十亿年天→ 10-24 秒瞬变 温度1亿度等离子→0.01k超导体？ 压力3000↑大气压→ 10-15 mmHg真空 从宏观到微观的测试，均离不开传感器
3.生活领域：
家用领域（饭、洗、报警…） 交通领域（汽、火、飞、船）、高速动车
1.4传感器的地位和作用
二、信息社会的两大支柱
1、从第一次产业革命说起… （1） 动力→体力 （2）信息（感知、控制）→脑力 2、电脑与电五官 笨拙的“人——机”联系“人——传感器——计算机” ➢ “大脑发达、五官迟钝”被动局面 计算机核心、芯片运算记忆功能↑1倍∕年 电路密度还可增100倍↑、价格↓↓ ➢ 战略重点的转移 八十年的技术革新的主角是传感器 我国2012年开始关注先进仪器仪表的研制：国内研究人员的研究
输出
敏感元件
转换电路
电源
如：应变式、固态压阻式等传感器
2020/5/4
19
1.3 传感器的构成
2. 传感器的构成方法
（5）推挽型：测量时输入信号同时加到原理 相同、性能一致的两个敏感元件上，通过测 量电路，使有用的输出量增加，干扰相减。
输入
敏感元件
输出
敏感元件
环境 影响
转换电路
电源
2020/5/4
流量；
声: 声压，噪声。
磁: 磁通，磁场。
温度: 温度、热量、比热。
光： 亮度、色彩。
2020/5/4
10
1.2. 传感器的分类
3.按传感器工作原理分类: 机械式,电气式,光学式,流体式等.
2020/5/4
线速度型传感器
11
1.2. 传感器的分类
4.按信号变换特征分类:
物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换.如:水银温度计.压电测力计
现代传感器设计及应用
崔云先 2014.3
2020/5/4
1
1.1传感器的概念与定义
1. 传感器概念
传感器是一种能把特定的被测量信息按一定 规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以 满足信息的传输、处理、记录显示和控制的要求。
借助检测元件将一种形式的信息转换成另一 种信息的装置。
物理量
2020/5/4
压敏二极管 霍尔元件
触觉（皮）：热→电
热电偶压电元件 热敏电阻
嗅觉（鼻）：
湿 气
电 电
味觉（舌）：酸度传感器、盐度传感器、离子传感器
2020/5/4
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1.2. 传感器的分类
2.按被测物理量分类
机械量:长度、厚度、位移、速度、加速度、
旋转角、转数、质量、重量、力、
压力、真空度、力矩、风速、流速、
2020/5/4
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1.1传感器的概念与定义
以上均为传感器的狭义定义，综合国内外 传感器的定义可得到其广义定义：可感知 信息并能进行转换的器件和装置。
2020/5/4
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1.2 传感器的分类
1.按功能分类
视觉（眼）：光→电（电→光 ）
光电池（太阳能） 发光二极管、光电晶体 半导体计数器
半导体应变计
听觉（耳）：位移→电
为“能感受规定的物理量并按照一定规律转化成可
用信号的装置叫传感器，通常由敏感元件和转换元
件组成” 。
2020/5/4
5
1.1传感器的概念与定义
2. 传感器定义
国外：美国仪器仪表协会（ISA）定义：传感
器是把被测量变换为有用信号的一种装置。包 括敏感元件、变换电路以及把这些元件和电路 传感器的概念与定义
2. 传感器定义
定义 ：（国际、国内尚未有统一）
国内：原机械工业部在所指定的《过程检测控制仪
表术语》中对传感器的定义是：“借助于检测元件
接受物理量形式的信息，并按一定规律转换成同样
或别种物理量的信息仪表”。
国家标准GB/T7665-1987 《传感器通用术语》中
结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.
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1.2. 传感器的分类
5.按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 分为：能量转换型和能量控制型
能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 无源传感器 例如:热电偶温度计,压电式加速度计.
能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 有源传感器 供给能量的变化.例如:电容、电感型
输入
输出
敏感元件
如：热电偶传感器，压电传感器等。
2020/5/4
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1.3 传感器的构成
2. 传感器的构成方法
(2) 有源型：采用辅助能源使敏感元件的工作点稳 定。不需要变换电路即可有较大的电量输出。
输入
输出
敏感元件
辅助能源
如光电管、霍尔式传感器等。
2020/5/4
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1.3 传感器的构成
2. 传感器的构成方法
成果均用国外的先进仪器设备测试。
本课程的要求：
一、外文翻译：新型传感器 二、自学内容：分为8个小组，每组选择一个
方向形成报告，并制作精美PPT，课堂讲述。 三、参考资料：
传感器及应用手册：大连理工大学孙宝元 测试技术基础：清华大学王伯雄 工程测试与信号处理: 华中科技大学蔡共宣 林富生
转换元件：将敏感元件输出的非电物理量（如 应变、位移、应力等）转换为电学量的元件。
测量电路：能把转换元件输出的电信号转换为 便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的 电路。
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1.3 传感器的构成
2. 传感器的构成方法
（1）基本型：基本型是最简单、最基本的传感 器构成形式，也叫自源型，只由敏感元件单独 组成。输出量多为力学量输出量一般为电学量 。特点：不需要外能源，敏感元件可直接从被 测对象获得能量，并转换成电量。
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目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲， 传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。
非电量电测法
定义：通过传感器把被测的非电量（如压力、 流量、温度等）转换成电信号（电压、电流、 电阻、电感等）输出，再经过二次仪表测量出 电信号的大小，然后根据电信号与非电量之间 的关系，最后得到非电量的数值。这类仪表称 为电测仪表。这种方法称为非电量电测法。
目前主要有力反馈型和热反馈型。
输出
输入
敏感元件 敏感元件
非电量
反向敏感元件
电量
如：差动电容力平衡式加速度传感器、热线
热反馈型流速传感器等。
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1.4传感器的地位和作用
支撑现代文明的传感器 1.工程领域中的应用：
机电工程：从数控机床到机器人 宇宙开发：阿波罗10飞船：火箭P：2077（温559、压
传感器.
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1.3 传感器的构成 1. 传感器的基本构成
敏感元件 转换元件 测量电路
显示器 记录仪
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辅助电源
数据处理仪器
传感器的构成框图
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1.3 传感器的构成 1. 传感器的基本构成
敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量） ，并输出与被测量成确定关系的其他量（也包 括电量）的元件。
(3)有源变换型：在有源型基础上加上转换电路 而构成。
输入
输出
敏感元件
转换电路
辅助能源
如：电阻应变式、电感位移式、电涡流位移式等。
2020/5/4
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1.3 传感器的构成
2. 传感器的构成方法
（4）双敏感元件补偿型：采用原理相同，性能 一致的的两个敏感元件加辅助电路构成。
输入
敏感元件
环境 影响