传感器理论基础
关于传感器的论文
传感器关键字：光电效应 光电元件 光电特性 传感器分类 传感器应用 摘要：在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。
由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。
这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。
正文：一、理论基础——光电效应光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。
光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v 为光波频率，h 为普朗克常数，h ＝6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。
假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。
根据能量守恒定律：式中，m 为电子质量,v 为电子逸出的初速度,A 微电子所做的功。
由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A 。
由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。
相应的波长为 式中，c 为光速，A 为逸出功。
当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低的导电现象称为光导效应。
它属于内光电效应。
当光照在半导体上是，若电子的能量大与半导体禁带的能级宽度，则电子从价带跃迁到导带，形成电子，同时，价带留下相应的空穴。
化学传感器的基础理论及应用
化学传感器的基础理论及应用化学传感器是一种能够通过化学反应来感知环境中特定化学物质的设备。
它们基于许多原理，其中最常见的是电化学和光学原理。
化学传感器在许多领域都有广泛的应用，例如环境监测、医疗诊断、食品检测和工业过程控制等。
化学传感器的基础理论化学传感器的基本原理是使用特定的传感材料作为反应和检测的介质。
这些传感材料可根据不同的性质被分为化学反应型、物理吸附型和光学型等。
其中，化学反应型传感器是最常见的类型之一。
它们利用化学反应来识别环境中的分子或化学物质。
这些反应通常会引起电位、电流或发光变化，从而实现信号输出。
物理吸附型传感器则是利用吸附剂对目标分子进行物理上的识别，并量化输出。
这些吸附剂通常为分子筛、多孔性材料或纳米材料等。
光学型传感器则是基于分子的吸收、发射、散射和干涉等现象，通过测量光学信号来确认目标分子或化学物质的存在与否。
例如，表面等离子共振传感器可通过可见光或红外线激发下的表面等离子共振信号来感测吸附在传感器表面上的分子。
化学传感器的基本组成部分包括传感层、转换器（转换物理或化学响应为电信号的元件）、信号处理器和软件。
它们共同工作，可以实现健壮、灵敏和特异的化学信号检测。
化学传感器的应用1.环境监测化学传感器在环境监测中的应用特别广泛。
例如，针对空气中的有害气体（例如二氧化硫、氮氧化物和挥发性有机化合物等）和水中的重金属和有害化学物质（例如铅、铬和氰化物等），可以制备适用于不同条件下的传感器，以便于及时监测和控制。
化学传感器在环境监测中的应用还包括大气污染、水质检测、土壤污染等。
2.医药生物化学传感器在医药生物领域中的应用也很广泛。
例如，荧光分子、纳米粒子和分子印迹技术等传感器可用于生物分子的检测，如包括蛋白质、酶和DNA。
基于生物分子的检测技术可以用于癌症早期诊断和治疗，以及个体化药物治疗。
此外，化学传感器也可以用于监测体内药物分布、麻醉剂和呼吸气体等信息。
3.食品检测食品中的有害化学物质、防腐剂和食品中的化学组成也可以通过化学传感器进行监测。
传感器简介
B 示值相对误差
C 满度相对误差
D 精度等级
2021/4/8
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19
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检测值与真实值之间的差值。
原因
测量误差的主要来源可以概括为工具误差（缓变
误差）、环境误差（随机误差）、方法误差（系
统误差）和人员误差（疏忽误差）等。
2021/4/8
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单选题 1分
某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹 果、1kg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最大，在这个例子中，产生 此心理作用的主要因素是（）
2021/4/8
2
传感器的电工图形符号
正方形 等边三角形
2021/4/8
3
2．传感器的组成
核心
直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确 定关系的某一物理量的元件。
2021/4/8
4
转换元件： 将敏感元件输出的物理量转换成 适于传输或测量电信号的元件。
2021/4/8
5
测量电路： 将转换元件输出的电信号进行进 一步转换和处理的部分，如放大、滤波、线性 化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后 续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。
2021/4/8
11
单选题 1分
某仪器厂需要购买压力表，希望压力表的满度相 对误差小于0.9%，考虑到经济效益，应购买（） 级的压力表。
A 0.2
B 0.5
C 1.0
D 1.5
2021/4/8
提交
12
单选题 1分
某位移传感器在位移变化1mm时，输出电压变化 50mV，则其灵敏度应为（ ）
A 50 B5 C1 D 10
传感器与检测技术基础
转换元件 它是将敏感元件输出的非电信号直接转换为电信号，或直接将被测非电信号转换为电信号(如应变式压力传感器的电阻应变片，它作为转换元件将弹性敏感元件的输出转换为电阻)。 转换电路 它能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、处理和传输的有用信号。
传感器的分类 传感器技术是一门知识密集型技术。
1.2 测量误差与准确度
3)恰为第n位单位数字的0.5，则第n位为偶数或零时就舍去，为奇数时则进1。 (2)参加中间运算的有效数字的处理 1)加法运算：运算结果的有效数字位数应与参与运算的各数中小数点后面的有效位数相同。 2)乘除运算：运算结果的有效数字位数，应与参与运算的各数中有效位数最小的相同。 3)乘方及开方运算：运算结果的有效数字位数比原数据多保留一位。 4)对数运算：取对数前后有效数字位数应相同。 2.测量数据的处理 常用的数据处理方法有列表法、图示法、最小二乘法线性拟合。
列表法 列表法是把被测量的数据列成表格，可以简明地表示有关物理量之间的对应关系，便于随时检查测量结果是否合理，及时发现和分析问题。
01
图示法 图示法是用图形或曲线表示物理量之间的关系，它能更直观地表示物理量之间的变化规律，如递增或递减。
02
最小二乘法线性拟合 图示法虽然能很直观方便地将测量中的各种物理量之间的关系、变化规律用图像表示出来，但是，在图像的绘制上往往会引起一些附加的误差。
1.1 传感器简述
1.1 传感器简述
1)超调量σ：传感器输出超出稳定值而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比来表示。 2)延滞时间td：阶跃响应达到稳态值的50%所需要的时间。 3)上升时间tr：传感器的输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所需的时间。 4)峰值时间tp：传感器从阶跃输入开始到输出值达到第一个峰值所需的时间。 5)响应时间ts：传感器从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需的时间。 (2)频率响应法 频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。
第二章-光纤传感器测量的理论基础1复习进程
本章内容
2.1 光的本质 2.2 光的电磁特性 2.3 光的量子特性 2.4 光的干涉 2.5 光源非理想对干涉的影响 2.6 光程 2.7 光的衍射
惠菲原理
本章内容
2.1 光的本质 2.2 光的电磁特性 2.3 光的量子特性 2.4 光的干涉 2.5 光源非理想对干涉的影响 2.6 光程 2.7 光的衍射
(5)双缝间距变小,条纹间距变大;
(6)单缝沿x方向移动,条纹间距不变而整体移动
.
杨氏实验的光强分布
由波的干涉知
I I 1 I 2 2I 1 I 2c o,s
当δ杨=氏d 实则sin验θ 中= I±E k1λ4 0I 时=0Ec , I20=o 2 42 Is 0 ;所以( I1 = 2I(22=d kIs0i1)n2) I0 I
解:白光波长在390～750nm范围。明纹条件为
dsin θ＝土kλ
在θ＝0处，各种波长的光波程差均为零；所以各种波 长的零级条纹在屏x=0处重叠，形成中央白色明纹。
各种波长的同一级次的明纹，由于波长不同而角位 置不同，因而彼此错开，并产生不同级次的条纹的重叠。 在重叠的区域内，靠近中央明纹的两侧，观察到的是由 各种色光形成的彩色条纹，再远处则各色光重叠的结果 形成一片白色，看不到条纹。
惠菲原理
光具有波粒二象性
光不仅是一种电磁波，而且是一种粒子，是由光量子（光 子）组成，是以速度c运动的光子流。
能量、动量和质量
频率、波长和偏振
惠菲原理
光子的能量E
Ehf J
式中，h为普朗克常数， f 为光频。
光子的质量m
Emc2
从而得光子的运动质量为
m
E c2
传感器与检测技术基础知识-下载[1]重点
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（1）直接测量与间接测量 Ⅰ.直接测量 用事先分度或标定好的测量仪表， 直接读取被测量测量结果的方法称为直接测量。直接 测量是工程技术中大量采用的方法，其优点是直观、 简便、迅速，但不易达到很高的测量精度。 Ⅱ.间接测量 首先，对和被测量有确定函数关系 的几个量进行测量，然后，再将测量值代入函数关系 式，经过计算得到所需结果。这种测量方法，属于间 接测量。测量结果y和直接测量值xi(i＝1，2，3…)之 间的关系式为: y＝f(x1x2x3…) 。间接测量手续多， 花费时间长，当被测量不便于直接测量或没有相应直 接测量的仪表时才采用。
量程点, 可以得到端基线性度。
4. 迟滞
迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间，
输入—输出特性曲线不一致的程度。也就是说，对
同样大小的输入量，检测系统在正、反行程中，往
往对应两个大小不同的输出量，如右下图所示。通
过实验，找出输出量的
y
这种最大差值，并以满量程 ymax
输出YFS的百分数表示，
1
ΔH max
1.2.3 检测技术的发展趋势 检测技术的发展趋势主要有以下两个方面: 第一，新原理、新材料和新工艺将产生更多品质优
良的新型传感器。例如光纤传感器、液晶传感器、以高分 子有机材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器等。
第二，检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、 数字式向智能化方向发展。带有微处理机的各种智能化仪 表已经出现，这类仪表选用微处理机做控制单元，利用计 算机可编程的特点，使仪表内的各个环节自动地协调工作， 并且具有数据处理和故障诊断功能，成为一代崭新仪表， 把检测技术自动化推进到一个新水平。
指示仪
被测量 传感器
测量 电路
记录仪
电源
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
传感器与检测技术的基础理论
第1章传感器与检测技术的 1.1 测量概论1.2 测量数据的估计和处理第1章传感与检测技术的 1.1 测量概论在科学技术高度发达的现代社会中人类已进入瞬息万变的信息时代。
人们在从事工业生产和科学实验等活动中主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。
传感器处于研究对象与测控系统的接口位置是感知、获取与检测信息的窗口一切科学实验和生产过程特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。
在工程实践和科学实验中提出的检测任务是正确及时地掌握各种信息大多数情况下是要获取被测对象信息的大小即被测量的大小。
这样，信息采集的主要含义就是测量取得测量数据。
“测量系统”这一概念是传感技术发展到一定阶段的产物。
在工程中需要有传感器与多台仪表组合在一起才能完成信号的检测这样便形成了测量系统。
尤其是随着计算机技术及信息处理技术的发展测量系统所涉及的内容也不断得以充实。
为了更好地掌握传感器需要对测量的基本概念测量系统的特性测量误差及数据处理等方面的及工程方法进行学习和研究只有了解和掌握了这些基本才能更有效地完成检测任务。
一、测量测量是以确定量值为目的的一系列操作。
所以测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较确定被测量对标准量的倍数。
它可由下式表示: x nu （1-1）x或n （1-2）u 式中：x——被测量值u——标准量即测量单位n——比值（纯数）含有测量误差。
由测量所获得的被测的量值叫测量结果。
测量结果可用一定的数值表示也可以用一条曲线或某种图形表示。
但无论其表现形式如何测量结果应包括两部分：比值和测量单位。
确切地讲测量结果还应包括误差部分。
被测量值和比值等都是测量过程的信息这些信息依托于物质才能在空间和时间上进行传递。
参数承载了信息而成为信号。
选择其中适当的参数作为测量信号例如热电偶温度传感器的工作参数是热电偶的电势差压流量传感器中的孔板工作参数是差压ΔP。
测量过程就是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的量值。
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2020/11/30
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1.1.3 传感器基本特性
当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其 输入输出关系特性称为静态特性。
传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性， 即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测量） x(t)之间的关系，传感器系统示意图如下图所示。
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测量电路(measuring circuit)： 将转换元件输出的电信号进
行进一步转换和处理的部分，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更 好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。
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1.1.2 传感器的组成和分类
2．传感器的分类
（1）按照其工作原理，传感器可分为电参数式(如电阻式、 电感式和电容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器及 热电式传感器等。
1.1.4 传感器的命名、代号和图形符号
1.传感器的命名
传感器的全称应由“主题词+四级修饰语”组成，即
主题词 —— 传感器
一级修饰语 —— 被测量，包括修饰被测量的定语。
二级修饰语 —— 转换原理，一般可后缀以“式”字
。
三级修饰语 —— 特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材
料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后缀以“型”字。
（2）按照其被测量对象，传感器可分为力、位移、速度、 加速度传感器等。常见的被测物理量有机械量、声、磁、温 度和光等。
（3）按照其结构，传感器可分为结构型、物性型和复合型 传感器。物性型传感器是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。结构型传感器是依 靠传感器结构参数的变化实现信号变换，如：电容式传感器。
3．传感器的图形符号
传感器的图形符号是电气图用图形符号的一个组成部 分。按GB/T 14479—93《传感器图用图形符号》规定， 传感器的图形符号由符号要素正方形和等边三角形组 成，如图所示。
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1.1.5 传感器的发展趋势
（1） 发现利用新现象、新效应； （2）开发新材料； （3）采用高新技术； （4）拓展应用领域； （5）提高传感器的性能； （6）传感器的微型化与低功耗； （7）传感器的集成化与多功能化； （8）传感器的智能化与数字化； （9）传感器的网络化。
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1.2 检测技术理论基础
1.2.1 检测技术
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1.1.3 传感器基本特性
9. 稳定性:
稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。
10. 漂移:
漂移是指在外界的干 扰下，在一定时间间隔内， 传感器输出量发生与输入 量无关的或不需要的变化。 漂移包括零点漂移和灵敏 度漂移等，如图所示。
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四级修饰语 —— 主要技术指标(如量程、精度、灵敏度等)
。
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1.1.4 传感器的命名、代号和图形符号
2．传感器的代号
一种传感器的代号应包括以下四部分： a —— 主称(传感器)；b —— 被测量；c —— 转换原理； d —— 序号，如图所示。
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1.1.4 传感器的命名、代号和图形符号
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1.1.3 传感器基本特性
7. 重复性:
重复性是指传感器在输入量按同一方向 作全量程连续多次变动时所得特性曲线 间不一致的程度.
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1.1.3 传感器基本特性
8. 迟滞:
迟滞特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入 量减小)行程中输出特性曲线不重合的程度，如图所 示为传感器的迟滞特性特性曲线。
1.1.3 传感器基本特性
传感器的静态特性：
1. 测量范围：传感器所能测量到的最小输入量 与最大输入量 之间
的范围称为传感器的测量范围。
2. 量程：传感器测量范围的上限值 与下限值 的代数差 - 称为量程。
3. 精度：传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差
的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级 的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的 最大允许误差，即相对误差。
传感器理论基础
1.1 传感器基础
1.1.1 传感器的概念 传感器（Transducer/Sensor）是一种能感
受规定的被测量并按照一定的规律转换成可 用量的器件和装置。 传感器就是把非电量转换成电量的装置。
2
1.1.2 传感器的组成和分类
1．传感器的组成 传感器是由敏感元件、转换元件和测量电路组成，如图
式中， 为非线性最大误差(最大偏差); 为满量程输出值。 常用的直线拟合方法有理论拟合、端点拟合和端点平移拟合等，如图1-7所示。采取不同 的方法选取拟合直线，可以得到不同的线性度。
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1.1.3 传感器基本特性
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1.1.3 传感器基本特性
6. 分辨率 :
分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量最小 变化值的能力。输入量从某个任意值缓慢增加，直 到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是 分辨率。它可以用绝对值，也可以用量程的百分数 来表示。该量说明了检测仪表响应与分辨输入量微 小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率愈好。一般模 拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半。 数字式仪表
出的变化量与引起该变化量的输入变
化量之比，即 ，如右图所示。
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1.1.3 传感器基本特性
5. 线性度：指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度。在非线性
误差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。这样，线性度就用输入-输出 关系曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。
1-1所示。
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1.1.2 传感器的组成与分类
敏感元件(sensing element)： 直接感受被测量的变化，并
输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，它是传感器的核心。
转换元件(transduction element)： 将敏感元件输出的物
理量转换成适于传输或测量电信号的元件。