传感器原理与技术课程教案(学生)

《传感器原理与技术》0.

传感器

定义：

广义定义:

能够把特定的被测量信息（如物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信 号的器件或装置。

狭义定义：

所谓“可用信号”，是指便于传输、便于处理的信号。就口前而言，电信号最为满足便于 传输、便于处理的要求。因此，传感器的狭义定义为：能把外界非电量信息转换成电信号输出 的器件或装置。

2、组成：传感器通常山敬感元件（sensing element ）和转换元件（transduction element ）组 成。

图0.1传感器组成框图

敬感元件指传感器中能直接感受（或响应）与检测出被测对象的待测信息（非电量）的元 件。如：机械类传感器中的弹性元件。

转换元件指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）的信息直接转换成电信号的部分。 如：应变式压力传感器山弹性膜片和电阻应变片组成，其中电阻应变片就是转换元件。

3、分类：

（1）按工作原理分类：

J 一生物型传感器

（2）按输入信号分类：位移传感器，速度传感器，加速度传感器，力/压力传感器，温度传

感器，湿度传感器，磁传感器，色传感器，等。

（3）按应用范围分类：工业用.农业用、民用、军用、医用、科研用、家电用传感器等; 计测用、监

视用、检查用、诊断用、控制用、分析用等；……o

0-2传感器技术

传感器技术是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术。 传感器技术的特点：

（1） 内容的离散性：物理、化学、生物学中的“效应”、“反应”、“机理”等，多而彼此 独立； （2） 知识的密集性；

（3） 技术（工艺）的复杂性：微电子/机械加工技术，特种加工技术，智能化技术； （4） 品种的多样性与用途的广泛性。

「一物理型传感器一

［ 传感器一 一化学型传感器

一物性型传恳器 一结梅型传感器

:辅助电源：

0.3传感器与传感器技术的地位和作用

传感器是获取信号的工具，传感器与传感器技术是现代工业社会自动检测与自动控制系 统的主要环节。图0.2是自动测控系统的框图。

火箭、卫星、飞机、汽车等设备，油气勘探、开发、集输、加工处理等自动化过程，大 量使用传感器。

图0.2

被测控对象

传感器

控制器

被测控童

可用借号

显示记录

传感器与传感器技术是现代信息社会信息技术（传感与控制技术、通信技术和讣算机技术）的三大支柱之一，是信息系统的“源头”。

0.4传感器与传感器技术的发展趋势

传感器技术的主要发展动向：

（1）传感器本身的基础研究：

即研究新的传感器材料和工艺，发现新现象。

（2）跟微处理器组合在一起的传感器系统的研究；

即研究如何将检测功能与信号处理技术相结合，向传感器的智能化、集成化发展。

具体说来，其发展主要分为以下儿个方面：

（1）发现新现象；

（2）开发新材料；

（3）采用微细加工技术；

（4）智能传感器（Intelligent sensor/Smart sensor）:

（5）多功能传感器：如Honeywel 1公司ST-3000型差压压力传感器，基片3x4x0. 2cm\制

作静压、差压和温度三种敏感元件和CPU、EPROM,精度0.1%,具有自诊断、自动选择量程、存储补偿数据等功能。

第1章传感器的一般特性

传感/

静态.

特性'

r线性度(Linearity)

灵敏度(Sensitivity)

分辨率和分辨力(Resolution)

迟滞(Rysteresis)

器的丿重复性（Repeatab订ity）_般、精度(Accuracy)

特性「动态特性数学模型

动态V 传递函数

特性Y 频率响应函数

X

1动态响应特性（不作要求）传感器的基本特性即输出一输入关系特性：

林信号

输出信号

传感器

系统

感器系统

研究传感器的基本特性的意义：

（1） 测量：传感器作为测量系统，由输出y 推求输入£ （2） 传感器的研究、设计与系统建立。

传感器的基本特性是外特性，但山其内部结构参数决定。

1.1传感器的静态特性

传感器在稳态信号（R ）二常数）作用下，其输出一一输入关系称为传感器的静态特性, 其关系表达式为：y = f （x ）。

1. 1. 1线性度（非线性误差）（Linearity ）

传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间的线性程度。 理想输出一输入线性特性传感器（系统）优点：

（1） 简化传感器理论分析和设计计算； （2） 方便传感器的标定和数据处理；

（3） 显示仪表刻度均匀，易于制作、安装、调试，提高测量精度； （4） 避免非线性补偿环节。

实际传感器输出一输入特性一般为非线性，即

y =久+0X+仏”+心£+• • •+a…x 式中，a.—零位输出，零点漂移（零漂）；

4----传感器线性灵敬度，常用《表示； Ch 、“3、…、U n 待

定系数。

线性度（非线性误差）（Linearity ）

（1）理想线性：y =

灵敏度S l =y /x

= a i 二常数（Q

⑵具有偶次项非线性：y = Q x+心” + e £ + • • •

由于没有对称性，所以其线性范围很窄。一般很少采用这种特性。 ⑶具有奇次项非线性：尸aX+心£+%£+•••

（ 1一4）

该特性在原点附近较大范圉内具有较宽的准线性。比较接近于理想直线的非线性特性。 （*.* y （x ）

= -y （-x ）・°・它相对于原点对称）

⑷普遍情况：y = a^+

a 2x +血疋+色兀“ + •••

图1-1传

(1-1)

(1-2)

(1-3)