第1章 传感器的特性

烟雾传感器
亮度传感器
红外人体探测器
第1章 传感器的特性
5、家庭与办公自动化
在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感 器和测试技术来提高产品性能和质量。
全自动洗衣机中的传感器： 衣物重量传感器，衣质传 感器，水温传感器，水质 传感器，透光率光传感器 (洗净度) 液位传感器，电 阻传感器(衣物烘干检测)。
第1章 传感器的特性
第1章 传感器的特性
1.0 传感器的应用 1.1 传感器的组成及分类 1.2 传感器的基本特性
思考题与习题

第1章 传感器的特性
1.0
传感器的应用
在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控 制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机 械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。
第1章 传感器的特性
4、楼宇控制与安全防护
为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并 能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测 试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况
图示为某公司楼宇自动化系 统。该系统分为：电源管理、 安全监测、照明控制、空调 控制、停车管理、水/废水管 理和电梯监控。
敏度为
a1= y =k=常数（1.3） x
第1章 传感器的特性 2) 输出-输入特性曲线关于原点对称 这种情况见图 1.2 （ b ）。此时 , 在原点附近相当范
围内曲线基本成线性,式（1.1）只存在奇次项：
y=a1x+a3x3+a5x5+… 3) 输出-输入特性曲线不对称 这时,式（1.1）中非线性项只是偶次项,即 y=a1x+a2x2+a4x4+… (1.5) (1.4)
第1章 传感器的特性 需要注意的是,由于采用的拟合直线即理论直线不同 ,线 性度的结果就有差异。因此,即使在同一条件下对同一传感
器作校准实验时,得出的非线性误差ξL也就不一样,因而在给
出线性度时,必须说明其所依据的拟合直线。 一般而言 ,这些拟合直线包括理论直线、端点连线、最
小二乘拟合直线、最佳直线等。与之对应的有理论线性度、
第1章 传感器的特性
y
y
Байду номын сангаас
y
y
o
x
o
x
o
x
o
x
(a )
(b )
(c)
(d )
图1.2 传感器静态特性曲线
第1章 传感器的特性 设ai≥0, a0≥0。 1) 理想线性
这种情况见图1.2(a)。此时
于是 y=a1x (1.2) a0=a2=a3=…=an=0
因为直线上任何点的斜率都相等 ,所以传感器的灵
第1章 传感器的特性 表1.1 传感器输入被测量
第1章 传感器的特性 2. 按工作原理分类 这种分类方法以传感器的工作原理作为分类依据 ,
见表1.2。
第1章 传感器的特性 表1.2 传感器按工作原理的分类
第1章 传感器的特性 3. 按输出信号形式分类 这种分类方法是根据传感器输出信号的不同来进
yF.S.=|yH-yL|
显而易见,非线性误差的大小是以一定的拟合直线作为基 准直线而算出来的。基准直线不同,得出的线性度也不同。传 感器在实际校准时所得的校准数据,总包括各种误差在内。所 以,一般并不要求拟合直线必须通过所有的测试点,而只要找到 一条能反映校准数据的趋势同时又使误差绝对值为最小的直 线就行。
端点连线线性度、最小二乘线性度、独立线性度等。 （ 1 ）理论直线。如图 1.3(a) 所示 , 理论直线以传感器的 理论特性直线（图示对角线）作为拟合直线,它与实际测试 值无关。其优点是简单、方便,但通常（ΔyL）max很大。
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y
y
( yL )m ax
( yL )m ax
行分类,见表1.3。
第1章 传感器的特性 表1.3 传感器按输出信号形式的分类
第1章 传感器的特性
1.2 传感器的基本特性
1.2.1 静态特性 1. 线性度 人们为了标定和数据处理的方便 ,总是希望传感器
的输出与输入关系呈线性,并能准确无误地反映被测量
的真值,但实际上这往往是不可能的。 假设传感器没有迟滞和蠕变效应 ,其静态特性可用 下列多项式来描述：
石化企业输 油管道、储 油罐等压力 容器的破损 和泄露检测。
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3、产品质量测量
在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须 对其性能质量进行测量和出厂检验。
汽车扭距测量
图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数 包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力 及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试， 工程师可以了解产品质量。 机床加工精度测量
y a0 a1 x a2 x 2 ... an x n a0 ai xi (1.1)
i 1
n
第1章 传感器的特性 式中： x——输入量； y——输出量；
a0——零位输出；
a1——传感器的灵敏度,常用k表示； a2,a3,…,an——非线性项的待定常数。 式 (1.1) 即为传感器静态特性的数学模型。该多项 式可能有四种情况,如图1.2所示。
为预变换器）和变换元件（有时又称为变换器）两部
分组成， 见图1.1。
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传感 器 非电 量 敏感 元件 非电 量 变换 器 电量
图1.1 传感器的一般组成
第1章 传感器的特性
电测法有何优点？
1、可以将许多不同的非电量转换成电量加以测量，从而可 以使用相同的测量和记录显示仪器。 2、输出的电量信号可以做远距离传输，有利于远距离操作 和自动控制。 3、采用电测法可以对变化中的参数进行动态测量，因此可 以测量和记录器瞬时值及变化过程。 4、易于用许多后续的数据处理分析仪器，特别是与计算机 连接，能够对复杂的测量结果进行快速的运算分析处理， 以及提供反馈控制。
b) AGV自动送货车
香港理工AGV模型
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c) 生产加工过程监测
切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红 外接近开关传感器
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2、流程工业设备运行状态监控
在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行 状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。
第1章 传感器的特性 1. 敏感元件 在具体实现非电量到电量间的变换时， 并非所有 的非电量都能利用现有的技术手段直接变换为电量， 而必须进行预变换， 即先将待测的非电量变为易于转 换成电量的另一种非电量。这种能完成预变换的器件 称之为敏感元件。 2. 变换器 能将感受到的非电量变换为电量的器件称为变换 器。例如，可以将位移量直接变换为电容、 电阻及电 感的电容变换器、 电阻及电感变换器； 能直接把温度 变换为电势的热电偶变换器。显然，变换器是传感器 不可缺少的重要组成部分。
指纹传感器
透光率传感器
温湿度传感器
温度传感器
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6、其他应用
航天 农业
交通
医学
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图坦卡蒙的诅咒
“不论是谁骚扰了法老的 安宁，死神之翼将在它的 头上降临。”
2003年9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老
石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结 构之谜。一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一 条狭窄的通道，试图揭开4600年前的秘密。它的探 秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。
第1章 传感器的特性 传感器可以做得很简单 , 也可以做得很复杂；可以是 无源的网络,也可以是有源的系统；可以是带反馈的闭环 系统,也可以是不带反馈的开环系统；一般情况下只具有 变换的功能,但也可能包含变换后信号的处理及传输电路 甚至包括微处理器CPU。因此, 传感器的组成将随不同情 况而异。 1.1.2 传感器的分类 传感器的分类方法很多 ,国内外尚无统一的分类方法。 一般按如下几种方法进行分类。 1. 按输入被测量分类 这种方法是根据输入物理量的性质进行分类。表1.1 给出了传感器输入的基本被测量和由此派生的其它量。
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1、工业自动化中的应用
在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其 重要组成部分
a)机械手、机器人中的传感器
转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感 器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。
密歇根大学的机械手装配模型
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第1章 传感器的特性 式中： ξL——非线性误差（线性度）； | （ ΔyL ） max|—— 输出平均值与拟合直线间的最大偏差绝 对值； yF.S.——满量程输出。F.S.是英文full scale（满量程） 的缩写。 满量程输出用测量上限标称值 yH 与测量下限标称值 yL 之 差的绝对值表示,即
o (a )
x
o (b )
x
图1.3 几种不同的拟合直线 （a） 理论直线；(b) 端点连线；
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y
y
yi
y＝kx ＋b (＋ yL )m ax
(－ yL )m ax o xi (c) x o (d ) x
图1.3 几种不同的拟合直线 (c) 最小二乘拟合直线；(d) “最佳直线”
第1章 传感器的特性 在实际情况中,由于有一些敏感元件直接就可以输出变换 后的电信号 ,而一些传感器又不包括敏感元件在内 ,故常常无 法将敏感元件与变换器严格加以区别。
如果把传感器看作一个二端口网络,则其输入信号主要是 被测的物理量（如长度、力）等时,必然还会有一些难以避免 的干扰信号（如温度、电磁信号）等混入。严格地说,传感器 的输出信号可能为上述各种输入信号的复杂函数。就传感器 设计来说,希望尽可能做到输出信号仅仅是（或分别是）某一 被测信号的确定性单值函数,且最好呈线性关系。对使用者来 说 ,则要选择合适的传感器及相应的电路 , 保证整个测量设备 的输出信号能惟一、正确地反映某一被测量的大小,而对其它 干扰信号能加以抑制或对不良影响能设法加以修正。