传感器1.1

传
感
技
术
课程性质： 课程性质：专业课 适用专业：测控技术及仪器 适用专业 学时分配：课程总学时：40学时。其中：理论课学 学时分配 时：34学时；实验学时：6学时。 教 材:朱蕴墣 主 编，国防工业出版社 参考书目: 参考书目:《传感器技术》,孙建民主编,清华大学出 版社;《传感器原理及应用》,《传感器原 理与应用技术 》,刘爱华 主编 。
2.学习的目的 2.学习的目的
掌握传感器的工作原理，在此基础上学会应用。 掌握传感器的工作原理，在此基础上学会应用。 传感器的工作原理是建立在表征它们工作特性本质的数学模型 的基础上的， 的基础上的，通过数学模型才能了解每个参数对输出特性的影 从而找到设计参数的依据， 响，从而找到设计参数的依据，找到应用时出现故障是由哪些 参数变化引起的。 参数变化引起的。
1.1.4传感器转换的常见非电量 1.1.4传感器转换的常见非电量
声学参数 机械学参数 微波参数 化学参数 光学参数 热学参数 射线参数 生物医学参数 磁学参数 流体学参数 红外线 …….
电量 传感器
第 1 章 传感器基础知识
1.1.5 测控技术研究的内容
（1）研究如何正确地获取所需的非电量变量并转换成电量的方法； ）研究如何正确地获取所需的非电量变量并转换成电量的方法； （2）研究怎样用电的方法，实现各种非电量转换仪器及其自动化 ）研究怎样用电的方法， 测控系统。 测控系统。
第 1 章 传感器基础知识
1.2.2 传感器的组成框图及各组成部分的作用
被测量
敏感元件
传感（转换） 传感（转换） 元件
电信号
信号调节转换电路
（非电量） 非电量）
（或其他形式） 或其他形式）
辅助电路
1）敏感元件：将被测非电量转换成容易变成电量的非电量。 敏感元件：将被测非电量转换成容易变成电量的非电量。 2）传感元件：一般情况它不直接感受被测量，将易变成电 传感元件：一般情况它不直接感受被测量， 量的非电量转换成电量（参数）。 ）。如压力传感器中的应 量的非电量转换成电量（参数）。如压力传感器中的应 变片就是传感元件， 变片就是传感元件，它的作用是将弹性膜片的变形转换成 电阻值的变化。 电阻值的变化。
3.与其他课程的关系 3.与其他课程的关系
第 1 章 传感器基础知识
（1）工作原理：以各种物理、化学现象和各种效应以及电路 工作原理：以各种物理、 网络理论为基础； 网络理论为基础； （2）测量电路：以模拟电路和数字电路及电工原理为基础； 测量电路：以模拟电路和数字电路及电工原理为基础； （3）应用检测系统：以控制理论、微弱信号检测理论、误差理 应用检测系统：以控制理论、微弱信号检测理论、 论等为基础； 论等为基础； （4）智能传感器：以传感器原理、微机原理和汇编程序设计或 智能传感器：以传感器原理、 语言为基础； C＋＋语言为基础； （5）设计制造：仪器材料学、工艺学、误差理论及制图学。 设计制造：仪器材料学、工艺学、误差理论及制图学。
1.2 传感器定义、组成框图及各组成部分的作用 传感器定义、
1.2.1 定义 狭义定义： A）狭义定义：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输 出信号的器件或装置 的器件或装置。 出信号的器件或装置。 广义定义：是从一个系统中接收功率， B）广义定义：是从一个系统中接收功率，通常以另一种形式的 功率送到第二个系统中的器件。 功率送到第二个系统中的器件。 传感器的名称：变换器、发讯( 传送器、 C）传感器的名称：变换器、发讯(送)器、传送器、 换能器、探测器。 换能器、探测器。
1.2.3 传感器的分类
1）按传感器的用途分（按输入量分，按被测物理量分）： ）按传感器的用途分（按输入量分，按被测物理量分）： 位移传感器、力传感器、温度传感器、振动传感器等； 位移传感器、力传感器、温度传感器、振动传感器等；
第 1 章 传感器基础知识
2）按照工作机理分：应变式、压电式、电容式、电感式等； 按照工作机理分：应变式、压电式、电容式、电感式等； 习惯上把以上两者合起来命名。例如：电感式位移传感器， 习惯上把以上两者合起来命名。例如：电感式位移传感器， 压电式加速度传感器。 压电式加速度传感器。 3）按被测量的转换特征分（按构成机理分）：结构型、物理型。 按被测量的转换特征分（按构成机理分）：结构型、物理型。 ）：结构型 结构型：通过传感器结构参数的变化而实现信号的转换。 结构型：通过传感器结构参数的变化而实现信号的转换。 例如： 电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化。 例如： 电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化。 有些结构型传感器通过弹性敏感元件的受力变形，将力、扭矩、 有些结构型传感器通过弹性敏感元件的受力变形，将力、扭矩、 压力等转换成应变或位移， 压力等转换成应变或位移，再利用传感元件如电阻应变片等将 其转换成电量。 其转换成电量。 物理型： 物理型：利用某些材料本身的物理性质随被测量变化的特性而 实现参数的直接转换。特点是灵敏度高、响应速度快、 实现参数的直接转换。特点是灵敏度高、响应速度快、结构简 便于集成等特点。 单、便于集成等特点。
x
∆x
事物
y
被控非电量和输出非电量都是通过 传感器来完成的
β
xβ
控制框图
第 1 章 传感器基础知识
1.1.3 传感器在科学技术中的作用 通过传感器获得数据资料，建立数学模型， （1）通过传感器获得数据资料，建立数学模型，从而研究 事物的规律性。 事物的规律性。 通过传感器与计算机相连完成实验数据资料的处理。 （2）通过传感器与计算机相连完成实验数据资料的处理。 各种非电量要通过传感器变成电量来控制事物的规律。 （3）各种非电量要通过传感器变成电量来控制事物的规律。 各个领域的研究需要各种各样的传感器。 （4）各个领域的研究需要各种各样的传感器。
第 1 章 传感器基础知识
有源（能量变换型）传感器，如基于压电效应、热电效应、 有源（能量变换型）传感器，如基于压电效应、热电效应、光 电动势效应等的传感器。 电动势效应等的传感器。
7）按转换过程可逆与否分：双向传感器、单向传感器。 按转换过程可逆与否分：双向传感器、单向传感器。
1.2.4 传感器的基本技术指标要求
第 1 章 传感器基础知识
被测量
敏感元件Βιβλιοθήκη 传感（转换） 传感（转换） 元件
电信号
信号调节转换电路
（非电量） 非电量）
（或其他形式） 或其他形式）
辅助电路
3）转换电路：将电量参数转换成可用电量（电压、 转换电路：将电量参数转换成可用电量（电压、 电流、频率等）便于传输、显示、记录、处理、 电流、频率等）便于传输、显示、记录、处理、控制等应 用的量。 用的量。 4）辅助电路：提供给传感器进行非电量转换用的辅助电源。 辅助电路：提供给传感器进行非电量转换用的辅助电源。
y→ f →
因变量或像； 函数表达形式。
用框图表示自变量和因变量之间的对应关系为
x
f
y
第 1 章 传感器基础知识
数学模型 a.定义 数学模型是所研究系统（对象）的某种特征的本质的 定义:数学模型是所研究系统 定义 数学模型是所研究系统（对象） 表达式，即用数学公式（函数式、代数方程、微分方程、 表达式，即用数学公式（函数式、代数方程、微分方程、 微积分方程、差分方程等）来描述（表示、模拟） 微积分方程、差分方程等）来描述（表示、模拟）所研 究的客观对象或系统在某一方面的存在规律。 究的客观对象或系统在某一方面的存在规律。 b.步 b.步 骤
第 1 章 传感器基础知识
4.学习过程 4.学习过程
定性描述（学习传感工作原理的物理过程） 定量分析（ 定性描述（学习传感工作原理的物理过程） 定量分析（ 推导传感器工作原理的数学模型， 推导传感器工作原理的数学模型，分析参数对输出的影响来确定 并理解工作原理） 应用（估计应用中出现故障的原因）。 并理解工作原理） 应用（估计应用中出现故障的原因）。
静态精度； 动态性能； 1）可靠性； 可靠性； 2）静态精度； 3）动态性能； 5)抗干扰能力； 5)抗干扰能力； 6）通用性； 7）轮廓尺寸； 通用性； 轮廓尺寸； 抗干扰能力 能耗； 10）对被测对象的影响等。 9）能耗； 10）对被测对象的影响等。 4）量程； 量程； 8）成本； 成本；
数据资料
假定 物理模型
实际系统
数学模型
应用
假定
检验、 检验、修正
任何科学问题尤其是电类科学问题研究的方法都是用 数学模型来描述的。 数学模型来描述的。
第 1 章 传感器基础知识
数据资料、 1.1.2 数据资料、控制事物规律与传感器 要建立数学模型，需要获得实验数据资料， 要建立数学模型，需要获得实验数据资料，要获得准确的 数据资料其测量次数必须为无穷大，也就是要很多次测量， 数据资料其测量次数必须为无穷大，也就是要很多次测量，必 须依靠传感器自动完成。 须依靠传感器自动完成。 控制事物的规律是按照给定的规律（数学模型） 控制事物的规律是按照给定的规律（数学模型）和预定的 参数，进行自动控制，达到预期的效果，控制框图如图所示： 参数，进行自动控制，达到预期的效果，控制框图如图所示：
第 1 章 传感器基础知识
仪器仪表、自动化仪表、精密仪器专业: 非电量转换的基础； 仪器仪表、自动化仪表、精密仪器专业: 非电量转换的基础； 自动化专业：参数控制的基础； 自动化专业：参数控制的基础； 电子应用专业：参数转换的基础； 电子应用专业：参数转换的基础；
测控技术及仪器专业：主干课程。 测控技术及仪器专业：主干课程。
第 1 章 传感器基础知识
1.1 传感器在科学技术中的应用
1.1.1 数学模型的定义和工程建模 研究事物的运动规律和特点， 研究事物的运动规律和特点，通常情况下都是应用数学这个工具 • •• 建立数学模型， ，建立数学模型，一般为 • •• y = f ( x, x, x, L), x, x, x →自变量或像原；