第1章 传感器的基本概念

第一章 传感器的基本概念
学习本课程所需的预备知识 电路基础、电子测量技术、电子线路。 教学提要（重难点） 课程内容、教学要求、 教学提要 （重难点 ）、 课程内容 、教学要求、 实验指 导 传感器的概念以及传感器的基本特性是本章重点。 从传感器的作用开始，逐一介绍了传感器的概念、组 成以及分类，对传感器的基本特性作了详细阐述。
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第1 章
1.5 传感器的数学模型概述
从系统角度来看，一种传感器就是一种系统。 从系统角度来看，一种传感器就是一种系统。根据系 统工程学理论， 统工程学理论，一个系统总可以用一个数学方程式或 函数来描述。 函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输 出和输入间的关系和特性，从而， 出和输入间的关系和特性，从而，用这种关系指导对 传感器的设计、制造、校正和使用。 传感器的设计、制造、校正和使用。通常从传感器的 静态输入—输出关系和动态输入 输出关系和动态输入—输出关系两方面建 静态输入 输出关系和动态输入 输出关系两方面建 立数学模型， 立数学模型，但是准确地建立一个系统的数学模型是 困难的。 困难的。 在工程上， 在工程上，总是采用一些近似方法建立起系统的初步 模型，然后， 模型，然后，经过反复模拟试验确立系统的最终数学 模型，这种方法同样适用传感器数学模型的建立。 模型，这种方法同样适用传感器数学模型的建立。下 面介绍传感器静态和动态数学模型的一般描述方法。 面介绍传感器静态和动态数学模型的一般描述方法。
传感器种类繁多 按被测量分类 按测量原理分类 按输出型式分类 按电源型式分类 目前常用的分类有两种：一种是以被测量来分， 目前常用的分类有两种：一种是以被测量来分，另一 种是以传感器的原理来分。 种是以传感器的原理来分。
按被测量分类 （p4） ） ——物理量传感器 物理量传感器 ——化学量传感器 化学量传感器 ——生物量传感器 生物量传感器
举例：测量压力的应变式压力传感器 举例：测量压力的应变式压力传感器
应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹性膜 应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。 片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变(形变) 片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变(形变)；弹 性膜片的应变施加在电阻应变片上， 性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的 变化量，电阻应变片就是转换元件。 变化量，电阻应变片就是转换元件。 弹性敏感元件（弹簧管） 弹性敏感元件（弹簧管） 敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有 敏感元件在传感器中直接感受被测量， 确定关系、更易于转换的非电量。 确定关系、更易于转换的非电量。
按输出型式分类 数字传感器 模拟传感器
按电源型式分类 无源传感器 有源传感器
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1.4 传感器的技术特点
传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、 传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检 测与应用。 对独立的专门学科。 测与应用。它已逐渐形成了一门相 对独立的专门学科。 与其他学科相比，它具有如下技术特点： 与其他学科相比，它具有如下技术特点： 1. 内容范围广且离散 2. 知识密集程度高、边缘学科色彩浓 知识密集程度高、 3. 制造技术复杂、工艺要求高 制造技术复杂、 4. 功能优良、精度高、可靠性好 功能优良、精度高、 5. 现代传感器品种繁多、应用广泛 现代传感器品种繁多、
1. 系统概论
无论系统复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。 无论系统复杂度如何 ， 把测量装置作为一个系统来看待 。 问题简化为 处理输入量x(t)、系统传输特性 和输出y(t)三者之间的关系。 三者之间的关系。 处理输入量 、系统传输特性h(t)和输出 和输出 三者之间的关系
x(t) 系统分析中的三类问题： 系统分析中的三类问题：
h(t)
y(t)
1)当输入、输出是可测量的(已知 ，可以通过它们推断系统的传输 当输入、输出是可测量的 已知)， 当输入 已知 特性。 (系统辨识 特性。 系统辨识) 系统辨识 2)当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出 当系统特性已知，输出可测量， 当系统特性已知 的输入量。 反求 反求) 的输入量。 (反求 3)如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。( 如果输入和系统特性已知， 如果输入和系统特性已知 则可以推断和估计系统的输出量。 预测) 预测
对于一个测量系统，它所测量的各种物理量， 对于一个测量系统，它所测量的各种物理量，其形式 是不一样的，可以是机械量、电磁量、热工量、 是不一样的，可以是机械量、电磁量、热工量、光学 量…，但不论是哪种物理量，它们都可以分为模拟量和 ，但不论是哪种物理量， 数字量两大类。 数字量两大类。 传感器是一种以测量为目的， 传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转 换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出， 换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出，如 电压、电流、频率等信号。这一定义包含以下方面。 电压、电流、频率等信号。这一定义包含以下方面。 (1)传感器是一种测量装置，能够完成一定的检测任务； 传感器是一种测量装置，能够完成一定的检测任务； 传感器是一种测量装置 (2)它的输入量种类很多，且多为模拟信号的非电量； 它的输入量种类很多，且多为模拟信号的非电量； 它的输入量种类很多 (3)它的输出量是经转换后的电量信号，且有一定的对 它的输出量是经转换后的电量信号， 它的输出量是经转换后的电量信号 应关系和转换精度。 应关系和转换精度。
1.1 传感器的定义
关于传感器的定义，至今尚无一个比较全面的定义。 关于传感器的定义，至今尚无一个比较全面的定义。 不过，对以下提法，学者们似乎不持异议。 不过，对以下提法，学者们似乎不持异议。
国际电工委员会的定义为： 国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系 统中的一种前置部件， 统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可 供测量的信号” 供测量的信号”。 根据中华人民共和国国家标准（ 根据中华人民共和国国家标准（GB7665—— 87），传感器（Transducer/Sensor) 的定义是： ），传感器 的定义是： ），传感器（ 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成 可用输出信号的器件或装置。 可用输出信号的器件或装置。
被 测 对 象 敏感元件
非电量 非电量
转换元件
电参量
பைடு நூலகம்基本转换 电路
电量
电源辅助电路
传感器的组成 传感器的组成
敏感元件与转换元件在结构上常装在一起。 敏感元件与转换元件在结构上常装在一起。为了减小 外界对转换电路的影响，也希望它们装在一起， 外界对转换电路的影响，也希望它们装在一起，但限 于空间结构，转换电路常装入单箱内。 于空间结构，转换电路常装入单箱内。在转换电路后 往往还有信号的放大、处理、显示等后续电路， 面，往往还有信号的放大、处理、显示等后续电路， 它们通常不包含在传感器的范围之内。 它们通常不包含在传感器的范围之内。 ——但并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转 ——但并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转 换元件。 接输出的是电量， 换元件。如果敏感元件直 接输出的是电量，它就同 时兼为转换元件，因此， 时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合 很多的。例如，压电晶体、热电偶、 一的传感器是 很多的。例如，压电晶体、热电偶、 热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。 热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。
对圆盘式电位器来说， 对圆盘式电位器来说，Uo 与滑动臂的旋转角度成正比： 与滑动臂的旋转角度成正比：
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1.3 传感器的分类
第1 章
可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理； 可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理；它们 的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。 的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
所谓传感器， 所谓传感器，是指那些能够取代甚至超出人的 五官” 具有视觉、听觉、触发、 “五官”，具有视觉、听觉、触发、嗅觉和味觉 等功能的元器件或装置。 等功能的元器件或装置。 与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多， 与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多， 但也有一些传感器比人的感觉功能优越， 但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人 类没有能力感知紫外或红外线辐射， 类没有能力感知紫外或红外线辐射，无法忍受的 高温、高压、辐射等恶劣环境， 高温、高压、辐射等恶劣环境，还可以检测出人 类“五官”不能感知的各种信息(如微弱的磁、电、 五官”不能感知的各种信息 如微弱的磁、 如微弱的磁 离子、射线和的无色无味的气体等信息， 离子、射线和的无色无味的气体等信息，以及远 远超出人体“五官”感觉功能的高频、 远超出人体“五官”感觉功能的高频、高能信息 等)。 。
在下图中，弹簧管将压力转换为角位移 在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α
弹簧管放大图
增大时，弹簧管撑直， 当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动 齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。 齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。即弹 簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移α。 簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移α
按测量原理分类 电容式传感器 电位器式传感器 电阻式传感器 电磁式传感器 电感式传感器 电离式传感器 电化学式传感器 光导式传感器 光伏式传感器 光纤传感器 热电式传感器 伺服式传感器
谐振式传感器 应变（ 应变（计）式传感器 压电式传感器 压阻式传感器 磁阻式传感器 差动变压器式传感器 霍耳式传感器 激光传感器 辐射传感器 超声（ 超声（波）传感器 声表面波传感器
其他各种弹性敏感元件
在上图中的各种弹性元件也能将压力转 换为角位移或直线位移。 换为角位移或直线位移。
压力传感器的外形及内部结构
被测量通过敏感元件转换后， 被测量通过敏感元件转换后，再经传感元 件转换成电参量