1、第第1章章 傳感器理論基礎(chǔ)傳感器理論基礎(chǔ)n1.1 傳感器基礎(chǔ)傳感器基礎(chǔ)n1.1.1 傳感器的概念傳感器的概念n傳感器傳感器Transducer/Sensor是一種能感是一種能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用量的器件和裝置。用量的器件和裝置。n 傳感器就是把非電量轉(zhuǎn)換成電量的裝置。傳感器就是把非電量轉(zhuǎn)換成電量的裝置。12022-1-2921.1.2 傳感器的組成和分類(lèi)傳感器的組成和分類(lèi)n1傳感器的組成傳感器的組成 n傳感器是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量傳感器是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路組成，如圖電路組成，如圖1-1所示。所示。1.1.2 傳感器的

2、組成與分類(lèi)傳感器的組成與分類(lèi)n敏感元件敏感元件(sensing element)： 直接感直接感受被測(cè)量的變化，并輸出與被測(cè)量成確受被測(cè)量的變化，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件，它是傳感定關(guān)系的某一物理量的元件，它是傳感器的核心。器的核心。n轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件(transduction element)： 將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成適于傳將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量電信號(hào)的元件。輸或測(cè)量電信號(hào)的元件。n測(cè)量電路測(cè)量電路(measuring circuit)： 將轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換和換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換和處理的部分，如放大、濾波、線(xiàn)性化、

3、處理的部分，如放大、濾波、線(xiàn)性化、補(bǔ)償?shù)龋垣@得更好的品質(zhì)特性，便于補(bǔ)償?shù)龋垣@得更好的品質(zhì)特性，便于后續(xù)電路實(shí)現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制后續(xù)電路實(shí)現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制等功能。等功能。2022-1-2932022-1-2941.1.2 傳感器的組成和分類(lèi)傳感器的組成和分類(lèi)n（1按照其工作原理，傳感器可分為電參數(shù)式按照其工作原理，傳感器可分為電參數(shù)式(如電阻式、如電阻式、電感式和電容式電感式和電容式)傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器及傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器及熱電式傳感器等。熱電式傳感器等。n（2按照其被測(cè)量對(duì)象，傳感器可分為力、位移、速度、按照其被測(cè)量對(duì)象，傳感器可分為力、位移、

4、速度、加速度傳感器等。常見(jiàn)的被測(cè)物理量有機(jī)械量、聲、磁、溫加速度傳感器等。常見(jiàn)的被測(cè)物理量有機(jī)械量、聲、磁、溫度和光等。度和光等。n（3按照其結(jié)構(gòu)，傳感器可分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型按照其結(jié)構(gòu)，傳感器可分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型傳感器。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的傳感器。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，如：水銀溫度計(jì)。結(jié)構(gòu)型傳感器是依變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，如：水銀溫度計(jì)。結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，如：電容式傳感器。靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，如：電容式傳感器。n2傳感器的分類(lèi)傳感器的分類(lèi) 1.1.3 傳感器基本特性

5、傳感器基本特性n當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)是常量，不隨時(shí)間變化時(shí)，其當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)是常量，不隨時(shí)間變化時(shí)，其輸入輸出關(guān)系特性稱(chēng)為靜態(tài)特性。輸入輸出關(guān)系特性稱(chēng)為靜態(tài)特性。n傳感器的基本特性是指系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系特性傳感器的基本特性是指系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系特性，即傳感器系統(tǒng)的輸出信號(hào)，即傳感器系統(tǒng)的輸出信號(hào)y(t)和輸入信號(hào)被測(cè)和輸入信號(hào)被測(cè)量量x(t)之間的關(guān)系，傳感器系統(tǒng)示意圖如下圖所之間的關(guān)系，傳感器系統(tǒng)示意圖如下圖所示。示。2022-1-2951.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性n傳感器的靜態(tài)特性：傳感器的靜態(tài)特性：n1. 測(cè)量范圍：傳感器所能測(cè)量到的最小輸入量測(cè)量范圍：傳感器所能測(cè)量到

6、的最小輸入量 與最大輸入量與最大輸入量 之間的范圍稱(chēng)為傳感器的測(cè)量范之間的范圍稱(chēng)為傳感器的測(cè)量范圍。圍。n2. 量程：傳感器測(cè)量范圍的上限值量程：傳感器測(cè)量范圍的上限值 與下限值與下限值 的代數(shù)差的代數(shù)差 - 稱(chēng)為量程。稱(chēng)為量程。n3. 精度：傳感器的精度是指測(cè)量結(jié)果的可靠程精度：傳感器的精度是指測(cè)量結(jié)果的可靠程度，是測(cè)量中各類(lèi)誤差的綜合反映。工程技術(shù)度，是測(cè)量中各類(lèi)誤差的綜合反映。工程技術(shù)中為簡(jiǎn)化傳感器精度的表示方法，引用了精度中為簡(jiǎn)化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級(jí)的概念。精度等級(jí)以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)等級(jí)的概念。精度等級(jí)以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值分檔表示，代表傳感器測(cè)量的最大允許誤差值分檔

7、表示，代表傳感器測(cè)量的最大允許誤差，即相對(duì)誤差。，即相對(duì)誤差。 n4. 靈敏度：靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏旍`敏度：靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏攏出的變化量與引起該變化量的輸入變出的變化量與引起該變化量的輸入變n化量之比，即化量之比，即 ，如右圖所示。，如右圖所示。2022-1-2961.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性n5. 線(xiàn)性度：指其輸出量與輸入量之間的線(xiàn)性度：指其輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線(xiàn)偏離理想直線(xiàn)的程度。在非線(xiàn)關(guān)系曲線(xiàn)偏離理想直線(xiàn)的程度。在非線(xiàn)性誤差不太大的情況下，通常采用直線(xiàn)性誤差不太大的情況下，通常采用直線(xiàn)擬合的方法來(lái)線(xiàn)性化。這樣，線(xiàn)性度就擬合的方法來(lái)線(xiàn)性化。這樣，線(xiàn)性度就用輸入用輸入-輸出

8、關(guān)系曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)之間最輸出關(guān)系曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)之間最大偏差與滿(mǎn)量程輸出的百分比來(lái)表示。大偏差與滿(mǎn)量程輸出的百分比來(lái)表示。n n n式中，式中， 為非線(xiàn)性最大誤差為非線(xiàn)性最大誤差(最大偏差最大偏差); 為滿(mǎn)量程輸出值。為滿(mǎn)量程輸出值。n常用的直線(xiàn)擬合方法有理論擬合、端常用的直線(xiàn)擬合方法有理論擬合、端點(diǎn)擬合和端點(diǎn)平移擬合等，如圖點(diǎn)擬合和端點(diǎn)平移擬合等，如圖1-7所示所示。采取不同的方法選取擬合直線(xiàn)，可以。采取不同的方法選取擬合直線(xiàn)，可以得到不同的線(xiàn)性度。得到不同的線(xiàn)性度。2022-1-2971.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性2022-1-2981.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性2022

9、-1-2996. 分辨率分辨率 : 分辨率是指檢測(cè)儀表能夠精確檢測(cè)出被測(cè)分辨率是指檢測(cè)儀表能夠精確檢測(cè)出被測(cè)量最小變化值的能力。輸入量從某個(gè)任意值量最小變化值的能力。輸入量從某個(gè)任意值緩慢增加，直到可以測(cè)量到輸出的變化為止，緩慢增加，直到可以測(cè)量到輸出的變化為止，此時(shí)的輸入量就是分辨率。它可以用絕對(duì)值，此時(shí)的輸入量就是分辨率。它可以用絕對(duì)值，也可以用量程的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。該量說(shuō)明了也可以用量程的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。該量說(shuō)明了檢測(cè)儀表響應(yīng)與分辨輸入量微小變化的能力。檢測(cè)儀表響應(yīng)與分辨輸入量微小變化的能力。靈敏度愈高，分辨率愈好。一般模擬式儀表靈敏度愈高，分辨率愈好。一般模擬式儀表的分辨率規(guī)定為最小刻度分

10、格值的一半。數(shù)的分辨率規(guī)定為最小刻度分格值的一半。數(shù)字式儀表的分辨率是最后一位的一個(gè)字。字式儀表的分辨率是最后一位的一個(gè)字。 1.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性2022-1-29107. 重復(fù)性重復(fù)性: 重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环街貜?fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線(xiàn)間不一致的程度曲線(xiàn)間不一致的程度.1.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性2022-1-29118. 遲滯遲滯: 遲滯特性表明傳感器在正遲滯特性表明傳感器在正(輸入量增輸入量增大大)反反(輸入量減小輸入量減小)行程中輸出特性曲線(xiàn)行程中輸出特性曲線(xiàn)不重合的程度

11、，如圖所示為傳感器的遲不重合的程度，如圖所示為傳感器的遲滯特性特性曲線(xiàn)。滯特性特性曲線(xiàn)。 1.1.3 傳感器基本特性傳感器基本特性2022-1-29129. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性: 穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。性能參數(shù)的能力。10. 漂移漂移: 漂移是指在外界的干漂移是指在外界的干擾下，在一定時(shí)間間隔內(nèi)，擾下，在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量發(fā)生與輸入傳感器輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的或不需要的變化。量無(wú)關(guān)的或不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等，如下圖。度漂移等，如下圖。 1.1.4 傳感器的命名、代號(hào)和圖形

12、符號(hào)傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào) 2022-1-2913 傳感器的命名傳感器的命名 傳感器的全稱(chēng)應(yīng)由傳感器的全稱(chēng)應(yīng)由“主題詞主題詞+四級(jí)修飾語(yǔ)四級(jí)修飾語(yǔ)組成，即組成，即 主題詞主題詞 傳感器傳感器 一級(jí)修飾語(yǔ)一級(jí)修飾語(yǔ) 被測(cè)量，包括修飾被測(cè)被測(cè)量，包括修飾被測(cè)量的定語(yǔ)。量的定語(yǔ)。 二級(jí)修飾語(yǔ)二級(jí)修飾語(yǔ) 轉(zhuǎn)換原理，一般可后綴轉(zhuǎn)換原理，一般可后綴以以“式字。式字。 三級(jí)修飾語(yǔ)三級(jí)修飾語(yǔ) 特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后綴以件及其他必要的性能特征，一般可后綴以“型字。型字。 四級(jí)修飾語(yǔ)四級(jí)

13、修飾語(yǔ) 主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)(如量程如量程、精度、靈敏度等、精度、靈敏度等)。 1.1.4 傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào) 2022-1-29142傳感器的代號(hào)傳感器的代號(hào) 一種傳感器的代號(hào)應(yīng)包括以下四部分：一種傳感器的代號(hào)應(yīng)包括以下四部分： a 主稱(chēng)主稱(chēng)(傳感器傳感器)；b 被測(cè)量；被測(cè)量；c 轉(zhuǎn)換原理；轉(zhuǎn)換原理；d 序號(hào)，如下圖。序號(hào)，如下圖。1.1.4 傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào) 2022-1-29153傳感器的圖形符號(hào)傳感器的圖形符號(hào) 傳感器的圖形符號(hào)是電氣圖用圖形符號(hào)的傳感器的圖形符號(hào)是電氣圖用圖形符號(hào)的一個(gè)組成部分。按一個(gè)

14、組成部分。按GB/T 1447993規(guī)定，傳感器的圖形規(guī)定，傳感器的圖形符號(hào)由符號(hào)要素正方形和等邊三角形組成，符號(hào)由符號(hào)要素正方形和等邊三角形組成，如下圖。如下圖。1.1.5 傳感器的發(fā)展趨勢(shì)傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 2022-1-2916（1） 發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象、新效應(yīng)；（2開(kāi)發(fā)新材料；（3采用高新技術(shù)；（4拓展應(yīng)用領(lǐng)域；（5提高傳感器的性能； （6傳感器的微型化與低功耗； （7傳感器的集成化與多功能化； （8傳感器的智能化與數(shù)字化； （9傳感器的網(wǎng)絡(luò)化。 2022-1-2917n1.2.1 檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)技術(shù) n檢測(cè)技術(shù)是以研究檢測(cè)檢測(cè)技術(shù)是以研究檢測(cè)系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)

15、換以及以及 信息處理的理論與技術(shù)為信息處理的理論與技術(shù)為主要內(nèi)容的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)學(xué)科主要內(nèi)容的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。檢測(cè)技術(shù)主要研究被測(cè)量的。檢測(cè)技術(shù)主要研究被測(cè)量的測(cè)量原理、測(cè)量方法、檢測(cè)系測(cè)量原理、測(cè)量方法、檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等方面的內(nèi)容。統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等方面的內(nèi)容。不同性質(zhì)的被測(cè)量要采用不同不同性質(zhì)的被測(cè)量要采用不同的原理去測(cè)量，測(cè)量同一性質(zhì)的原理去測(cè)量，測(cè)量同一性質(zhì)的被測(cè)量也可采用不同測(cè)量原的被測(cè)量也可采用不同測(cè)量原理。理。1.2 檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)2022-1-2918n1.2.2 測(cè)量方法測(cè)量方法 n1) 直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量測(cè)量 (又稱(chēng)聯(lián)立測(cè)

16、量又稱(chēng)聯(lián)立測(cè)量)。經(jīng)過(guò)求。經(jīng)過(guò)求解聯(lián)立方程組，才能得到被測(cè)解聯(lián)立方程組，才能得到被測(cè)物理量的最后結(jié)果，則稱(chēng)這樣物理量的最后結(jié)果，則稱(chēng)這樣的測(cè)量為組合測(cè)量。的測(cè)量為組合測(cè)量。 n2) 偏差式測(cè)量、零位式測(cè)量與偏差式測(cè)量、零位式測(cè)量與微差式測(cè)量微差式測(cè)量n3) 等精度測(cè)量與非等精度測(cè)量等精度測(cè)量與非等精度測(cè)量n4) 靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量1.2檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)2022-1-2919n1.2. 3 檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)n檢測(cè)系統(tǒng)是由被測(cè)對(duì)象、傳感檢測(cè)系統(tǒng)是由被測(cè)對(duì)象、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)構(gòu)成，環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)構(gòu)成， 1

17、.2檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)2022-1-2920n1.2. 3 檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)n檢測(cè)系統(tǒng)又分：開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)又分：開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)與閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)與閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng) 1.2檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)2022-1-2921n1.2. 4 測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)處理測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)處理 n 測(cè)量誤差測(cè)量誤差 n在檢測(cè)過(guò)程中，被測(cè)對(duì)在檢測(cè)過(guò)程中，被測(cè)對(duì)象、檢測(cè)系統(tǒng)、檢測(cè)方法和檢象、檢測(cè)系統(tǒng)、檢測(cè)方法和檢測(cè)人員都會(huì)受到各種變動(dòng)因素測(cè)人員都會(huì)受到各種變動(dòng)因素的影響。而對(duì)被測(cè)量的轉(zhuǎn)換，的影響。而對(duì)被測(cè)量的轉(zhuǎn)換，有時(shí)也會(huì)改變被測(cè)對(duì)象原有的有時(shí)也會(huì)改變被測(cè)對(duì)象原有的狀態(tài)。這就造成了檢測(cè)結(jié)果和狀態(tài)。這就造成

18、了檢測(cè)結(jié)果和被測(cè)量的客觀真值之間存在一被測(cè)量的客觀真值之間存在一定的差別，這個(gè)差值稱(chēng)為測(cè)量定的差別，這個(gè)差值稱(chēng)為測(cè)量誤差。簡(jiǎn)言之，測(cè)量誤差就是誤差。簡(jiǎn)言之，測(cè)量誤差就是測(cè)量值與真實(shí)值之間的差值，測(cè)量值與真實(shí)值之間的差值，它反映了測(cè)量的精度。測(cè)量誤它反映了測(cè)量的精度。測(cè)量誤差的主要來(lái)源可以概括為工具差的主要來(lái)源可以概括為工具誤差、環(huán)境誤差、方法誤差和誤差、環(huán)境誤差、方法誤差和人員誤差等。人員誤差等。1.2檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)2022-1-2922n1.2. 4 測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)處理測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)處理 n 測(cè)量數(shù)據(jù)的估計(jì)和處理測(cè)量數(shù)據(jù)的估計(jì)和處理 n1) 隨機(jī)誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo)隨機(jī)誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo) n（1） 算術(shù)