關于傳感器的基本概念第1頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三什么是傳感器傳感器是獲取信息的工具。

傳感器（Transducer或Sensor），俗稱探頭，有時亦被稱為換能器、變換器、變送器或探測器。是指那些對某一確定的信息具有感受（或響應）與檢出功能，并按照一定規律轉換成與之對應的有用輸出信號的元器件或裝置。第2頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三密封型壓力變送器

壓阻式壓力傳感器電容式差壓變送器旋轉差動變壓器電渦流傳感器電感式接近開關第3頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三熱電偶熱敏電阻光敏電阻光敏三極管壓電加速度傳感器第4頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三旋轉編碼器激光位移傳感器霍爾電壓傳感器超聲物位開關

第5頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三傳感器的作用和地位作用：

傳感器位于系統之首，其作用相當于人的五官，直接敏感外界信息。是信息采集系統的首要部件，是實現現代化測量和自動控制的主要環節，一切科學研究和生產過程要獲取的信息，都要通過它轉換成便于傳輸、處理、記錄、顯示和控制的可用信號（一般為電信號）。自動測控系統第6頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三地位：傳感器技術與通信技術、計算機技術并列成為支撐整個現代信息產業的三大支柱。傳感器技術是現代信息產業的源頭，又是信息社會賴以存在和發展的物質與技術基礎。如果沒有先進的傳感器技術，那么信息的準確獲取就成為一句空話，通信技術和計算機技術就成了無源之水。“沒有傳感器技術就沒有現代科學技術”的觀點現在已為全世界所公認。科學技術越發達，自動化程度越高，對傳感器的依賴性就越大。所以國內外都將傳感器技術列為重點發展的高技術。

第7頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三傳感器應用領域傳感器的應用范圍很廣，從航天、航空、兵器、船舟、交通、冶金、機械、電子、化工、輕工、能源、環保、煤炭、石油、醫療衛生、生物工程、宇宙開發等領域至農、林、牧、副、漁業，甚至人們日常生活的各個方方面面，幾乎無處不使用傳感器，無處不需要傳感器技術。也可以說，傳感器已幾乎應用到各個領域。

第8頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三傳感器定義：傳感器是將各種非電量（包括物理量、化學量、生物量等）按一定規律轉換成便于處理和傳輸的另一種物理量（一般為電量）的裝置。國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：

能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器定義和組成

第9頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

傳感器一般由敏感元件、轉換元件、信號調理電路和輔助電路組成。

并不是所有的傳感器都必須包括敏感元件和轉換元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時兼為轉換元件，因此，敏感元件和轉換元件兩者合一的傳感器是很多的。例如：壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等都是這種形式的傳感器。

組成：敏感元件轉換元件信號調理電路輔助電路被測量非電量其他量非電量電量電信號標準信號電量第10頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三1.敏感元件（預變換器）：是指傳感器中能直接感受或響應被測量（非電量）并輸出與之成確定關系的其他量（非電量）的部分。（在完成非電量到電量的變換時，并非所有的非電量都能利用現有手段直接變換為電量，往往是將被測非電量預先變換為另一種易于變換成電量的非電量，然后再變換為電量。能夠完成預變換的器件稱為敏感元件）。2.轉換元件：是指傳感器中能將敏感元件感受或響應到的被測量轉換成適于傳輸或測量的可用輸出信號（一般為電信號）的部分。3.信號調理電路：是能把轉換元件輸出的電信號轉換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。類型視轉換元件的分類而定，經常采用的有電橋電路、放大器、振蕩器、阻抗變換、補償及其它特殊電路，如高阻抗輸入電路、脈沖調寬電路等。4.輔助電路：通常指電源，即交、直流供電系統。第11頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

例如，應變式壓力傳感器是由彈性膜片和電阻應變片組成。其中彈性膜片就是敏感元件，它能將壓力轉換成彈性膜片的應變（形變）；彈性膜片的應變施加在電阻應變片上，它能將應變量轉換成電阻的變化量，電阻應變片就是轉換元件。

第12頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三傳感器分類

傳感器種類繁多，功能各異。由于同一被測量可用不同轉換原理實現探測，利用同一種物理法則、化學反應或生物效應可設計制作出檢測不同被測量的傳感器，而功能大同小異的同一類傳感器可用于不同的技術領域，故傳感器有不同的分類法。第13頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三第14頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三其它分類：按輸出信號的傳送方式：電傳送、氣傳送（易燃、易爆環境）和光傳送（抗干擾、絕緣能力強）；位式作用（開關作用）和連續作用；有觸點及無觸點（利用晶體管或晶閘管的通斷發出信號）；常規式及靈巧式（Smart，處理電路使用單片機，功能豐富、使用靈活）；接觸式（敏感元件必須和被測物質接觸）及非接觸式；普通型、隔爆型（在內部電路和周圍易燃氣體之間采取了隔離措施，允許使用在有一定危險性的環境里）及本安型（本質安全型，依靠特殊設計的電路保證在正常工作及故障狀態下都不會引起燃爆事故，可用在十分易燃易爆的場所）。第15頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三傳感器技術的特點

傳感器技術包括傳感器的研究、設計、試制、生產、檢測與應用。它已逐漸形成了一門相對獨立的專門學科。與其它學科相比，它具有如下技術特點:

內容范圍廣且離散

傳感器可涉及到的內容廣而離散的特點主要體現在傳感器技術可利用的物理學、化學、生物學、電子學等學科中的基礎“效應”、“反應”、“機理”不僅為數甚多，而且它們往往彼此獨立、甚至是完全不相關。2.知識密集程度甚高、邊緣學科色彩極濃

由于傳感器技術是以材料的電、磁、光、聲、熱、力等功能效應和功能形態變換原理為基礎，并綜合了物理學、化學、生物工程、微電子學、材料科學、精密機械、微細加工、試驗測量等方面的知識和技術而形成的一門科學。由此可見，傳感器技術是學科交錯應用極多，知識密集極高，與許多基礎科學和專業工程學有著極為密切關系的技術。

第16頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三3.技術復雜、工藝要求高

傳感器的制造涉及了許多高新技術，如集成技術、薄膜技術、超導技術、微細或納米加工技術、粘合技術、高密封技術、特種加工技術以及多功能化、智能化技術等。因此，傳感器的制造工藝難度很大，要求很高。4.功能優、性能好

傳感器功能優良主要體現在其功能的擴展性好、適應性強。具體地說，傳感器不但具備人類“五官”所具有的視、聽、觸、嗅、味覺功能，而且還能檢測五官不能感覺到的信息，同時還能在人類無法忍受的高溫、高壓等惡劣環境下工作。性能好體現在傳感器的量程寬、精度高、可靠性好等方面。5.品種繁多、應用廣泛

由于現代信息系統中待測的信息（待測量）很多，而且一種待測量往往可用幾種傳感器來測量，因此，傳感器產品品種極為龐雜、繁多。

第17頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三傳感器的需求、水平、現狀

由于傳感器技術的重要性，80年代以來國際上出現了“傳感器熱”。日本把傳感器技術列為八十年代十大技術之首，美國把傳感器技術列為90年代22項關鍵技術之一，英國傳感器銷售額1990年比1980年增長24倍。傳感器技術之所以受到如此看重并獲得極為迅速發展的原因是：

1.微型計算機的普及、信息處理技術的飛速發展，而獲取信息的工具——傳感器處于明顯拖后腿的狀態，形成推動傳感器技術發展的動力。

2.廣闊的市場和強烈的社會需求是傳感器技術發展的又一強勁推動力，傳感器的銷售值反映一個國家科技發達與社會進步的程度。80年代，日本、西歐市場傳感器銷售值年增長率為：30%～40%。90年代全世界年增長率約為8.8％。90年代以來各方面對傳感器的需求也越來越強烈。第18頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三傳感器市場結構

第19頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三90年代國內市場各主要行業傳感器的用量

電力系統 140萬件化工系統 80萬件鋼鐵系統 130萬件能源管理與爐窯控制 4000萬件汽車行業 4400萬件機床行業 1500萬件文化辦公機械 200萬件各類儀器儀表 3億件

第20頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

一個電站 需要5000臺傳感器及其儀表；一個鋼鐵廠 需要20000臺傳感器及其儀表；大型石油化工廠需要6000臺傳感器及其儀表；大型發電機組 需要3000臺傳感器及其儀表；一部汽車 需要30至100臺傳感器；一架飛機 需要3600臺傳感器；

所以說，傳感器的市場需求非常龐大。其根本原因就是因為“傳感器位于系統之首”，“是現代信息技術系統的源頭”。第21頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

自動化過程都包括有三種主要功能塊：傳感器、計算機(或微處理器)、執行器。

傳感器相當于人的五官，時時檢測“對象”的狀態及其相應的物理參量，并及時饋送給計算機；

計算機相當于人的大腦，經過運算、分析、判斷，根據“對象”狀態偏離設定值的方向與程度，對執行器下達修正動作的命令；

執行器相當于人的手腳，按大腦的命令對“對象”進行操作。第22頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

透視人類自動化的歷史進程，我們看到：首先，人們發展了執行器，如水磨、蒸汽機、內燃機、電機、各種閥體等。然后，計算機的出現，通過擴展計算機程序的“智能”，產生了“信息革命”。現在，人們正在通過應用傳感器來擴展“感覺”，去獲得信息數據，以便校正自動化過程中的偏差，并能根據各種情況的變化做出實時正確的處理。在實際應用中，需要三個功能塊（傳感器、計算機、執行器）都經濟耐用，有良好的性能價格比。目前隨著計算機、執行器的的迅猛發展，傳感器的價格性能比相對來說卻居高不下，傳感器、計算機、執行器性能價格比的下降幅度為3:10:1000，傳感器與其它兩個功能塊的發展形勢不相適應，制約了自動化的發展。需要大力發展傳感器。第23頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

傳感器技術是涉及國民經濟及國防科研各領域的重要技術。如果不建立我國自己的傳感器產業，而一味依賴從國外進口傳感器來滿足需要，將使我國國民經濟及國防力量的加強受到制約，因此必須盡快地發展我國的傳感器產業。我國傳感器的產業結構存在的主要問題是企業分散、實力不強、市場開拓不力。我國從事傳感器研究和生產的單位約1300家，居世界第一，但真正形成一定規模的卻寥寥無幾。多數企業是低水平的重復，處在生產的初級階段。傳感器屬于多學科交叉、技術密集的高技術產品，其技術水平決定于科學研究的水平，而我國在傳感器研究方面科研投入強度偏低，科研設備落后，加之我國存在科研和生產脫節的現象，所以影響了傳感器科研成果的轉化，造成了我國傳感器產品綜合實力較低，阻礙了傳感器產業的發展。我國傳感器行業的狀況第24頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

世界傳感器的種類約有2萬種，而我國經過“八五”、“九五”的發展目前也僅有3000多種，尚有大量的品種需要我們去開發。同時，我國傳感器產品的技術水平與國外有較大差距，主要是長期穩定性和可靠性較差，限制了其應用領域和產業的發展。雖然我國傳感器產業的現狀還不能適應國民經濟發展的需要，產品技術水平與國外相差15年左右，但是從統一市場的觀點看，我國具有傳感器的廣闊市場，所以我國傳感器產業發展的前途還是光明的。國家科委于1987年4月制定的《傳感器發展政策》白皮書中確定了“必須大力發展傳感器技術，特別是要把新型傳感器技術作為信息技術中優先領域予以發展”。1991年12月30日《中共中央關于制定國民經濟和社會發展的十年規劃和“八五”計劃的建議》中第21條明確了要“大力加強傳感器的開發和在國民經濟中的普遍應用”。第25頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

國家對提高我國傳感器研究水平采取了一系列的措施，如在中國科學院建立了傳感技術國家重點實驗室；在沈陽儀器儀表工藝研究所建立了傳感器國家工程研究中心；國家計委將傳感器技術研究列為國家“七五”、“八五”、“九五”科技攻關項目；國家科委在“863”計劃高技術項目中也列入了有關傳感器技術研究。通過上述措施不僅使我國傳感器研究水平與國外的差距迅速減小，而且在科研單位及高校中形成了一支具有較高水平的傳感器研究隊伍，如沈陽儀器儀表工藝研究所、中國科學院合肥智能機械研究所、中國科學院上海微系統所、清華大學、復旦大學等單位均有專業研究隊伍，他們目前均在知識創新及技術創新方面開展研究工作。“八五”、“九五”期間，我國有關傳感器產業的相關專業部門，如信息電子部、機械工業部等，都分別組織有關科研和生產的專家制訂我國“傳感器產業發展規劃”，規劃的制訂將有序地調整我國傳感器產業結構，迅速合理地發展傳感器產品，這無疑對建立我國傳感器產業有積極的作用。第26頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三傳感器與傳感器技術發展趨勢

一是開展基礎研究，探索新理論，發現新現象，開發傳感器的新材料和新工藝；二是增加品種、減小體積和重量，向標準化、固態化、集成化、多功能化、數字化、圖像化、智能化方向發展。標準化：

不同廠家的產品，在硬件、軟件、通信規程、連接方式等方面互相兼容、互換聯用，既方便用戶使用，又易于安裝維修。固態化：

采用半導體、電介質、強磁性體、陶瓷等材料。集成化：

將敏感元件、信息處理或轉換單元以及電源等部分利用半導體技術將其制作在同一芯片上。多功能化：傳感器具有多種參數的檢測功能。數字化：

用數字信號取代模擬信號，提高可靠性和抗干擾能力。圖像化：

傳感器的應用不僅限于對某一點物理量的測量，而開始研究從一維、二維到三維空間的測量問題，如二維圖像傳感器等。智能化：

將信號檢測、驅動回路和信號處理回路等外圍電路全部集成在一塊基片上，使它具有自診斷、遠距離通信、自動調整零點和量程等功能。第27頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三傳感器的一般特性

一種傳感器就是一種系統，一個系統總可以用一個數學方程式或函數來描述。即用某種方程式或函數表征傳感器的輸出和輸入間的關系和特性。從傳感器的靜態輸入－輸出關系建立的數學模型叫靜態模型；從傳感器的動態輸入－輸出關系建立的數學模型叫動態模型。傳感器所測量的非電量一般有兩種形式：一種是穩定的，即不隨時間變化或變化極其緩慢，稱為靜態信號；另一種是隨時間變化而變化，稱為動態信號。由于輸入量的狀態不同，傳感器所呈現出來的輸入－輸出特性也不同，因此存在所謂的靜態特性和動態特性。為了降低或消除傳感器在測量控制系統中的誤差，傳感器必須具有良好的靜態特性和動態特性，才能使信號(或能量)按規律準確地轉換。

●

靜態模型

●動態模型

●靜態特性●動態特性

第28頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三靜態模型

式中x——輸入量；

y——輸出量；

a0——零位輸出；

a1——傳感器線性靈敏度，常用K或S表示

a2，…，an

——非線性項的待定系數。

靜態模型是指在靜態信號情況下，描述傳感器輸出與輸入量間的一種函數關系。一般可用多項式來表示：

第29頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三動態模型

動態模型指傳感器在準動態信號或動態信號作用下，描述其輸出和輸入信號的一種數學關系。

動態模型通常采用微分方程和傳遞函數等來描述。1.

微分方程絕大多數傳感器都屬模擬（連續變化）系統之列。描述模擬系統的一般方法是采用微分方程。

式中x——輸入量

y——輸出量

an,an-1

,…,a0和bm,bm-1

,…,b0

為傳感器的結構參數（是常量）。對于傳感器，除外，一般取b1

,b2

,…,bm為0。

第30頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2.

傳遞函數

在分析、設計和應用傳感器時，傳遞函數的概念非常有用。傳遞函數是輸出量和輸入量之間的數學表示。如果傳遞函數已知，那么由任一輸入量就可求出相應的輸出量。傳遞函數的定義是輸出信號和輸入信號之比。

D（算子）——d/dt

這種形式的傳遞函數對瞬變輸入特別有用。對于線性系統，瞬變輸入所產生的輸出由于它只出現一次而不重復，通常直接表示為時間函數y(t)，它是這個傳感器微分方程的解。第31頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

對y(t)進行拉氏變換的初始條件是t≤0，y(t)=0。這對于傳感器被激勵之前所有的儲能元件如質量塊、彈性元件、電氣元件均符合上述初始條件。從上式可知，它與輸入量無關，只與系統結構參數ai，bi有關。因此，可以簡單而恰當地描述其輸出與輸入關系。只要知道Y(S)，X(S)，H(S)三者中任意兩者，第三者便可方便地求出。這時可見，無需了解復雜系統的具體內容，只要給系統一個激勵信號x(t)，使可得到系統的響應y(t)

，系統特性就能被確定。

y(t)的拉氏變換Y(S)和x(t)的拉氏變換X(S)的比為拉氏傳遞函數H(S)：第32頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三靜態特性

傳感器在被測量的各個值處于穩定狀態時，輸出量和輸入量之間的關系稱為靜態特性。靜態數學模型

a0=0時，表示靜態特性曲線通過原點。此時靜態特性有四種典型情況：1.理想線性（圖a）2.具有x奇次階項的非線性（圖b）3.具有x一次及偶次階項的非線性（圖c）4.具有x奇、偶次階項的非線性（圖d）第33頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

除圖(a)為理想線性特性外（幾乎每一種傳感器都不具備如此特性，即都存在非線性），其余均為非線性關系。僅具有奇次方的多項式模型，圖(b)，在原點附近一定范圍內其本上是線性特性。在設計傳感器時，應將測量范圍選取在靜態特性最接近直線的一小段，此時原點可能不在零點。以圖（d）為例，如取ab段，則原點在c點。

傳感器靜態特性的非線性，使其輸出不能成比例地反映被測量的變化情況，而且對動態特性也有一定影響。因此在使用非線性傳感器時，必須對傳感器輸出特性進行線性處理。第34頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三傳感器的靜態特性主要由下列幾種性能指標來描述:

1.線性度（非線性誤差）2.靈敏度3.重復性4.遲滯（回差滯環）現象5.精確度（精度）6.分辨率7.穩定性8.漂移第35頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三線性度（非線性誤差）

所謂傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離擬合直線的程度。又稱為非線性誤差。非線性誤差可用下式表示：

式中ΔYmax

——輸出量和輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差；

YFS

——輸出滿量程值。

第36頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

非線性誤差是以一定的擬合直線或理想直線為基準直線算出來的。因而，基準直線不同，所得線性度也不同。

第37頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三靈敏度

傳感器的靈敏度是其在穩態下輸出增量Δy與輸入增量Δx比值，常用Sn來表示。即

對于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態特性的斜率，如圖(a)所示。即

非線性傳感器的靈敏度是一個變量，如圖(b)所示，即用dy/dx表示傳感器在某一工作點的靈敏度。

第38頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三重復性

重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度。多次按相同輸入條件測試的輸出特性曲線越重合，其重復性越好，誤差也越小。不重復性一般采用下式的極限誤差式表示：式中Δmax——輸出最大不重復誤差；

YFS

——滿量程輸出值。

不重復性誤差一般屬于隨機誤差性質，按極限誤差公式計算不太合理。不重復性誤差可以通過校準測得。根據隨機誤差的性質，校準數據的離散程度隨校準次數不同而不同，其最大偏差值也不一樣。因此，重復性誤差Ez可按下式計算：

式中為標準偏差，可用貝賽爾公式求得。

第39頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三遲滯(回差滯環)現象

遲滯特性能表明傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輔出-輸入特性曲線不重合的程度。對于同一大小的輸入信號x

，在x連續增大的行程中，對應某一輸出量為yi，在x連續減小過程中，對應于輸出量為yd

之間的差值叫做滯環誤差，這就是所謂的遲滯現象。該誤差用E表示為

在整個測量范圍內產生的最大滯環誤差用Δm表示，它與滿量程輸出值YFS的比值稱為最大滯環率Emax，即

第40頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三精確度（精度）

說明精確度的指標有三個：精密度、正確度和精確度。1.精密度它說明測量結果的分散性。即對某一穩定的對象（被測量）由同一測量者用同一傳感器和測量儀表在相當短的時間內連續重復測量多次（等精度測量），其測量結果的分散程度。精密度越小說明測量越精密（對應隨機誤差）。2.正確度正確度說明測量結果偏離真值的程度，即示值有規則偏離真值的程度。指所測值與真值的符合程度（對應系統誤差）。3.精確度它含有精密度與正確度兩者之和的意思，即測量的綜合優良程度。在最簡單的場合下可取兩者的代數和。通常精確度是以測量誤差的相對值來表示的。

第41頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分辨率

傳感器的分辨率是在規定測量范圍內所能檢測輸入量的最小變化量Δxmin。有時也用該值相對滿量程輸入值的百分數()表示。穩定性穩定性有短期穩定性和長期穩定性之分。對于傳感器常用長期穩定性描述其穩定性。所謂傳感器的穩定性是指在室溫條件下，經過相當長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。因此，通常又用其不穩定度來表征傳感器輸出的穩定程度。

第42頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三漂移

傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發生與輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移（零漂）和靈敏度漂移等。零點漂移：傳感器在無輸入（或輸入值不變時），每隔一段時間進行讀數，其輸出偏離零值（或原指示值）。

零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移（溫漂）。時間漂移是指在規定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化。溫度漂移為環境溫度變化而引起的零點或靈敏度的漂移程度。一般以溫度變化1℃輸出最大偏差與滿量程的百分比來表示。Δmax——輸出最大偏差；ΔT

——溫度變化范圍式中ΔYo——最大零點偏差（或相應偏差）第43頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三動態特性

動態特性是指當被測量隨時間變化時，傳感器的輸出-輸入特性。傳感器的動態特性是傳感器在測量中非常重要的問題，它是傳感器對輸入激勵的輸出響應特性。一個動態特性好的傳感器，隨時間變化的輸出曲線能同時再現輸入隨時間變化的曲線，即輸出-輸入具有相同類型的時間函數。