任務(wù)一傳感器技術(shù)基礎(chǔ)第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六任務(wù)要求掌握傳感器的作用、組成、分類方法熟悉傳感器的特性與性能指標(biāo)第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

情境一傳感器概述1

情境二傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外傳感器發(fā)展趨勢2

情境三傳感器的分類3

情境四傳感器的特性與技術(shù)指標(biāo)4任務(wù)一傳感器技術(shù)基礎(chǔ)第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六情境一傳感器概述人們在利用信息的過程中，首先要獲取信息，而傳感器是獲取信息的主要手段和途徑。在工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)代化面臨的第一個問題是必須采用各種傳感器來檢測、監(jiān)視和控制各種靜、動態(tài)參數(shù)，使設(shè)備或系統(tǒng)能正常運行并處于最佳新技術(shù)革命的到來，世界已經(jīng)開始進入信息時代。傳感器是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱（傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)）之一，相當(dāng)與人類的“感官”。第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六人們在利用信息的過程中，首先要獲取信息，而傳感器是獲取信息的主要手段和途徑。在工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)代化面臨的第一個問題是必須采用各種傳感器來檢測、監(jiān)視和控制各種靜、動態(tài)參數(shù)，使設(shè)備或系統(tǒng)能正常運行并處于最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率、高質(zhì)量。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進行準(zhǔn)確、可靠、在線、實時的測量，那么無論信息分析處理和傳輸?shù)墓δ芏嗝磸姶?，都沒有任何實際的意義。因此進行信息采集的傳感器技術(shù)是重要的基礎(chǔ)，此后才有后期的信息分析、處理、加工和控制等技術(shù)問題。第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

目前傳感器涉及的領(lǐng)域廣泛，早已滲透到諸如現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)、基礎(chǔ)學(xué)科研究、宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國防、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、智能建筑、汽車、家用電器、生物工程、商檢質(zhì)檢、公共安全、甚至文物保護等等極其廣泛的領(lǐng)域。圖1-1不同用途的傳感器

第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

例一：糧倉溫度、濕度檢測無論是金屬糧倉還是土倉，為防止霉變，糧食都是分層存放，倉內(nèi)溫度和濕度不能過高，為此，需在各層安放溫濕傳感器進行檢測。裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖如下。將各層探頭輸出接至溫濕度巡檢儀上，通過巡檢儀監(jiān)視器監(jiān)視各點溫濕度情況。通過通風(fēng)口保持溫濕度在要求范圍內(nèi)。探頭

通風(fēng)口

通風(fēng)口

通風(fēng)口

圖1-2糧倉溫度、濕度檢測系統(tǒng)第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六例二：日常生活中的電冰箱、洗衣機、電飯煲、音像設(shè)備、電動自行車、空調(diào)器、照相機、電熱水器、報警器等家用電器都安裝了傳感器；

圖1-3裝有傳感器的家電產(chǎn)品

第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六例三：感溫、感煙火災(zāi)報警器該報警檢測系統(tǒng)是在每一房間安放一對感溫、感煙探頭（智能傳感器），它們輸出溫度、濃度信號通過串行通訊線送入由微機組成的檢測系統(tǒng)（集控器）；集控器負責(zé)信號匯總，匯總各房間的溫度和濃度信號，并監(jiān)控各房間溫度、煙濃度是否異常，如異常，聲光報警并打開噴淋設(shè)備滅火，一層一臺。各層集控器通過CAN總線、M-BUS總線等現(xiàn)場總線將溫度、濃度等信號送入中央監(jiān)控計算機。值班人員在電腦屏幕上直觀監(jiān)視各房間情況（溫度、煙霧濃度）。房間、樓道裝配攝像頭，還可通過電視屏幕查看房間、樓道情況。可以看出沒有感溫、感煙傳感器，就像人缺少感官，系統(tǒng)無法工作。第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六集控器1中央監(jiān)控探頭11探頭12探頭1N圖1-4感溫、感煙火災(zāi)報警系統(tǒng)

第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六、傳感器的定義

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）傳感器是一種能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置。傳感器的定義涵蓋以下內(nèi)容：1．傳感器是測量裝置，能完成檢測。2．傳感器的輸入量是被測的某一物理量。（主要為非電量）3．傳感器的輸出量應(yīng)便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示（主要為電量）。

因此，我們也可以將傳感器理解為是換能器的一種，特指將非電量轉(zhuǎn)換為電量。第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六二、傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路三部分組成如圖1-5所示

圖1-5傳感器結(jié)構(gòu)圖第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

完成非電量到電量的變換過程中，并非所有的非電量參數(shù)都能一次直接變換為電量，往往是先變換成一種易于變換成電量的非電量（如位移、應(yīng)變等），然后，再通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄗ儞Q成電量。所以，把能夠完成預(yù)變換的器件稱為敏感元件。敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的物理量。例如建立在力學(xué)結(jié)構(gòu)分析上的各種型的彈性敏感元件（如梁、板等）。而轉(zhuǎn)換元件是能將感覺到的被測非電量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量的器件，敏感元件的輸出就是它的輸入。轉(zhuǎn)換元件是傳感器的核心部分，是利用各種物理、化學(xué)、生物效應(yīng)等原理制成的。新的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，常用到新型傳感器上，使其品種與功能日益增多，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。應(yīng)該指出的是，并不是所有的傳感器都包括敏感元件與轉(zhuǎn)換元件，有一部分傳感器不需要起預(yù)變換作用的敏感元件，如熱敏電阻、光電器件等。第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六三、傳感器的作用

傳感器是控制系統(tǒng)中的第一個環(huán)節(jié)，它感受物理量的變化，以完成對被測信號的拾取、檢測。檢測是實現(xiàn)控制的第一步，沒有精確的檢測就沒有精確的控制。采用傳感器對非電量進行電測還具有如下的特點：1可進行微量檢測，精度高、速度快；2可實現(xiàn)遠距離遙測及遙控；3可實現(xiàn)無損檢測；4可采用計算機技術(shù)對測量數(shù)據(jù)進行運算、存儲和處理，并根據(jù)處理結(jié)果對被測對象進行控制；5測量安全可靠。第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六情境二傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外傳感器發(fā)展趨勢一、傳感器現(xiàn)狀我國的傳感器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)在國家“大力加強傳感器的開發(fā)和在國民經(jīng)濟中的普遍應(yīng)用”等一系列政策導(dǎo)向和資金的支持下，近年來也取得了較快發(fā)展。隨然起步較晚，但成績斐然。中國在航空、航天領(lǐng)域所取得的成果也揭示著我國的傳感器技術(shù)在世界的領(lǐng)先地位。目前我國有近2000家傳感器研發(fā)機構(gòu)，產(chǎn)品種類廣泛，其中約1／2產(chǎn)品銷往國外。第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

傳感器技術(shù)的發(fā)展大體可分三代：第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號。第二代是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的固體型傳感器，這種傳感器由別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器。第三代傳感器是在第二代基礎(chǔ)上剛剛發(fā)展起來的智能型傳感器，是微型計算機技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，傳感器具有一定的人工智能。傳感器材料是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，隨著材料科學(xué)的進步，人們可制造出各種新型傳感器。例如用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器，光導(dǎo)纖維能制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器，用陶瓷制成壓力傳感器。

第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六二傳感器的發(fā)展方向

1.向高精度發(fā)展：隨著自動化生產(chǎn)程度的不斷提高，對傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動化的可靠性。目前能生產(chǎn)精度在萬分之一以上的傳感器的廠家為數(shù)很少，其產(chǎn)量也遠遠不能滿足要求。

2.向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展：傳感器的可靠性直接影響到電子設(shè)備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。提高溫度范圍歷來是大課題，大部分傳感器其工作范圍都在-20℃—70℃，在軍用系統(tǒng)中要求工作第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六溫度在-40°C—85°C范圍，而汽車鍋爐等場合要求傳感器工作在-20°C—120°C，在冶煉、焦化等方面對傳感器的溫度要求更高，因此發(fā)展新興材料（如陶瓷）的傳感器將很有前途。

3.向微型化發(fā)展：各種控制儀器設(shè)備的功能越來越大，要求各個部件體積能占位置越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發(fā)展新的材料及加工技術(shù)，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經(jīng)很小。如傳統(tǒng)的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩(wěn)定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細加工技術(shù)制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。

第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

4.向微功耗及無源化發(fā)展：傳感器一般都是非電量向電量的轉(zhuǎn)化，工作時離不開電源，在野外現(xiàn)場或遠離電網(wǎng)的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發(fā)微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發(fā)展方向，這樣既可以節(jié)省能源又可以提高系統(tǒng)壽命。目前，低功耗損的芯片發(fā)展很快，如TI2702運算放大器，靜態(tài)功耗只有1.5mW，而工作電壓只需2—5V。

5.向智能化數(shù)字化發(fā)展：隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是一個單一的模擬信號（如0—10mV），而是經(jīng)過微電腦處理好后的數(shù)字信號，有的甚至帶有控制功能，這就是所說的數(shù)字傳感器。如電子血壓計，智能水、電、煤氣、熱量表。它們的特點是傳感器與微型計算機有機結(jié)合，構(gòu)成智能傳感器。系統(tǒng)功能最大程度地用軟件實現(xiàn)。

第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

傳感器的工作機理是基于各種效應(yīng)、反應(yīng)和物理現(xiàn)象的。重新認(rèn)識如壓電效應(yīng)、熱釋電現(xiàn)象、磁阻效應(yīng)等已發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象以及各種化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)，并充分利用這些現(xiàn)象與效應(yīng)設(shè)計制造各種用途的傳感器，是傳感器技術(shù)領(lǐng)域的重要工作。同時還要開展基礎(chǔ)研究，以求發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)。各種新現(xiàn)象、反應(yīng)和效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)可極大地擴大傳感器的檢測極限和應(yīng)用領(lǐng)域。第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

隨著物理學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展，人們已經(jīng)在很大程度上能夠根據(jù)對材料功能的要求來設(shè)計材料并通過對生產(chǎn)過程的控制，制造出各種所需材料。目前最為成熟、先進的材料技術(shù)是以硅加工為主的半導(dǎo)體制造技術(shù)。例如，人們利用該項技術(shù)設(shè)計制造的多功能精密陶瓷氣敏傳感器有很高的工作溫度，彌補了硅（或鍺）半導(dǎo)體傳感器溫度上限低的缺點，可用于汽車發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)，大大地擴展了傳統(tǒng)陶瓷傳感器的使用范圍。有機材料、光導(dǎo)纖維等材料在傳感器上的應(yīng)用，也已成為傳感器材料領(lǐng)域的重大突破，引起國內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注。

第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六情境三傳感器的分類

為了更好的學(xué)習(xí)研究和應(yīng)用傳感器，對傳感器進行科學(xué)的分類是必須的。但由于傳感器知識技術(shù)密集、涉及諸多學(xué)科且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，種類繁多。新技術(shù)、新材料的應(yīng)用新型傳感器也在發(fā)展、變化。所以，國內(nèi)外到目前尚沒有形成完整統(tǒng)一的分類方法。

第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六經(jīng)典傳感器常用的分類方法如下：一按傳感器工作原理分類

可分為電阻應(yīng)變式、電感式、壓電式、電容式、渦流式、光電式、電磁式、熱電式等。這種分類的優(yōu)點：比較明確地表達了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用。缺點：沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六二、按傳感器檢測的物理量分類可分為加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、負荷傳感器、扭矩傳感器、溫度傳感器、成分傳感器等。這種分類的優(yōu)點：是對傳感器的工作原理表達的比較清楚，而且類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對傳感器進行深入的研究分析。缺點：是不便于使用者根據(jù)用途選用。

三、按傳感器的輸出信號性質(zhì)分類可分為模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器。

第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六四、按能量的傳遞方式分類從能量的觀點看，所有傳感器可分類為有源傳感器與無源傳感器兩大類。這兩大類傳感器又稱為發(fā)電型傳感器和參量型傳感器。

第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六情境四傳感器的特性與技術(shù)指標(biāo)傳感器一般要變換各種信息量為電量，描述這種變換的輸入與輸出關(guān)系表達了傳感器的基本特性。對不同的輸入信號，輸出特性是不同的，對快變信號與慢變信號，由于受傳感器內(nèi)部儲能元件（電感、電容、質(zhì)量塊、彈簧等）的影響，反應(yīng)大不相同?？熳冃盘栆紤]輸出的動態(tài)特性，即隨時間變化的特性；慢變信號要研究靜態(tài)特性，即不隨時間變化的特性。第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六一傳感器靜態(tài)特性

當(dāng)輸入量（X）為靜態(tài)（常量）或變化緩慢的信號時（如溫度、壓力），傳感器的靜輸入輸出關(guān)系稱靜態(tài)特性。通過靜態(tài)測得n個數(shù)據(jù)對，利用有關(guān)方法擬合而成的曲線，稱為傳感器的靜態(tài)特性曲線。圖1-6為傳感器典型靜態(tài)特性曲線xyxyxx（a）（b）（c）（d）

1-6傳感器典型靜態(tài)特性曲線第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六1.線性度

理想的傳感器我們希望它們具有單值、線性的輸入輸出關(guān)系，由于實際傳感器輸入總有非線性（高次項）存在，X-Y總是非線性關(guān)系。在小范圍內(nèi)用割線、切線近似代表實際曲線使輸入輸出線性化。近似后的直線與實際曲線之間存在的最大偏差稱傳感器的非線性誤差——線性度，通常用相對誤差表示：：

圖1-7線性度第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

（1-1）式中：ΔLmax為最大非線行絕對誤差,YFS為滿量程輸出，為線性度。

2．靈敏度在穩(wěn)定條件下，輸出微小增量與輸入微小增量的比值。

（1-2）對線性傳感器靈敏度就是直線的斜率，對非線性傳感器靈敏度為一變量

第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六3．遲滯

傳感器在正、反行程期間，輸入、輸出曲線不重合的現(xiàn)象稱遲滯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由敏感元件材料的物理性質(zhì)缺陷造成，如；彈性元件的滯后，鐵磁體、鐵電體在外加磁場、電場也有這種現(xiàn)象。遲滯誤差一般由滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示：

（1-3）為正、反行程輸出值間的最大差值。

（1-4）

第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

圖1-8遲滯性4．不重復(fù)性

（1-5）圖1-9不重復(fù)性

第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

不重復(fù)性主要由傳感器的機械部分的磨損、間隙、松動、部件的內(nèi)摩擦、積塵、電路老化、工作點漂移等原因產(chǎn)生。多次測試的曲線越重合，其重復(fù)性越好。誤差越小。5．漂移外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化。時間漂移----指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六二傳感器動態(tài)特性

傳感器的動態(tài)特性是指傳感器的輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。反映輸出值真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。通常要求傳感器不僅能精確地顯示被測量的大小，而且還能復(fù)現(xiàn)被測量隨時間變化的規(guī)律，這也是傳感器的重要特性之一。但是，除了理想情況外，實際傳感器的輸出信號與輸入信號之間會出現(xiàn)誤差。研究傳感器的動態(tài)特性主要是從測量誤差角度分析產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因以及改善措施。第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

由于傳感器在實際工作中隨時間變化的輸入信號是千變?nèi)f化的，而且由于隨機因素的影響，往往事先無法知道其特性，所以，具體研究傳感器的動態(tài)特性時，最常用的是通過幾種特殊的輸入時間函數(shù)，并據(jù)此確定若干評定動態(tài)特性的指標(biāo)。例如用階躍函數(shù)作為輸入來研究其動態(tài)特性，這種方法稱為階躍響應(yīng)法。

給傳感器的輸入端加入如圖1-10所示的單位階躍信號

（1-6）

圖1-10單位階躍信號