第1章

初識傳感器

隨著信息化、智能化的飛速發(fā)展，傳感器作為信息感知的重要工具，已廣泛應用于生產(chǎn)生活中?？梢哉f，傳感器技術(shù)已成為經(jīng)濟發(fā)展和社會進步中一項不可或缺的技術(shù)。

本章從傳感器應用入手，介紹傳感器的基礎知識，包括傳感器的定義、組成、分類、命名及發(fā)展趨勢，并重點介紹傳感器的特性及選用原則。本章導讀學習目標掌握傳感器的定義、組成、分類和命名。了解傳感器的發(fā)展趨勢。掌握傳感器的特性。理解傳感器的一般選用原則。能夠根據(jù)具體性能指標選用合適的傳感器。無處不在的傳感器在現(xiàn)代生活中，人們每天都在接觸或使用傳感器。如熱水器、冰箱等在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中一條自動化生產(chǎn)線中，一般要配備幾十、上百甚至上千種傳感器設備，用來檢測生產(chǎn)線狀態(tài)及產(chǎn)品質(zhì)量，如壓力、流量。傳感器還滲透到諸如航空航天、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、文物保護等領(lǐng)域。案例導讀CONTENT1.1認識傳感器1.2傳感器的特性1.3傳感器的一般選用原則認識傳感器011.1.1傳感器的定義

能感受（或響應）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或裝置，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及相應的電子線路組成。傳感器是一種檢測裝置，主要完成檢測任務。包含的意思輸入量是被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量。輸出量是某種“可用信號”輸入輸出有一定的規(guī)律，并且應有一定的精度。1.1.2傳感器的組成圖1-3傳感器的組成

敏感元件指能敏銳地感受信號或信號的變化并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦邹D(zhuǎn)換的非電量的特殊電子元件。如熱敏、光敏等。

轉(zhuǎn)換元件也稱傳感元件，它的作用是將敏感元件輸出的非電量轉(zhuǎn)換成適合傳輸或測量的電信號，如應變力轉(zhuǎn)換為電壓等。

信號調(diào)理電路又稱轉(zhuǎn)換電路，它的作用是將轉(zhuǎn)換元件輸出的微小電信號經(jīng)過放大、濾波、線性化、補償?shù)忍幚磉^程轉(zhuǎn)換成標準電信號。1.1.3傳感器的分類和命名1．傳感器的分類按照被測量分類按照檢測原理分類按照是否需要外加供電電源按照輸出信號的性質(zhì)分類照被測量分類壓力傳感器、速度傳感器、電阻式傳感器、電容式傳感器、有源傳感器和無源傳感器模擬量傳感器和數(shù)字量傳感器2．傳感器的命名傳感器產(chǎn)品的名稱應由主題詞及四級修飾詞語構(gòu)成圖1-4傳感器命名方法3．傳感器的代碼圖1-5傳感器代碼1.1.4傳感器的發(fā)展趨勢（1）智能化不僅具有檢測功能，還具有信息處理、邏輯判斷、自診斷、學習等智能微型化是建立在微電子機械系統(tǒng)技術(shù)基礎上的。優(yōu)點：體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強大。（3）網(wǎng)絡化傳感器和無線通信技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡。（2）微型化02

傳

感

器

的

特

性1.2.1傳感器的靜態(tài)特性圖1-6傳感器的線性度1．線性度曲線與擬合直線（或稱為理論直線）之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出的百分比，稱之為線性度或非線性誤差。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性圖1-7傳感器靈敏度示意圖2．靈敏度靈敏度就是系統(tǒng)的斜率，是一個常數(shù)；若傳感器的輸入輸出為非線性關(guān)系，其靈敏度為工作點處的切線斜率。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性圖1-8傳感器遲滯性3．遲滯性遲滯性表示傳感器同一輸入量輸入時，在增加（正行程）或減少（反行程）過程中，輸出不重合的現(xiàn)象，即輸出的變化總是慢于輸入的變化。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性圖1-9傳感器重復性4．重復性重復性是指傳感器在同一工作條件下，對同一輸入值，按同一方向多次測量的輸出值之間的不一致程度。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性5．穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指傳感器在一個較長時間內(nèi)保持性能參數(shù)不變的能力。

穩(wěn)定性指在同一環(huán)境下經(jīng)過規(guī)定時間的檢測后，傳感器的真實輸出與起始標定輸出（測量真值與標定真值）之間的差異，這種差異又稱為穩(wěn)定性誤差。

穩(wěn)定性誤差有兩種表示方法，即絕對誤差和相對誤差。

絕對誤差指的是傳感器的被測變量的數(shù)值與起始標定數(shù)值之間的代數(shù)差；而絕對誤差與測量真值的比值稱為相對誤差。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性6．分辨力分辨力是指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)能檢測出的被測量的最小變化量。圖1-10傳感器的分辨力分辨力有時也用最小變化量與滿量程輸入的百分比表示。一般情況下，模擬量傳感器的分辨力為最小刻度分格值的二分之一，而對于數(shù)字量傳感器而言，最后一位數(shù)字位所代表的值就是它的分辨力

1.2.1傳感器的靜態(tài)特性7．精度和精度等級

傳感器的精度指標主要由精密度和準確度來表示。

精密度，即同一測量者用同一傳感器在短時間內(nèi)反復測量同一被測量時，其測量值不一樣的程度，它代表了傳感器測量結(jié)果的分散性。

精密度通常用隨機誤差來表示，隨機誤差越小，說明該傳感器精密度越高。

準確度是指測量結(jié)果有規(guī)律地偏離真值大小的程度，通常用系統(tǒng)誤差來表示。1.2.2傳感器的動態(tài)特性

當輸入信號隨時間發(fā)生變化時，系統(tǒng)的輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系稱為動態(tài)特性。

傳感器的動態(tài)特性可以用基于時域的瞬態(tài)響應法和基于頻域的頻率響應法來分析。

分析傳感器的動態(tài)特性時，時域分析通常用脈沖函數(shù)、階躍函數(shù)和斜坡函數(shù)作為激勵信號，而頻域分析一般用正弦函數(shù)作為激勵信號。03傳感器的一般選用原則1.3.1與測量條件有關(guān)的因素

與測量條件有關(guān)的因素一般包括測量的目的、被測量的選擇、測量的范圍、輸入信號的幅值、頻率及帶寬，另外還包括被測對象的精度要求及快速性要求。1.3.2與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標

在依據(jù)技術(shù)指標選用傳感器時，主要應考慮傳感器的靈敏度、精度、穩(wěn)定性、頻率響應等特性。

傳感器的靈敏度越高，與被測量無關(guān)的外界噪聲越容易混入，從而影響測量精度。

傳感器的精度越高，它的價格也就越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以了。

穩(wěn)定性是傳感器能否長時間使用的重要指標。

傳感器的頻率響應越高，其輸入信號的頻率范圍越寬。1.3.3與使用環(huán)境有關(guān)的因素包括安裝現(xiàn)場的供電方式、溫濕度條件、有無震動、電磁干擾強弱、有無本質(zhì)安全防爆要求、信號的傳輸距離、接線方式等。還要考慮傳感器的來源（國產(chǎn)、進口或自行研制）及價格等因素。1.3.4應用實踐——氣體壓力傳感器的選型1．實踐目的（1）熟悉傳感器的選型原則。（2）能夠根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的