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1、第1章 传感器的基础知识1.1检测技术的基本概念1.2传感器的定义和组成1.3传感器的类型和特性1.1检测技术的基本概念测量的基本概念 所谓测量，就是人们借助专用技术工具，采用相应方法，对被测量取得定性或定量认识的过程。测量的分类静态测量和动态测量直接测量和间接测量接触式测量与非接触式测量在线测量和离线测量1.1检测技术的基本概念测量误差及其分类绝对误差相对误差示值相对误差引用误差1.1检测技术的基本概念测量误差及其分类准确度等级我国的模拟仪表的准确度通常分为7个等级0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.01.2传感器的定义和组成传感器的定义 广义：广义：广义：广义：传传传传感感
2、感感器器器器是是是是一一一一种种种种能能能能把把把把特特特特定定定定的的的的非非非非电电电电量量量量信信信信号号号号（物物物物理理理理量量量量、化化化化学学学学量量量量、生生生生物物物物量量量量登登登登）按按按按一一一一定定定定规规规规律律律律转转转转换换换换成成成成某某某某种种种种便便便便于于于于处处处处理理理理和和和和传传传传输的另一种物理量输的另一种物理量输的另一种物理量输的另一种物理量(一般为电量一般为电量一般为电量一般为电量)的装置。的装置。的装置。的装置。狭义：狭义：狭义：狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。能把外界非电信息转换成电
3、信号输出的器件。能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。国家标准（国家标准（国家标准（国家标准（GB7665GB7665GB7665GB766587878787）对传感器（对传感器（对传感器（对传感器（Sensor/transducerSensor/transducerSensor/transducerSensor/transducer）定义是：）定义是：）定义是：）定义是：能能能能够够够够感感感感受受受受规规规规定定定定的的的的被被被被测测测测量量量量并并并并按按按按照照照照一一一一定定定定规规规规律律律律转转转转换换换换成成成成可可可可用用用用输出信号的器件和装置。输出信号的器件和装置。输
4、出信号的器件和装置。输出信号的器件和装置。传感器的组成 敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件(又称预变换器又称预变换器又称预变换器又称预变换器)感受被测量感受被测量感受被测量感受被测量;转换元件转换元件转换元件转换元件将响应的被测量转换成电参量将响应的被测量转换成电参量将响应的被测量转换成电参量将响应的被测量转换成电参量;测量电路测量电路测量电路测量电路把电参量接入电路转换成电量把电参量接入电路转换成电量把电参量接入电路转换成电量把电参量接入电路转换成电量;核心部分是转换元件核心部分是转换元件核心部分是转换元件核心部分是转换元件,决定传感器的工作原理。决定传感器的工作原理。决定传感器的工作原理。决
5、定传感器的工作原理。敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换元件转换元件测量电路测量电路测量电路测量电路电量电量电量电量输出输出输出输出被被被被测测测测量量量量1.2传感器的定义和组成1.3传感器的类型和特性传感器的分类 按被测对象的参数分类按被测对象的参数分类按被测对象的参数分类按被测对象的参数分类 位移传感器、力传感器、力矩传感器、压力传感器、振位移传感器、力传感器、力矩传感器、压力传感器、振位移传感器、力传感器、力矩传感器、压力传感器、振位移传感器、力传感器、力矩传感器、压力传感器、振动传感器、加速度传感器、流量传感器、流速传感器、动传感器、加速度传感器、流量传感器、流速传感
6、器、动传感器、加速度传感器、流量传感器、流速传感器、动传感器、加速度传感器、流量传感器、流速传感器、液位传感器、温度传感器、湿度传感器等液位传感器、温度传感器、湿度传感器等液位传感器、温度传感器、湿度传感器等液位传感器、温度传感器、湿度传感器等 按变换原理分类按变换原理分类按变换原理分类按变换原理分类 电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、超声波传感器、传感器、光电式传感器、热电式传感器、超声波传感器、传感
7、器、光电式传感器、热电式传感器、超声波传感器、传感器、光电式传感器、热电式传感器、超声波传感器、光栅传感器、红外传感器、光纤传感器、激光传感器等光栅传感器、红外传感器、光纤传感器、激光传感器等光栅传感器、红外传感器、光纤传感器、激光传感器等光栅传感器、红外传感器、光纤传感器、激光传感器等 按输出特性的线性与否分类按输出特性的线性与否分类按输出特性的线性与否分类按输出特性的线性与否分类 线性传感器和非线性传感器线性传感器和非线性传感器线性传感器和非线性传感器线性传感器和非线性传感器1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标传感器的输入量可分为静态量和动态量。传感器的输入量可分为静态量和动态量。
8、静静态态量量指指稳稳定定状状态态的的信信号号或或变变化化缓缓慢慢的的信信号号（准静态）。（准静态）。动动态态量量通通常常指指周周期期信信号号、瞬瞬变变信信号号或或随随机机信信号。号。当输入量（当输入量（X X）为）为静态（常量）静态（常量）或或变化缓变化缓慢慢的信号时（如温度、压力），讨论传感器的信号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关系称的静态特性，输入输出关系称静态特性静态特性。静态特性可以用函数式表示为静态特性可以用函数式表示为1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标v传传传传感感感感器器器器的的的的输输输输出出出出输输输输入入入入关关关关系系系系或或或或多多多多或或
9、或或少少少少地地地地存存存存在在在在非非非非线线线线性性性性。在在在在不不不不考考考考虑虑虑虑迟迟迟迟滞滞滞滞、蠕蠕蠕蠕变变变变、不不不不稳稳稳稳定定定定性性性性等等等等因因因因素素素素的的的的情情情情况况况况下下下下，其其其其静静静静态态态态特特特特性可用下列多项式代数方程表示性可用下列多项式代数方程表示性可用下列多项式代数方程表示性可用下列多项式代数方程表示：各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1 1）理想的线性特性理想的线性特性（2 2）仅有奇次非线性项仅有奇次非线性项（3 3）仅有偶次非线性项仅有
10、偶次非线性项（4 4）同时有奇偶次非线性项）同时有奇偶次非线性项讨论讨论a a0 0=0 0时的情形，即静态特性曲线通过原点的情形：时的情形，即静态特性曲线通过原点的情形：理想的线性关系关于原点对称，在输入X=0较大的范围有较好的线性关系线性差，一般很少采用一般情况静态特性校准曲线静态特性校准曲线静态特性校准曲线静态特性校准曲线传感器传感器静态校准曲线静态校准曲线(实际曲线实际曲线)是在静态标准条件下测定是在静态标准条件下测定的。利用一定精度等级的校准设备，对传感器进行往复循的。利用一定精度等级的校准设备，对传感器进行往复循环测试，即可得到输出环测试，即可得到输出-输入数据。将这些数据取平均，
11、即输入数据。将这些数据取平均，即为传感器的静态校准曲线。为传感器的静态校准曲线。0YX1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1 1 1 1）线性度线性度线性度线性度（2 2 2 2）灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度（3 3 3 3）最小检测量和分辨力最小检测量和分辨力最小检测量和分辨力最小检测量和分辨力（4 4 4 4）迟滞迟滞迟滞迟滞（5 5 5 5）重复性重复性重复性重复性（6 6 6 6）零点漂移零点漂移零点漂移零点漂移（7 7 7 7）温漂温漂温漂温漂1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1 1 1 1）线性度）线性度）线性度）线性度1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标
12、在规定的条件下，传感器静态在规定的条件下，传感器静态在规定的条件下，传感器静态在规定的条件下，传感器静态校准曲线校准曲线校准曲线校准曲线(实际曲线实际曲线实际曲线实际曲线)与拟合直线与拟合直线与拟合直线与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百间最大偏差与满量程输出值的百间最大偏差与满量程输出值的百间最大偏差与满量程输出值的百分比称为分比称为分比称为分比称为线性度线性度线性度线性度。YXYiXiY=kX+b（1 1 1 1）线性度）线性度）线性度）线性度是校准曲线与拟合直线间的最大偏差是校准曲线与拟合直线间的最大偏差是校准曲线与拟合直线间的最大偏差是校准曲线与拟合直线间的最大偏差是传感器满量程输出
13、是传感器满量程输出是传感器满量程输出是传感器满量程输出是线性度是线性度是线性度是线性度可见，直线拟合方可见，直线拟合方可见，直线拟合方可见，直线拟合方法不一样，线性度法不一样，线性度法不一样，线性度法不一样，线性度会不一样会不一样会不一样会不一样1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标YXYiXiY=kX+b理想直线的选择原则是理想直线的选择原则是理想直线的选择原则是理想直线的选择原则是：既能反映实际曲线的趋势，又能使既能反映实际曲线的趋势，又能使既能反映实际曲线的趋势，又能使既能反映实际曲线的趋势，又能使非线性误差的绝对值最小。另外，还应考虑使用是否方便，非线性误差的绝对值最小。另外，还
14、应考虑使用是否方便，非线性误差的绝对值最小。另外，还应考虑使用是否方便，非线性误差的绝对值最小。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。计算是否简便。计算是否简便。计算是否简便。端点连线端点连线端点连线端点连线(端基法端基法端基法端基法)拟合；拟合；拟合；拟合；最小二乘拟合；最小二乘拟合；最小二乘拟合；最小二乘拟合；理论拟合；理论拟合；理论拟合；理论拟合；端点连线平移拟合；端点连线平移拟合；端点连线平移拟合；端点连线平移拟合；常用拟合方法：常用拟合方法：常用拟合方法：常用拟合方法：1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1 1 1 1）线性度）线性度）线性度）线性度 a)理论拟合 b)
15、端点连线拟合 c)端点连线平移拟合1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1 1 1 1）线性度）线性度）线性度）线性度最小二乘法拟合最小二乘法拟合最小二乘法拟合最小二乘法拟合设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法y=ky=kx+x+b b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为：i=yi-(kxi+b)1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1 1 1 1）线性度）线性度）线性度）线性度0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法最小二乘法拟合直线的原理就是使 为最小值，即 对k和b一阶偏导数等于零，求出b和k的表达式1.3传感器的类型
16、和特性传感器的静态特性指标（1 1 1 1）线性度）线性度）线性度）线性度即即即即得到得到得到得到k k和和和和b b的表达式的表达式的表达式的表达式将将将将k k和和和和b b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线。代入拟合直线方程，即可得到拟合直线。代入拟合直线方程，即可得到拟合直线。代入拟合直线方程，即可得到拟合直线。差动测量方法差动测量方法差动测量方法差动测量方法:利用两个性能相同的传感器进行差动输出测量。即一个利用两个性能相同的传感器进行差动输出测量。即一个利用两个性能相同的传感器进行差动输出测量。即一个利用两个性能相同的传感器进行差动输出测量。即一个传感器感受正方向变化，一个感受负方向
17、的变化，差动输出：传感器感受正方向变化，一个感受负方向的变化，差动输出：传感器感受正方向变化，一个感受负方向的变化，差动输出：传感器感受正方向变化，一个感受负方向的变化，差动输出：设某传感器静态特性为：设某传感器静态特性为：设某传感器静态特性为：设某传感器静态特性为：则正方向传感器：则正方向传感器：则正方向传感器：则正方向传感器：负方向传感器：负方向传感器：负方向传感器：负方向传感器：那么差动输出为：那么差动输出为：那么差动输出为：那么差动输出为：其优点：其优点：其优点：其优点：消除偶阶次非线性误差消除偶阶次非线性误差消除偶阶次非线性误差消除偶阶次非线性误差;灵敏提高一倍灵敏提高一倍灵敏提高一
18、倍灵敏提高一倍;消除了零位输出消除了零位输出消除了零位输出消除了零位输出采用差动法来改善线性度采用差动法来改善线性度采用差动法来改善线性度采用差动法来改善线性度1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1 1 1 1）线性度）线性度）线性度）线性度（2 2 2 2）灵敏度）灵敏度）灵敏度）灵敏度K K K K传感器的传感器的传感器的传感器的灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度是指到达稳定工作状态时，输出变化量与引起是指到达稳定工作状态时，输出变化量与引起是指到达稳定工作状态时，输出变化量与引起是指到达稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。此变化的输入变化量之比。此变化的输入变化量之比
19、。此变化的输入变化量之比。1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标1)1)对对对对线性线性线性线性传感器传感器传感器传感器,灵敏度是灵敏度是灵敏度是灵敏度是直线的斜率直线的斜率直线的斜率直线的斜率：xy0 xyK=y/xK=y/x可见，传感器输出曲线的可见，传感器输出曲线的可见，传感器输出曲线的可见，传感器输出曲线的斜率斜率斜率斜率就是其灵敏度。对线就是其灵敏度。对线就是其灵敏度。对线就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性性特性的传感器，其特性性特性的传感器，其特性性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵曲线的斜率处处相同，灵曲线的斜率处处相同，灵曲线的斜率处处相同，灵敏度敏度敏度敏
20、度KK是一常数，与输入量是一常数，与输入量是一常数，与输入量是一常数，与输入量大小无关。大小无关。大小无关。大小无关。（2 2 2 2）灵敏度）灵敏度）灵敏度）灵敏度K K K K1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标2)2)对对对对非线性非线性非线性非线性传感器传感器传感器传感器,灵敏度是一个灵敏度是一个灵敏度是一个灵敏度是一个变量变量变量变量，不同地方灵敏度不同：，不同地方灵敏度不同：，不同地方灵敏度不同：，不同地方灵敏度不同：非线性传感器灵敏度是一非线性传感器灵敏度是一非线性传感器灵敏度是一非线性传感器灵敏度是一个个个个变量变量变量变量，只能表示传感器，只能表示传感器，只能表示传感
21、器，只能表示传感器在某一工作点的灵敏度。在某一工作点的灵敏度。在某一工作点的灵敏度。在某一工作点的灵敏度。xy0d dxd dyd dxd dy（2 2 2 2）灵敏度）灵敏度）灵敏度）灵敏度K K K K1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（3 3 3 3）分辨力或分辨率）分辨力或分辨率）分辨力或分辨率）分辨力或分辨率分分分分辨辨辨辨力力力力用用用用绝绝绝绝对对对对值值值值表表表表示示示示,用用用用与与与与满满满满量量量量程程程程的的的的百百百百分分分分数数数数表表表表示示示示时时时时称称称称为为为为分分分分辨辨辨辨率率率率。在传感器输入零点附近的分辨力称为在传感器输入零点附近的分辨
22、力称为在传感器输入零点附近的分辨力称为在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值阈值阈值阈值。分辨力是指传感器能检测到的最小的输入变化量分辨力是指传感器能检测到的最小的输入变化量分辨力是指传感器能检测到的最小的输入变化量分辨力是指传感器能检测到的最小的输入变化量。有些传感器。有些传感器。有些传感器。有些传感器,当输入量连续变化时当输入量连续变化时当输入量连续变化时当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化输出量只作阶梯变化输出量只作阶梯变化输出量只作阶梯变化-数字式传感器，则数字式传感器，则数字式传感器，则数字式传感器，则分辨力就是输出量的每个分辨力就是输出量的每个分辨力就是输出量的每个分辨力就是输出量
23、的每个“阶梯阶梯阶梯阶梯”所代表的输入量的大小。所代表的输入量的大小。所代表的输入量的大小。所代表的输入量的大小。1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标v 传感器在传感器在输入量由小到大（正行程）传感器在传感器在输入量由小到大（正行程）传感器在传感器在输入量由小到大（正行程）传感器在传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称出特性曲线不重合的现象称出特性曲线不重合的现象称出特性曲线不重合的现象称迟滞迟滞迟滞迟
24、滞。(4)(4)迟滞迟滞迟滞迟滞 产生这种现象的主要原因是产生这种现象的主要原因是产生这种现象的主要原因是产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物由于传感器敏感元件材料的物由于传感器敏感元件材料的物由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械另部件的缺陷所理性质和机械另部件的缺陷所理性质和机械另部件的缺陷所理性质和机械另部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹造成的，例如弹性敏感元件弹造成的，例如弹性敏感元件弹造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动性滞后、运动部件摩擦、传动性滞后、运动部件摩擦、传动性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。机构的间隙、紧固件松动等。机
25、构的间隙、紧固件松动等。机构的间隙、紧固件松动等。迟滞误差又称为迟滞误差又称为迟滞误差又称为迟滞误差又称为回差回差回差回差或或或或变变变变差。差。差。差。1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标例：某电子秤：例：某电子秤：例：某电子秤：例：某电子秤：增加砝码增加砝码增加砝码增加砝码 10g 10g 10g 10g 50g 50g 50g 50g 100g 100g 100g 100g 200g 200g 200g 200g电桥输出电桥输出电桥输出电桥输出 0.5 mv-2mv-4mv -10mv 0.5 mv-2mv-4mv -10mv 0.5 mv-2mv-4mv -10mv 0.5 m
26、v-2mv-4mv -10mv减砝码输出减砝码输出减砝码输出减砝码输出 1 mv-5mv-8mv -10mv 1 mv-5mv-8mv -10mv 1 mv-5mv-8mv -10mv 1 mv-5mv-8mv -10mv为正、反为正、反 行程输出值间的最大差值行程输出值间的最大差值.(4)(4)迟滞迟滞迟滞迟滞1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标(5)(5)重复性重复性重复性重复性v 传感器输入量按传感器输入量按传感器输入量按传感器输入量按同一方向同一方向同一方向同一方向在在在在全测量范围全测量范围全测量范围全测量范围内作多内作多内作多内作多次测量时，输出特性不一致的程度。次测量时，
27、输出特性不一致的程度。次测量时，输出特性不一致的程度。次测量时，输出特性不一致的程度。2 2 2 2 3 3 3 3为置信度为置信度为置信度为置信度;其中：其中：是是各点各点标准偏差的最大值标准偏差的最大值，当各点标准偏差用贝塞，当各点标准偏差用贝塞尔公式计算得到时：尔公式计算得到时：其中其中,n为测量次数。为测量次数。v 属于随机误差属于随机误差属于随机误差属于随机误差,可用标准偏差表示：可用标准偏差表示：可用标准偏差表示：可用标准偏差表示：1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标(5)(5)重复性重复性重复性重复性v 传感器输入量按传感器输入量按传感器输入量按传感器输入量按同一方向同一
28、方向同一方向同一方向作多次测量时，输出作多次测量时，输出作多次测量时，输出作多次测量时，输出特性不一致的程度。特性不一致的程度。特性不一致的程度。特性不一致的程度。v 除了标准偏差外，也可用最大重复偏差表示：除了标准偏差外，也可用最大重复偏差表示：除了标准偏差外，也可用最大重复偏差表示：除了标准偏差外，也可用最大重复偏差表示：1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标(6)(6)零点漂移零点漂移零点漂移零点漂移v传感器在没有输入（或某一输入值不变）时，传感器在没有输入（或某一输入值不变）时，传感器在没有输入（或某一输入值不变）时，传感器在没有输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行一次读
29、数，其输出值偏离零值每隔一段时间进行一次读数，其输出值偏离零值每隔一段时间进行一次读数，其输出值偏离零值每隔一段时间进行一次读数，其输出值偏离零值（或原来的示值）即为（或原来的示值）即为（或原来的示值）即为（或原来的示值）即为零漂零漂零漂零漂。其中其中 为最大零点偏移。为最大零点偏移。1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标(7)(7)温度漂移温度漂移温度漂移温度漂移v温漂温漂温漂温漂表示在输入不变的情况下，传感器输出值表示在输入不变的情况下，传感器输出值表示在输入不变的情况下，传感器输出值表示在输入不变的情况下，传感器输出值随着温度的变化而变化的特性。随着温度的变化而变化的特性。随着温度的变化而变化的特性。随着温度的变化而变化的特性。其中其中其中其中 为最大偏差。为最大偏差。为最大偏差。为最大偏差。温漂是以温漂是以温漂是以温漂是以单位温度单位温度单位温度单位温度变化引起的最大输出变化量与满量程变化引起的最大输出变化量与满量程变化引起的最大输出变化量与满量程变化引起的最大输出变化量与满量程输出的百分比来表示的。输出的百分比来表示的。输出的百分比来表示的。输出的百分比来表示的。为温度变化范围。为温度变化范围。为温度变化范围。为温度变化范围。1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标