第1章--传感器技术基础-传感器技术及应用-课件.ppt

第第1章章 传感器技术基础传感器技术基础 1.1 传感器的初步认识传感器的初步认识 1.2 传感器的定义、组成及分类传感器的定义、组成及分类 1.3 传感器的应用领域传感器的应用领域 1.4 传感器的发展趋势传感器的发展趋势 1.5 传感器的命名和代号传感器的命名和代号 1.6 传感器的特性传感器的特性 1.7 传感器的标定传感器的标定 1.1 传感器的初步认识传感器的初步认识 人们为了从外界获取信息，需要依靠人的五种感觉器官人们为了从外界获取信息，需要依靠人的五种感觉器官(视、视、听、嗅、味、触听、嗅、味、触)感受外界信息。感受外界信息。在自动控制系统中，也需要获取外界信息，这些需要依靠传在自动控制系统中，也需要获取外界信息，这些需要依靠传感器来完成。所以，传感器相当于人的五官部分感器来完成。所以，传感器相当于人的五官部分(“电五官电五官”)。两者之间的关系可用两者之间的关系可用图图1-1表示。表示。另外，对于某些外界信息，人的感觉器官是不可以感受的，另外，对于某些外界信息，人的感觉器官是不可以感受的，如有毒的气体、过热的物体、紫外线、微波等；人的感觉器如有毒的气体、过热的物体、紫外线、微波等；人的感觉器官无法定量地感受外界信息官无法定量地感受外界信息这些都需要依靠传感器来完这些都需要依靠传感器来完成。可以说传感器是人类五官的延伸。成。可以说传感器是人类五官的延伸。实际上传感器对我们来说并不陌生，在我们的生活和生产中实际上传感器对我们来说并不陌生，在我们的生活和生产中都可以看到它们的身影，如声光控节能开关中的光敏电阻、都可以看到它们的身影，如声光控节能开关中的光敏电阻、驻极体话筒、电视机遥控系统的红外接收器件等都是传感器。驻极体话筒、电视机遥控系统的红外接收器件等都是传感器。传感器实际上是一种功能模块，其作用是将来自外界的各种传感器实际上是一种功能模块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号，然后再利用后续装置或电路对此电信号信号转换成电信号，然后再利用后续装置或电路对此电信号进行处理。进行处理。返回1.2 传感器的定义、组成及分类传感器的定义、组成及分类 1.2.1 传感器的定义传感器的定义根据中华人民共和国国家标准根据中华人民共和国国家标准(GB766587)，传感器是能够，传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。对此定义需要明确以下几点：器件或装置。对此定义需要明确以下几点：传感器是一种能够检测被测量的器件或装置；传感器是一种能够检测被测量的器件或装置；被测量可以是物理量、化学量或生物量等；被测量可以是物理量、化学量或生物量等；输出信号要便于传输、转换、处理、显示等，一般是电参量；输出信号要便于传输、转换、处理、显示等，一般是电参量；输出信号要正确地反映被测量的数值、变化规律等，即两者输出信号要正确地反映被测量的数值、变化规律等，即两者之间要有确定的对应关系，且应具有一定的精确度。之间要有确定的对应关系，且应具有一定的精确度。下一页返回1.2 传感器的定义、组成及分类传感器的定义、组成及分类1.2.2 传感器的组成传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，如如图图1-2所示。所示。1.敏感元件敏感元件敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他物理量的元件。如后续章节要介绍的对力敏感的电阻应其他物理量的元件。如后续章节要介绍的对力敏感的电阻应变片、对光敏感的光敏电阻、对温度敏感的热敏电阻等。变片、对光敏感的光敏电阻、对温度敏感的热敏电阻等。2.转换元件转换元件转换元件也叫传感元件，是将敏感元件的输出量转换成电参转换元件也叫传感元件，是将敏感元件的输出量转换成电参量量(电阻、电容等电阻、电容等)的元件。有些传感器的敏感元件和转换元的元件。有些传感器的敏感元件和转换元件合二为一，它感受被测量并直接输出电参量，如热电偶等；件合二为一，它感受被测量并直接输出电参量，如热电偶等；有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。上一页 下一页返回1.3 传感器的应用领域传感器的应用领域 传感器是获取自然领域中各种信息的主要途径和手段，是构传感器是获取自然领域中各种信息的主要途径和手段，是构成现代信息技术的三大支柱成现代信息技术的三大支柱(传感器技术、通信技术、计算机传感器技术、通信技术、计算机技术技术)之一。之一。目前传感器涉及的领域非常广泛。目前传感器涉及的领域非常广泛。现代家用电器中，大多都应用了传感器技术。电视机、空调、现代家用电器中，大多都应用了传感器技术。电视机、空调、风扇的红外遥控系统中使用的红外接收器件、照相机中的自风扇的红外遥控系统中使用的红外接收器件、照相机中的自动曝光装置、电冰箱和电饭煲使用的温度传感器、抽油烟机动曝光装置、电冰箱和电饭煲使用的温度传感器、抽油烟机上的气敏传感器、全自动洗衣机中的水位和浊度传感器等。上的气敏传感器、全自动洗衣机中的水位和浊度传感器等。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或是最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，态或是最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代生产也就失去了基础。没有众多的优良的传感器，现代生产也就失去了基础。下一页返回1.3 传感器的应用领域传感器的应用领域在基础科学研究中，传感器具有突出的地位。例如，对深化在基础科学研究中，传感器具有突出的地位。例如，对深化物质认识、开拓新能源新材料等具有重要作用的各种尖端技物质认识、开拓新能源新材料等具有重要作用的各种尖端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法获取的信息，超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法获取的信息，没有相应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，没有相应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对研究对象的信息获取存在困难，而一些新机理首先就在于对研究对象的信息获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测仪器的出现，往往会导致该领域内的突破。和高灵敏度的检测仪器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。在航空航天领域，飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、在航空航天领域，飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动都需要测量；气压、磁场、振动都需要测量；“阿波罗阿波罗10号号”飞船需要对飞船需要对3295个参数进行检测，其中，温度传感器个参数进行检测，其中，温度传感器559个，压力传感器个，压力传感器140个，信号传感器个，信号传感器501个，遥控传感器个，遥控传感器142个，专家说：整个个，专家说：整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体。宇宙飞船就是高性能传感器的集合体。上一页 下一页返回1.3 传感器的应用领域传感器的应用领域楼宇自动化系统是智能建筑的重要组成部分。计算机通过中楼宇自动化系统是智能建筑的重要组成部分。计算机通过中继器继器路由器路由器网络网络显示显示网关控制管理各种设备网关控制管理各种设备(空调制空调制冷、给水排水、变配电系统、照明系统、电梯、安全防护、冷、给水排水、变配电系统、照明系统、电梯、安全防护、自动识别等等自动识别等等)，实现以上功能使用的传感器有温度传感器、，实现以上功能使用的传感器有温度传感器、湿度传感器、液位传感器、流量传感器、压差传感器、空气湿度传感器、液位传感器、流量传感器、压差传感器、空气压力传感器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃压力传感器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器、图像传感器等。破碎传感器、图像传感器等。国防军事国防军事(雷达探测系统、水声目标定位系统、红外制导系统雷达探测系统、水声目标定位系统、红外制导系统等等)、环境保护、环境保护(空气质量的监控空气质量的监控)、医学诊断、医学诊断(各种生化指标、各种生化指标、影像资料的获取影像资料的获取)、刑事侦查、刑事侦查(声音、指纹识别声音、指纹识别)、交通管理、交通管理(车流量统计、车速监测、车牌识别车流量统计、车速监测、车牌识别)等，这些都离不开传感等，这些都离不开传感器。器。上一页 返回1.4 传感器的发展趋势传感器的发展趋势1.4.2 传感器技术的发展趋势传感器技术的发展趋势当前，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，发当前，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。的集成化与智能化。1.发现新现象，开发新材料发现新现象，开发新材料新现象、新原理、新材料是发展传感器技术、研究新型传感新现象、新原理、新材料是发展传感器技术、研究新型传感器的重要基础，每一种新原理、新材料的发现都会伴随着新器的重要基础，每一种新原理、新材料的发现都会伴随着新的传感器种类诞生。的传感器种类诞生。2.集成化，多功能化集成化，多功能化向敏感功能装置和集成化发展，将半导体集成电路技术及其向敏感功能装置和集成化发展，将半导体集成电路技术及其开发思想应用于传感器制造。如采用微细加工技术开发思想应用于传感器制造。如采用微细加工技术MEMS制制作微型传感器，采用厚膜和薄膜技术制作传感器等。作微型传感器，采用厚膜和薄膜技术制作传感器等。上一页 下一页返回1.4 传感器的发展趋势传感器的发展趋势3.向未开发的领域挑战向未开发的领域挑战到目前为止，开发的传感器大多为物理传感器，今后应积极到目前为止，开发的传感器大多为物理传感器，今后应积极开发研究化学传感器和生物传感器，特别是智能机器人技术开发研究化学传感器和生物传感器，特别是智能机器人技术的发展，需要研制各种模拟人的感觉器官的传感器，如已有的发展，需要研制各种模拟人的感觉器官的传感器，如已有的机器人力觉传感器、触觉传感器、味觉传感器等。的机器人力觉传感器、触觉传感器、味觉传感器等。4.智能传感器，具有判断能力智能传感器，具有判断能力学习能力的智能传感器事实上是一种带微处理器的传感器，学习能力的智能传感器事实上是一种带微处理器的传感器，它具有检测、判断和信息处理功能。它具有检测、判断和信息处理功能。上一页 返回1.5 传感器的命名和代号传感器的命名和代号2.命名法的使用命名法的使用(1)题目中的用法题目中的用法在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合，应采用上述顺序，如：传感器，位移，应处理等特殊场合，应采用上述顺序，如：传感器，位移，应变计变计式式，100mm。(2)正文中的用法正文中的用法在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句子在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序，如中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序，如100mm 应变应变计式位移传感器。计式位移传感器。1.5.2 传感器的代号传感器的代号1.传感器代号的构成传感器代号的构成国家标准中规定，用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字构成传国家标准中规定，用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完整的代号。包括四个部分：依次为主称感器完整的代号。包括四个部分：依次为主称(传感器传感器)被测被测量量-转换原理转换原理-序号。序号。上一页 下一页返回1.6 传感器的特性传感器的特性 传感器所测量的被测量经常处在变动过程中。例如测量温度传感器所测量的被测量经常处在变动过程中。例如测量温度时，若温度恒定，传感器的输出值可能十分稳定；若遇到温时，若温度恒定，传感器的输出值可能十分稳定；若遇到温度不恒定甚至出现突变时，传感器的输出值可能有缓慢起伏度不恒定甚至出现突变时，传感器的输出值可能有缓慢起伏或者周期性脉动变化，甚至出现突变的尖锋值。传感器能否或者周期性脉动变化，甚至出现突变的尖锋值。传感器能否将这些被测量的变化不失真地变换成相应的电量，就需要考将这些被测量的变化不失真地变换成相应的电量，就需要考虑传感器本身的基本特性，即输出虑传感器本身的基本特性，即输出-输入特性。该基本特性通输入特性。该基本特性通常用传感器的静态特性和动态特性来描述。常用传感器的静态特性和动态特性来描述。1.6.1 传感器的静态特性传感器的静态特性静态特性表示传感器在被测量处于稳定状态静态特性表示传感器在被测量处于稳定状态(输入量为常量，输入量为常量，或变化非常缓慢或变化非常缓慢)时的输出时的输出-输入关系。通常用线性度、灵敏输入关系。通常用线性度、灵敏度、分辨力、重复性、迟滞等技术指标来描述传感器的静态度、分辨力、重复性、迟滞等技术指标来描述传感器的静态特性。特性。下一页返回1.6 传感器的特性传感器的特性1.线性度线性度传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的校传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的校准设备对传感器进行往复循环测试，得出输出准设备对传感器进行往复循环测试，得出输出-输入特性输入特性(列列表或曲线表或曲线)。通常，希望这个特性。通常，希望这个特性(曲线曲线)为线性，这给标定和为线性，这给标定和数据处理带来方便。但实际的输出数据处理带来方便。但实际的输出-输入特性或多或少地都存输入特性或多或少地都存在着非线性问题，只能接近线性，对比理论直线有偏差，如在着非线性问题，只能接近线性，对比理论直线有偏差，如图图1-3所示。所示。实际曲线与其两个端点连线实际曲线与其两个端点连线(拟合曲线拟合曲线)之间的偏差称为传感之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其最大偏差与理论满量程之比作为评价器的非线性误差。取其最大偏差与理论满量程之比作为评价线性度线性度(或非线性误差或非线性误差)的指标。的指标。式中式中 max输出平均值与拟合直线间的最大偏差；输出平均值与拟合直线间的最大偏差；yFS理论满度值。理论满度值。上一页 下一页返回1.6 传感器的特性传感器的特性正行程的最大重复性偏差为正行程的最大重复性偏差为Rmax1，反行程的最大重复性偏，反行程的最大重复性偏差为差为Rmax2。重复性偏差取这两个最大偏差中之较大者为。重复性偏差取这两个最大偏差中之较大者为Rmax，再以，再以Rmax与满量程输出与满量程输出yFS的百分比表示，即的百分比表示，即4.灵敏度灵敏度传感器输出的变化量传感器输出的变化量y与引起该变化量的输入量变化与引起该变化量的输入量变化x之比之比即为其静态灵敏度。表达式为即为其静态灵敏度。表达式为 即传感器的灵敏度就是校准曲线的斜率。即传感器的灵敏度就是校准曲线的斜率。线性传感器特性曲线的斜率处处相同，灵敏度线性传感器特性曲线的斜率处处相同，灵敏度K是常数。以拟是常数。以拟合直线作为其特性的传感器，也可认为其灵敏度为一常数，合直线作为其特性的传感器，也可认为其灵敏度为一常数，与输入量的大小无关。非线性传感器的灵敏度不是常数，应与输入量的大小无关。非线性传感器的灵敏度不是常数，应以以dy/dx表示。表示。上一页 下一页返回1.6 传感器的特性传感器的特性5.分辨力和阈值分辨力和阈值分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力可用分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力可用绝对值表示，也可用与满量程的百分数表示。绝对值表示，也可用与满量程的百分数表示。当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加，只有达到了某当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加，只有达到了某一最小值后，才能测出输出变化，这个最小值就称为传感器一最小值后，才能测出输出变化，这个最小值就称为传感器的阈值。事实上阈值是传感器在零点附近的分辨力。的阈值。事实上阈值是传感器在零点附近的分辨力。分辨力说明了传感器可测出的最小可测出的输入变量，而阈分辨力说明了传感器可测出的最小可测出的输入变量，而阈值则说明了传感器的可测出的最小输入量。值则说明了传感器的可测出的最小输入量。6.稳定性稳定性稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性描述其稳定性，它是指在室温条件下，经过相当长的时定性描述其稳定性，它是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如间间隔，如1天、天、1个月或个月或1年，传感器的输出与起始标定时的年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定性来表征其输出的稳定输出之间的差异。通常又用其不稳定性来表征其输出的稳定程度。程度。上一页 下一页返回1.6 传感器的特性传感器的特性7.漂移漂移漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移(时漂时漂)和温度漂移和温度漂移(温漂温漂)。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂为周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。慢变化；温漂为周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。1.6.2 传感器的动态特性传感器的动态特性 在实际测量中，不仅要求传感器具有良好的静态特性，而且在实际测量中，不仅要求传感器具有良好的静态特性，而且应具有良好的动态特性。动态特性是指传感器测量动态信号应具有良好的动态特性。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出输入之间的关系。在动态测量时，由于被测量要随时，输出输入之间的关系。在动态测量时，由于被测量要随时间变化，此时传感器如果不能快速响应并正确地提取信号，时间变化，此时传感器如果不能快速响应并正确地提取信号，测量工作就无法进行。例如，在做人体的心电图检查时，如测量工作就无法进行。例如，在做人体的心电图检查时，如果不能准确地将人体心脏随时间跳动的状况及时检测出来，果不能准确地将人体心脏随时间跳动的状况及时检测出来，并迅速打印，那么就不能为医生进行诊断提供依据。并迅速打印，那么就不能为医生进行诊断提供依据。上一页 下一页返回1.6 传感器的特性传感器的特性动态特性好的传感器，其输出随时间的变化规律将高精度地动态特性好的传感器，其输出随时间的变化规律将高精度地反映输入量随时间的变化规律，即它们具有同一个时间函数。反映输入量随时间的变化规律，即它们具有同一个时间函数。但是，除了理想情况外，实际传感器的输出信号与输入信号但是，除了理想情况外，实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此将引起动态误差。不会具有相同的时间函数，由此将引起动态误差。动态特性常用阶跃响应和频率响应来描述。动态特性常用阶跃响应和频率响应来描述。1.6.3 改善传感器性能的技术途径改善传感器性能的技术途径1.传感器噪声及其减小措施传感器噪声及其减小措施传感器噪声是指除了被测信号之外在传感器中出现的一切不传感器噪声是指除了被测信号之外在传感器中出现的一切不需要的信号，它可由传感器内部产生，也可从外部随信号混需要的信号，它可由传感器内部产生，也可从外部随信号混入。一般而言，噪声呈不规则的变化。入。一般而言，噪声呈不规则的变化。传感器内部产生的噪声包括敏感元件、转换元件和转换电路传感器内部产生的噪声包括敏感元件、转换元件和转换电路元件等产生的噪声以及电源产生的噪声。例如，光电真空管元件等产生的噪声以及电源产生的噪声。例如，光电真空管放射不规则电子，半导体载流子扩散等产生的噪声。降低元放射不规则电子，半导体载流子扩散等产生的噪声。降低元件的温度可减小热噪声，对电源变压器采用静电屏蔽可减小件的温度可减小热噪声，对电源变压器采用静电屏蔽可减小交流脉动噪声等。交流脉动噪声等。上一页 下一页返回1.6 传感器的特性传感器的特性从外部混入传感器的噪声，按其产生原因可分为机械噪声从外部混入传感器的噪声，按其产生原因可分为机械噪声(如如振动，冲击振动，冲击)、音响噪声、热噪声、音响噪声、热噪声(如热辐射使元件相对位移如热辐射使元件相对位移或性能变化或性能变化)、电磁噪声和化学噪声等。对振动等机械噪声可、电磁噪声和化学噪声等。对振动等机械噪声可采用防振台或将传感器固定在质量很大的基础台上加以抑制；采用防振台或将传感器固定在质量很大的基础台上加以抑制；而消除音响噪声的有效办法是把传感器用隔音器材围上或放而消除音响噪声的有效办法是把传感器用隔音器材围上或放在真空容器里；消除电磁噪声的有效办法是屏蔽和接地或使在真空容器里；消除电磁噪声的有效办法是屏蔽和接地或使传感器远离电源线、使输出线屏蔽、输出线绞拧在一起等。传感器远离电源线、使输出线屏蔽、输出线绞拧在一起等。2.改善传感器性能的技术途径改善传感器性能的技术途径我们总是希望传感器的输出与输入成唯一的对应关系，最好我们总是希望传感器的输出与输入成唯一的对应关系，最好是线性关系，但是一般情况下，输出与输入不会符合所要求是线性关系，但是一般情况下，输出与输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在着迟滞、蠕变、摩擦等因素的影的线性关系，同时由于存在着迟滞、蠕变、摩擦等因素的影响，使输出输入对应关系的唯一性也不能实现，因此外界的响，使输出输入对应关系的唯一性也不能实现，因此外界的影响不可忽视。影响程度取决于传感器本身，可通过传感器影响不可忽视。影响程度取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。上一页 下一页返回1.6 传感器的特性传感器的特性(4)稳定性处理稳定性处理造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移或环境条造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移或环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。为了提高传感器性能的稳定性，应该对材料、元器件或传感为了提高传感器性能的稳定性，应该对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。使用传感器时，如果测量要器整体进行必要的稳定性处理。使用传感器时，如果测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后接电路的关键元求较高，必要时也应对附加的调整元件、后接电路的关键元器件进行防老化处理。器件进行防老化处理。(5)屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制可以有效削弱或消除外界影响因素对屏蔽、隔离与干扰抑制可以有效削弱或消除外界影响因素对传感器的作用。如对于电磁干扰，可以采取屏蔽、隔离措施，传感器的作用。如对于电磁干扰，可以采取屏蔽、隔离措施，也可以用滤波等方法抑制。也可以用滤波等方法抑制。上一页 下一页返回1.6 传感器的特性传感器的特性(6)零位法、微差法与闭环技术零位法、微差法与闭环技术这些技术可供设计或应用传感器时，用以消除或削弱系统误这些技术可供设计或应用传感器时，用以消除或削弱系统误差。差。(7)补偿与校正补偿与校正补偿与校正可以利用电子技术通过线路补偿与校正可以利用电子技术通过线路(硬件硬件)来解决，也可来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。以采用微型计算机通过软件来实现。(8)集成化、智能化与信息融合集成化、智能化与信息融合集成化、智能化与信息融合将大大扩大传感器的功能，改善集成化、智能化与信息融合将大大扩大传感器的功能，改善传感器的性能，提高性价比。传感器的性能，提高性价比。上一页 返回1.7 传感器的标定传感器的标定 任何一种传感器在装配完后都必须按设计指标进行全面严格任何一种传感器在装配完后都必须按设计指标进行全面严格的性能鉴定。使用一段时间后的性能鉴定。使用一段时间后(中国计量法规定一般为一年中国计量法规定一般为一年)或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验，以确保或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验，以确保传感器的各项性能指标达到要求。传感器的各项性能指标达到要求。传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立传感器输出量和输入量之间的对应关系，度的过程，从而确立传感器输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。同时也确定不同使用条件下的误差关系。为了保证各种被测量量值的一致性和准确性，很多国家都建为了保证各种被测量量值的一致性和准确性，很多国家都建立了一系列计量器具立了一系列计量器具(包括传感器包括传感器)检定的组织、规程和管理检定的组织、规程和管理办法。我国由原国家计量局、中国计量科学研究院和部、省、办法。我国由原国家计量局、中国计量科学研究院和部、省、市计量部门以及一些企业的计量站进行制定和实施。国家计市计量部门以及一些企业的计量站进行制定和实施。国家计量局量局(1989年后改为国家技术监督局年后改为国家技术监督局)制定和发布了力值、长制定和发布了力值、长度、压力、温度等一系列计量器具规程，并于度、压力、温度等一系列计量器具规程，并于1985年年9月公布月公布了中华人民共和国计量法。了中华人民共和国计量法。下一页返回1.7 传感器的标定传感器的标定测力机用来产生标准力，高精度稳压电源经精密电阻箱衰减测力机用来产生标准力，高精度稳压电源经精密电阻箱衰减后向传感器提供稳定的电源电压，电源电压值，传感器的输后向传感器提供稳定的电源电压，电源电压值，传感器的输出由高精度数字电子表读出。出由高精度数字电子表读出。由上述系统可知，传感器的静态指标系统一般由以下几部分由上述系统可知，传感器的静态指标系统一般由以下几部分组成：组成：被测物理量标准发生器，如测力机；被测物理量标准发生器，如测力机；被测物理量标准测试系统，如标准力传感器、压力传感器、被测物理量标准测试系统，如标准力传感器、压力传感器、标准长度标准长度量规等；量规等；被标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等，所配被标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等，所配接的仪器精度应是已知的，也作为标准测试设备。接的仪器精度应是已知的，也作为标准测试设备。各种传感器的标定方法不同，常用力、压力、位移传感器标各种传感器的标定方法不同，常用力、压力、位移传感器标定。定。上一页 下一页返回1.7 传感器的标定传感器的标定具体标定步骤如下：具体标定步骤如下：将传感器测量范围分成若干等间距点；将传感器测量范围分成若干等间距点；根据传感器量程分点情况，输入量由小到大逐渐变化，并根据传感器量程分点情况，输入量由小到大逐渐变化，并记录各输入输出值；记录各输入输出值；再将输入值由大到小逐渐变化，同时记录各输入输出值；再将输入值由大到小逐渐变化，同时记录各输入输出值；重复上述重复上述 两步，对传感器进行正反行程多次重复测量，两步，对传感器进行正反行程多次重复测量，将得到的测量数据用表格列出或绘制曲线；将得到的测量数据用表格列出或绘制曲线；进行测量数据处理，根据处理结果确定传感器的线性度、进行测量数据处理，根据处理结果确定传感器的线性度、灵敏度、迟滞和重复性等静态特性指标。灵敏度、迟滞和重复性等静态特性指标。上一页 下一页返回图图1-1 人体与自控系统的对应关系人体与自控系统的对应关系 返回图图1-2 传感器的组成框图传感器的组成框图 返回表表1-1 按被测量来分类按被测量来分类 被测量类别被测量类别被被 测测 量量热热工量工量温度、温度、热热量、比量、比热热、压压力、力、压压差、真空度、差、真空度、流量、流速、流量、流速、风风速速机械量机械量位移位移(线线位移、角位移位移、角位移)、尺寸、形状、力、力、尺寸、形状、力、力矩、矩、应应力、重量、力、重量、质质量、量、转转速、速、线线速度、速度、振振动动幅度、幅度、频频率、加速度、噪声率、加速度、噪声物性和成分量物性和成分量气体化学成分、液体化学成分、酸碱度气体化学成分、液体化学成分、酸碱度(pH)、盐盐度、度、浓浓度、粘度、密度、比重度、粘度、密度、比重状状态态量量颜颜色、透明度、磨色、透明度、磨损损量、材料内部裂量、材料内部裂缝缝或缺或缺陷、气体泄漏、表面陷、气体泄漏、表面质质量量返回表表1-2 按传感器的原理来分类按传感器的原理来分类 序号序号工作原理工作原理序号序号工作原理工作原理1电电阻式阻式8光光电电式式(红红外式、光外式、光导纤导纤维维式式)2电电感式感式9谐谐振式振式3电电容式容式10霍霍尔尔式式4阻抗式阻抗式11超声波式超声波式5磁磁电电式式12同位素式同位素式6热电热电式式13电电化学式化学式7压电压电式式14微波式微波式返回表表1-3 传感器命名构成及各级修饰传感器命名构成及各级修饰语举例一览表语举例一览表 主题词主题词第一级修饰语第一级修饰语被测量被测量第二级修饰语第二级修饰语转换原理转换原理第三级修饰语第三级修饰语特征描述特征描述第四级修饰语第四级修饰语技术指标技术指标范围、量程、精确范围、量程、精确度、灵敏度度、灵敏度单位单位传传感器感器速度速度加速度加速度加加速度加加速度冲冲击击振振动动力力重量重量(称重称重)压压力力电电位器位器式式电电阻阻式式电电流流式式电电感感式式电电容容式式电涡电涡流流式式电热电热式式电电磁磁式式直流直流输输出出交流交流输输出出频频率率输输出出数字数字输输出出双双输输出出放大放大离散增量离散增量积积分分声声压压力矩力矩姿姿态态位移位移液位液位流量流量温度温度热热流流电电化学化学式式电电离离式式压电压电式式压压阻阻式式应变计应变计式式谐谐振振式式伺服伺服式式磁阻磁阻式式开关开关陀螺陀螺涡轮涡轮齿轮转齿轮转子子振振动动元件元件波波纹纹管管波登管波登管膜盒膜盒下一页表表1-3 传感器命名构成及各级修饰传感器命名构成及各级修饰语举例一览表语举例一览表主题词主题词第一级修饰第一级修饰语语被测量被测量第二级修饰第二级修饰语语转换原理转换原理第三级修饰第三级修饰语语特征描述特征描述第四级修饰语第四级修饰语技术指标技术指标范围、量程、范围、量程、精确度、精确度、灵敏度灵敏度单位热热通量通量可可见见光光照度照度湿度湿度粘度粘度浊浊度度离子活离子活浓浓度度电电流流磁磁场场马马赫数赫数射射线线光光电电式式光化学光化学式式光光纤纤式式激光激光式式超声超声式式(核核)辐辐射射式式热电热电热释电热释电膜片膜片离子敏感离子敏感FET热丝热丝半半导导体体陶瓷陶瓷聚合物聚合物固体固体电电解解质质自源自源粘粘贴贴非粘非粘贴贴焊焊接接返回上一页表表1-4 常用被测量代码表常用被测量代码表 测量测量代号代号被测量被测量代号代号被测量被测量代号代号被测量被测量代号代号加速度加速度A角速度角速度JS电电流流DL位置位置WZ加加速度加加速度AA角位移角位移JW电场电场强强度度DQ应应力力Y亮度亮度AD力力L电压电压DY液位液位YW磁磁C露点露点LD色度色度E浊浊度度Z冲冲击击CJ力矩力矩LJ谷氨酸谷氨酸GA振振动动ZD磁透率磁透率CO流量流量L温度温度H紫外光紫外光ZG磁磁场场强强度度CQ离子离子LZ照度照度HD重量重量(稳稳重重)ZL磁通量磁通量CT密度密度M红红外光外光HG真空度真空度ZK呼吸呼吸频频率率HP气体气体密密度度QM离子活离子活浓浓度度HN噪声噪声ZS下一页表表1-4 常用被测量代码表常用被测量代码表转转速速HS液体液体密度密度YM声声压压SY姿姿态态ZT硬度硬度I脉搏脉搏MB图图像像TX氢氢离子活离子活 浓浓 度度HHND 线线加速度加速度IA马马赫数赫数MH温度温度W钠钠离子活离子活 浓浓 度度NaHND线线速度速度IS表面粗糙表面粗糙度度MZ 体体 温温TW 氯氯离子活离子活 浓浓 度度CLHND角度角度J粘度粘度N物位物位WW氧分氧分压压O角加速度角加速度JA扭矩扭矩NJ位移位移WY一氧化碳分一氧化碳分压压CO可可见见光光JG厚度厚度O热热流流RL水分水分SF烧蚀烧蚀厚度厚度SOpH 值值(H)速度速度S 射射线剂线剂量量 SL射射线线SX气体气体Q热热通量通量RT 返回上一页表表1-5 常用转换原理代码表常用转换原理代码表 转换原理转换原理代号代号转换原理转换原理代号代号转换原理转换原理代号代号转换原理转换原理代号代号电电解解AJ光光发发射射GS感感应应GY涡涡街街WJ变压变压器器BY电电位器位器DW霍耳霍耳HE微生物微生物WS磁磁电电CD电电阻阻DZ晶体管晶体管IG涡轮涡轮WU催化催化CH热导热导ED激光激光JG离子离子选择选择电电板板XJ场场效效应应管管CU浮子浮子-干簧干簧FH晶体振子晶体振子JZ谐谐振振XZ差差压压CY(核核)辐辐射射FS克拉克克拉克电电池池KC应变应变YB磁阻磁阻CZ浮子浮子FZ酶酶式式M压电压电YD下一页表表1-5 常用转换原理代码表常用转换原理代码表电电磁磁DC光学式光学式G声表面波声表面波MB压压阻阻YZ电导电导DD光光电电GD免疫免疫MY折射折射ZE电电感感DG光伏光伏GF热电热电RD阻抗阻抗ZK电电化学化学DH光化学光化学GH热释电热释电RH转转子子ZZ单结单结DJ光光导导GO热电丝热电丝RS电涡电涡流流DO光光纤纤GQ(超超)声波声波SB超声多普勒超声多普勒DP电电容容OR伺服伺服SF返回上一页图图1-3 线性误差线性误差 返回图图1-4 迟滞特性迟滞特性 返回图图1-5 重复特性重复特性 返回图图1-6 应变式测力传感器静态标定应变式测力传感器静态标定设备系统框图设备系统框图 返回