传感器与检测技术课件第一章.ppt

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1、传感器与检测技术第一章第一章 概述概述日常生活中的传感器日常生活中的传感器日常生活中的传感器日常生活中的传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器;空调中的温度和湿度传感器空调中的温度和湿度传感器空调中的温度和湿度传感器空调中的温度和湿度传感器;煤气灶中的煤气泄漏传感器煤气灶中的煤气泄漏传感器煤气灶中的煤气泄漏传感器煤气灶中的煤气泄漏传感器;水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器;照相机中的光传感器

2、照相机中的光传感器照相机中的光传感器照相机中的光传感器;汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？第一章第一章 概述概述眼（视觉）眼（视觉）耳（听觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）皮肤（触觉）舌（味觉）舌（味觉）感知外界信息感知外界信息大脑大脑肌体肌体人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较

3、人体系统和机器系统比较第一章第一章 概述概述人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较 如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延长，有人又称传感器好比人体感官的延长，有人又称传感器好比人体感官的延

4、长，有人又称传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官电五官电五官电五官”。传感器传感器传感器传感器外外外外界界界界信信信信息息息息感感感感 官官官官大大大大 脑脑脑脑肌肌肌肌 体体体体计算机计算机计算机计算机执行机构执行机构执行机构执行机构第一章第一章 概述概述传感器的定义传感器的定义传感器的定义传感器的定义n根据根据GB7665-87GB7665-87，【传感器】（，【传感器】（TransducerTransducerSensorSensor）的定义为：）的定义为：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元信

5、号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。件组成。n传感器的其他名称传感器的其他名称“发送器发送器”“”“传送器传送器”“”“变送变送器器”n传感器的功用是传感器的功用是“一感二传一感二传”，即感受被测信息，即感受被测信息并传送出去并传送出去第一节第一节 传感检测技术的地位和作用传感检测技术的地位和作用构成现代信息技术的三大支柱是：构成现代信息技术的三大支柱是：传感器技术（信息采集）；传感器技术（信息采集）；通信技术通信技术 （信息传输）；（信息传输）；计算机技术（信息处理）；计算机技术（信息处理）；它们在信息系统中分别起到它们在信息系统中分别起到 “感官感官”、“神经神经”和和“大脑

6、大脑”的作用。的作用。在利用信息的过程中首先要解决在利用信息的过程中首先要解决在利用信息的过程中首先要解决在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的信息获取准确可靠的信息获取准确可靠的信息获取准确可靠的信息，而而而而传感器传感器传感器传感器是获取信息的主要途径和手段。是获取信息的主要途径和手段。是获取信息的主要途径和手段。是获取信息的主要途径和手段。第一节第一节 传感检测技术的地位和作用传感检测技术的地位和作用传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是获取信息的主要途径与手段。传感器是获取信息的主要途径与手段。没有传感器，现代化生产就失去了基础。没

7、有传感器，现代化生产就失去了基础。传感器是边缘学科开发的先驱。传感器是边缘学科开发的先驱。传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。的传感器。可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重可见，传感器技术在发展

8、经济、推动社会进步等方面起着重要作用。要作用。传感器的需求量传感器的需求量信信信信息息息息处处处处理理理理电电电电信信信信电电电电话话话话科科科科技技技技测测测测试试试试设设设设备备备备控控控控制制制制交交交交通通通通控控控控制制制制输输输输电电电电系系系系统统统统机机机机床床床床机机机机器器器器人人人人家家家家用用用用电电电电器器器器照照照照相相相相机机机机汽汽汽汽车车车车飞飞飞飞机机机机船船船船舶舶舶舶气气气气象象象象海海海海洋洋洋洋环环环环境境境境污污污污染染染染医医医医疗疗疗疗防防防防火火火火光光光光能能能能利利利利用用用用热热热热能能能能利利利利用用用用土土土土木木木木建建建建筑筑筑

9、筑农农农农林林林林机机机机械械械械能能能能利利利利用用用用货货货货币币币币金金金金融融融融食食食食品品品品11111155551101101031034747363659598181616127277878343431 3131 314747111111707076769393616126262121242420201414需要量需要量需要量需要量楼宇自动控制系统楼宇自动控制系统 控制管理的机电设备控制管理的机电设备有：空调制冷、给水排水、有：空调制冷、给水排水、变配电系统、照明系统、电梯等等，实现以上变配电系统、照明系统、电梯等等，实现以上功能使用的传感器有：温度、湿度、液位、流功能使用的传

10、感器有：温度、湿度、液位、流量、压差、空气压力。量、压差、空气压力。安全防护安全防护防盗、防火、防燃气泄露、防盗、防火、防燃气泄露、CCDCCD（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体传感器、（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器；红外传感器、玻璃破碎传感器；第二节第二节 传感检测技术的地位和作用传感检测技术的地位和作用自动识别自动识别门禁管理系统、感应式门禁管理系统、感应式ICIC卡识卡识别、指纹识别；别、指纹识别；远程抄收与管理系统远程抄收与管理系统水、电、气、热量水、电、气、热量通过传感器设置远程自动化抄表通过传感器设置远程自动化抄表；巡更系统巡更系统保安管理保安

11、管理。第二节第二节 传感检测技术的地位和作用传感检测技术的地位和作用楼宇自动控制系统楼宇自动控制系统 门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统自动识别自动识别门禁管理系统、感应式门禁管理系统、感应式ICIC卡识卡识别、指纹识别；别、指纹识别；远程抄收与管理系统远程抄收与管理系统水、电、气、热量水、电、气、热量通过传感器设置远程自动化抄表通过传感器设置远程自动化抄表；巡更系统巡更系统保安管理保安管理。第一节第一节 传感检测技术的地位和作用传感检测技术的地位和作用楼宇自动

12、控制系统楼宇自动控制系统 门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统第一节第一节 传感检测技术的地位和作用传感检测技术的地位和作用汽车与传感器汽车与传感器 已不只局限于对已不只局限于对行驶速度、行驶距离和发动机旋转速度行驶速度、行驶距离和发动机旋转速度的监控的监控 安全监控：如汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制安全监控：如汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、排气循环装置、系统、防抱死装置、电子变速控制装置、排气循环装置、电子燃料喷射

13、装置及汽车电子燃料喷射装置及汽车“黑匣子黑匣子”等都得到了实际应等都得到了实际应用。用。汽车与传感器汽车与传感器 传感器与家用电器传感器与家用电器智能洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，智能洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度洗净度),),液位传感器，电阻传感器液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。传感器与家用电器传感器与家用电器传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用 在劳动强度大或危险作业的场所，已逐步使用机器人取代在劳动强度大或危险作业的场所，已逐步使用机器人取代人的

14、工作。人的工作。一些高速度、高精度的工作，由机器人来承担也是非常合一些高速度、高精度的工作，由机器人来承担也是非常合适的。适的。要使机器人和人的功能更为接近，这就要给机器人安装视要使机器人和人的功能更为接近，这就要给机器人安装视觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动感觉和别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动感觉和重量感觉。重量感觉。传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用 传感器在医学上的应用传感器在医学上的应用 可以对人体的表面和内部温度、可以对人体的表面和内部温度、血压、腔

15、内压力、血液及呼吸血压、腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉流量、肿瘤、血液的分析、脉搏及心音、心脑电波等进行高搏及心音、心脑电波等进行高难度的诊断难度的诊断 在早期诊断、早期治疗、远距离在早期诊断、早期治疗、远距离诊断及人工器官的研制等广泛诊断及人工器官的研制等广泛的范围内发挥作用的范围内发挥作用 传感器与环境保护传感器与环境保护 环球的大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的环球的大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和我们赖以生存的环境生态平衡和我们赖以生存的环境 为保护环境，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发为保护环境，利用传感器制成的各种环境监测仪器正

16、在发挥着积极的作用。挥着积极的作用。传感器与环境保护传感器与环境保护 使用传感器进行速度、加速度使用传感器进行速度、加速度和飞行距离的测量。和飞行距离的测量。n飞行的方向，飞行姿态、飞行的方向，飞行姿态、飞行环境、飞行器本身飞行环境、飞行器本身的状态及内部设备的监的状态及内部设备的监控也都要通过传感器进控也都要通过传感器进行检测。行检测。传感器与航空及航天传感器与航空及航天传感器与遥感技术传感器与遥感技术 从飞机、人造卫星、宇从飞机、人造卫星、宇宙飞船及船舶上对远距宙飞船及船舶上对远距离的广大区域的被测物离的广大区域的被测物体及其状态进行大规模体及其状态进行大规模探测的一门技术。探测的一门技术

17、。图为在卫星上通过遥感图为在卫星上通过遥感技术拍摄的美国空军基技术拍摄的美国空军基地。地。未来世界是个充满传感器的世界，还会有：未来世界是个充满传感器的世界，还会有：智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量）智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）智能智能第一节第一节 传感检测技术的地位和作用传感检测技术的地位和作用由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步

18、由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十分重视方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十分重视方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十分重视方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十分重视这一领域的发展。这一领域的发展。这一领域的发展。这一领域的发展。第二节第二节 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器一、传感器的组成一、传感器的组成敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路被测量电量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是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物

19、理量的元件。关系的某一物理量的元件。转换元件转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。转换成电路参量。基本转换电路基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。称转换电路），便可转换成电量输出。实实际际上上，有有些些传传感感器器很很简简单单，有有些些则则较较复复杂杂，大大多多数数是是开环系统开环系统，也有些是带反馈的，也有些是带反馈的闭环系统闭环系统。最最简简单单的的传传感感器器由由一一个个敏敏感感元元件件(兼兼转转换换元元件件)组组成成，它它感感受受被被测测量量时时直

20、直接接输输出出电电量量，如如热热电电偶偶。有有些些传传感感器器由由敏敏感感元元件件和和转转换换元元件件组组成成，没没有有转转换换电电路路，如如压压电电式式加加速速度度传传感感器器，其其中中质质量量块块m m是是敏敏感感元元件件，压压电电片片（块块）是是转转换换元元件件。有有些些传传感感器器，转转换换元元件件不不只只一一个个，要要经经过过若干次转换。若干次转换。由于空间的限制或者其他原因由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之

21、一。信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。第二节第二节 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器二、传感器的分类二、传感器的分类1.1.按被测对象分按被测对象分内部信息传感器内部信息传感器外部信息传感器外部信息传感器检测机电一体化系统内部状态检测机电一体化系统内部状态检测系统的外部环境状态检测系统的外部环境状态位置、速度、力、力矩、温度及异常变化位置、速度、力、力矩、温度及异常变化接触式：触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器接触式：触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器非接触式：视觉传感器、超声测距、激光测距非接触式：视觉传感器、超声测距、激光测距第二节第二节 机电一体化系统常

22、用传感器机电一体化系统常用传感器二、传感器的分类二、传感器的分类2.2.按工作机理分按工作机理分物性型传感器物性型传感器结构型传感器结构型传感器利用某些物质的某种性质随被测参数利用某些物质的某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的变化而变化的原理制成利用物理学中场的定律和运动定律等构利用物理学中场的定律和运动定律等构成，其被测参数变化引起传感器的结构成，其被测参数变化引起传感器的结构变化，从而使输出电量变化变化，从而使输出电量变化光电式传感器、压电式传感器光电式传感器、压电式传感器电感式传感器、电容式传感器、光栅式传感器电感式传感器、电容式传感器、光栅式传感器第二节第二节 机电一体化系统常用

23、传感器机电一体化系统常用传感器二、传感器的分类二、传感器的分类3.3.按被测物理量分按被测物理量分 这种分类方法明确地表明了传感器的用途，便于使这种分类方法明确地表明了传感器的用途，便于使用者选择。用者选择。生产厂家往往此分类。生产厂家往往此分类。如：如：位移传感器用于测量位移位移传感器用于测量位移 温度传感器用于测量温度温度传感器用于测量温度第二节第二节 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器二、传感器的分类二、传感器的分类4.4.按工作原理分按工作原理分 这种分类清楚地表明了传感器的工作原理，有利于这种分类清楚地表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和应用。传感器的设计和应用

24、。见表见表1-11-1第二节第二节 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器二、传感器的分类二、传感器的分类5.5.按传感器能量源分按传感器能量源分无源型传感器无源型传感器有源结构型有源结构型传感器传感器不需要外加电源，而是将被测量的相关不需要外加电源，而是将被测量的相关能量转换成电量输出能量转换成电量输出（能量转换型）（能量转换型）需要外加电源，才能输出电量，又称需要外加电源，才能输出电量，又称能量能量控制型控制型压电式、磁电感应式、热电式、光电式压电式、磁电感应式、热电式、光电式电阻式、电容式、电感式、霍尔式等等电阻式、电容式、电感式、霍尔式等等第二节第二节 机电一体化系统常用传感

25、器机电一体化系统常用传感器二、传感器的分类二、传感器的分类6.6.按输出信号的性质分按输出信号的性质分模拟型模拟型数字型数字型开关型开关型非接触型（如光电开关、接近开关）接触型（如微动开关、行程开关、接触开关）电阻型（电位器、电阻应变片等）电感、电容型（电感、电容式位置传感器）电压、电流型（热电偶、光电池等）计数型（脉冲或方波信号+计数器）代码型（回转编码器、磁尺等）第二节第二节 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器二、传感器的分类二、传感器的分类6.6.按输出信号的性质分按输出信号的性质分开关型传感器开关型传感器的开关就是的开关就是“1 1”和和“0 0”或开（或开（ONON）和

26、）和关（关（OFFOFF）。可以直接送到微机进行处理，比较方便）。可以直接送到微机进行处理，比较方便OFF状态ON状态输入输出设定点第二节第二节 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器二、传感器的分类二、传感器的分类6.6.按输出信号的性质分按输出信号的性质分模拟型传感器模拟型传感器的输出是与输入物理量有一定关系的电量。的输出是与输入物理量有一定关系的电量。第一节第一节 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器二、传感器的分类二、传感器的分类6.6.按输出信号的性质分按输出信号的性质分数字型传感器有计数型（数字型传感器有计数型（a a）和代码型（）和代码型（b b）第二节第二

27、节 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器二、传感器的特性及主要性能指标二、传感器的特性及主要性能指标1.1.传感器的静态特性传感器的静态特性 当传感器的输入量为常量或随时间缓慢变化的量时，当传感器的输入量为常量或随时间缓慢变化的量时，传感器的输出与输入之间的关系称为传感器的输出与输入之间的关系称为静态特性，简称静特静态特性，简称静特性。性。人们总希望输出与输入具有确定的对应关系，而且最人们总希望输出与输入具有确定的对应关系，而且最好呈线性关系。但一般输出输入不会符合所要求的线性关好呈线性关系。但一般输出输入不会符合所要求的线性关系。非线性误差系。非线性误差.同时由于存在着迟滞、蠕变

28、、摩擦、间隙和松动等因同时由于存在着迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等因素的影响，输出输入之间不一定是唯一确定的。素的影响，输出输入之间不一定是唯一确定的。传传 感感 器器温温度度湿湿度度压压力力冲冲击击振振动动电电场场磁磁场场摩摩擦擦间间隙隙松松动动迟迟滞滞蠕蠕变变变变形形老老化化误差因素误差因素外界干扰外界干扰输入输入x输出输出y=f(x)第二节第二节 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器二、传感器的特性及主要性能指标二、传感器的特性及主要性能指标1.1.传感器的静态特性传感器的静态特性第二节第二节 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器二、传感器的特性及主要性能指标二、

29、传感器的特性及主要性能指标1.1.传感器的动态特性传感器的动态特性n其输出对随时间变化的输入量的响应特性。其输出对随时间变化的输入量的响应特性。n当当被被测测量量随随时时间间变变化化，是是时时间间的的函函数数时时，则则传传感感器器的的输输出出量量也也是是时时间间的的函函数数，其其间间的的关关系系要要用用动动特特性性来表示。来表示。除除了了具具有有理理想想的的比比例例特特性性外外，输输出出信信号号将将不不会会与与输输入信号具有相同的时间函数，入信号具有相同的时间函数，n这种输出与输入间的差异就是所谓的这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差动态误差。动态测温问题实例动态测温问题实例把一支温度计从

30、温度为把一支温度计从温度为t0t0环境中迅速插入一个温度为环境中迅速插入一个温度为tt的的恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时温度计温度从恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时温度计温度从t0t0突突然上升到然上升到t t，而温度计反映出来的温度从，而温度计反映出来的温度从t0t0变化到变化到tt需要经需要经历一段时间，即有一段过渡过程。历一段时间，即有一段过渡过程。温度计反映出来的温度与介质温度计反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。温度的差值就称为动态误差。造成温度计输出波形失真和产生动态误差的原因，是温度计造成温度计输出波形失真和产生动态误差的原因，是温度计有热惯性（由传感器的比热

31、容和质量大小决定）和传热热阻，有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻，使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。这种热惯性是温度计固有的，决定了温度计测量快速温化。这种热惯性是温度计固有的，决定了温度计测量快速温度变化时会产生动态误差。度变化时会产生动态误差。动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传感器输动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说，我们在研究传感器动特性入量的变化形式有关。也就是说，我们在研究传感器动特性时，通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。

32、时，通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。动态测温问题实例动态测温问题实例第二节第二节 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器二、传感器的特性及主要性能指标二、传感器的特性及主要性能指标3.3.传感器的性能指标传感器的性能指标 传感器是非电量电测的首要环节和关键部件。传感器质传感器是非电量电测的首要环节和关键部件。传感器质量的好坏，一般通过若干个主要性能指标来表示。量的好坏，一般通过若干个主要性能指标来表示。对于不同传感器，应根据实际需要，确定主要指标参数。对于不同传感器，应根据实际需要，确定主要指标参数。有些指标可以要求低些或不予考虑。应注意稳定性指标，这样有些指标可以要

33、求低些或不予考虑。应注意稳定性指标，这样才能利用电路或微机对传感器误差进行补偿和修正，使传感器才能利用电路或微机对传感器误差进行补偿和修正，使传感器成本既低又能达到较高精度。成本既低又能达到较高精度。3.3.传感器的性能指标传感器的性能指标 各种传感器的变换原理、结构、使用目的、环境条件虽各种传感器的变换原理、结构、使用目的、环境条件虽各不相同，但对它们的主要性能要求却是一致的。这些主要各不相同，但对它们的主要性能要求却是一致的。这些主要性能要求是：性能要求是：高精度、低成本。应根据实际要求合理确定静态精度高精度、低成本。应根据实际要求合理确定静态精度与成本的关系，尽量提高精度，降低成本；与成

34、本的关系，尽量提高精度，降低成本；高灵敏度。应根据需要合理确定灵敏度；高灵敏度。应根据需要合理确定灵敏度；工作可靠；工作可靠；稳定性好，应长期工作稳定，抗腐蚀性好；稳定性好，应长期工作稳定，抗腐蚀性好；抗干扰能力强；抗干扰能力强；动态特性良好；动态特性良好；结构简单、小巧，使用维护方便，通用性强，功耗低。结构简单、小巧，使用维护方便，通用性强，功耗低。表表1-2 1-2 传感器的主要性能指标传感器的主要性能指标 传传感感器器的的输输入入/输输出出特特性性，理理论论上上的的分分析析很很复复杂杂，实实际际上上并并非非都都可可用用数数学学表表达达式式描描述述。目目前前尚尚无无全全面面可可行行的的评评

35、价价传传感感器器质质量量的的指指标标，通通常常以以基基本本参参数数和和环环境境参数作为检验、使用和评价传感器的依据。参数作为检验、使用和评价传感器的依据。传传感感器器选选用用时时切切忌忌盲盲目目追追求求各各参参数数的的高高指指标标，应应在在满满足足量量程程的的情情况况下下，只只保保证证其其主主要要参参数数性性能能指指标标，放宽对次要指标的要求，以求得到高的性价比。放宽对次要指标的要求，以求得到高的性价比。第三节第三节 传感器及检测系统基本特性的传感器及检测系统基本特性的评价指标和选用原则评价指标和选用原则一、测量范围及量程一、测量范围及量程测量范围测量范围：传感器在允许误差限内，其被测量值的范

36、围。传感器在允许误差限内，其被测量值的范围。量程量程：传感器在测量范围内的上限值和下限值之差。传感器在测量范围内的上限值和下限值之差。过载能力过载能力：在不致引起传感器的规定性能指标永久改变的条件下，在不致引起传感器的规定性能指标永久改变的条件下，传感器允许超过其测量范围的能力。传感器允许超过其测量范围的能力。过载能力通常用其允许超过测量上限（或下限）的被过载能力通常用其允许超过测量上限（或下限）的被测量值与量程的百分比表示。测量值与量程的百分比表示。二、灵敏度二、灵敏度（Sensitivity）灵敏度是指传感器输出的变化量与引起该变灵敏度是指传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。

37、化量的输入变化量之比。灵敏度误差为灵敏度误差为当检测系统各环节灵敏度分别为当检测系统各环节灵敏度分别为时，总灵敏度为时，总灵敏度为 灵敏度表示传感器或传感检测系统对被测物理量变化的灵敏度表示传感器或传感检测系统对被测物理量变化的反应能力。一般，灵敏度越高越好，但这样与测量无关的外界反应能力。一般，灵敏度越高越好，但这样与测量无关的外界噪声也容易混入。为此往往要求信噪比越大越好，即要求传感噪声也容易混入。为此往往要求信噪比越大越好，即要求传感器本身噪声小，且鲁棒性好即抗干扰能力强。器本身噪声小，且鲁棒性好即抗干扰能力强。二、灵敏度二、灵敏度（Sensitivity）线性传感器线性传感器线性传感器

38、线性传感器灵敏度是它的静态特性的斜灵敏度是它的静态特性的斜灵敏度是它的静态特性的斜灵敏度是它的静态特性的斜率，即率，即率，即率，即K K K K0 0 0 0为常数。为常数。为常数。为常数。非线性传感器非线性传感器非线性传感器非线性传感器它的灵敏度它的灵敏度它的灵敏度它的灵敏度K K K K0 0 0 0为一变量，用下为一变量，用下为一变量，用下为一变量，用下式表示。式表示。式表示。式表示。三、线性度三、线性度 线线性性度度指指其其输输出出量量与与输输入入量量之之间间的的关关系系曲曲线线偏偏离离理理想想直直线线的的程程度度。在在非非线线性性误误差差不不太太大大的的情情况况下下，通通常常采采用用

39、直直线线拟拟合合的的方方法法来来线线性性化化。这这样样，线线性性度度就就用用输输入入-输输出出关关系系曲曲线线与与拟拟合合直直线线之之间间最最大大偏偏差差与与满满量量程程输输出出的的百百分分比比来来表表示。示。常用的直线拟合方法有理论拟合、端点拟合和端点平移拟合常用的直线拟合方法有理论拟合、端点拟合和端点平移拟合等，如图所示。采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不等，如图所示。采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的线性度。同的线性度。(a)(a)理论拟合；理论拟合；(b)(b)过零旋转拟合；过零旋转拟合；(c)(c)端点连线拟合；端点连线拟合；(d)(d)端点平移拟合端点平移拟合 即使是即

40、使是同类传同类传感器感器拟合直拟合直线不同线不同其线性其线性度也是度也是不同的不同的三、线性度三、线性度四、重复性四、重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线间不一致的程度。程连续多次变动时所得特性曲线间不一致的程度。五、稳定性五、稳定性 稳定性即在相同条件、相当长时间内，其输入稳定性即在相同条件、相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力。稳定性一般以室温条输出特性不发生变化的能力。稳定性一般以室温条件下经过一定的时间间隔后，传感器的输出与起始件下经过一定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时输出的差异来表示。影

41、响传感器稳定性的因标定时输出的差异来表示。影响传感器稳定性的因素是时间和环境。素是时间和环境。零漂：零漂：传感器无输入（或某一输入值不变）时，传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值），即为零点漂移，指示值），即为零点漂移，五、稳定性五、稳定性 稳定性即在相同条件、相当长时间内，其输入稳定性即在相同条件、相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力。稳定性一般以室温条输出特性不发生变化的能力。稳定性一般以室温条件下经过一定的时间间隔后，传感器的输出与起始件下经过一定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时输出

42、的差异来表示。影响传感器稳定性的因标定时输出的差异来表示。影响传感器稳定性的因素是时间和环境。素是时间和环境。温漂：温漂：表示温度变化时，传感器输出值的偏离程表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化度。一般以温度变化11时，输出最大偏差与满量时，输出最大偏差与满量程的百分比表示。程的百分比表示。六、精确度六、精确度 精确度有时简称精度。它表示传感器的输出结精确度有时简称精度。它表示传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度，是测量值的果与被测量的实际值之间的符合程度，是测量值的精密程度与准确程度的综合反映。精密程度与准确程度的综合反映。传感器的精度表示传感器在规定条件下允许的

43、传感器的精度表示传感器在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分比，最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分比，在应用中，为了简化传感器的精度的表示方在应用中，为了简化传感器的精度的表示方法，引用了精度等级的概念，分为：法，引用了精度等级的概念，分为：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等级越小精度。精度等级越小精度越高越高 七、动态特性七、动态特性 传感器的动态特性反映了传感器对于随时间变化传感器的动态特性反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性。传感器的响应特性必须在所的动态量的响应特性。传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不失

44、真。此外，实际传感器测频率范围内努力保持不失真。此外，实际传感器的响应总有一定延迟，但总希望延迟时间越短越好。的响应总有一定延迟，但总希望延迟时间越短越好。一般地，利用光电效应、压电效应等物性传感一般地，利用光电效应、压电效应等物性传感器，响应时间短，工作频率范围宽。而结构型，如器，响应时间短，工作频率范围宽。而结构型，如电感、电容、磁电式传感器等，由于受到结构特性电感、电容、磁电式传感器等，由于受到结构特性的影响，往往由于机电一体化系统惯性质量的限制，的影响，往往由于机电一体化系统惯性质量的限制，其固有频率低。其固有频率低。八、环境参数八、环境参数 环境参数主要指传感器允许使用的工作温度范环

45、境参数主要指传感器允许使用的工作温度范围以及环境压力、环境振动和冲击等引起的环境压围以及环境压力、环境振动和冲击等引起的环境压力误差、环境振动误差和冲击误差等。选用传感器力误差、环境振动误差和冲击误差等。选用传感器时应充分考虑抗环境干扰的能力。时应充分考虑抗环境干扰的能力。此外，传感器在实际应用时的工作方式，也是此外，传感器在实际应用时的工作方式，也是选用传感器时应考虑的重要因素。例如接触测量和选用传感器时应考虑的重要因素。例如接触测量和非接触测量；在线测量与离线测量等。工作方式不非接触测量；在线测量与离线测量等。工作方式不同对传感器要求也不同。同对传感器要求也不同。八、环境参数八、环境参数接

46、触式测量接触式测量 八、环境参数八、环境参数非接触式测量非接触式测量 例：雷达测速例：雷达测速八、环境参数八、环境参数离线测量离线测量 产品质量检验产品质量检验八、环境参数八、环境参数在线测量在线测量 在流水线上，边加工，边检验，可提高产在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。品的一致性和加工精度。第四节第四节 传感器的标定与校准传感器的标定与校准标定：标定：在明确传感器输入在明确传感器输入/输出变换关系的前提下，输出变换关系的前提下，利用某种标准器具产生已知的标准非电量（或其利用某种标准器具产生已知的标准非电量（或其它标准量）输入，确定其输出电量与其输入量之它标准量）输入，

47、确定其输出电量与其输入量之间关系的过程，称为间关系的过程，称为标定标定。校准：校准：传感器在使用前或使用过程中或搁置一段时间传感器在使用前或使用过程中或搁置一段时间再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以确保传感器的测量精度。这个的调整与修正，以确保传感器的测量精度。这个复测过程叫做复测过程叫做校准校准。第四节第四节 传感器的标定与校准传感器的标定与校准传感器的标定系统组成：传感器的标定系统组成：被测非电量的标准发生器（如量块、砝码、恒温源）或被测非电量的标准发生器（如量块、砝码、恒温源）或被测非电量的标准测试系统（如标准压力传感器、

48、标准被测非电量的标准测试系统（如标准压力传感器、标准力传感器、标准温度计等）；力传感器、标准温度计等）；待标定传感器；待标定传感器；它所配接的信号调节器及显示、记录器等，所配接的仪器它所配接的信号调节器及显示、记录器等，所配接的仪器设备亦作为标准测试设备使用，其精度已知。设备亦作为标准测试设备使用，其精度已知。第四节第四节 传感器的标定与校准传感器的标定与校准为确保各种量值准为确保各种量值准确一致，应按国家确一致，应按国家有关计量部门规定有关计量部门规定的标准、检定规程的标准、检定规程和管理办法进行标和管理办法进行标定。定。第四节第四节 传感器的标定与校准传感器的标定与校准只能按此系统用上只能

49、按此系统用上一级标准装置检定一级标准装置检定下一级传感器及配下一级传感器及配套仪表；套仪表；如果待标定传感器如果待标定传感器精度较高，也可以精度较高，也可以跨级使用更高一级跨级使用更高一级的标准装置。的标准装置。第四节第四节 传感器的标定与校准传感器的标定与校准一、传感器的静态标定一、传感器的静态标定 传感器的静态标定设备（标准值发生器）有：传感器的静态标定设备（标准值发生器）有：力标定设备（如测力砝码、拉压式测力计）力标定设备（如测力砝码、拉压式测力计）压力标定设备（水银压力计、麦氏真空计）压力标定设备（水银压力计、麦氏真空计）温度标定设备（铂电阻温度计、铂铑温度标定设备（铂电阻温度计、铂铑

50、-铂热电偶）铂热电偶）静态标定是给传感器输入已知不变的标准非电量，测出静态标定是给传感器输入已知不变的标准非电量，测出其输出，给定标准曲线、标定方程和标定常数，计算其灵敏其输出，给定标准曲线、标定方程和标定常数，计算其灵敏度、线性度、滞差、重复性等传感器的静态指标度、线性度、滞差、重复性等传感器的静态指标第四节第四节 传感器的标定与校准传感器的标定与校准一、传感器的静态标定一、传感器的静态标定 对传感器进行静态标定时，首先要建立静态标定系统。对传感器进行静态标定时，首先要建立静态标定系统。例如应变式测力传感器静态标定系统。例如应变式测力传感器静态标定系统。第四节第四节 传感器的标定与校准传感器