传感器技术1

第一章 绪论

1.1 传感器与检测技术的概念

1.1.1

测试技术在机械工业中的作用

测试是具有试验性质的测量，包含测量和试验两方面，测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。

人类对客观世界的认识和改造活动总是以测试工作为基础的；测试技术积累原始数据为工程设计和研究提供重要解决问题的依据；测试技术促进了机械工业发展，增加系统的可靠性、高精度和高性能，使之走向柔性化、集成化和智能化。

1.1.2

测试工作的任务

测试工作的任务是为了获取研究对象的状态、运动和特征等方面的信息。

1.1.3

测试系统的组成

测试系统由一些不同功能的环节组成，这些环节保证了由获取信号到提供观测的最必要的信号流程功能。如下图：

被测量 敏感元件 转换元件 转换电路 电量 传感器环节：将被测系统或测试过程中需要观测的信号转换为人们熟知的各种信号。 信号变换环节：对传感器信号进行加工处理过程。

现实与记录环节：将所测信号变为一种能为人们所理解的形式，以供人们观测与分析。

1.2 传感器的定义、组成、分类及要求

1.2.1

传感器的概念

传感器：能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置；

传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量； 传感器功能：检测和转换；

1.2.2

传感器的定义及组成

传感器是一种以一定得精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的另一种量的测量装置

辅助电源图1.2 传感器的组成被测量敏感元件基本部分弱信号转换元件信号调节与转换电路输出

敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件，并输出与被测量成确定关系的某一种量的元件。

转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号的部分。 转换电路则是传感器电量输出部分。

1.2.3

传感器的分类

按传感器的构成进行分类：物性型和结构型。

按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等。 按传感器的输出量进行分类：模拟式和数字式。 按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型。

按传感器的工作原理进行分类：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器等。 按传感器的能量变换关系进行分类：有源（能量控制型）、无源（能量变换型）。

1.2.4

对传感器的一般要求

对传感器的要求：高精度、线性度好－＞信号（或能量）无失真转换输出信号信噪比高（这要求其内噪声低，同时不应引入外噪声）－＞滞后、漂移小－＞特性的复现性好、具有相互性－＞动态性能好－＞对测量对象影响小，即负载效应较低－＞反映被测量的原始特征。

1.3 传感器与测试技术的地位、应用及发展趋势

1.3.1

传感器与检测技术的地位与应用

传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，及检查与控制系统之首，因此，传感器成为感知、获取与检查信号的窗口，一切科学研究与自动化生产过程都要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。

传感器技术的发展是一些边缘科学研究和高新技术开发的先驱；在工业和国防领域，传感器更是有用武之地，高度自动化工厂、设备、装置或系统都是传感器的大集合地；随着传感器技术的大力发展，它已经浸入人们生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防护、家用电器等方面，且在不断的扩大。

1.3.2

传感器发展的新趋势

社会发展对传感器需求的新动向：”电五官”落后于”电脑”的现状，已成为微型计算机进一步发展的一大障碍；许多有竞争力的新产品和卓有成效的技术改造都离不开传感器；传感器的应用直接带来了明显的经济与社会效益；传感器普遍与用于社会各个领域，将带来好的销售前景。

开展基础理论研究：寻找新原理、开发新材料、采用新工艺、探索新功能、高性能、多功能、低成本、小型化传感器。 传感器的集成化：

一是具有同样功能的传感器集成化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，形成一维的线性传感器，从而使一个点的测量变成对一个面和空间的测量。 二是不同功能的传感器集成化，即将具有不同功能的传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件，从而使一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数。 传感器的智能化：传感器与微处理器的结合：检测、信息处理、逻辑判断、自诊断等。 智能化的作用：提高精度、增加功能、提高自动化程度、传感器的网络化。 传感器的网络化：主要表现为两个方面

一是为了解决现场总线的多样性问题，IEEE 1451.2工作组建立了智能传感器接口模块（STIM）标准。

二是以IEEE 802.15.4（Zigbee）为基础的无线传感器网络技术得以迅速发展。 研究生物感官，开发仿生传感器。

本章小结

传感器与测试技术随着科技的发展在机械工业中起着越来越关键的作用，测试工作的任务是获取研究中观察者感兴趣的某些信息，这些信息是以信号的形式表现出来的，测试系统有传感器、信号变换、显示记录等环节构成，能完成给定的测试任务，传感器是测试系统的第一环节，一般由敏感元件、转换元件及转换电路三个部分组成，传感器可按其工作机理、能量转换、物理原理、输入量、输出量进行分类，为满足测试需要，对传感器的性能提出来灵敏度、动态性能等方面的一般要求，传感器在工业、国防等方面应用越来越广泛，所处的地位越来越重要，传感器的发展趋势是新型化、集成化和多功能化、智能化及开发仿生传感器。

思考题

1. 什么是测试、信号、信息、传传感器？ 2. 简述测试工作的任务

3. 画出测试系统的组成框图，并说明各组成部分的作用。

4. 传感器的工作原理、能量转换方式、输入量及物理原理四种方法，传感器

分别是如何分类？

5. 为满足测试需要，对传感器的一般要求有哪些？

作业题

一、填空：（20分） 1、

测量系统的静态特性指标主要有

。（2分） 2、

霍尔元件灵敏度的物理意义是

。（2分）

3、光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下

效应,这类元件有 ；第二类是利用在光线作用下 效应，这类元件有 ；第三类是利用在光线作用下 效应，这类元件有 。

4.热电偶所产生的热电势是 电势和 电势组成的，其表达式为Eab（T，To）

= 。在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在 和 之间，接入 ，它的作用 。

5.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起 ，这种现象称为 。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生 ，这种现象称为 。（2分） 6. 变气隙式自感法感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）（2分）

7. 仪表的精度等级是用仪表的（① 相对误差 ② 绝对误差 ③ 引用误差）来表示的。（2分）

8. 电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（① 变面积型 ② 变极距型 ③ 变介电常数型）外是线性的。（2分）

9. 电位器传器的（线性），假定电位器全长为Xmax, 其总电阻为Rmax，它的滑臂间的阻值可以用Rx = （① Xmax/x Rmax,②x/Xmax Rmax,③ Xmax/XRmax ④X/XmaxRmax）来计算，其中阻灵敏度Rr=（① 2p(b+h)/At, ② 2pAt/b+h, ③ 2A(b+b)/pt, ④ 2Atp(b+h)）。（4分）

二、用镍铬-镍硅势电偶测量某低温箱温度，把热电偶直接与电位差计相连接。在某时刻，从电位差计测得热电热为-1.19mv，此时电位差计所处的环境温度为15℃，试求该时刻温箱