传感器技术第一章-概论1课件.ppt

1、光纤光栅位移计光纤光栅位移计索尼索尼700700采用的新型采用的新型CMOSCMOS传感器传感器2022年年7月月26日星期二日星期二2022年年7月月26日星期二日星期二一一 传感器的概念与发展传感器的概念与发展 1 11 1 传感器基本概念传感器基本概念 传感器（传感器（transducer/sensortransducer/sensor）的）的定义定义是：是：能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。元件组成。其中，敏感元件其中，敏感元件（sensing

2、 elementsensing element）是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件转换元件（transducer elementtransducer element）是指传感器中）是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号以及其它某种可用信号的部分。输或测量的电信号以及其它某种可用信号的部分。2022年年7月月26日星期二日星期二 传感器传感器狭义地定义狭义地定义为：能把外界为：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。非电信息转换成电信号输出的器件。可以预料，当人类跨

3、入光子时代，光可以预料，当人类跨入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念将随之发展的可用信号时，传感器的概念将随之发展成为：能把外界信息转换成光信号输出的成为：能把外界信息转换成光信号输出的器件。器件。2022年年7月月26日星期二日星期二 传感器的任务就是感知与测量。在人传感器的任务就是感知与测量。在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。的角色。在在1818世纪产业革命以前，传感技术由世纪产业革命以前，传感

4、技术由人的感官实现：人的感官实现：人观天象而仕农耕，察火人观天象而仕农耕，察火色以冶铜铁。色以冶铜铁。从从1818世纪产业革命以来，特别是在世纪产业革命以来，特别是在2020世纪信息革命中，传感技术越来越多地由世纪信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官，即工程传感器来实现。人造感官，即工程传感器来实现。2022年年7月月26日星期二日星期二 目前，工程传感器应用如此广泛，以至可目前，工程传感器应用如此广泛，以至可以说任何机械电气系统都离不开它。现代以说任何机械电气系统都离不开它。现代工业、现代科学探索、特别是现代军事都工业、现代科学探索、特别是现代军事都要依靠传感器技术。要依靠传感器技术。一

5、个大国如果没有自身传感技术的不一个大国如果没有自身传感技术的不断进步，必将处处被动。断进步，必将处处被动。2022年年7月月26日星期二日星期二 现代技术的发展，创造了多种多样的工程传感器。现代技术的发展，创造了多种多样的工程传感器。工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知工程传感器可以轻而易举地测量人体所无法感知的量，如紫外线、红外线、超声波、磁场等。的量，如紫外线、红外线、超声波、磁场等。从这个意义上讲，工程传感器超过人的感官能力。从这个意义上讲，工程传感器超过人的感官能力。有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测，但有些量虽然人的感官和工程传感器都能检测，但工程传感器测量得工程传感器测量

6、得更快、更精确。更快、更精确。例如虽然人眼和光传感器都能检测可见光，进行例如虽然人眼和光传感器都能检测可见光，进行物体识别与测距，但是人眼的视觉残留约为物体识别与测距，但是人眼的视觉残留约为0 01s1s，而光晶体管的响应时间可短到纳秒以下；人眼的而光晶体管的响应时间可短到纳秒以下；人眼的角分辨率为角分辨率为1 1，而光栅测距的精确度可达，而光栅测距的精确度可达1”1”；激光定位的精度在月球距离激光定位的精度在月球距离3 3104km104km范围内可达范围内可达10cm10cm以下；以下；2022年年7月月26日星期二日星期二 工程传感器可以把人所不能看到的物体通过数据工程传感器可以把人所不

7、能看到的物体通过数据处理变为视觉图像。处理变为视觉图像。CTCT技术就是一个例子，它把技术就是一个例子，它把人体的内部形貌用断层图像显示出来，其他的例人体的内部形貌用断层图像显示出来，其他的例子还有遥感技术。子还有遥感技术。但是目前工程传感器在以下几方面还远比不上人但是目前工程传感器在以下几方面还远比不上人类的感官：多维信息感知、多方面功能信息的感类的感官：多维信息感知、多方面功能信息的感知功能、对信息变化的微分功能、信息的选择功知功能、对信息变化的微分功能、信息的选择功能、学习功能、对信息的联想功能、对模糊量的能、学习功能、对信息的联想功能、对模糊量的处理能力以及处理全局和局部关系的能力。这

8、正处理能力以及处理全局和局部关系的能力。这正是今后传感器智能化的一些发展方向。是今后传感器智能化的一些发展方向。2022年年7月月26日星期二日星期二 随着信息科学与微电子技术，特别是微型随着信息科学与微电子技术，特别是微型计算机与通信技术的迅猛发展，近期传感计算机与通信技术的迅猛发展，近期传感器的发展走上了与微处理器内微型计算机器的发展走上了与微处理器内微型计算机相结合的必由之路，智能（化）传感器的相结合的必由之路，智能（化）传感器的概念应运而生。概念应运而生。传感器技术传感器技术，则是涉及传感（检测）原理、，则是涉及传感（检测）原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合传感器件设计、传感器

9、开发和应用的综合技术，因此传感器技术涉及多学科交叉研技术，因此传感器技术涉及多学科交叉研究。究。2022年年7月月26日星期二日星期二12 传感器的构成与分类传感器的构成与分类 传感器一般由敏感元件、转换元件、调理电路组传感器一般由敏感元件、转换元件、调理电路组成。成。敏感元件敏感元件是构成传感器的核心，是指能直接感测是构成传感器的核心，是指能直接感测或响应被测量的部件。或响应被测量的部件。转换元件转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这的被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这种输出信号以电量的形式出现。种输出信号

10、以电量的形式出现。调理电路调理电路是把传感元件输出的电信号转换成便于是把传感元件输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信号所涉及的处理、控制、记录和显示的有用电信号所涉及的有关电路。有关电路。2022年年7月月26日星期二日星期二图图 1-1 为传感器组成框图：为传感器组成框图：图图 1-1 传感器组成框图传感器组成框图转 换转 换元元 件件敏 感敏 感元元 件件调 理调 理电电 路路 辅助电源辅助电源被测量被测量电量电量2022年年7月月26日星期二日星期二 传感器主要按其传感器主要按其工作原理和被测量工作原理和被测量来分类。来分类。传感器按其工作原理，一般可分为传感器按其工作

11、原理，一般可分为物理型、化学物理型、化学型和生物型型和生物型三大类；三大类；按被测量按被测量输入信号分类，一般可以分为温度、输入信号分类，一般可以分为温度、压力、流量、物位、加速度、速度、位移、转速、压力、流量、物位、加速度、速度、位移、转速、力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。传感器按其工作原理分类便于学习研究，把握本传感器按其工作原理分类便于学习研究，把握本质与共性；质与共性；按被测量来分类，能很方便地表示传感器的功能，按被测量来分类，能很方便地表示传感器的功能，便于选用。便于选用。本书的编排主要是按其工作原理分类，最后安排本书的编排主要是按其工作原理分类，最后

12、安排一章参数检测内容从被测量角度讨论传感器原理一章参数检测内容从被测量角度讨论传感器原理应用。应用。2022年年7月月26日星期二日星期二 物理型传感器物理型传感器又可分为又可分为结构型传感器和物性型传结构型传感器和物性型传感器感器。物性传感器是利用某些功能材料本身所具有的内物性传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应感受被测量，并转换成电信号的传在特性及效应感受被测量，并转换成电信号的传感器。在物性传感器中，敏感元件与转换元件合感器。在物性传感器中，敏感元件与转换元件合为一体，一次完成为一体，一次完成“被测非电量一有用电量被测非电量一有用电量”的的直接转换。直接转换。结构型传感器是

13、以结构为基础，利用某些物理规结构型传感器是以结构为基础，利用某些物理规律来感受被测量，并将其转换成电信号的传感器。律来感受被测量，并将其转换成电信号的传感器。这里需要加入转换元件，实现这里需要加入转换元件，实现“被测非电量被测非电量有有用非电量用非电量有用电量有用电量”的间接转换。的间接转换。2022年年7月月26日星期二日星期二 按照敏感元件输出能量的来源又可以把传感器分按照敏感元件输出能量的来源又可以把传感器分成如下三类：成如下三类：（1 1）自源型）自源型 为仅含有转换元件的最简单、最基为仅含有转换元件的最简单、最基本的传感器构成型式。此型式的特点是，不需外本的传感器构成型式。此型式的特

14、点是，不需外能源；其转换元件具有从被测对象直接吸取能量，能源；其转换元件具有从被测对象直接吸取能量，并转换成电量的电效应；但输出能量较弱，如热并转换成电量的电效应；但输出能量较弱，如热电偶、压电器件等。电偶、压电器件等。（2 2）带激励源型）带激励源型 它是转换元件外加辅助能源它是转换元件外加辅助能源的构成型式。这里的辅助能源起激励作用，它可的构成型式。这里的辅助能源起激励作用，它可以是电源，也可以是磁源。如某些磁电式和霍尔以是电源，也可以是磁源。如某些磁电式和霍尔等电磁感应式传感器即属此型。特点是：不需要等电磁感应式传感器即属此型。特点是：不需要变换（测量）电路即可有较大的电量输出。变换（测

15、量）电路即可有较大的电量输出。2022年年7月月26日星期二日星期二（3 3）外源型）外源型 由利用被测量实现阻抗变化的转由利用被测量实现阻抗变化的转换元件构成，它必须通过外电源经过测量电路在换元件构成，它必须通过外电源经过测量电路在转换元件上加入电压或电流，在才能获得电量输转换元件上加入电压或电流，在才能获得电量输出。这些电路又称出。这些电路又称“信号调理与转换电路信号调理与转换电路”。常。常用的如电桥。放大器。振荡器、阻抗变换器和脉用的如电桥。放大器。振荡器、阻抗变换器和脉冲调宽电路等。冲调宽电路等。自源型和带激励源型，由于其转换元件起着能量自源型和带激励源型，由于其转换元件起着能量转换的

16、作用，故谓转换的作用，故谓“能量转换型传感器能量转换型传感器”，外源，外源型又称能量控制型。型又称能量控制型。能量转换型传感器中用到的物理效应有：压电效能量转换型传感器中用到的物理效应有：压电效应、磁致伸缩效应、热释电效应、光电动势效应、应、磁致伸缩效应、热释电效应、光电动势效应、光电放射效应、热电效应、光子滞后效应等等。光电放射效应、热电效应、光子滞后效应等等。2022年年7月月26日星期二日星期二 能量转换型传感器中用到的物理效应有：应变电能量转换型传感器中用到的物理效应有：应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电阻效应、霍阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电阻效应、霍尔效应、约瑟夫逊效应以及阻

17、抗（电阻、电容、尔效应、约瑟夫逊效应以及阻抗（电阻、电容、电感）几何尺寸的控制等等。电感）几何尺寸的控制等等。对传感器的基本要求如下：对传感器的基本要求如下：（1 1）足够的容量足够的容量传感器的工作范围或量程足够传感器的工作范围或量程足够大；具有一定过载能力。大；具有一定过载能力。（2 2）灵敏度高，精度适当灵敏度高，精度适当即要求其输出信号与即要求其输出信号与被测输人信号成确定关系（通常为线性），且比被测输人信号成确定关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。能满足要求。2022年年7月月26日星期二日星期二（3

18、 3）响应速度快，工作稳定、可靠性好。响应速度快，工作稳定、可靠性好。（4 4）适用性和适应性强适用性和适应性强体积小，重量轻，动作体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。用或标准形式，以便与系统对接。（5 5）使用经济使用经济成本低，寿命长，且便于使用、成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。维修和校准。2022年年7月月26日星期二日星期二表表1 传感器的分类传感器的分类分分 类类 法法型型 式式说说 明明按构成基

19、本效应分按构成基本效应分物理型、物理型、化学型、生物型化学型、生物型分别以转换中的物理效应、化学效应等命名分别以转换中的物理效应、化学效应等命名按构成原理分按构成原理分结构型结构型以其转换元件结构参数特性变化实现信号转换以其转换元件结构参数特性变化实现信号转换物性型物性型以其转换元件物理特性变化实现信号转换以其转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分按能量关系分能量转换型能量转换型传感器输出量直接由被测量能量转换而得传感器输出量直接由被测量能量转换而得能量控制型能量控制型传感器输出量能量由外源供给传感器输出量能量由外源供给,但受被测输入量但受被测输入量控制控制按作用原理分按作用原理分应变式

20、、电容式、应变式、电容式、压电式、热电式等压电式、热电式等以传感器对信号转换的作用原理命名以传感器对信号转换的作用原理命名按输入量分按输入量分位移、压力、温度、位移、压力、温度、流址、气体等流址、气体等以被测量命名（即按用途分类法）以被测量命名（即按用途分类法）按输出量分按输出量分模拟式模拟式输出量为模拟信号输出量为模拟信号数字式数字式输出量为数字信号输出量为数字信号2022年年7月月26日星期二日星期二13 传感器技术的发展趋势传感器技术的发展趋势（一）传感器的集成化和微型化（一）传感器的集成化和微型化 所谓集成化，就是在同一芯片上，或将众多同类所谓集成化，就是在同一芯片上，或将众多同类型的

21、单个传感器件集成为一维、二维阵列型传感型的单个传感器件集成为一维、二维阵列型传感器，或将传感器件与调理、补偿等处理电路集成器，或将传感器件与调理、补偿等处理电路集成一体化。前一种集成化使传感器在可见光图像传一体化。前一种集成化使传感器在可见光图像传感器、电容指纹传感器中已经实现，并正在向更感器、电容指纹传感器中已经实现，并正在向更高密度发展。目前高密度发展。目前,在红外成像信号检测领域在红外成像信号检测领域,世世界各国都热衷于二维混合红外焦平面阵列界各国都热衷于二维混合红外焦平面阵列IRFPAs(InfraredIRFPAs(Infrared Focal-Plane Arrays),Focal

22、-Plane Arrays),结构结构如图如图1-21-2所示。后一种集成化传感器将处理电路集所示。后一种集成化传感器将处理电路集成一体化，极大地方便了使用。目前市场上已有成一体化，极大地方便了使用。目前市场上已有多种中低精度的产品，但高精度集成化传感器仍多种中低精度的产品，但高精度集成化传感器仍有待研发。有待研发。2022年年7月月26日星期二日星期二图图 1-2 二维混合红外焦平面阵列二维混合红外焦平面阵列2022年年7月月26日星期二日星期二（二）传感器的数字化与智能化（二）传感器的数字化与智能化 为了使传感器与计算机直接相连接，发展数字化传感器是为了使传感器与计算机直接相连接，发展数字

23、化传感器是很重要的。数字技术是信息技术的基础，数字化又是智能很重要的。数字技术是信息技术的基础，数字化又是智能化的前提，智能式传感器离不开传感器的数字化。化的前提，智能式传感器离不开传感器的数字化。所谓智能化传感器（所谓智能化传感器（Smart SensorsSmart Sensors）是以专用微处理器）是以专用微处理器控制的、具有双向通信功能的传感器系统。它不仅具有信控制的、具有双向通信功能的传感器系统。它不仅具有信号检测、转换和处理功能，同时还具有存储、记忆、自补号检测、转换和处理功能，同时还具有存储、记忆、自补偿、自诊断等多种功能。按构成模式，智能式传感器有分偿、自诊断等多种功能。按构成

24、模式，智能式传感器有分立模块式和集成一体式之分。立模块式和集成一体式之分。预计未来的预计未来的1010年，传感器智能化将首先发展成由硅微传感年，传感器智能化将首先发展成由硅微传感器、微处理器、微执行器和接口电路等多片模块组成的闭器、微处理器、微执行器和接口电路等多片模块组成的闭环传感器系统。如果通过集成技术进一步将上述多片相关环传感器系统。如果通过集成技术进一步将上述多片相关模块全部制作在一个芯片上形成单片集成，就可形成更高模块全部制作在一个芯片上形成单片集成，就可形成更高级的智能传感器了。级的智能传感器了。2022年年7月月26日星期二日星期二新型片式汽车尾气传感器新型片式汽车尾气传感器G

25、G系列新型传感器系列新型传感器2022年年7月月26日星期二日星期二2022年年7月月26日星期二日星期二2022年年7月月26日星期二日星期二新型接近开关传感器新型接近开关传感器2022年年7月月26日星期二日星期二还有两点要特别指出：还有两点要特别指出：第一第一，固态功能材料（如半导体、电介质、超导体等）固态功能材料（如半导体、电介质、超导体等）的进一步开发，以及集成技术、微机械加工技术的不断完的进一步开发，以及集成技术、微机械加工技术的不断完善，为传感器的集成化、微型化和智能化开辟了广阔的前善，为传感器的集成化、微型化和智能化开辟了广阔的前景。如今，传感器的发展有一股强劲的势头，这就是正

26、在景。如今，传感器的发展有一股强劲的势头，这就是正在摆脱传统的结构设计与生产，而转向优先选用硅材料，以摆脱传统的结构设计与生产，而转向优先选用硅材料，以微机械加工技术为基础，以仿真程序为工具的微结构设计，微机械加工技术为基础，以仿真程序为工具的微结构设计，来研制各种敏感机理的集成化、阵列化、智能化硅微传感来研制各种敏感机理的集成化、阵列化、智能化硅微传感器。这一现代传感器技术国外称之为器。这一现代传感器技术国外称之为“专用集成微型传感专用集成微型传感器技术器技术”ASIMASIM（Application specific integrated Application specific inte

27、grated microtransducermicrotransducer）。这种硅微传感器一旦付诸实用，将）。这种硅微传感器一旦付诸实用，将对众多高科技领域对众多高科技领域特别是航空航天、遥感遥测、环境特别是航空航天、遥感遥测、环境保护、生物医学和工业自动化领域有着重大的影响。保护、生物医学和工业自动化领域有着重大的影响。2022年年7月月26日星期二日星期二 第二，第二，微传感器网络正在研究。随着通信技术、微传感器网络正在研究。随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型具有感知能力、计算

28、能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注器构成的传感器网络引起了人们的极大关注.这种这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息监测对象的信息,并对这些信息进行处理并对这些信息进行处理,获得详获得详尽而准确的信息尽而准确的信息,传送到需要这些信息的用户。传传送到需要

29、这些信息的用户。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。传感器感器网络是信息感知和采集的一场革命。传感器网络作为一个全新的研究领域网络作为一个全新的研究领域,在基础理论和工程在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。研究课题。2022年年7月月26日星期二日星期二（三）开发新型传感器（三）开发新型传感器 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感

30、器件，这是发展高性能、出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。其中利用量多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。其中利用量子力学诸效应研制的高灵敏阈传感器，用来检测极微弱信子力学诸效应研制的高灵敏阈传感器，用来检测极微弱信号，是传感器技术发展的新趋势之一。例如：利用核磁共号，是传感器技术发展的新趋势之一。例如：利用核磁共振吸收效应的磁敏传感器，可将检测限扩展到地磁强度的振吸收效应的磁敏传感器，可将检测限扩展到地磁强度的10102 2；利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测量；利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测量10106K6K的超低温；

31、以及由于光子滞后效应的利用，出现了的超低温；以及由于光子滞后效应的利用，出现了响应速度极快的红外传感器，等等。响应速度极快的红外传感器，等等。利用化学效应和生物效应开发的可供实用的生物传感器正利用化学效应和生物效应开发的可供实用的生物传感器正在引起关注。生物传感器对信息的高选择性和灵敏度吸引在引起关注。生物传感器对信息的高选择性和灵敏度吸引众多科学人员从多方面开展研究。众多科学人员从多方面开展研究。传感器今后的研发工作主要在开展基础研究、扩大传感器传感器今后的研发工作主要在开展基础研究、扩大传感器的功能与应用范围两个大方面。的功能与应用范围两个大方面。2022年年7月月26日星期二日星期二二二

32、 传感器技术基础传感器技术基础2 21 1 传感器的特性与指标传感器的特性与指标 2 21 11 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输入量各个值静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出处于稳定状态时的输出输入关系，研输入关系，研究静态特性主要考虑其非线性、滞后、重究静态特性主要考虑其非线性、滞后、重复、灵敏度、分辨力等方面。复、灵敏度、分辨力等方面。2022年年7月月26日星期二日星期二 1 线性度线性度 线性度又称非线性，是表征传感器输出线性度又称非线性，是表征传感器输出输入输入校准曲线与所选定的拟合直线（作为工作直线）校准曲线与所选定的拟合直线（

33、作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。通常用相对之间的吻合（或偏离）程度的指标。通常用相对误差来表示线性度或非线性误差，即误差来表示线性度或非线性误差，即 式式(2-1)(2-1)式中式中 L Lmaxmax输出平均值与拟合直线间的最大输出平均值与拟合直线间的最大偏差；偏差；y yF F。S S。理论满量程输出值。理论满量程输出值。%100.maxyLeSFL2022年年7月月26日星期二日星期二 传感器的输出传感器的输出输入关系或多或少地存在非线输入关系或多或少地存在非线性问题，在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素性问题，在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静特性可用下列多项

34、式代数方程表的情况下，其静特性可用下列多项式代数方程表示：示：式（式（2-22-2）式中式中 y y 输出量；输出量；x x 输入量；输入量；零点输出；零点输出；理论灵敏度；理论灵敏度；非线性项系数非线性项系数nnxaxaxaxaay3322100a1anaaa,322022年年7月月26日星期二日星期二 各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。静各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。静态特性曲线可实际测试获得，在非线性误差不太态特性曲线可实际测试获得，在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的方法来线性化。大的情况下，总是采用直线拟合的方法来线性化。显然，选定的拟合直线不同，计算所得的

35、线性度显然，选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小数值也就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差，并考虑使用与计算方便。的非线性误差，并考虑使用与计算方便。下面介绍几种目前常用的下面介绍几种目前常用的拟合方法拟合方法：2022年年7月月26日星期二日星期二（1）理论直线法理论直线法 以传感器的理论特性线作为以传感器的理论特性线作为拟合直线，它与实际测试值无关。优点是简单、拟合直线，它与实际测试值无关。优点是简单、方便，但通常方便，但通常LmaxLmax很大。很大。（2 2）端点线法端点线法 以传感器校准曲线两端点间的连以传感器校准曲线两端点间的连

36、线作为拟合直线。其方程式为线作为拟合直线。其方程式为 式（式（2-3）式中式中 b和和k分别为截距和斜率，这种方分别为截距和斜率，这种方法也很简便，但通常法也很简便，但通常Lmax也很大。也很大。kxbykxby2022年年7月月26日星期二日星期二（3）“最佳直线最佳直线”法法 这种方法以这种方法以“最佳直线最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正、负偏差相等并且最小，由此所准曲线对它的正、负偏差相等并且最小，由此所得的线性度称为得的线性度称为“独立线性度独立线性度”。显然，这种方。显然，这种方法的拟合精度最高。通常情况下，

37、法的拟合精度最高。通常情况下，“最佳直线最佳直线”只能用图解法或通过计算机解算来获得。只能用图解法或通过计算机解算来获得。（4）最小二乘法）最小二乘法 这种方法按最小二乘原理求这种方法按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。差平方和最小。最小二乘法的拟合精度很高，但校准曲线相对拟最小二乘法的拟合精度很高，但校准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最小，最大正、合直线的最大偏差绝对值并不一定最小，最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。负偏差的绝对值也不一定相等。2022年年7月月26日星期二日星期二几种不同的拟合方法如图

38、几种不同的拟合方法如图2-1所示所示（a a）理论直线法）理论直线法2022年年7月月26日星期二日星期二（b b）端点线法）端点线法 2022年年7月月26日星期二日星期二（c c）“最佳直线最佳直线”法法 2022年年7月月26日星期二日星期二 2 回差（滞后）（回差（滞后）（Hysteresis）回差回差是反映传感器在正（输人量增大）反（输入是反映传感器在正（输人量增大）反（输入量减小）行程过程中输出量减小）行程过程中输出输入曲线的不重合输入曲线的不重合程度的指标。通常用正反行程输出的最大差值程度的指标。通常用正反行程输出的最大差值HmaxHmax计算，并以相对值表示（见图计算，并以相对

39、值表示（见图2-22-2）。）。%100.maxyHeSFH式（式（2-42-4）2022年年7月月26日星期二日星期二图图22 回差（滞后）特性回差（滞后）特性2022年年7月月26日星期二日星期二3 重复性（重复性（Repeatability）重复性重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性越好。重复性越好。重复性误差反映的是校准数据的离散程度，属随重复性误差反映的是校准数据的离散程

40、度，属随机误差，因此应根据标准偏差计算，即机误差，因此应根据标准偏差计算，即%100.maxyaeSFR式（式（2-62-6）2022年年7月月26日星期二日星期二式中式中 yi某校准点之输出值；某校准点之输出值；yi输出值的算术平均值；输出值的算术平均值；n n 测量次数。测量次数。按上述方法计算所得重复性误差不仅反映了某按上述方法计算所得重复性误差不仅反映了某一传感器输出的一致程度，而且还代表了在一一传感器输出的一致程度，而且还代表了在一定置信概率下的随机误差极限值。定置信概率下的随机误差极限值。2022年年7月月26日星期二日星期二4 灵敏度（灵敏度（Sensitivity）灵敏度灵敏度

41、是传感器输出量增量与被测输入量增量之是传感器输出量增量与被测输入量增量之比，线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，比，线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即即 ，非线性传感器的灵敏度不是常数，非线性传感器的灵敏度不是常数，应以应以 表示。表示。实用上由于外源传感器的输出量与供给传感器的实用上由于外源传感器的输出量与供给传感器的电源电压有关，其灵敏度的表达往往需要包含电电源电压有关，其灵敏度的表达往往需要包含电源电压的因素。例如某位移传感器，当电源电压源电压的因素。例如某位移传感器，当电源电压为为1V时，每时，每1mm位移变化引起输出电压变化位移变化引起输出电压变化100 mV，其灵敏度可表示

42、为，其灵敏度可表示为 100（）。）。xyKdxdyVmmmVVmmmV2022年年7月月26日星期二日星期二5 分辨力（分辨力（Resolution）分辨力分辨力是传感器在规定测量范围内所能检是传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。有时用测出的被测输入量的最小变化量。有时用该值相对满量程输入值之百分数表示，则该值相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。称为分辨率。2022年年7月月26日星期二日星期二6 阈值（阈值（Threshold）阈值阈值是能使传感器输出端产生可测变化量是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨的最小被测输入量值，即零位

43、附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓性，形成所谓“死区死区”，则将死区的大小，则将死区的大小作为阈值；更多情况下阈值主要取决于传作为阈值；更多情况下阈值主要取决于传感器的噪声大小，因而有的传感器只给出感器的噪声大小，因而有的传感器只给出噪声电平。噪声电平。2022年年7月月26日星期二日星期二 7 7 稳定性（稳定性（StabilityStability）又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过一规定的时间能的能力。稳定性一般以室温条件下经过一规

44、定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。来表示，有时也用标定的有效期来表示。8 8 漂移（漂移（Drift)Drift)漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测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。敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移（时漂）和零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移（时漂）和温度漂移（温漂）。时漂是指在规定条件下，零点或灵温度漂移（温漂）。时漂是指在

45、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。点或灵敏度漂移。2022年年7月月26日星期二日星期二9 静态误差（精度）（静态误差（精度）（Precision）这是评价传感器静态性能的综合性指标，指传这是评价传感器静态性能的综合性指标，指传感器在满量程内任一点输出值相对其理论值的可感器在满量程内任一点输出值相对其理论值的可能偏离（逼近）程度。它表示采用该传感器进行能偏离（逼近）程度。它表示采用该传感器进行静态测量时所得数值的不确定度。静态误差的计静态测量时所得数值的不确定度。静态误差的计算是将非线性、回差、重

46、复性误差按几何法综合，算是将非线性、回差、重复性误差按几何法综合，即即 222RHLseeee若仍用相对误差表示静态误差，则有若仍用相对误差表示静态误差，则有%10032.yeSFS式（式（2-82-8）2022年年7月月26日星期二日星期二212 传感器的动态特性传感器的动态特性 动态特性是反映传感器随时间变化的输入量的响应特性。动态特性是反映传感器随时间变化的输入量的响应特性。用传感器测试动态量时，希望它的输出量随时间变化的关用传感器测试动态量时，希望它的输出量随时间变化的关系与输入量随时问变化的关系尽可能一致，但实际并不尽系与输入量随时问变化的关系尽可能一致，但实际并不尽然，因此需要研究

47、它的动态特性然，因此需要研究它的动态特性分析其动态误差。它分析其动态误差。它包括两部分：包括两部分：1 1）输出量达到稳定状态以后与理想输出量）输出量达到稳定状态以后与理想输出量之间的差别；之间的差别；2 2）当输入量发生跃变时，输出量由一个稳）当输入量发生跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之间的过渡状态中的误差、由于实际测试态到另一个稳态之间的过渡状态中的误差、由于实际测试时输入量是千变万化的，且往往事先并不知道，故工程上时输入量是千变万化的，且往往事先并不知道，故工程上通常采用输入通常采用输入“标准标准”信号函数的方法进行分析，并据此信号函数的方法进行分析，并据此确立若干评定动态特性的指

48、标。常用的确立若干评定动态特性的指标。常用的“标准标准”信号函数信号函数是正弦函数与阶跃函数。本节将分析传感器对正弦输入的是正弦函数与阶跃函数。本节将分析传感器对正弦输入的响应（频率响应）和阶跃输入的响应（阶跃响应）特性及响应（频率响应）和阶跃输入的响应（阶跃响应）特性及性能指标。性能指标。2022年年7月月26日星期二日星期二在不考虑各种静态误差的条件下，可以用常在不考虑各种静态误差的条件下，可以用常系数线性微分方程描述单输入系数线性微分方程描述单输入x、单输出、单输出y传传感器动态特性，以下为其动态数学模型：感器动态特性，以下为其动态数学模型：xdtdxxxydtdyyybbdtabdta

49、baadtdadtdammmmmmnmnnmn0111101111式（式（2-92-9）2022年年7月月26日星期二日星期二设设x(tx(t)、y(ty(t)的初始条件为零，对上式两边逐项进的初始条件为零，对上式两边逐项进行拉氏变换，可得：行拉氏变换，可得：sXssXsXsXsYssYsYsYbbsbsbaasasammmmnnnn01110111式（式（2-102-10）由此得传递函数：由此得传递函数：aasasabbsbsbsssXsYsHnnnnmmmm01110111 式式(2-11)(2-11)2022年年7月月26日星期二日星期二 传递函数是拉氏变换算子传递函数是拉氏变换算子S

50、S的有理分式，所的有理分式，所有系数都是实数，这是由传感器的结构参有系数都是实数，这是由传感器的结构参数决定的。分子的阶次数决定的。分子的阶次m m不能大于分母的阶不能大于分母的阶次次n n，这是由物理条件决定的。分母的阶次，这是由物理条件决定的。分母的阶次用来代表传感器的特征：用来代表传感器的特征：n n0 0时，称为零阶；时，称为零阶；n n1 1时，称一阶；时，称一阶；n n2 2时，为二阶；时，为二阶；n n更大时，为高阶。更大时，为高阶。分析方法完全借鉴于电路分析课程或控制原理课分析方法完全借鉴于电路分析课程或控制原理课程中的相应内容，只不过输入量为非电量。程中的相应内容，只不过输入