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传感器与检测技术1pdf

点击数：603      更新时间：2026-07-19

　　检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段。而传感器是科学实

　　验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、传输与处理的一种重要手段。我们已经知

　　道，对于电量参数的测量具有测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进

　　行遥测、便于自动记录、可以与计算机方便地连接进行数据处理、也可采用微处理器做成

　　智能仪表、能实现自动检测与转换等一系列优点。但是在工程上和实际的测量中，所需要

　　测量的参数往往有相当大的部分为非电量，例如温度、位移、压力、流量等，所以通常就

　　传感器与检测技术是一门随着现代科学技术发展而迅猛发展的综合性技术学科，广泛

　　应用于人类的社会生产和科学研究中，起着越来越重要的作用，成为国民经济发展和社会

　　进步的一项必不可少的重要技术。检测的基本任务就是获取有用的信息，通过借助专门的

　　仪器、设备，设计合理的实验方法以及进行必要的信号分析与数据处理，从而获得与被测

　　对象有关的信息，最后将结果提供显示或输入其他信息处理装置、控制系统。因此，传感

　　器与检测技术属于信息科学范畴，它与通信技术、计算机技术一起分别构成信息技术系统

　　的“感官”、“神经”和“大脑”，是信息技术的三大支柱(传感技术、通信技术和计算机

　　技术)之一。检测技术的发展与生产和科学技术的发展是紧密相关的，它们互相依赖、相互

　　促进。现代科技的发展不断地向检测技术提出新的要求，推动了检测技术的发展。与此同

　　时，检测技术迅速吸取各个科技领域(如材料科学、微电子学、计算机科学等)的新成果，

　　开发出新的检测方法和先进的检测仪器，同时又给科学研究提供了有力的工具和先进的手

　　段，从而促进了科学技术的发展。在各种现代机械设备的设计和制造中，检测技术的成本

　　已达到设备系统总成本的50%～70%。据资料统计：一辆汽车需要30～100余种传感器及

　　配套检测仪表用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等；而一架飞机需要

　　3600余种传感器及配套检测仪表用来监测飞机各部位的参数(压力、应力、温度等)和发动

　　机的参数(转速、振动等)等。可见传感器与检测技术在工程技术领域占有非常重要的地位。

　　在进入信息社会的今天，人们对信息的提取、处理和传输的要求更加迫切。传感器是

　　信息的源头，只有拥有众多性能良好的传感器，才能开发性能更加优越的检测仪器。可以

　　传感器一般处于研究对象或检测控制系统的最前端，是感知、获取与检测信息的窗口，

　　它所获得和转换的信息正确与否，直接关系到整个测控系统的性能好坏，所以它是检测与

　　从广义的角度看，传感器应该是指能够检测特定的物理量并将其转换为相应的其他物

　　传感器是指能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。所以传感器又称为敏感元件、检测器件、转换器件等。如在电子技术中的热敏元件、

　　磁敏元件、光敏元件及气敏元件，在机械测量中的转矩、转速测量装置，在超声波技术中

　　传感器的基本功能是检测信号和进行信号转换。传感器总是处于测试系统的最前端，

　　用来获取检测信息，其性能的好坏将直接影响整个测试系统，对测量精确度起着决定性

　　传感器的输出量通常是电信号，它便于传输、转换、处理、显示等。电信号有很多形

　　传感器的组成按其定义一般由敏感元件、转换元件、信号调理转换电路三部分组成,

　　有时还需外加辅助电源提供转换能量，如图1.1所示。其中，敏感元件是指传感器中能直

　　接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转

　　换成适合于传输或测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，因此传感器输

　　出的信号一般需要进行信号调理与转换、放大、运算与调制之后才能进行显示和参与控制。

　　随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，已经实现了将传感器的信号调理转换

　　电路与敏感元件一起集成在同一芯片上的传感器模块和集成电路传感器，如集成温度传感

　　一般情况下，对某一物理量的测量可以使用不同的传感器，而同一传感器又往往可以

　　测量不同的多种物理量。所以，传感器从不同的角度有许多分类方法。目前一般采用两种

　　分类方法：一种是按被测参数分类，如对温度、压力、位移、速度等的测量，相应的有温

　　度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等；另一种是按传感器的工作原理分类，

　　如按应变原理工作式、按电容原理工作式、按压电原理工作式、按磁电原理工作式、按光

　　电效应原理工作式等，相应的有应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传

　　感器、光电式传感器等。本教材主要介绍各种传感器的工作原理，对工程上的被测参数，

　　在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良

　　的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电

　　量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态

　　静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间

　　(1)线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义

　　为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Δ与满量程输出值Y之

　　(2)灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量Δy与

　　它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度S值越大，表示

　　对于输入输出为线性关系的传感器，其灵敏度为一常数，如图1.2(a)所示，灵敏度为直

　　入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞，如图1.3所示。也就是说，对于同一大小的输入

　　信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。传感器在全量程

　　产生迟滞现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷

　　所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。

　　性曲线不一致的程度，如图所示。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也

　　(5)漂移传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此

　　现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境如

　　温度、湿度等。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，温

　　动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。

　　主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。

　　如图1.5所示为衰减振荡的二阶传感器输出的单位阶跃响应曲线。单位阶跃响应的性

　　调节时间t——响应曲线进入并且不再超出误差带所需要的最短时间。误差带通常规

　　如图1.6所示为一阶传感器输出的单位阶跃响应曲线。单位阶跃响应的性能指标主要有：

　　最大超调量反映传感器响应的平稳性即稳定性）；上升时间、延迟时间、调节时间等

　　另外，反映传感器频率响应的频域性能指标主要有通频带或频带，上、下限截止频

　　要保证传感器的输出能够不失真地复现被测量，要求传感器的输出与输入必须具有线

　　性关系，而实际的传感器特性或多或少都具有不同程度的非线性，这就要求在设计和制造

　　传感器时对其输出输入特性进行必要的线性化处理，以提高和改善传感器的性能。如在一

　　利用电子技术和自动控制理论中的闭环反馈控制理论，采用传感器、放大电路等组成

　　在传感器产生误差的规律比较复杂时，可以设法找出产生误差的特点，从而进行补偿。

　　用两个相同的传感器，使其输入信号大小相等而方向相反，并且使两个传感器的输出

　　相减，则差值中的非线性项将只存在奇次项，差值输出曲线关于坐标原点对称，并且在坐

　　标原点附近的一定范围内近似为直线。这种方法不仅可以减小非线性误差，还能很好地抵

　　消共模误差，使灵敏度提高1倍。差动技术在电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式

　　此外，采用平均技术，零位法和微差法，集成化和智能化，抗干扰技术，稳定性处理

　　物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能

　　完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹

　　传感器中把用来直接感受被测量为力、力矩或压力，并且输出与力、力矩或压力成相

　　弹性敏感元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力变

　　换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩

　　刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变形下所需要

　　点作曲线的切线，该切线与水平线夹角的正切就代表该弹性元件在A点处的刚度，即

　　tan=dF/dx。若弹性元件的特性是线性的，则其刚度是一个常数，即tan=F/x=常数，如

　　通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用S表示，

　　从上式可以看出，灵敏度就是在单位力作用下弹性元件产生变形的大小。灵敏度大，

　　表明弹性元件软，变形大。与刚度相似，如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若

　　弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变数，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由

　　由于弹性敏感元件在工作过程中材料内部分子间存在摩擦，会造成实际的弹性敏感元

　　件从加载到卸载的正反行程中变形曲线不重合，这种现象称为弹性滞后现象。弹性滞后与

　　弹性敏感元件的动态特性和变换被测参数时的滞后作用，在相当大程度上与其固有振

　　荡频率有关系，通常希望弹性敏感元件具有较高的固有振荡频率。但实际设计时往往会存

　　在线性度、灵敏度、固有振荡频率等相互矛盾、互相制约的问题，这时应该根据检测对象

　　传感器中弹性敏感元件的输入量通常是力力矩或流体的压力，其输出量为应变或位

　　移直线位移或角位移，即弹性敏感元件将力或压力变换为应变或位移。因此弹性敏感元

　　件的形式基本分为两大类：一是将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件；二是将

　　变换压力的弹性敏感元件，通常有弹簧管、膜片、膜盒、薄臂圆桶等，如图1.8所示。

　　其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量，单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和

　　变换力的弹性敏感元件，通常有实心圆柱体或空心圆柱体、等截面圆环、等截面或等

　　在实际应用中，对弹性敏感元件的要求是：具有足够的灵敏度；弹性后效和温度系数

　　要小；线膨胀系数要小且恒定；具有良好的机械加工和热处理性能，以及良好的抗腐蚀与

　　标定的基本方法是利用标准仪器产生已知的非电量并输入到待标定的传感器中，然后

　　将传感器的输出量与输入的标准量进行比较从而得到一系列标准数据或者曲线。实际应用

　　中输入的标准量可以用标准传感器检测得到，即将待标定的传感器与标准传感器进行比较。

　　传感器的标定是通过实验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同

　　静态标定是指在输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器的静态特性如灵

　　静态标定的目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。

　　动态标定主要是研究传感器的动态响应。常用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃

　　动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和

　　对传感器进行标定，是根据实验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传

　　标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。

　　这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。

　　对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、

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