緒論0.1自動檢測技術概述0.2傳感器概述上一頁返回下一頁0.1自動檢測技術概述0.1.1自動檢測技術的重要性0.1.2自動檢測系統的組成0.1.3自動檢測技術的發展趨勢上一頁下一頁返回上一頁下一頁返回0.1.1自動檢測技術的重要性測試手段就是儀器儀表。 在工程上所要測量的參數大多數為非電量，促使人們用電測的方法來研究非電量，即研究用電測的方法測量非電量的儀器儀表，研究如何能正確和快速地測得非電量的技術。非電量電測量技術優點： 測量精度高、反應速度快、能自動連續地進行測量、可以進行遙測、便于自動記錄、可以與計算機聯結進行數據處理、可采用微處理器做成智能儀表、能實現自動檢測與轉換等。機械制造業化工行業煙草行業環境保護等部門現代物流行業科學研究和產品開發中文物保護領域綜上所述，自動檢測技術與我們的生產、生活密切相關。它是自動化領域的重要組成部分，尤其在自動控制中，如果對控制參數不能有效準確的檢測，控制就成為無源之水，無本之木。上一頁返回下一頁0.1.2自動檢測系統的組成圖1.1.1測量系統的組成上一頁返回下一頁傳感器測量電路輸出單元被測量傳感器：把被測非電量轉換成為與之有確定對應關系，且便于應用的某些物理量（通常為電量）的測量裝置。測量電路：把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統的檢測或反饋信號。輸出單元：指示儀、記錄儀、累加器、報警器、數據處理電路等。上一頁返回下一頁0.1.3自動檢測技術的發展趨勢（1）不斷提高儀器的性能、可靠性，擴大應用范圍。（2）開發新型傳感器。（3）開發傳感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工藝。（4）微電子技術、微型計算機技術、現場總線技術與儀器儀表和傳感器的結合，構成新一代智能化測試系統，使測量精度、自動化水平進一步提高。（5）研究集成化、多功能和智能化傳感器或測試系統。上一頁返回下一頁0.2傳感器概述0.2.1

傳感器的定義0.2.2

傳感器的組成0.2.3

傳感器分類0.2.4

傳感器的地位及目前發展狀況0.2.5

我國傳感器業的發展0.2.6

傳感器技術及其產業的發展趨勢上一頁下一頁返回0.2.1傳感器的定義根據中華人民共和國國家標準（GB7665-87）傳感器（Transducer/Sensor）：能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件和裝置。上一頁下一頁返回包含的概念：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；②它的輸出量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；④輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。上一頁下一頁返回0.2.2傳感器的組成敏感元件

直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的物理量轉換元件

敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量轉換電路

上述電路參數接入基本轉換電路，便可轉換成電量輸出敏感元件轉換元件轉換電路被測量電量上一頁下一頁返回0.2.3傳感器分類工作機理：物理型、化學型、生物型物理型傳感器：物理基礎的基本定律。場的定律、物質定律、守恒定律和統計定律構成原理結構型:物理學中場的定律物性型:物質定律能量轉換能量控制型能量轉換型物理原理用途：

位移、壓力、振動、溫度上一頁下一頁返回

一、傳感器技術的地位及作用

傳感器是通過敏感元件把外部信息按當量比例轉換成電信號的一種重要的電自不見，它是信息產業種種要的新型元件之一。新型傳感器更是現代化傳感技術和系統核心。傳感器技術與通信技術、計算機技術共同構成信息產業的三大支柱。傳感器技術已在世界各國的國民經濟各個部門以及國防建設中得到了廣泛應用。

二、傳感器技術發展狀況

隨著信息技術的迅速發展和應用普及世界上傳感器的品種已經達到3萬余種。研究、生產單位有5000余家。

據瑞士研究公司Intechno的咨詢報告“2008年的傳感器市場”表明，全球的傳感器市場每年將以5.3%的速度從1998年的325億美元迅速增長到2003年的422億美元，到2008年將達到500億。0.2.4傳感器的地位及目前發展狀況三、全球傳感器生產企業分布

全世界有5000多家企業生產傳感器，其中美國有1000家左右，歐洲各國共有1000多家，俄羅斯有1000多家，日本有800多家，其他地區有1000多家。全球生產出的傳感器有3萬多種。美國的銷量位居全球第一，占世界總銷量的40%。

我國傳感器行業已經歷了50個春秋，20世紀80年代，改革開放的春風給傳感器行業帶來了生機與活力；90年代，在黨和國家關于“大力加強傳感器的開發和在國民經濟中普遍應用”的決策指引下，傳感器行業進入了新的發展時期，從事傳感器研制的企事業單位達到1300多家，其中50多家企事業單位進行了重點技術改造，綜合實力有了明顯增強。

“九五”傳感器國家重點科技攻關項目取得了豐碩成果，截止到2000年，我國生產的傳感器的品種已有約6000種，產量達到13.2億只，其中出口5.87億只；“九五”期間年平均產量增長率為59%，“九五”總產量是“八五”總產量的2.74倍，2000年產量比1991年增長了17倍，是新型元器件中增長速度最快的產品。

傳感器已進入人們的日常工作和家庭生活中，并已在國民經濟各部門以及國防建設中得到廣泛應用，為我國現代化建設做出了應有的貢獻。

不過，我國傳感器的技術水平仍落后于世界水平5～10年，規模化生產與國外有較大差距。

0.2.5我國傳感器業的發展

我國傳感器產業發展現狀及與國外的差距

我國傳感器的產業結構存在的主要問題是企業分散、實力不強、市場開拓不力。我國從事傳感器研究和生產的單位約1300家，居世界第一，但真正形成一定規模的卻寥寥無幾。多數企業是低水平的重復，處在生產的初級階段。

雖然我國傳感器產業的現狀還不能適應國民經濟發展的需要，產品技術水平與國外相差15年左右，但是從統一市場的觀點看，我國具有傳感器的廣闊市場，所以我國傳感器產業發展的前途還是光明的。

21世紀初,敏感元件與傳感器發展的總趨勢是:小型化,集成化,多功能化,智能化,系統化.0.2.6傳感器技術及其產業的發展趨勢1.新材料、新功能的開發應用2.微機械加工工藝的發展3.集成智能傳感器的發展基于MEMS(微機械加工)技術的新型傳感器微傳感器（尺寸從幾微米到幾毫米的總稱）特別是以MEMS技術制造各種微型、新型傳感器生物傳感器產業現狀和發展前景

手機市場加速圖像傳感器技術發展汽車傳感器機器人傳感器

0.5新型傳感器的重點開發領域第1章傳感器的特性1.1傳感器的靜特性1.2傳感器的動特性上一頁下一頁返回1.1傳感器的靜特性輸出與輸入間關系

微分方程靜特性：輸入量為常量，或變化極慢動特性：輸入量隨時間較快地變化時微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，可得到靜特性（動特性的特例）表示傳感器在被測量處于穩定狀態時的輸出輸入關系希望輸出與輸入具有確定的對應關系，且呈線性關系。上一頁下一頁返回靜特性指標一、線性度二、靈敏度三、遲滯四、重復性五、零點漂移六、溫度漂移上一頁下一頁返回1、線性度靜特性輸出量輸入量零點輸出理論靈敏度非線性項系數直線擬合線性化非線性誤差或線性度最大非線性誤差滿量程輸出上一頁下一頁返回直線擬合線性化出發點獲得最小的非線性誤差擬合方法：①理論擬合；②過零旋轉擬合；③端點連線擬合；④端點連線平移擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合上一頁下一頁返回①理論擬合擬合直線為傳感器的理論特性，與實際測試值無關。方法十分簡單，但一般說較大xyΔLmax上一頁下一頁返回②過零旋轉擬合曲線過零的傳感器。擬合時，使xyΔL2ΔL1上一頁下一頁返回③端點連線擬合把輸出曲線兩端點的連線作為擬合直線xyΔLmax上一頁下一頁返回④端點連線平移擬合在端點連線擬合基礎上使直線平移，移動距離為原先的一半yxΔLmaxΔL1上一頁下一頁返回⑤最小二乘擬合原理:上一頁下一頁返回最小二乘擬合方法xy=kx+by上一頁下一頁返回2、靈敏度傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為其靜態靈敏度表征傳感器對輸入量變化的反應能力上一頁下一頁返回表征傳感器對輸入量變化的反應能力(a)線性傳感器(b)非線性傳感器

圖1.4.2傳感器的靈敏度上一頁下一頁返回3、遲滯正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯—正反行程間輸出的最大差值。遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差，常用絕對誤差表示檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。上一頁下一頁返回遲滯特性xΔHmaxY上一頁下一頁返回4、重復性傳感器在輸入按同一方向連續多次變動時所得特性曲線不一致的程度正行程的最大重復性偏差反行程的最大重復性偏差取較大者為上一頁下一頁返回重復特性xΔRmax1ΔRmax2y上一頁下一頁返回5.零點漂移

傳感器在長時間工作的情況下輸出量發生的變化，長時間工作穩定性或零點漂移零漂＝式中ΔY0——最大零點偏差；YFS——滿量程輸出。上一頁下一頁返回6、溫漂

傳感器在外界溫度下輸出量發出的變化溫漂＝式中Δmax

——輸出最大偏差；ΔT——溫度變化范圍；YFS

——滿量程輸出。上一頁下一頁返回1.2傳感器的動態特性傳感器的動態特性是指傳感器的輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。反映輸出值真實再現變化著的輸入量的能力。研究傳感器的動態特性主要是從測量誤差角度分析產生動態誤差的原因以及改善措施。

時域：瞬態響應法

頻域：頻率響應法上一頁下一頁返回1.瞬態響應特性

在時域內研究傳感器的動態特性時，常用的激勵信號有階躍函數、脈沖函數和斜坡函數等。傳感器對所加激勵信號的響應稱為瞬態響應。

理想情況下，階躍輸入信號的大小對過渡過程的曲線形狀是沒有影響的。但在實際做過渡過程實驗時，應保持階躍輸入信號在傳感器特性曲線的線性范圍內。

上一頁下一頁返回⑴一階傳感器的單位階躍響應設x(t)、y(t)

分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時間的函數，則一階傳感器的傳遞函數為 式中τ——時間常數； K——靜態靈敏度。 由于在線性傳感器中靈敏度K為常數，在動態特性分析中，K只起著使輸出量增加K倍的作用。討論時采用K=1。上一頁下一頁返回對于初始狀態為零的傳感器，當輸入為單位階躍信號時，X(s)=1/s,傳感器輸出的拉氏變換為則一階傳感器的單位階躍響應為一階傳感器的時間常數τ越小越好上一頁下一頁返回⑵二階傳感器的單位階躍響應二階傳感器的傳遞函數為式中ωn——傳感器的固有頻率；ζ——傳感器的阻尼比。在單位階躍信號作用下，傳感器輸出的拉氏變換為上一頁下一頁返回對Y（s）進行拉氏反變換，即可得到單位階躍響應。圖1.4.6為二階傳感器的單位階躍響應曲線。傳感器的響應在很大程度上取決于阻尼比ζ和固有頻率ωn。在實際使用中，為了兼顧有短的上升時間和小的超調量，一般傳感器都設計成欠阻尼式的，阻尼比ζ一般取在0.6~0.8之間。帶保護套管的熱電偶是一個典型的二階傳感器。上一頁下一頁返回⑶瞬態響應特性指標時間常數τ是描述一階傳感器動態特性的重要參數，τ越小，響應速度越快。 二階傳感器階躍響應的典型性能指標可由圖1.4.7表示，上一頁下一頁返回各指標定義如下：①上升時間tr

輸出由穩態值的10%變化到穩態值的90%所用的時間。②響應時間ts

系統從階躍輸入開始到輸出值進入穩態值所規定的范圍內所需要的時間。③峰值時間tp

階躍響應曲線達到第一個峰值所需時間。④超調量σ傳感器輸出超過穩態值的最大值ΔA，常用相對于穩態值的百分比σ表示。上一頁下一頁返回2.頻率響應特性傳感器對正弦輸入信號的響應特性

頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發研究傳感器的動態特性。 （1）零階傳感器的頻率特性 （2）一階傳感器的頻率特性 （3）二階傳感器的頻率特性 （4）頻率響應特性指標上一頁下一頁返回（1）零階傳感器的頻率特性零階傳感器的傳遞函數為頻率特性為零階傳感器的輸出和輸入成正比，并且與信號頻率無關。因此，無幅值和相位失真問題，具有理想的動態特性。電位器式傳感器是零階系統的一個例子。在實際應用中，許多高階系統在變化緩慢、頻率不高時，都可以近似的當作零階系統來處理。上一頁下一頁返回⑵一階傳感器的頻率特性將一階傳感器的傳遞函數中的s用jω代替，即可得到頻率特性表達式幅頻特性相頻特性上一頁下一頁返回(a)幅頻特性(b)相頻特性1.4.8一階傳感器的頻率特性時間常數τ越小，頻率響應特性越好。當ωτ<<1時，A(ω)≈1，Φ(ω)≈ωτ，表明傳感器輸出與輸入為線性關系，相位差與頻率ω成線性關系，輸出y(t)

比較真實地反映輸入x(t)

的變化規律。因此，減小τ可以改善傳感器的頻率特性。上一頁下一頁返回⑶二階傳感器的頻率特性二階傳感器的頻率特性表達式、幅頻特性、相頻特性分別為上一頁下一頁返回圖1.4.9二階傳感器的頻率特性上一頁下一頁返回⑷頻率響應特性指標①頻帶傳感器增益保持在一定值內的頻率范圍，即對數幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對應的頻率范圍，稱為傳感器的頻帶或通頻帶，對應有上、下截止頻率。②時間常數τ

用時間常數τ來表征一階傳感器的動態特性，τ越小，頻帶越寬。③固有頻率ωn

二階傳感器的固有頻率ωn表征了其動態特性。上一頁下一頁返回1.3傳感器的標定和校準傳感器的標定是通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關系。同時，確定出不同使用條件下的誤差關系。

傳感器的標定工作可分為如下幾個方面， 1.新研制的傳感器需進行全面技術性能的檢定，用檢定數據進行量值傳遞，同時檢定數據也是改進傳感器設計的重要依據；2.經過一段時間的儲存或使用后對傳感器的復測工作。

上一頁下一頁返回傳感器的標定靜態標定: 目的是確定傳感器的靜態特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。動態標定: 目的是確定傳感器的動態特性參數，如頻率響應、時間常數、固有頻率和阻尼比等。上一頁下一頁返回1.4傳感器的標定和校準1.4.1傳感器的靜態特性標定1.4.2傳感器的動態特性標定1.4.3壓力傳感器的靜態標定1.4.4壓力傳感器的動態標定1.4.1傳感器的靜態特性標定

1.靜態標準條件2.標定儀器設備精度等級的確定3.靜態特性標定的方法上一頁下一頁返回1.靜態標準條件

沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數本身就是被測物理量）及環境溫度一般為室溫（20±5℃）、相對濕度不大于85%，大氣壓力為101±7kPa的情況。上一頁下一頁返回2.標定儀器設備精度等級的確定對傳感器進行標定，是根據試驗數據確定傳感器的各項性能指標，實際上也是確定傳感器的測量精度。標定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被標定的傳感器的精度高一個等級。這樣，通過標定確定的傳感器的靜態性能指標才是可靠的，所確定的精度才是可信的。上一頁下一頁返回3.靜態特性標定的方法標定過程步驟：⑴將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點；⑵根據傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點的輸入標準量值，并記錄下與各輸入值相對應的輸出值；⑶將輸入值由大到小一點一點的減少，同時記錄下與各輸入值相對應的輸出值；⑷按⑵、⑶所述過程，對傳感器進行正、反行程往復循環多次測試，將得到的輸出－輸入測試數據用表格列出或畫成曲線；⑸對測試數據進行必要的處理，根據處理結果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復性等靜態特性指標。上一頁下一頁返回1.4.2傳感器的動態特性標定主要研究傳感器的動態響應，而與動態響應有關的參數，一階傳感器只有一個時間常數τ，二階傳感器則有固有頻率ωn和阻尼比ζ兩個參數。標準激勵信號:階躍變化和正弦變化的輸入信號上一頁下一頁返回一階傳感器的單位階躍響應函數為則上式可變為z和時間t成線性關系，并且有τ=Δt/Δz

可以根據測得的y(t)值作出z—t曲線，并根據Δt/Δz的值獲得時間常數τ一階傳感器時間常數的求法上一頁下一頁返回二階傳感器（ζ<1）的單位階躍響應為上一頁下一頁返回如果測得階躍響應的較長瞬變過程，則可利用任意兩個過沖量Mi和Mi+n按式（1.5.6）求得阻尼比ζ，其中n是該兩峰值相隔的周期數（整數）。當ζ<0.1時，以1代替，此時不會產生過大的誤差（不大于0.6%）,則可用式(1.5.8)計算ζ，即上一頁下一頁返回若傳感器是精確的二階傳感器，則n值采用任意正整數所得的ζ值不會有差別。反之，若n取不同值獲得不同的ζ值，則表明該傳感器不是線性二階系統。根據響應曲線測出振動周期Td，有阻尼的固有頻率ωd為則無阻尼固有頻率ωn為上一頁下一頁返回利用正弦輸入，測定輸出和輸入的幅值比和相位差來確定傳感器的幅頻特性和相頻特性，然后根據幅頻特性，分別按下圖求得一階傳感器的時間常數τ和欠阻尼二階傳感器的固有頻率和阻尼比。由幅頻特性求時間常數τ欠阻尼二階傳感器的ωn和ζ上一頁下一頁返回1.4.3壓力傳感器的靜態標定常用的標定裝置有：活塞壓力計、杠桿式和彈簧測力計式壓力標定機。1.5.5活塞壓力計標定壓力傳感器的示意圖1--標準壓力表2—砝碼3—活塞4—進油閥5—油杯6—被標傳感器7—針形閥8—手輪9—手搖壓力泵上一頁下一