《传感器与测控技术工程实践讲稿》（初级）（共九讲）

传感器与测控技术工程实践讲稿(初级) 第一讲传感器的基本知识 检测技术作为信息科学的一个重要分支,与计算机技术、自动控制 技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时 代的今天,人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心,传 感器作为信息获取与信息转换的重要手段,是信息科学最前端的一个阵 地,是实现信息化的基础技术之一。 “没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传 感器为核心的检测系统就像神经和感官一样,源源不断地向人类提供宏 观与微观世界的种种信息,成为人们认识自然、改造自然的有利工具。 1、传感器的地位和作用 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。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、环境保护、资源调査、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。可见,传感器技 术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。 2、传感器的定义 传感器是把非电学物理量(如位移、速度、压力、温度、湿度、流 量、声强、光照度等)转换成易于测量、传输、处理的电学量(如电压 电流、电容等)的一种组件,起自动控制作用 国家标准(GB7665-87)中传感器( Transducer/ Sensor)的定义: 能够感受规定的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 ①传感器是测量装置,能完成检测任务 ②输入量是某一被测量,可能是物理量,也可能是化学量、生物量 等 ③输出量是某种物理量,便于传输、转换、处理、显示等,可以是 气、光、电物理量,主要是电物理量; ④输出输入有对应关系,且应有一定的精确程度。 传感器名称:发送器、传送器、变送器、检测器、探头 传感器功用:一感二传,即感受被测信息,并传送出去 3、传感器的组成 一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成。敏感元件是 直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转 换元件:敏感元件的输出就是它的输入,它把输入转换成电路参量。基 本转换电路: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。实际上,有些传感器很简单,有些则较复杂,大多数

传感器与测控技术工程实践讲稿（初级） 第一讲 传感器的基本知识 检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制 技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时 代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传 感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵 地，是实现信息化的基础技术之一。 “没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传 感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏 观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。 1、传感器的地位和作用 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。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。可见，传感器技 术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。 2、传感器的定义 传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力 、温度、湿度 、流 量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、 电流、电容等）的一种组件，起自动控制作用。 国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义： 能够感受规定的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。 ①传感器是测量装置，能完成检测任务； ②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量 等； ③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是 气、光、电物理量，主要是电物理量； ④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头 传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。 3、传感器的组成 一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成。敏感元件是 直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转 换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基 本转换电路：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。实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数

是开环系统,也有些是带反馈的闭环系统。 最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成,它感受被测量时 直接输出电量,如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成,没 有转换电路,如压电式加速度传感器,其中质量块m是敏感元件,压电 片(块)是转换元件。有些传感器,转换元件不只一个,要经过若干次 转换。 由于空间的限制或者其他原因,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信号,从而决定了转换电 路是传感器的组成环节之 4、传感器的分类 1)力电传感器 力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号(位移、速度、 加速度等)转化为电学信号(电压、电流等)的仪器。力电传感器广泛 地应用于社会生产、现代科技中,如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞 船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等 2)热电传感器 热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理 制成的,如各种家用电器(空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等) 的温度控制、火警报警器、恒温箱等。 3)光电传感器 光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电阻的 阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控 制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。 4)声电传感器 5)电容传感器 6)电感传感器 电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来实现测量或控制 的一种装置,一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象 5、传感器的发展趋势 传感技术的发展分为两个方面 ●提高与改善传感器的技术性能; ●寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等 改善传感器的性能的技术途径如下 差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度 变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响,抵消了共模误差, 减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术,还可使灵敏度增 大 B.平均技术 在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应,其原理是利用若干 个传感单元同时感受被测量,其输出则是这些单元输出的平均值,若将 每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布,根据误差

是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。 最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时 直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没 有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块 m 是敏感元件，压电 片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次 转换。 由于空间的限制或者其他原因,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信号，从而决定了转换电 路是传感器的组成环节之一。 4、传感器的分类 1）力电传感器 力电传感器主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、 加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛 地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞 船上的惯性导航系统及 ABS 防抱死制动系统等。 2）热电传感器 热电传感器是利用热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化的原理 制成的，如各种家用电器（空调、冰箱、热水器、饮水机、电饭煲等） 的温度控制、火警报警器、恒温箱等。 ３）光电传感器 光电传感器中的主要部件是光敏电阻或光电管。如果是光敏电阻的 阻值随光照强度的变化而变化的原理制成的。如自动冲水机、路灯的控 制、光电计数器、烟雾报警器等都是利用了光电传感器的原理。 4）声电传感器 5）电容传感器 6）电感传感器 电感式传感器是利用线圈的自感或互感的变化来实现测量或控制 的一种装置，一般要利用磁场作为媒介或利用磁体的某些现象。 5、 传感器的发展趋势 传感技术的发展分为两个方面： ●提高与改善传感器的技术性能； ●寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。 改善传感器的性能的技术途径如下： A．差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度 变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差， 减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增 大。 B．平均技术 在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干 个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将 每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差

理论,总的误差将减小为 δ∑=士6/√n 式中n—传感单元数。 可见,在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小,且可增 大信号量,即增大传感器灵敏度 C.补偿与修正技术 补偿与修正技术的运用大致针对两种情况 ★针对传感器本身特性 ★针对传感器的工作条件或外界环境 对于传感器特性,找出误差的变化规律,或者测出其大小和方向, 采用适当的方法加以补偿或修正 针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿,也是提高传感器精 度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感,由于温度变化引起的误差 十分可观。为了解决这个问题,必要时可以控制温度,搞恒温装置,但 往往费用太高,或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又 常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律,然后引入温度补 偿措施。 补偿与修正,可以利用电子线路(硬件)来解决,也可以采用微 型计算机通过软件来实现。 D.屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器大都要在现场工作,现场的条件往往是难以充分预料的,有 时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为 了减小测量误差,保证其原有性能,就应设法削弱或消除外界因素对传 感器的影响。其方法有: 减小传感器对影响因素的灵敏度 降低外界因素对传感器实际作用的程度 对于电磁干扰,可以采用屏蔽、隔离措施,也可用滤波等方法抑制。 对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等,可采 用相应的隔离措施,如隔热、密封、隔振等,或者在变换成为电量后对 干扰信号进行分离或抑制,减小其影响。 E.稳定性处理 传感器作为长期测量或反复使用的器件,其稳定性显得特别重要, 其重要性甚至胜过精度指标,尤其是对那些很难或无法定期标定的场 合。 造成传感器性能不稳定的原因是:随着时间的推移和环境条件的变 化,构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化 提高传感器性能的稳定性措施:对材料、元器件或传感器整体进 行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及 交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。 在使用传感器时,若测量要求较高,必要时也应对附加的调整元件、后 续电路的关键元器件进行老化处理 对于电磁干扰,可以采用屏蔽、隔离措施,也可用滤波等方法抑制 对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等,可采 用相应的隔离措施,如隔热、密封、隔振等,或者在变换成为电量后对

理论，总的误差将减小为 δΣ=±δ/√n 式中 n—传感单元数。 可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增 大信号量，即增大传感器灵敏度。 C．补偿与修正技术 补偿与修正技术的运用大致针对两种情况： ★针对传感器本身特性 ★针对传感器的工作条件或外界环境 对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向， 采用适当的方法加以补偿或修正。 针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精 度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差 十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但 往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又 常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补 偿措施。 补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微 型计算机通过软件来实现。 D．屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有 时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为 了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传 感器的影响。其方法有： ◆ 减小传感器对影响因素的灵敏度 ◆ 降低外界因素对传感器实际作用的程度 对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。 对于如温度、湿度、机械振动、气压 、声压、辐射 、甚至气流等，可采 用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对 干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。 E．稳定性处理 传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要， 其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场 合。 造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变 化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。 提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进 行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及 交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。 在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后 续电路的关键元器件进行老化处理。 对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。 对于如温度、湿度、机械振动、气压 、声压、辐射 、甚至气流等，可采 用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对

干扰信号进行分离或抑制,减小其影响 F.稳定性处理 传感器作为长期测量或反复使用的器件,其稳定性显得特别重要 其重要性甚至胜过精度指标,尤其是对那些很难或无法定期标定的场 造成传感器性能不稳定的原因是:随着时间的推移和环境条件的变化, 构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化 提髙传感器性能的稳定性措施:对材料、元器件或传感器整体进 行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及 交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等 在使用传感器时,若测量要求较高,必要时也应对附加的调整元件、后 续电路的关键元器件进行老化处理 传感器的发展动向:开展基础研究,发现新现象,开发传感器的新 材料和新工艺;实现传感器的集成化与智能化 课小结 了解传感器的基本概念 结合实物了解常用传感器 引入新课 简要复习上次课知识,引入本次课将学习的温度传感器知|5min 新课教学 50min 第二讲温度传感器 概论 温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度传感器是实现 温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中,温度传 感器是应用最广泛、发展最快的传感器之 四个温度段:规定各温度段所使用的标准仪器 ①低温铂电阻温度计(13.81K-273.15K) ②铂电阻温度计(273.15K—903.89K) ③铂铑-铂热电偶温度计(903.89K—1337.58K); ④光测温度计(1337.58K以上)。 国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号 T68和t68来区别(一般简写为T与t) A)温度传感器应满足的条件 特性与温度之间的关系要适中,并容易检测和处理, 且随温度呈线性变化 除温度以外,特性对其它物理量的灵敏度要低; 特性随时间变化要小;

干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。 F．稳定性处理 传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要， 其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场 合。 造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化， 构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。 提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进 行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及 交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。 在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后 续电路的关键元器件进行老化处理。 传感器的发展动向：开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新 材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化。 课堂小结 1) 了解传感器的基本概念 2) 结合实物了解常用传感器 引入新课 简要复习上次课知识，引入本次课将学习的温度传感器知 识。 新课教学 第二讲 温度传感器 1、概 论 温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度传感器是实现 温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传 感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。 四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器 ①低温铂电阻温度计（13.81K—273.15K）； ②铂电阻温度计（273.15K—903.89K）； ③铂铑-铂热电偶温度计（903.89K—1337.58K）； ④光测温度计（1337.58K 以上）。 国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号 T68 和 t68 来区别（一般简写为 T 与 t）。 A）温度传感器应满足的条件 ⚫ 特性与温度之间的关系要适中，并容易检 测和处理， 且随温度呈线性变化； ⚫ 除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低； ⚫ 特性随时间变化要小； 5min 50min

●重复性好,没有滞后和老化; 灵敏度髙,坚固耐用,体积小,对检测对象的影响要 机械性能好,耐化学腐蚀,耐热性能好; 能大批量生产,价格便宜 无危险性,无公害等。 B)温度传感器的种类及特点 接触式温度传感器 非接触式温度传感器 2、热电偶温度传感器 温差热电偶(简称热电偶)是目前温度测量中使用最普遍 的传感元件之一。它除具有结构简单,测量范围宽、准确度高 热惯性小,输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外 还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微 型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。 A)热电偶的工作原理 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回 路,若导体A和B的连接处温度不同(设T>T0),则在此闭 合回路中就有电流产生,也就是说回路中有电动势存在,这种 现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克(See back)发现所以又称西拜克效应 回路中所产生的电动势,叫热电势。热电势由两部分组成,即 温差电势和接触电势。 1)接触电势 2)温差电势 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有 关;与热电偶的长度、粗细无关。 只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶;相 同材料不会产生热电势,因为当A、B两种导体是同一种材料 时,1n(NA/NB)=0,也即EAB(T,70)=0。 只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能 有热电势产生。 导体材料确定后,热电势的大小只与热电偶两端的温度有关 如果使EAB(T0)=常数,则回路热电势EAB(T,70)就只与温度 T有关,而且是T的单值函数,这就是利用热电偶测温的原理。 B)热电偶回路的性质 1.均质导体定律 2.中间导体定律 3.中间温度定律 C)冷端处理及补偿 原因 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差,为 保证输出热电势是被测温度的单值函数,必须使冷端温

⚫ 重复性好，没有滞后和老化； ⚫ 灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要 小； ⚫ 机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好； ⚫ 能大批量生产，价格便宜； ⚫ 无危险性，无公害等。 B）温度传感器的种类及特点 ⚫ 接触式温度传感器 ⚫ 非接触式温度传感器 2、热电偶温度传感器 温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍 的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、 热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外， 还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微 型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。 A） 热电偶的工作原理 两种不同的导体或半导体 A 和 B 组合成如图所示闭合回 路，若导体 A 和 B 的连接处温度不同（设 T＞T0），则在此闭 合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种 现象叫做热电效应。这种现象早在 1821 年首先由西拜克（See －back）发现,所以又称西拜克效应。 回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即 温差电势和接触电势。 1）接触电势 2）温差电势 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有 关；与热电偶的长度、粗细无关。 只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相 同材料不会产生热电势，因为当 A、B 两种导体是同一种材料 时，ln(NA/NB)=0，也即 EAB(T，T0)=0。 只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能 有热电势产生。 导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。 如果使 EAB(T0)=常数，则回路热电势 EAB(T，T0)就只与温度 T 有关，而且是 T 的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。 B）热电偶回路的性质 1. 均质导体定律 2. 中间导体定律 3. 中间温度定律 C）冷端处理及补偿 原因 ⚫ 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为 保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温