常用传感器信号测量汇总

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传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾)，并将探知的信息传递给其他装置或器官。人的五官就是天然的传感器，具有视、听、嗅、味、触觉，大脑就是通过五官来感知外界的信息(图1)。

图1 人与机器的对应关系

工程科学与技术领域的传感器既是对人体五官的工程模拟物，是能将特定的被测量信息(包括物理量、生物量、生物量)按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。可用信号既是便于处理和传输的信号，目前由于电信号最符 合这一要求，传感器也可狭义定义为把外界非电信息转换成电信号输出的器件(图2)。

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图2 各类传感器

传感器的构成

传感器的具体构成根据被测对象、转换原理，使用环境和性能要求的情况有很大差异。

自源型是仅含有转换元件的传感器构成形式，它不需要外能源，可直接从外部被测对象吸收能量转换为电效应，但输出的能量较弱。常见的有热电偶、压电器件等。

带激励源型是在转换器件外加了辅助能源的构成形式，辅助能源起到激励的作用，可以是电源或磁源，这样不需要变换电路也有较大电量输出。常见的有霍尔传感器等。

外源型是由利用被测量实现阻抗变换的转换元件构成，必须通过带外电源的变换电路才能获得电量输出。常见的有电桥等。

相同传感器补偿型(图3-a)是使用两个完全相同的转换元件置于同样环境下的构成形式。实际使用其中一个元件进行工作，另一个用于抵消其受到的环境干扰影响。常见的有应变式，固态压阻式传感器等。

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差动结构补偿型(图3-b)和相同传感器补偿型类似，但其两个转换元件都进行工作，除了可以抵消环境干扰，还使有用的输出值增加。

不同传感器补偿型(图3-c)是两个原理和性质不同的转换元件置于同样环境下的构成形式，也是通过一个转换元件给工作的转换元件提供补偿。常见的有热敏电阻的温度补偿，加速度的干扰补偿等。

图3 补偿结构型

目前随着计算机技术的发展，传感器和微处理器结合在一起，形成了智能化传感器的概念，这种构成具有了信息处理的功能，前景十分广阔。

传感器的分类

传感器的种类繁多，分类方式多种多样。对于被测量，可以用不同的传感器来测量;而对于同一原理的传感器，通常又可以测量多种非电量。

具体分类可按转换的基本效应、构成原理等分多种，其中又以按照工作原理分类最为详细(表1)。

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表1 传感器类型分类

传感器的基本要求

无论何种传感器，作为直接面对测试对象的先锋，必须能够快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本要求。

传感器的工作范围和量程需要足够大，可以满足相应测试的极端要求，需要具备一定的过载能力;必须有能满足要求的灵敏度和精度，要求转换后输出的信号和被测量的输入信号成确定的关系，且比值要大。传感器还需要具备快速的响应能力，稳定可靠的工作能力，较长的寿命和较低的成本，同时维修，校准方便。根据特定的现场应用，有时对传感器的体积和重量都有严格要求，

且希望其

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内部噪声小不易受到外部干扰。最后是传感器输出的信号最好采取通用的标准形式，以便于和外部系统对接。

可见选择一款合适的传感器并不轻松，需要根据需求全面综合地考虑，不可马虎。

传感器重要指标介绍

传感器在检测静态量时的静态特性和检测动态量时的动态特性通常可以分

开考虑。对于输入信号的，传感器的数学模型也通常有静态和动态之分。 静态特性

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，输入和输出的关系，主要要考虑线性度和随机变化等因素。

线性度

线性度又称非线性，是表征传感器输出-输入校准曲线与选定的拟合直线之间的吻合程度的指标。通常用相对误差来表示线性度或非线性误差，有：

(公式1) 表示输出平均值与拟合直线间的最大偏差;

表示理论满量程输出值。

所以，选定的拟合直线不同时，计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线要保证获得尽量小的非线性误差，还要考虑计算是否方便。常见的方法有理论直线法、端点线法、最小二乘法等。

迟滞

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迟滞是反应传感器在输入量增大和减小的行程过程中输出和输入曲线的不重合程度的指标(图2)。通常用正反行程输出的最大差值 计算，有：

(公式2)

图1 迟滞

灵敏度

灵敏度(图3)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，即：

(公式3) 非线性传感器的灵敏度不是常数，用dy/dx表示。

对于需要外部激励的传感器来说，其灵敏度的表达还要考虑电源电压的因

素。

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图2 灵敏度

分辨力

分辨力是传感器在规定测量范围内所能测试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的百分数表示，称为分辨率。

重复性

重复性是指输入量按同一方向做全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标，各条曲线越接近，重复性越好。重复性误差反映的是校准数据的离散程度，是随机误差计算：

(公式4)

漂移

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变化，主要包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。

时间漂移指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化;温度漂移则是周围温度变化所引起的。

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(公式5)

表示输出最大偏差值;

表示温度变化的范围。

稳定性

稳定性指传感器在长时间使用时仍保持其性能的能力，一般以在室温条件

下经过一段规定的时间后，输出与起始标定时的输出之间的差异表示。 静态误差(精度)

精度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想值的可能偏离(接近)程度，它表示该传感器在静态测量时所得数据的不精确度。

精度的测量方法很多，目前国内外尚不统一。

动态特性

动态特性是反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用频率响应和阶跃响应来表示。

传感器的频率响应特性

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将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，其输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应特性。由于相频特性和幅频特性之间有一定的内在关系，因此表示传感器的频响特性及频域性能指标时主要用幅频特性(图3)。

图3 典型的对数幅频特性

传感器的阶跃响应特性

当给静止的传感器输入一个单位阶跃信号

时，其输出信号称为阶跃响应(图4，a为一阶系统;b为二阶系统)。

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图4 阶跃响应曲线

温度测量

温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。测量温度的热电式传感器是最早开发，应用最广的一类传感器，这类传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度进行检测的。

热电偶

热电偶传感器(图1)是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器，具有

结构简单，制作方便，测温范围宽等特点。

图1 热电偶

热电偶测温的基本原理是两种不同材质导体组成闭合回路,当两端存在不同温度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电势，这就是所谓的塞贝克效应。热电偶直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端)，另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与仪表连接，显示热电偶所产生的热电势(图2)。

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图2 热电偶原理

根据材质不同，热电偶分不同的型号，目前按IEC国际标准，主要有S、B、E、K、R、J、T七种标准。由于热电偶产生的电势较小，且非线性，通常使用热电偶测温度时需要进行放大和线性化。热电偶输出的电热是两结点温度差的函数，通常将热电偶一端作为被测温度端，T0作为固定冷端(参考温度端)，通常要求T0保持0度。但实际使用很难满足，所以产生了热电偶冷端补偿的问题，冷端补偿可采用补偿导线或补偿电桥等多种方法。

NI公司的SCC和SCXI系列调理产品均有针对热电偶调理的模块。NI SCC-TC系列是可调理各类热电偶的单通道模块，该产品支持±100mV范围内的毫伏输入，带有一个2Hz的低通静噪滤波器，增益100的仪用放大器，用于冷端温度补偿的板载热敏电阻以及实现M系列DAQ设备最高扫描速率的缓冲输出。SCC-TC系列模块的输入电路还包含高阻抗偏压电阻器，可用于热电偶开路的检测以及浮动热电偶和接地参考热电偶的处理。同样作为热电偶调理的NI SCXI-1102和

SCXI-1112每路输入通道也包括了一个仪器放大器和一个2Hz的低通滤波器。采集卡可以用高达333 kS/s(每通道3us)的速度扫描它们的模拟输入通道，支持采集的信号范围包括电压以及0到20mA或4到20mA的电流。SCXI每个模块的所有通道都可以被NI数据采集卡的某一路通道采集，并支持另加模块以增加通道数。

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NI也提供带有专门针对某类应用调理的数据采集卡，即C系列产品。NI 9211A专门针对各类型的热电偶测量设计，24位分辨率保证了高精度，内置传感器则实现了冷端温度补偿。该模块还具有250 Vrms通道-地面接地隔离，实现了安全、抗干扰和高共模电压范围。NI 9211A可加上一个USB 9162构成USB-9211A单独使用，也可以插在cDAQ-9172的8槽USB底板上作为cDAQ系统中的一个模块使用。

cDAQ模块虽然集采集调理为一体，但是通道数较少，NI 9211A可以同时采集4路热电偶，单通道采样率为12S/s。如果需要采集多通道或高速的热电偶信号，可选择M系列数据采集卡加上SCC或SCXI调理模块。

热电阻(RTD)

热电阻是中低温采集时常用的一种温度传感器，它的主要特点是测量精度高，性能稳定，灵敏度高。热电阻是基于金属导体或半导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的，其大都由纯金属材料制成，目前使用最多的是铂。热电阻需要电源激励，且不能够瞬时测量温度的变化。工业用热电阻一般采用Pt100，Pt1000，Cu50，Cu100等多种型号。

热电阻的引线对测量结果会有较大的影响，目前热电阻的引线主要有三种方式：二线制，三线制，四线制。二线制是在热电阻的两端各连一根导线来引出电阻信号，这种引线方法很简单，但是测量精度不高。在热电阻一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用。因为热电阻作为电桥上一个桥臂的电阻，其连接导线也是桥臂的一部分，而这部分电阻是未知且随环境温度变化的，会造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及相邻桥臂上，这样较好地消除了导线电阻带来的测量误差。热电阻两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根为热电阻提供激励电流，把电阻转换成电压信号，再通过另两根输出电压供采集，这种引线方式可完全消除引线电阻的影响，主要用于高精度的温度检测，但成本也最高。

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NI SCC-RTD01是针对热电偶调理的双通道模块，可连接2、3或4线铂电阻RTD(图3)。NI SCC-RTD01的每一通道都带有一个增益为25的放大器和一个30Hz低通滤波器，每一模块上还提供用于1或2个RTD的1mA激励源。NI SCXI-1102模块与NI SCXI-1581电流激励模块一起使用，可以提供32通道的高精度RTD或热敏电阻调理。1102带有一个2 Hz低通滤波器，1581则提供稳定的100µA电流源，从而确保测量精度。由于SCXI采用模块化设计，在应用需求改变时可以方便地扩展数据采集系统。

图3 SCC-RTD01对4线制RTD的调理

NI 9217是具有4通道、24位分辨率的模拟输入模块，专门用作100 Ω 的RTD测量。NI 9217可配置两种不同的采样率模式，高采样率模式下采样率可达400 S/s(每通道100 S/s);高分辨率模式下，采样率为5 S/s(每通道1.25 S/s)，并配有50/60Hz内置噪声抑制功能。NI 9217与3线和4线制RTD测量兼容，能自动探测与通道连接的RTD类型，并将每条通道配置成恰当的模式，该模块提供每通道1mA的电流激励，在整个操作温度范围内的精度误差小于1 °C。9217还包含NI ST校准并具有通道-地面接地双重隔离屏障，实现了安全性、抗扰性和高共模电压范围。

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热敏电阻

热敏电阻是对温度敏感的半导体(图4)，与RTD相似，其阻抗随温度变化而变化。热敏电阻由玻璃或环氧珠封装的金属氧化物半导体材料制造而成。而且，热敏电阻的典型标称阻抗值要比RTD高得多，阻抗值从2000Ω到10,000Ω，故可用于较低电流的测量。热敏电阻具有较高的灵敏度(约200 Ω/°C)，这使得它对于温度的变化非常灵敏，具有极高的响应速率，但它的使用范围最高为300至500 °C。同样，热敏电阻也需要激励，接线方式也有二三四线制之分，但是由于热敏电阻的标称阻抗非常高，所以连线阻抗不会影响其测量值的精度，因此，二线制测量精度对于热敏电阻已经足够，所以这种接线方式在热敏电阻中最为常用。

图4 热敏电阻

NI SCXI-1102模块与NI SCXI-1581电流激励模块一起使用，也可以提供32通道的热敏电阻调理。

对于cDAQ模块可选用AI采集的NI 9215配合提供电流激励的NI 9265一起使用。NI 9215具有4路16位精度的同步电压采集通道，能实现灵活而低成本的信号连接。该模块还具有250Vrms通道-地面接地隔离，实现了安全、抗干扰和高共模电压范围。NI 9265

是在高速情况下，连接并控制受电流驱动的工业

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激励器的理想之选。该模块具有内置式开环检测。当检测到开环时，该模块会在软件中产生中断并产生0mA的上电输出，以确保安全，避免在系统上电时驱动激励器。NI 9265需要9 V到36 V的外部电源。该模块包括通道-地面接地双重隔离屏障，具有良好的安全性和抗干扰性。

综上所述，热电偶价格便宜，而且有很快的响应时间，但是它精度不高而且最不稳定，最不灵敏。热电偶仅仅是读取头和线之间的温度差异，而RTD和热敏电阻是读取绝对温度值。RTD是可靠性的最佳选择，而且最为稳定，精度最高。但是它的响应时间太长而且因为它需要一个电流源，因此它有自热产生。热敏电阻输出很快而且相对便宜，但是它易碎而且温度范围有限。它同样需要一个电流源而且比RTD的自热现象更为严重，同时它是非线性的(表1)。

温度范围的选择上三者也有区别，热敏电阻和热电阻是测量低温的温度传感器，热敏电阻最低，在500度以下，热电阻在-200到600℃，而热电偶是测量中高温的温度传感器，一般测量温度在400到1600℃，在选择时如果测量温度在600℃就应该选择K型热电偶，如果测量温度在1200到1600℃就应该选择S型或者B型热电偶。

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表1 三种温度传感器的比较

应变测量

应变是施加于物体的作用力对物体造成形变的大小，它会随着作用力的增

加而增长，对于一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要损坏，这个限度称为该种材料的极限应力。

应变测量有多种方法，最常用的是采用应变片。由于受到应力，应变片发生形变(长度发生改变)，从而导致其阻值也随之产生正比变化。最常见的应变片是金属应变片。

金属应变片由极细的金属丝或薄片组成，绕成栅状的形式使它们可以在平行的方向上最大程度地跟随应变发生变化(图5)。栅格粘在被称为载体的薄衬底上，并直接与被测试件连接。因此，被测件产生的应变直接反映到应变片上，使得应变片电阻值产生线性变化。应变片的阻值在30Ω到3000Ω，最常见的阻值标准是120Ω和350Ω。

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图5 应变片

由于应变片的阻值变化是微弱的，测量应变几乎都采用带电压激励的电桥形式。惠斯通电桥由4条电阻桥臂及作用于整个电桥的激励电压VEX组成(图6)，

图6 电桥

电桥输出电压V0表示为：

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(式1)

从此方程看出，当R1/R2=R4/R3时，电压输出V0为零。在这种条件下，称电桥处于平衡状态。此时任意桥臂上电阻值的变化都将使电桥电压输出不为零。

因此，如果把图中的R4替换为应变片，应变片电阻值的变化将使电桥处于非平衡状态，从而电压输出非零。如果应变片的理想电阻值为RG，那么应变产生的电阻变化DR可以表示为DR= RG*GF*e。设R1=R2、R3=RG，以上的电桥方程可重写为VO/VEX对应变的函数。注意1/(1+GF*e/2)项，表示1/4桥与应变相关的输出非线性变化。

理想状态下，我们希望应变片电阻仅在存在应变时才产生变化。然而，其材料及被测试件材料还同时对温度的变化敏感。通过在电桥的另一个桥臂上放入第2个应变片，这样可以使电桥的灵敏度提高一倍，并能够进一步抵消温度的影响，这是因为两块应变片受到温度的影响是相同的，这种桥路被称为半桥。

还可以通过将电桥4个桥臂都安装工作应变片来实现全桥配置，从而更进一步提高电路的灵敏度，适用于高精度场合。

NI公司的SCC和SCXI系列调理产品均有针对应变电路调理的模块。NI

SCC-SG系列包括五种双通道应变片输入模块，每一种都用于特定的应变片配置， 120Ω，1/4桥;350Ω，1/4桥;半桥和全桥等。调理模块还包括一个2.5V激励源，SG24的激励源是10V

的，它们是测压元件和压力传感器输入的理想选择。调理

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模块的每个通道均配有一个仪器放大器，一个1.6kHz低通滤波器和一个用于桥路零位调整的电位计。NI还提供SCC-SG11模块，该模块可执行可编程分路校准。NI SCXI-1520是8通道通用应变片输入模块，具有进行简单或高级应变测量所需要的所有功能。用户可借助这一模块，从应变传感器、力传感器、扭矩传感器和压力传感器上读取信号。1520包含在各类环境中均可自动校准的板载参考电压，它的每路通道均配有可编程放大器，4阶可编程Butterworth滤波器以及独立的0V到10V的可编程激励源。此外，SCXI-1520系统在模块内部提供了组成半桥电路的电阻网络，并在SCXI-1314接线盒上提供了一个350Ω的插座式电阻用于组成1/4桥，120Ω的1/4桥电阻也随附于接线盒。

cDAQ模块中，NI 9237具有四路模拟输入通道，其为应变片、压力传感器、测压元件和其他基于电桥测量的传感器而设计。9237由总线供电，可以为传感器提供高达10 V的内置激励，所以电桥不需要外部激励。9237每通道可同步达到50K的采样率，且带有通道-接地隔离。

编码器测量

编码器是一种机电装置，可以用来测量机械运动或者目标位置(图7)。大多数编码器都使用光学传感器来提供脉冲序列形式的电信号，这些信号可以依次转换成运动、方向或位置信息。

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图7 旋转编码器

按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。而绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

在增量式中编码器获得物体的相对位置。旋转编码器可以测量物体运动的角位移，它由一个发光二极管(LED)、一个码盘，以及码盘背面的一个光传感器。这个码盘安置在旋转轴上，上面按一定编码形式排列着不透光和透光的扇形区域。当码盘转动时，不透光扇区能够遮挡光线，而透光扇区则允许光线透过。这样就产生了方波脉冲，可以编译成相应的位置或运动信息。编码器每转通常分为100到6000个扇区，100个扇区的编码器可以提供3.6度的精度，而6000个扇区的编码器则可以提供0.06度的精度。

仅有一路脉冲输出的编码器不能确定旋转的角度，如果使用两路脉冲，其间的相位差为90度，那么通过该正交编码器的两路输出通道就可以确定位置和旋转的方向两个信息。例如，如果通道A相位超前，码盘就以顺时针旋转。

如果通

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道B相位超前，那么码盘就是以逆时针旋转(图8)。因此，通过监控脉冲的数目和信号A、B之间的相对相位信息，就可以同时获得旋转的位置和方向信息。除此之外，有些正交编码器还包含被称为零信号或者参考信号的第三个输出通道Z相。这个通道每旋转一圈输出一个单脉冲，可以通过它来精确计算某个参考位置，这种编码器被称为三相编码器。

图8 编码器原理

线性编码器与旋转编码器的工作原理类似。它采用了一条固定的不透光带取代了旋转码盘，在不透光带表面上有一些透光缝隙，而LED探测器组件则被附在运动体上，这样可以测量物体的线位移。

绝对式编码器能够获得目标的绝对位置。绝对式编码器的不同之处在于编码器的码盘上，采用了多组分区形成同心码道，如同靶环一样。同心码道从编码器码盘的中心出发，向外扩展直到码盘外部，每一层码道都比其内层多了一倍的分区。第一层，即最内层的码道，只有一个透光扇区和一个不透光扇区;位于中心的第二层就具有两个透光扇区和两个不透光扇区。如果编码器有10层码道，那么最外围的码道就有512个扇区。因为绝对式编码器的每层码道都比它里面一层的码道多了一倍数目的扇区，所以扇区的数目就形成了二进制计数系统。在这种编码器中，码盘上的每个码道都对应一个光源和一个接收器。

绝对式编码器的优

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