传感器组成与分类改.ppt

传感器与检测技术 朱悦涵 为什么要学习传感器技术？ 传感器在信息系统中的位置？ 第一讲 传感器的基本知识 一、传感器的定义 传感器（Sensor）：能感受规定 的被测量并按照一定的规律转换成可用 输出信号的器件和装置。 简单讲传感器就是将非电量转换成电量的装置。也称：发送器、传送器 、变送器、检测器、换能器等等。 二、传感器的组成 辅助环节 敏感元件转换元件调节转换电路 电量 被测量 敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系 的其他物理量的部分。敏感元件主要作用是进行预变换。即将被测非电量预 先变换为另一种易于变换成电量的非电量。 转换元件：把敏感元件的输出转换成电量。 信号调节转换电路：把转换元件输出的电信号转换为便于 显示记录、处理和控制的电信号（通常为电压或电流）的电路 ，常称为测量电路。该部分主要对信号进行各种形式的处理，如电平变换、 放大、滤波、调制、A/D、D/A变换等等。 辅助环节：主要是电源等 电阻式压力传感器：由薄壁圆筒及电阻应变片组成。 其中敏感元件是薄壁圆筒，转换元件是电阻应变片 思考：能否将电阻应变片看成是一个传感器？ 即：若敏感元件输出 的直接是电量，则敏感 元件与转换元件合二为 一。 三、传感器分类 按物理现象分类 1、结构型传感器利用物理学定律构成。其性能与构成 材料关系不大，但与其结构的几何尺寸有密切关系。如电容 式传感器、电感式传感器等等。 2、特性型传感器利用物质的某些客观属性构成的。其 性能与构成材料的不同而有明显的区别。这类传感器构成材 料的物理特性、化学特性或生物特性直接敏感于被测非电量 。如石英晶体压电效应，金属钠光电效应各种半导体传感器 。 按工作原理分类电容式、电感式、压电式、热电式等 。 按能量关系分类有源（发电型）、无源（参量型）。 按输入量分类 位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、 压力传感器。 按输出信号分类 数字式传感器、模拟式传感器。 检测技术含义 检测技术就是人们为了对被测对象所包含的 信息进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系 列技术措施。 主要作用： 1) 管理与监控。 2) 自动化系统。 3) 科学研究。 自动检测（控制）系统的组成 传感器测量电路输出单元 被测量 传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系 ，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装 置。 测量电路：把传感器输出的变量变换成电压或电流信 号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记 录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。 输出单元：指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据 处理电路等。 四、传感器的特性 静态特性是当被测量不随时间变化或变化很慢时，传感 器的输入输出特性。表示它们之间关系的是一个不含时间 变量的代数方程。如气温测量、长度测量等 动态特性是当被测量随时间变化很快时，传感器的输入 输出特性。表示它们之间关系的是一个含有时间变量的微 分方程，即输入、输出均是一个随时间变化的函数。如振动 测量 。 传感器的输入输出特性体现了被测未知量与传感器输 出量之间的关系，很显然这是传感器基本的特性。传感器 的特性一般分为静态特性和动态特性两种。 （一）传感器的静态特性 静态模型：一般可用多项式来表示： y = a 0 + a1 x + a2x 2 + an x n x输入量，y输出量，a 0 为零位输出 a1线性灵敏度， a2an 非线性项的待定系数。 它有三种特殊形式 a、理想线性特性a1x，此时a0、a2.an均为0。 b、具有偶次方非线性项的模型，此时无对称性，线性范围 教窄，传感器设计中很少采用这种设计。 y = a1 x + a2x 2 + a4 x 4 an x 2n c、仅有奇次方非线性项的模型，此时传输特性曲线相对于 原点对称，传感器有较宽的线性。 y = a1 x + a2x 3 + a2x 5 a2n-1 x 2n-1 1、线性度 1）定义：输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直 线的程度。 该直线称为拟合直线。 2）非线性误差：用下式定义 Lmax为实际输入输出特性曲线与拟合直线间的最大 偏差。YFS为输出满量程（统一：实际满量程输出）。 3）拟合直线 常用的拟合直线有理论直线法、切线法、割线（端点 连线）法等。拟合直线不同，线性度也不同。 (a) 理论拟合； (b) 过零旋转拟合； (c) 端点连线拟合； (d) 端点平移拟合 图中实线为 实际输入输出 特性，虚线为 拟合直线 2、迟滞 1）迟滞现象：系统在正向行程（输入量增大）和反向行 程（输入量减小）期间，输入输出特性曲线不重合的现象 。 产生此现象原因主要与机械部件存在不可避免的缺陷 造成的。如轴承摩擦，间隙，紧固件松动等。 2）滞环误差 对于同一大小的输入信号X ，在X 连续增大的行程中，对 应某一输出量为yi；在x连续减小过程中，对应于输出量为 yd 之间的差值叫做滞环误差，该误差用H表示为： Hid 3）迟滞误差（最大滞环率） 若在整个测量范围内产生的最大滞环误差为 Hmax，则最大滞环率为 3、重复性 1）定义 传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得 特性曲线不一致性程度。 多次测试曲线越重合，重复性越好，误差也小。产生 此现象原因与迟滞现象类似。 2）重复性误差 Rmax正、反两个行程中的最大值。 即图1-3中Rmax1、Rmax2中的较大者 4、灵敏度 1）定义：指传感器输出量的变化和引起此变化的输入量 的变化的比值，是一有量纲的量。 即输入输出特性曲线的斜率。若系统是线性的，则灵敏度 为一常数否则为一变量。 问题：对于多环节系统的灵敏度如何计算？ （串联）k=k1k2k3。 5、分辩率与阈值 1）分辨率：分辨率是仪表能够精确检测出被测量的最小变化的能力，可 用绝对值，也可用量程的百分数表示。通常，灵敏度越高，分辩率越好。 2）阈值：传感器输入零点附近的分辨率。 6、稳定性 传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，传感器 的输出与起始标定时的输出之间的差异。 7、漂移 漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变 化。漂移包括灵敏度漂移和零点漂移。 漂移还可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下， 零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移为环境温度变化而引起的零点 或灵敏度漂移。 练习 有一位移测量系统，对位移在05mm的范围进行了两个 循环的测量，测量数据如下： （mm）012345 mV