传感器的基本概念.ppt

第一节传感器的定义与组成第二节传感器的分类第三节传感器的技术特点第四节传感器的数学模型概述第五节传感器的基本特性 第一章传感器的基本概念 第一节传感器的定义与组成 将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置叫做传感器 也叫变换器 换能器或探测器 一 传感器的定义 3 二 传感器的组成 图1 1一般传感器组成框图 敏感元件 直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件 转换元件 又称变换器 能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件 敏感元件 转换元件 压力传感器示例 信号调节电路 能把传感元件输出的电信号转换为便于显示 记录 处理 和控制的有用电信号的电路 常用的电路有电桥 放大器 变阻器 振荡器等 辅助电路通常包括电源等 8 第二节传感器的分类 一 按工作机理分类 根据物理和化学等学科的原理 规律和效应进行分类 二 按被测量分类 根据输入物理量的性质进行分类 三 按敏感材料分类 根据制造传感器所使用的材料进行分类 可分为半导体传感器 陶瓷传感器等 物理量传感器 利用某些变换元件的物理性质或某些功能材料的特殊性能制成的传感器 化学量传感器 利用电化学反应原理把有机和无机的化学物质的成分 浓度等转换成电信号的传感器 生物量传感器 利用生物功能物质作识别器件制成的传感器 按被测量分类 四 按能量的关系分类 根据能量观点分类 可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类 有源传感器是将非电能量转换为电能量 称之为能量转换型传感器 也称换能器 通常配合有电压测量电路和放大器 如 压电式 热电式 电磁式等 无源传感器又称为能量控制型传感器 被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用 所以必须具有辅助能源 电能 如 电阻式 电容式和电感式等 五 其它 按用途 学科 功能和输出信号的性质等进行分类 从系统角度看 一种传感器就是一种系统 根据系统工程学理论 一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描述 即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入的关系和特性 从而 用这种关系指导对传感器的设计 制造 校正和使用 通常从传感器的静态输入 输出关系和动态输入 输出关系两方面建立数学模型 第四节传感器的数学模型概述 一 静态模型 静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下 描述传感器的输出与输入量的一种函数关系 如果不考虑蠕动效应和迟滞特性 传感器的静态模型一般可用多项式来表示 二 动态模型 动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号作用下 描述其输出和输入信号的一种数学关系 动态模型通常采用微分方程和传递函数描述 1 微分方程 大多数传感器都属模拟系统之列 描述模拟系统的一般方法是采用微分方程 在实际的模型建立过程中 一般采用线性常系数微分方程来描述输出量y和输入量x的关系 其通式如下 an an 1 a0和bm bm 1 b0为传感器的结构参数 除b0 0外 一般取b1 b2 bm为零 2 传递函数 如果y t 在t 0时 y t 0 则y t 的拉氏变换可定义为 式中S j 0 对微分方程两边取拉氏变换 则得 定义输出y t 的拉氏变换Y S 和输入x t 的拉氏变换X S 的比为该系统的传递函数H S 则 对y t 进行拉氏变换的初始条件是t 0时 y t 0 对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块 弹性元件 电气元件等均符合上述的初始条件 20 对于多环节串 并联组成的传感器 若各环节阻抗匹配适当 可忽略相互间的影响 传感器的等效传递函数可按代数方式求得 显然H S 与输入量x t 无关 只与系统结构参数有关 因而H S 可以简单而恰当地描述传感器输出与输入的关系 21 若传感器由p个环节并联而成 若传感器由r个环节串联而成 对于较为复杂的系统 可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联 22 若传感器由r个环节串联而成 对于较为复杂的系统 可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联 第五节传感器的基本特性 一 静态特性 1 线性度 输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度 又称非线性误差 可用下式表示 max 输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差yFS 输出满量程值 1 2 3 三种形式所呈现的非线性程度 图1 3三种特殊形式的特性曲线 2 灵敏度 在稳态下输出增量与输入增量的比值 对线性传感器 其灵敏度就是它的静态特性的斜率 非线性传感器灵敏度是一个变量 只能表示传感器在某一工作点的灵敏度 3 重复性 输入量按同一方向作全程多次测试时 所得特性曲线不一致的程度 4 迟滞 回差滞环 现象 表明传感器在正向行程和反向行程期间 输出 输入特性曲线不重合的程度 29 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yi 与在x连续减小的行程中 对应某一输出量yd之间的差值叫滞环误差 即所谓的迟滞现象 在整个测量范围内产生的最大滞环误差用 m表示 它与满量程输出值的比值称最大滞环率 5 分辨率与阈值 传感器在规定的范围所能检测输入量的最小变化量 阈值是使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值 即零点附近的分辨力 6 稳定性 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 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 漂移包括零点漂移和灵敏度漂移 零点漂移和灵敏度漂移又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 传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性 很多传感器要在动态条件下检测 被测量可能以各种形式随时间变化 只要输入量是时间的函数 则其输出量也将是时间的函数 其间的关系要用动特性来说明 一个动态特性好的传感器 其输出将再现输入量的变化规律 即具有相同的时间函数 实际的传感器 输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数