气体传感器菜鸟入门知识2

1、第二章第二章 传感器的基本概念传感器的基本概念传感器的定义和组成传感器的定义和组成传感器的分类传感器的分类传感器的一般要求传感器的一般要求传感器的基本特征传感器的基本特征传感器的正确选用传感器的正确选用传感器的应用领域及其发传感器的应用领域及其发展展传传感感器器的的基基本本概概念念w 传感器：以一定精确度把被测量转换为与传感器：以一定精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。理量的测量装置。w 定义含义：定义含义：传感器是测量装置传感器是测量装置传感器的输入量是某一被测量传感器的输入量是某一被测量传感器的输出量应是便于转换的物

2、理量传感器的输出量应是便于转换的物理量传感器的输入与输出之间有一定精确程度传感器的输入与输出之间有一定精确程度的对应关系的对应关系传感器的定义和组成传感器的定义和组成V、I、F、P传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、 探头探头 传感器的功用是一感二传，传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去即感受被测信息，并传送出去被测量被测量电量电量敏感元件、转换元件、基本转换电路敏感元件、转换元件、基本转换电路被测量被测量输出量输出量 敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物

3、理量的元件。定关系的某一物理量的元件。 转换元件：敏感元件的输出转换元件：敏感元件的输出 就是它的输入，它把输入的就是它的输入，它把输入的被测量抟换成电被测量抟换成电 路参量。路参量。 基本转换电路：上述电路参基本转换电路：上述电路参 量输入基本转换电路（简称量输入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。转换电路），便可转换成电量输出。辅助电源辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路传感器组成传感器组成1壳体壳体2膜盒（敏感元件）膜盒（敏感元件）3电感线圈（转换元件）电感线圈（转换元件）4磁芯磁芯5转换电路转换电路 传感器只完成被测参数至电量的基本转换，传感器

4、只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。 传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类十分繁多。为了很好地掌握它、应科有关，它的种类十分繁多。为了很好地掌握它、应用它，需要有一个科学的分类方法。用它，需要有一个科学的分类方法。传感器分类传感器分类1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转

5、角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光光： 亮度，色彩亮度，色彩常见的被测物理量常见的被测物理量2)2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类: :机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :能量转换型能量转换型:

6、 :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .4)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现

7、信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .例如位移传感器、压力传感器、振动传感器、例如位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等。温度传感器等。 模拟传感器、数字传感器模拟传感器、数字传感器。 双向传感器、单向传感器等。双向传感器、单向传感器等。 按照传感器的用途来分类按照传感器的用途来分类 根据传感器输出是模拟信号还是数字信号根据传感器输出是模拟信号还是数字信号根据转换过程可逆与否根据转换过程可逆与否可靠性；可靠性； 通用性；通用性；静态精度；静态精度； 轮廓尺寸；轮廓尺寸；动态性能；动态性能； 成本；成本；量程；量

8、程； 能耗；能耗；抗干扰能力；抗干扰能力； 对被测对象的影响对被测对象的影响 传感器的工作传感器的工作可靠性可靠性、静态精度静态精度和和动动态性能态性能是最基本的要求是最基本的要求传感器传感器一般要求一般要求w 静态特性：被测量不随时间变化或变化很慢时，静态特性：被测量不随时间变化或变化很慢时，检测系统的输入和输出量都与时间无关。检测系统的输入和输出量都与时间无关。w 动态特性：输入量和输出量都随时间变化较快，动态特性：输入量和输出量都随时间变化较快，是一个含有时间变量的微分方程式。检测系统对是一个含有时间变量的微分方程式。检测系统对快速变化的被测量的响应特性称为动态特性。快速变化的被测量的响

9、应特性称为动态特性。传感器基本特性传感器基本特性传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。 传感器输出与输入关系可用微分方程来描述传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。w 灵敏度灵敏度w 分辨率分辨率w 线性度线性度w 重复性重复性w 迟滞迟滞w 稳定性稳定性w 漂移漂移静态特性静态特性稳定性稳定性(零漂零漂)传感器传感器温度温度供

10、电供电各种干扰稳定性各种干扰稳定性温漂温漂分辨力分辨力冲击与振动冲击与振动电磁场电磁场线性线性滞后滞后重复性重复性灵敏度灵敏度输入输入误差因素误差因素外界影响外界影响 传感器输入输出作用图传感器输入输出作用图输出输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特衡量传感器特性的主要技术性的主要技术指标指标1、线性度、线性度w 线性度线性度是用实测系统输入是用实测系统输入-输出特性曲线与其拟输出特性曲线与其拟合直线之间的最大偏差。又称为非线性误差。合直线之间的最大偏差

11、。又称为非线性误差。w 通常用相对误差通常用相对误差 来表示，即来表示，即： %100maxFSYLLL 传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其其静态特性可用下列多项式代数方程表示静态特性可用下列多项式代数方程表示：线性度线性度y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn式中：式中：y输出量；输出量； x输入量；输入量； a0零点输出；零点输出； a1理论灵敏度；理论灵敏度； a2、a3、 、 an非线性项系数。非线性项系数。 各项系数不同，决定了特性曲线的

12、具体形式。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。 静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定标定和和数据处理数据处理的方便，希望得到的方便，希望得到线性关系线性关系。这时可采用。这时可采用各种方法，其中也包括各种方法，其中也包括硬件硬件或或软件补偿软件补偿，进行，进行线性线性化处理化处理。 一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是差不太大的情况下，总是采用采用直线拟合的办法直线拟合的办法来线性化。来线性

13、化。线性度线性度 在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差非线性误差或或线线性度性度. 非线性偏差的大小是非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直以一定的拟合直线为基准直线而得出来的线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。否简便。线性度线性度理论

14、拟合；理论拟合； 端点连线平移拟合；端点连线平移拟合；端点连线拟合；端点连线拟合； 过零旋转拟合；过零旋转拟合；最小二乘拟合；最小二乘拟合； 最小包容拟合最小包容拟合a.理论拟合理论拟合b.过零拟合过零拟合c.端点连线拟合端点连线拟合d.端点连线平移拟合端点连线平移拟合常用拟合方法常用拟合方法2、灵敏度、灵敏度 w 灵敏度：是指传感器或检测系统在稳态下输出量灵敏度：是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化变化y和引起此变化的输入的变化量和引起此变化的输入的变化量x的比值。的比值。xyS 可见，传可见，传感器输出曲感器输出曲线的线的斜率斜率就就是其灵敏度。是其灵敏度。对线性特性对线性特性的传感器，

15、的传感器，其特性曲线其特性曲线的斜率处处的斜率处处相同，灵敏相同，灵敏度度k是一常数，是一常数，与输入量大与输入量大小无关。小无关。l由多个环节组成的检测系统其灵敏度等于由多个环节组成的检测系统其灵敏度等于各环节的灵敏度之积。各环节的灵敏度之积。3、重复性、重复性w 重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度 。%100FSmaxRYR重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即%10032FSRY或：或：y0Rmax2Rmax1XRmax1

16、正行程的最大重复性偏差，正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。反行程的最大重复性偏差。4、分辨率、分辨率l分辨率：分辨率：传感器的分辨率是指在规定测量传感器的分辨率是指在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量范围内所能检测输入量的最小变化量 。 有时也用该值相对满量程输入值的百分有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示：数表示： minx%100FSminxx5、稳定性：、稳定性：w 传感器的稳定性一般是指长期稳定性传感器的稳定性一般是指长期稳定性 w 指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始

17、标定时的天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。输出之间的差异。 抗干扰稳定性抗干扰稳定性包括包括：温度稳定性温度稳定性稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性。的变化，有时称为长时间工作稳定性。6、漂移、漂移 w 传感器的漂移是指在外界的干扰下，输传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的变化，包括出量发生与输入量无关的变化，包括零零点漂移点漂移和和灵敏度漂移灵敏度漂移等。等。零点漂移零点漂移灵敏度漂移灵敏度漂移时间漂移、温度漂移时间漂移、温度漂移7、迟滞（回差滞环）现象、迟滞

18、（回差滞环）现象传感器在正向传感器在正向(输入量增输入量增大大)和反向和反向(输入量减小输入量减小)行程期间行程期间,输入输入-输出特性输出特性曲线的不一致的程度。曲线的不一致的程度。其大小是以满量程输出其大小是以满量程输出YFS的百分数表示，即：的百分数表示，即： %100FSmaxHYH是正、反行程输出值间的最大差值。是正、反行程输出值间的最大差值。 maxH传感器的动态特性是指其输出对随时传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。间变化的输入量的响应特性。 传感器的动态特性取决于：传感器的动态特性取决于：v传感器本身传感器本身 v被测量的变化形式被测量的变化形式动态特性动

19、态特性 在动态的输入信号情况下，输出信号一般来说不在动态的输入信号情况下，输出信号一般来说不会与输入信号具有会与输入信号具有完全相同的时间函数完全相同的时间函数，这种输出，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。与输入间的差异就是所谓的动态误差。动态特性动态特性 被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。函数。 通常研究动态特性是通常研究动态特性是根据标准输入特性根据标准输入特性来考虑传来考虑传感器的响应特性。感器的响应特性。u正弦变化的输入正弦变化的输入u

20、阶跃变化的输入阶跃变化的输入u线性输入线性输入经常使用的是前两种经常使用的是前两种标准输入有三种标准输入有三种通常采用通常采用阶跃响应法阶跃响应法和和频率响应法频率响应法分析传感分析传感器的动态误差器的动态误差 阶跃响应法阶跃响应法v阶跃响应法阶跃响应法从从时域方面时域方面来分析传感器的瞬态响应特性，来分析传感器的瞬态响应特性，如：如：超调量超调量、上升时间上升时间、响应时间响应时间、延滞时间延滞时间、峰值时峰值时间间等。等。时，其输出特性称为阶跃响应或瞬态响应特性。时，其输出特性称为阶跃响应或瞬态响应特性。当给静止的传感器输入一个当给静止的传感器输入一个单位阶跃单位阶跃函数信号：函数信号：

21、瞬态响应特性曲线如图瞬态响应特性曲线如图0 10 0)(tttu 阶跃响应特性阶跃响应特性 （1）最大超调量）最大超调量p （2）延滞时间）延滞时间td （3）上升时间）上升时间tr （4）峰值时间）峰值时间tp （5）响应时间）响应时间ts： v频率响应法是从传感器的频率响应法是从传感器的频率特性频率特性出发研究传出发研究传感器的动态特性。感器的动态特性。v通常是通常是先建立先建立传感器的数学模型传感器的数学模型，通过，通过拉氏变拉氏变换找出换找出传递函数传递函数表达式表达式，再，再根据输入条件得到根据输入条件得到相应的频率特性相应的频率特性。 频率响应法频率响应法 传感器对传感器对正弦输入

22、信号正弦输入信号的响应特性，称为频率的响应特性，称为频率响应特性。响应特性。 分析传感器动态特性，必须建立数学模型。线性系分析传感器动态特性，必须建立数学模型。线性系统的数学模型为统的数学模型为常系数线性微分方程常系数线性微分方程。对线性系统动态。对线性系统动态特性的研究，主要是分析数学模型的输入量特性的研究，主要是分析数学模型的输入量x与输出量与输出量y之间的关系，之间的关系，通过对微分方程求解通过对微分方程求解，得出动态性能指标得出动态性能指标。频率响应法频率响应法xbdtdxbdtxdbyadtdyadtydammmnnn0101/ y输出量；输出量； x输入量；输入量； t时间时间a0

23、， a1， ，an 常数；常数； b0， b1， ，bm 常数常数 输出量对时间输出量对时间t的的n阶导数；阶导数； 输入量对时间输入量对时间t的的m阶导数阶导数nndtyd/mmdtxd/ 零阶传感器零阶传感器在零阶传感器中，只有在零阶传感器中，只有a0与与b0两个系数，微分方程为两个系数，微分方程为a0y= b0 xKxxaby)/(00K静态灵敏度静态灵敏度 零阶输入系统的输入量无论随时间如何变化，其输零阶输入系统的输入量无论随时间如何变化，其输出量总是与输入量成确定的比例关系出量总是与输入量成确定的比例关系。在时间上也不。在时间上也不滞后，幅角等于零。如电位器传感器。在实际应用中，滞后

24、，幅角等于零。如电位器传感器。在实际应用中，许多许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似地当作零阶系统处理地当作零阶系统处理。大部分传感器可简化为单自由度大部分传感器可简化为单自由度一阶一阶或或二阶系统二阶系统 一阶传感器一阶传感器微分方程除系数微分方程除系数a1， a0 ，b0外其他系数均为外其他系数均为0，则，则a1(dy/dt)+a0y= b0 xxabydtdyaa0001Kxydtdy 时间常数时间常数( = a1/a0)；K静态灵敏度静态灵敏度( K= b0/a0)传递函数传递函数：一阶传感器一阶传感器sKsW1)(频率特性：频率特性

25、：jKjW1)(幅频特性：幅频特性：2)(1)(KjW相频特性：相频特性：)arctan()(时间常数时间常数 越小，越小，系统的频率特性越好系统的频率特性越好负号表示相位滞后负号表示相位滞后二阶传感器二阶传感器 很多传感器，如很多传感器，如振动传感器振动传感器、压力传感器压力传感器等属于二等属于二阶传感器，其微分方程为：阶传感器，其微分方程为：xbyadtdyadtyda001222/kXYss1222时间常数，时间常数， ； 0自振角频率自振角频率,0=1/ 阻尼比，阻尼比， ； k静态灵敏度，静态灵敏度，k=b0/a02/ aa2012/aaa传递函数传递函数12/2sskjW频率特性频

26、率特性jkjW21/22幅频特性幅频特性2222)2()1 (/)( kk相频特性相频特性)1/(2arctan)(22二阶传感器二阶传感器（1）频带频带：传感器增益保持在一定值传感器增益保持在一定值内的频率范围称内的频率范围称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。（2）时间常数时间常数 ：用时间常数：用时间常数 来表征一阶传感器的动来表征一阶传感器的动态特性。态特性。 越小，频带越宽。越小，频带越宽。（3）固有频率固有频率 n ：二阶传感器的固有频率二阶传感器的固有频率 n表征了其表征了其动态特性。动态特性。传感器频率响应特性指标传感器频

27、率响应特性指标基本参数指标基本参数指标 环境参数指标环境参数指标可靠性指标可靠性指标其它指标其它指标基本参数指标基本参数指标量程指标：量程指标：量程范围、过载能力等量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程灵敏度、分辨力、满量程输出等输出等精度有关指标：精度有关指标：精度、误差、线性、滞后精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、重复性、灵敏度误差、稳定性稳定性 动态性能指标：动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等速度、稳定时间等环境参数指标环境

28、参数指标 温度指标：温度指标： 工作温度范围、温工作温度范围、温度误差、温度漂移度误差、温度漂移、温度系数、热滞、温度系数、热滞后等后等 抗冲振指标：抗冲振指标： 允许各向抗冲振的允许各向抗冲振的频率、振幅及加速频率、振幅及加速度、冲振所引入的度、冲振所引入的误差误差 其他环境参数：其他环境参数： 抗潮湿、抗介质腐抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁蚀等能力、抗电磁场干扰能力等场干扰能力等可靠可靠性指性指标标工作寿工作寿命、平命、平均无故均无故障时间、障时间、保险期、保险期、疲劳性疲劳性能、绝能、绝缘电阻、缘电阻、耐压及耐压及抗飞弧抗飞弧等等使用有关指标使用有关指标：供电方式（直供电方式（直流、交流、频流、交流、频率及波形等）率及波形等）、功率、各项、功率、各项分布参数值、分布参数值、电压范围与稳电压范围与稳定度等定度等外形尺寸、