传感器及其应用_第1章 传感器简论

1、2022年4月14日2022年4月14日21.1.传感检测技术基础传感检测技术基础2.2.常用传感器原理常用传感器原理3.3.传感器信号处理电路传感器信号处理电路4.4.典型传感器应用典型传感器应用2022年4月14日3一、传感器测技术概念一、传感器测技术概念1.传感检测技术作用（意义、重要性）传感检测技术作用（意义、重要性） 在自然界、社会生活、生产实践、科学实验等在自然界、社会生活、生产实践、科学实验等活动中，存在各种各样的量，需要知道他们的存在活动中，存在各种各样的量，需要知道他们的存在和大小。有些量大到能够被人们感知，有些量较小，和大小。有些量大到能够被人们感知，有些量较小，不能被人们

2、感知。要测出人们感兴趣量的大小，就不能被人们感知。要测出人们感兴趣量的大小，就要用到对这些量敏感的传感器，信号处理（调理）要用到对这些量敏感的传感器，信号处理（调理）电路，检测技术等电路，检测技术等2022年4月14日42.2.传感器的概念传感器的概念传感器是人体五官传感器是人体五官耳、眼、鼻、舌、皮肤的耳、眼、鼻、舌、皮肤的工程模拟物。工程模拟物。传感器广义概念传感器广义概念是一种以一定的精确度将被测量转是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理换为与之有确定对应关系的、易于精确处理 和测量和测量的某种物理量的测量部件或装置。的某种物理量的测量部件或装置。传感器狭义

3、概念传感器狭义概念是能把外界非电信号转换为电信号是能把外界非电信号转换为电信号输出的器件或装置。输出的器件或装置。随着科学技术的进步，传感器的随着科学技术的进步，传感器的“可用信号可用信号”内涵内涵也会随之改变，如人们跨入光子时代，也会随之改变，如人们跨入光子时代，光信号光信号将成将成为更便于快速、高效处理与传输的为更便于快速、高效处理与传输的“可用信号可用信号”了。了。2022年4月14日53.传感器的组成传感器的组成敏感敏感元件元件被测量被测量转换转换元件元件基本转基本转换电路换电路电量电量电路参数电路参数物理量物理量例如：悬臂梁加速度传感器例如：悬臂梁加速度传感器2022年4月14日6敏

4、感元件：悬臂梁把加速度转化为悬臂梁的应变敏感元件：悬臂梁把加速度转化为悬臂梁的应变 。转换元件：电阻应变片把应变转换为电阻变化。转换元件：电阻应变片把应变转换为电阻变化。基本转换电路：电桥把电阻变化转化为电压输出。基本转换电路：电桥把电阻变化转化为电压输出。dV2022年4月14日7二、传感器的工作机理和分类二、传感器的工作机理和分类1.传感器工作机理传感器工作机理 传感器的工作机理是基于各种物理、化学和生传感器的工作机理是基于各种物理、化学和生物效应等，并受相应的定律和法则支配。了解这些物效应等，并受相应的定律和法则支配。了解这些定律和法则有助于对传感器本质的理解和对新效应定律和法则有助于对

5、传感器本质的理解和对新效应传感器的开发。传感器的开发。守恒定律守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。场的定律场的定律：如重力场、静电场、磁场等。遵守场定：如重力场、静电场、磁场等。遵守场定律的传感器可称为律的传感器可称为“结构型传感器结构型传感器”物质定律物质定律：表示物质本身内在性质的定律。遵守物：表示物质本身内在性质的定律。遵守物质定律的传感器称为质定律的传感器称为“物性型传感器物性型传感器”2022年4月14日8统计法则统计法则：把微观系统与宏观系统联系起来的法则。：把微观系统与宏观系统联系起来的法则。2.2.传感器的分类传感器的分类按被测量分类

6、按被测量分类 该分类法该分类法明确了传感器的用途，便于使用者选明确了传感器的用途，便于使用者选择传感器，如位移传感器、力传感器、温度传感器、择传感器，如位移传感器、力传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、速度传感器等。压力传感器、流量传感器、速度传感器等。按工作原理分类按工作原理分类 该分类法清楚地该分类法清楚地 表明了传感器的工作原理，有表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和应用，如利于传感器的设计和应用，如电阻式、电感式、电容式、电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式传感器等。压电式、磁电式传感器等。 2022年4月14日9按工作机理分类按工作机理分类 物性型物性型：依靠敏感元

7、件本身的物理化学性质的变：依靠敏感元件本身的物理化学性质的变化实现信号变换。如压阻式传感器、压电式传感器化实现信号变换。如压阻式传感器、压电式传感器等。等。 结构型结构型：依靠传感器结构参量的变化实现信号转依靠传感器结构参量的变化实现信号转换。如电容式、电感式传感器等。换。如电容式、电感式传感器等。按基本效应分类按基本效应分类 物理型物理型：利用某些变换元件的物理性质或某些功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。如能材料的特殊性能制成的传感器。如PN温度传感器。温度传感器。 2022年4月14日10 化学型化学型：利用电化学反应原理把有机和无机的化：利用电化学反应原理

8、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学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器 。如接触燃烧气敏传感器等。如接触燃烧气敏传感器等。 生物型生物型：利用生物功能物质作识别器件制成的传利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。如酸度计传感器等。感器。如酸度计传感器等。按能量转换关系分类按能量转换关系分类 能量转换型（无源型、发电型或主动型传感器）能量转换型（无源型、发电型或主动型传感器） 不需要外加电源而将被测量转化为电量输出，但其不需要外加电源而将被测量转化为电量输出，但其负载能力有限，应用时需要注意。如热电偶、压电负载能力有限，应用时需要注意。如热电偶、压电式传感器等。式传感器

9、等。 能量控制型（有源型、被动型传感器）能量控制型（有源型、被动型传感器）2022年4月14日11 需要外加电源才能将被测信号转化为电量，能量控需要外加电源才能将被测信号转化为电量，能量控制型传感器本身参数的改变（如电阻、电容、电感）制型传感器本身参数的改变（如电阻、电容、电感）不起换能作用。不起换能作用。按输出信号的形式分类按输出信号的形式分类 模拟式模拟式：传感器输出模拟信号。大多传感器如此：传感器输出模拟信号。大多传感器如此 数字式数字式：传感器输出数字信号。如编码器式传感：传感器输出数字信号。如编码器式传感器。器。 工程习惯工程习惯上常根据工作原理和被测量命名传感上常根据工作原理和被测

10、量命名传感器，电感式位移传感器，电容式加速度传感器等。器，电感式位移传感器，电容式加速度传感器等。2022年4月14日12三、传感器数学模型（描述方法）三、传感器数学模型（描述方法） 传感器作为感受被测量信息的器件，总希望它传感器作为感受被测量信息的器件，总希望它能按照一定的规律输出有用信号，因此，需要研究能按照一定的规律输出有用信号，因此，需要研究其输出其输出- -输入关系及特性。最有效的描述方法是传输入关系及特性。最有效的描述方法是传感器的数学模型。感器的数学模型。 由于传感器可以测量由于传感器可以测量时不变信号时不变信号和和时变信号时变信号，所以应该以带随机变量的非线性微分方程作为数学所

11、以应该以带随机变量的非线性微分方程作为数学模型。这样在数学上有困难，所以，实际上把传感模型。这样在数学上有困难，所以，实际上把传感器的静态特性和动态特性分开考虑，从而有器的静态特性和动态特性分开考虑，从而有静态模静态模型型和和动态模型动态模型。2022年4月14日131.1.静态数学模型静态数学模型 指在静态信号作用下（即输入量对时间指在静态信号作用下（即输入量对时间t t的各阶导的各阶导数等于数等于0 0）得到的数学模型。其静态数学模型为）得到的数学模型。其静态数学模型为非线性项待定常数。非线性项待定常数。传感器的灵敏度；传感器的灵敏度；传感器零位输出；传感器零位输出；输出量；输出量；输入量

12、；输入量；式中式中nnnaaaayxxaxaxaay1102210 2022年4月14日14xay133221xaxaxay55331xaxaxay44221xaxaxay(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)表示输出与输入量之间的关系曲线称为表示输出与输入量之间的关系曲线称为特性曲线特性曲线2022年4月14日152.2.动态数学模型动态数学模型 传感器的动态数学模型是指传感器在受到时变传感器的动态数学模型是指传感器在受到时变输入量作用时，其输出输入之间的关系，通常称输入量作用时，其输出输入之间的关系，通常称为响应特性。为响应特性。 有些传感器虽然有良好的静态特性，但由于传有些传感

13、器虽然有良好的静态特性，但由于传感器总存在着弹性、惯性、阻尼等因素，使传感器感器总存在着弹性、惯性、阻尼等因素，使传感器的输出量不仅与输入量有关，而且还与输入量的变的输出量不仅与输入量有关，而且还与输入量的变化速度等有关，所以将导致严重的动态误差，这就化速度等有关，所以将导致严重的动态误差，这就必须认真研究传感器的动态响应特性，为此建立的必须认真研究传感器的动态响应特性，为此建立的数学模型称为动态模型。常用的动态方程有：数学模型称为动态模型。常用的动态方程有：微分微分方程方程、传递函数传递函数、频率响应函数频率响应函数。2022年4月14日16xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyad

14、tydadtydammmmmmnnnnnn0111101111.（1 1）微分方程微分方程（时域内）（时域内）优点优点：通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态响应。通解仅与传感器本身特性及初始条件有关响应。通解仅与传感器本身特性及初始条件有关；特解不仅与传感器的特性有关，而且还与输入；特解不仅与传感器的特性有关，而且还与输入量有关。量有关。缺点：求解麻烦，尤其是通过增减环节来改善传缺点：求解麻烦，尤其是通过增减环节来改善传感器的特性时显得更不方便。感器的特性时显得更不方便。2022年4月14日17（2 2）传递函数传递函数（复数域内）（复数域内） 在数学上，如

15、果运用拉普拉斯变换将时域的数学在数学上，如果运用拉普拉斯变换将时域的数学模型转换成复数域的数学模型，就得到传递函数。模型转换成复数域的数学模型，就得到传递函数。 上述微分方程在初始条件为零时，输出上述微分方程在初始条件为零时，输出y(t)拉氏拉氏变换变换Y(S)和输入和输入x(t)的拉氏变换的拉氏变换X(S)之比，即为传递之比，即为传递函数函数G(S)。01110111)()()(aSaSaSabSbSbSbSXSYsGnnnnmmmm其中其中 jS 传递函数传递函数G(S)G(S)用于描述系统本身固有的特性，用于描述系统本身固有的特性，而与输入量无关。而与输入量无关。2022年4月14日18

16、（3 3）频率响应函数频率响应函数（频域内）（频域内）对于传感器或系统，其频率响应函数为：初始条件为对于传感器或系统，其频率响应函数为：初始条件为零时，输出的傅立叶变换和输入的傅里叶变换之比，零时，输出的傅立叶变换和输入的傅里叶变换之比，即即01110111)()()()()()()()(ajajajabjbjbjbSGjGnnnnmmmmjS 如将如将 G(G(jj) )的实部和虚部分开，则有的实部和虚部分开，则有 G(G(jj) )= = P(P()+)+ j jQ(Q() )其中，其中，P(P() )和和 Q(Q() )都是都是的实函数，以频率的实函数，以频率为为横坐标，以横坐标，以P(

17、P() )和和Q(Q() )为纵坐标所绘的图形分别称为纵坐标所绘的图形分别称为系统的实频特性图与虚频特性图。为系统的实频特性图与虚频特性图。 又若将又若将G(G(jj) )写成写成 G(j)=A()eG(j)=A()ej(j() ) 其中其中 2022年4月14日19)()()()()()()(22 PQarctgQPjGA分别称为幅频特性和相频特性。分别称为幅频特性和相频特性。四、传感器的特性分析四、传感器的特性分析 传感器的特性主要是指其输出与输入之间的传感器的特性主要是指其输出与输入之间的关系，有静特性和动特性之分。关系，有静特性和动特性之分。1.1.传感器的静特性传感器的静特性 静特性

18、是指传感器在输入量的各个值处于稳静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入关系，即当输入量是常量或定状态时的输出与输入关系，即当输入量是常量或变化极慢时，输出与输入的关系。变化极慢时，输出与输入的关系。2022年4月14日20 衡量传感器静态特性的主要技术指标有线性度、衡量传感器静态特性的主要技术指标有线性度、重复性、迟滞、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、重复性、迟滞、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移、精确度等。漂移、精确度等。（1 1）线性度线性度 标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。若在标称（全量程）输出范围若在标称（全量程）

19、输出范围A A内，标定曲线偏离内，标定曲线偏离拟合直线的最大偏差为拟合直线的最大偏差为B B，则定义非线性度为，则定义非线性度为 线性度线性度=(B/A)=(B/A)100%100% 线性度图线性度图 拟合直线（拟合直线（理论直线法、端点理论直线法、端点平移法、端点线法、最小二乘平移法、端点线法、最小二乘法法），该如何确定，目前国内），该如何确定，目前国内外尚无统一的标准。较常用的外尚无统一的标准。较常用的是最小二乘法是最小二乘法 。2022年4月14日21（2 2）迟滞迟滞 传感器在正传感器在正( (输入量增大输入量增大) )反反( (输入量减小输入量减小) )行行程中输出输入曲线不重合程度

20、称为迟滞。迟滞误程中输出输入曲线不重合程度称为迟滞。迟滞误差一般以正反行程中输出的最大偏差量与满量程差一般以正反行程中输出的最大偏差量与满量程输出之比的百分数表示，即输出之比的百分数表示，即 %100FSmHH 迟滞特性迟滞特性迟滞特性一般由实验方法确定。迟滞特性一般由实验方法确定。2022年4月14日22（3 3）重复性重复性 指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得的特性曲线不一致的程度。重复性误差变动时所得的特性曲线不一致的程度。重复性误差常用满量程输出的百分数表示。常用满量程输出的百分数表示。 正行程的最大重复性偏正行程的最大重复性偏差

21、差为为R Rmax1max1，反行程的最大重复，反行程的最大重复性偏差为性偏差为R Rmax2max2 。重复性误差。重复性误差取这两个最大偏差之中较大者取这两个最大偏差之中较大者为为R Rmaxmax，与满量程输出之比，与满量程输出之比的百分数表示，即的百分数表示，即 %100maxFSRyR 2022年4月14日23（4 4）灵敏度灵敏度 传感器输出的变化量与引起此变化量的输入变传感器输出的变化量与引起此变化量的输入变化量之比即为其灵敏度。灵敏度表示传感器对被测化量之比即为其灵敏度。灵敏度表示传感器对被测变化量的反应能力。线性传感器的灵敏度就是拟合变化量的反应能力。线性传感器的灵敏度就是拟

22、合直线的斜率，即直线的斜率，即xyk 非线性传感器的灵敏度不是常数，可表示为非线性传感器的灵敏度不是常数，可表示为dxdyk 2022年4月14日24（5 5）分辨力与阈值分辨力与阈值 分辨力分辨力是指传感器在规定测量范围内所能检测是指传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化值。有时对该值用相对满出被测输入量的最小变化值。有时对该值用相对满量程输入值之百分数表示，则称为量程输入值之百分数表示，则称为分辨率分辨率。 阈值阈值是使传感器的输出端产生可测变化量的最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。小被测输入量值，即零点附近的分辨力。 有些传感器在零位

23、附近有严重的非线性，形成有些传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓所谓“死区死区”，则将该，则将该“死区死区”的大小作为阈值。的大小作为阈值。2022年4月14日25（6 6）稳定性稳定性 稳定性稳定性又称长期稳定性，即传感器在长时间内又称长期稳定性，即传感器在长时间内保持其原性能的能力。稳定性一般以室温条件下经保持其原性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的过规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。表示。（7 7）漂移漂移 漂移漂移是指在一定时间间隔内，传

24、感器的输出存是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移常在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏度漂移。包括零点漂移和灵敏度漂移。2022年4月14日26 零点漂移或灵敏度漂移又可分为零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移时间漂移和和温温度漂移。时漂度漂移。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间有缓慢的变化；随时间有缓慢的变化；温漂温漂是指由周围温度变化所是指由周围温度变化所引起的零点或灵敏度的变化。引起的零点或灵敏度的变化。（8 8）静态误差静态误差( (精确度精确度) ) 静态误差是指传感器在其全量

25、程内任一点的输静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。是系统误差与随出值与其理论输出值的偏离程度。是系统误差与随机误差综合影响程度的评价指标。机误差综合影响程度的评价指标。 静态误差的求取方法如下：把全部校准数据与静态误差的求取方法如下：把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差，看成是随机分布，求出拟合直线上对应值的残差，看成是随机分布，求出其标准偏差，即其标准偏差，即2022年4月14日27nniyn12)(11 取取22或或33值即为传感器的静态误差。值即为传感器的静态误差。 静态误差是一项综合性指标，它基本上包含了静态误差是一项综合性指标，它基本上包含了前述的

26、非线性误差、迟滞误差、重复性误差等。所以前述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差等。所以也可以把这几个单项误差综合而得，即也可以把这几个单项误差综合而得，即222RHL 2.2.传感器的动态特性传感器的动态特性 动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的动态特性是指传感器对随时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本身及响应特性。传感器的动态特性取决于传感器本身及输入信号的形式。输入信号的形式。2022年4月14日28 因此，工程上常采用正弦函数和单位阶跃函数因此，工程上常采用正弦函数和单位阶跃函数作为作为“标准标准”信号函数，对传感器的动态特性进行信号函数，对传感器的动态特性进行

27、分析，从而确定评价传感器动态特性的指标。分析，从而确定评价传感器动态特性的指标。（1 1）频率响应特性频率响应特性 传感器的频率响应函数为传感器的频率响应函数为01110111)()()()()()()()(ajajajabjbjbjbSGjGnnnnmmmmjS 对系统输入正弦激励信号对系统输入正弦激励信号x(xx(x)=Asin(2ft)=Asin(2ft)，在系统，在系统达到稳态后，测量输出和输入的达到稳态后，测量输出和输入的幅值比和相位差。幅值比和相位差。这样可这样可以得到频率以得到频率f f下系统的传输特性。从系统的最低测量频率下系统的传输特性。从系统的最低测量频率fminfmin到

28、系统的最高测量频率到系统的最高测量频率fmaxfmax，按一定的增量方式逐步，按一定的增量方式逐步增加正弦激励信号频率增加正弦激励信号频率f f，记录各频率对应的幅值比和相位，记录各频率对应的幅值比和相位差，绘制在图上就可以得到系统的幅频和相频特性曲线。差，绘制在图上就可以得到系统的幅频和相频特性曲线。 2022年4月14日29（2 2）阶跃响应特性阶跃响应特性 对一阶系统来说，对系统输入对一阶系统来说，对系统输入阶跃信号，阶跃信号，测得测得系统的响应信号。取系统输出值达到最终稳态值的系统的响应信号。取系统输出值达到最终稳态值的63%63%所经过的时间作为时间常数所经过的时间作为时间常数 。

29、对二阶系统来说，对系统输入阶跃信号，测得对二阶系统来说，对系统输入阶跃信号，测得系统的响应信号。从而可以测出系统的动态特性参系统的响应信号。从而可以测出系统的动态特性参数。数。 2022年4月14日30五、传感器的标定与校准五、传感器的标定与校准1.1.传感器的标定传感器的标定 传感器系统设计好后，其输出与输入的关系并传感器系统设计好后，其输出与输入的关系并不知道，只有通过标定才能获得。不知道，只有通过标定才能获得。 利用标准设备产生已知的非电量（标准），或利用标准设备产生已知的非电量（标准），或用基准量来确定传感器电输出与非电量输入关系的用基准量来确定传感器电输出与非电量输入关系的过程，称为

30、标定。过程，称为标定。（1 1）标定设备）标定设备 标准信号发生器、输出信号测试仪器。标准信号发生器、输出信号测试仪器。 2022年4月14日31（2）静态标定）静态标定 输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，计算出传感器出标定曲线、标定方程和标定常数，计算出传感器（系统）的静态特性。（系统）的静态特性。（3 3）动态标定）动态标定 用于确定传感器的动态性能指标。用于确定传感器的动态性能指标。 2.2.传感器的校准传感器的校准 传感器需要定期检测其基本性能参数，以判定传感器需要定期检测其基本性能参数，以判定其是否可以继续

31、使用。若能继续使用，则应对其变其是否可以继续使用。若能继续使用，则应对其变化的主要指标进行修正。确定传感器的测量精度的化的主要指标进行修正。确定传感器的测量精度的过程，称之为传感器的校准。过程，称之为传感器的校准。 2022年4月14日32 六、改善传感器性能的主要技术途径六、改善传感器性能的主要技术途径 传感器性能指标多方面，企图要求各指标都传感器性能指标多方面，企图要求各指标都很高，不论是设计或是制造都很困难，实际也没很高，不论是设计或是制造都很困难，实际也没有必要。在应用时，可以确保主要性能指标，放有必要。在应用时，可以确保主要性能指标，放宽次要性能指标，以提高传感器的性价比。同时，宽次

32、要性能指标，以提高传感器的性价比。同时，在设计和使用传感器时，还可以采取一些技术措在设计和使用传感器时，还可以采取一些技术措施改善传感器的性能。主要有：施改善传感器的性能。主要有： 1.1.差动技术差动技术 设有一传感器，其静态数学模型为设有一传感器，其静态数学模型为用另一相同的传感器，但使其输入量符号相反，则用另一相同的传感器，但使其输入量符号相反，则21012 nnyaa xa xa x2022年4月14日33它的输出为它的输出为二者相减得二者相减得于是，有于是，有 消除了零位输出；消除了零位输出； 消除了偶次非线性项，得到对称于原点的相当消除了偶次非线性项，得到对称于原点的相当宽的近似线性范围，减小了非线性；宽的近似线性范围，减小了非线性； 灵敏度提高了一倍；灵敏度提高了一