传感器1第一章传感器一般特性第2章电阻式传感器

传感器原理及应用第1章绪论1.1传感器的重要作用及定义人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官，单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。传感器的出现就解决了这一问题，它能代替感觉器官的功能和完成人的感觉器官所不能完成的功能。---传感器：人类感觉器官的延伸传感器（Transducer/Sensor）定义：关于传感器的定义，至今尚无一个比较全面的定义。传感器有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器。其主要特征是能感知和检测某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。---传感器：是一种以一定的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理量的测量装置。1.2传感器的组成和分类被测量敏感元件传感元件辅助电源转换电路及信号调节电量敏感元件——直接感受被测量(非电量)能产生有确定关系的输出量(一般为非电量)传感元件——又称为变换器，一般情况它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。变换电路——能把传感元件输出的电量转换为便于处理、传输、记录、显示和控制的有用电信号的电路。不同种类的传感元件有不同 种类的变换电路与之适应，在研究传感技术时，应把传感元 件和变换电路作为一个统一体来考虑。-------1.2.1传感器的组成1.2.2传感器的分类1、按被测物理量分类2、按工作原理分类3、按能量的传递方式分类位移、压力、温度、湿度、速度、加速度等。直接说明了传感器的用途，对使用者和生产厂商很方便。应变式、压电式、电容式、电感式等，是以传感器的工作原理作为分类的依据．有源传感器和无源传感器两类，--从能量的观点分类。1.3传感器的应用和发展1.3.1传感器的应用和需求希望应用传感器的领域希望应用传感器处理的物理状态和物理量1.3.1传感器的发展趋势和方向开发新型传感器利用物理现象、化学反应和生物效应是各种传感器工作的基本原理，所以发现新现象与新效应是研制新型传感器的重要基础，其意义极为深远。例如日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏应比霍尔器件高，仅次于超导量子干涉器件．而其制造工艺远比超导量子干涉器件简单，它可用于磁成像技术，具有广泛推广价值。开发新材料传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步．人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而可以设计制造出用于各种传感器的功能材料。采用新工艺主要指微细加工技术，又称为微机械加工技术集成化、多功能化与智能化传感器体积更小，功能更多，自动分析处理信号（数据）的能力更强。1.3传感器的技术特点内容范围广且离散知识密集程度高边缘学科色彩浓体现在传感器技术可利用的物理、化学、生物学、电子学等中的基础“效应”、“反应”、“机理”不仅为数甚多．而且它们往往被此独立，甚至是完全不相关。传感器技术是以材料的电、磁、光、声、热、力等功能效应和功能形态变换原理为基础，并综合了物理学、化学、生物工程、微电子学、材料科学等方面的知识和技术面形成的一门科学。由此可见，传感器技术是学科交错应用极多．知识密集极高，与许多基础科学和专业工程学有着极为密切的关系的技术。技术复杂、工艺要求高现代传感器的制造涉及了许多高新技术，如集成技术、薄膜技术、超导技术、纳米加工技术、特种加工技术等。功能优、性能好能检测五官不能感觉到的信息，能在人类无法忍受的高温、高压等恶劣环境下工作。性能好体现在传感器的量程宽、精度高、可靠性好等方面。品种繁多、应用广泛由于现代信息系统中待测的信息(待测量)很多，而且一种待测量往往可用几种传感器来测量．因此，传感器产品品种极为庞杂、繁多。第2章传感器的一般特性传感器：输入量——输出（电量）传感器的一般特性：描述此种变换的输入与输出关系输入量为常量或变化极慢时（慢变或稳定信号）——静特性输入量随时间变化极快时（快变信号）——动特性主要影响因素：传感器内部储能元件(电感、电容、质量块、弹簧等)影响。静态特性函数：动态特性函数：2.1传感器的静特性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。又称为非线性误差(1)可大大简化传感器的理论分析和设计计算；(2)为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出—输入特性上的两点(一般为零点和满度值)就可以确定其系各点；(3)可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制做、安装、调试容易，提高量精度；(4)避免了非线性补偿环节传感器的理想输出—输入特性是线性的好处：传感器在稳态信号作用下，其输出一输入关系称为静态特性。衡量传感器静态特性的重要措标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。实际传感器输出—输入关系：在使用非线性特性的传感器时，如果非线性项的方次不高，在输入量变化范围不大的条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段，即线性拟合。非线性误差或线性度通常用相对误差rL表示：线性拟合的方法：（1）理论拟合：如图a），拟合直线为传感器的理论特性，与实测值无关。该方法十分简单，但一般

Lmax较大。（2）过零旋转拟合：图b）常用于曲线过零的传感器。拟合时，使L1=|L2|=

Lmax，非线性误差比前一种小很多。（3）端点连线拟合：

（4）端点平移拟合：

如图c），把输出曲线端点的连线作为拟合直线，方法比较简单，但

Lmax也较大。如图d），在图c）的基础上使直线平移，移动距离为原先

Lmax的一半，这样输出曲线分布于拟合直线的两侧，L2=|L1|=|L3|=

Lmax，与图c）相比，非线性误差减小一半，提高了精度。（5）最小二乘拟合若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为：最小二乘法拟合直线的原理就是使：为最小值，即：迟滞(或称迟环)特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间输出和输入特性曲线不重合的程度，迟滞大小一般要由实验方法确定。产生的主要原因：传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧团件松动、材料的内摩擦、积尘等。2、迟滞迟滞用正反行程最大输出差值对满量程输出的百分比表示：3、重复性重复性－－表示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。多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。重复性的好坏是与许多因素有关的、与产生迟滞现象具有相同的原因。不重复性指标一般采用输出最大不重复误差与满量程输出的百分比表示:4、灵敏度与灵敏度误差灵敏度是指传感器在稳态输出变化对输入变化的比值：对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，处处相等。非线性传感器的灵敏度为一变量。由于某种原因，引起灵敏度发生变化，产生灵敏度误差灵敏度误差用相对误差表示即：5、分辨力和阈值6、稳定性，温度稳定性，抗干扰稳定性分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力用绝对值表示，用于满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。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或零点漂移。稳定性可以用绝对误差表示，也可以用相对误差表示。温度稳定性：温度漂移，是指在外界温度变化的情况下输出量发生的变化，温度稳定性误差用温度每变化若干℃的绝对误差或相对误差。每℃引起的传感器误差又称为温度误差系数。抗干扰稳定性：是指传感器对外界干扰的抵抗能力。7、静态测量不确定度

（静态误差）静态测量不确定度－－是指传感器在全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。静态误差的求取方法：利用各测试点的残差，先求出标准偏差：取2

或3值即为传感器的静态误差。静态误差也可以用相对误差表示：静态误差是综合性指标－－包括非线性误差，迟滞误差，重复性误差，灵敏度误差，如果这些误差是随机的，独立的正态分布的可把几项单项误差综合对几项单向误差综合处理－－－2.2传感器的动特性动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律(变化曲线)，将能同时再现输入随时间变化的规律(变化曲线)，即具有相同的时间函数。这就是动态测量中对传感器提出的新要求。但实际上除了具有理想的比例特性的环节外，输出信号将不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。例：热电偶测温过程曲线原因分析：水温的热量需通过热电偶的壳体传播到热接点上．热接点又具有一定热容量，它与水温的热平衡需要一个过程．所以热电偶不能在被测温度变化时立即产生相应的反映。这种由热容量所决定的性能称为热惯性，这种热惯性是热电偶固有的，这种热惯性就决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。2.2.1研究传感器动态特性的方法及其指标研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。由于输入信号的时间函数形式是多种多样的，在时域内研究传感器的响应特性时，只能研究几种特定的输入时间函数如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等的响应特性。在频域内研究动态特性一般是采用正弦函数得到频率响应特性。这两种分析方法内部存在必然的联系，在不同场合，根据实际需要解决的问题不同而选择不同的方法。在对传感据进行动态特性的分析和动态标定时，为了便于比较和评价，常常采用正弦变化和阶跃变化的输入情号。在采用正弦输入研究传感据频城动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性，其重要指标是频带宽度，简称带宽。带宽是指增益变化不超过某一规定分贝值的频率范围。2.2.2传感器的数学模型要精确地建立传感器(或测试系统)的数学模型是很困难的。在工程上总是采取一些近似的方法；忽略一些影响不大的因素，给数学模型的确立和求解都带来很多方便。通常认为可以用线性时不变系统理论来描述传感器的动态持性。从数学上可以用常系数线性微分方程表示传感器输出量y与输入量x的关系，这种方程的通式如下：线性时不变系统重要性质—叠加性和频率保持性：也就是说，各个输入所引起的输出是互不影响的。这样，在分析常系数线性系统时，总可以将一个复杂的激励信号分解成若干个简单的激励，如利用傅里叶变换，将复杂信号分解成一系列谐波或分解成若干个小的脉冲激励．然后求出这些分量激励的响应之和。

理论上讲，由上式可以计算出传感器的输出与输入的关系，但是对于一个复杂的系统和复杂的输入信号，若仍然采用上式求解肯定不是一件容易的事情。因此，在信息论和工程控制中，通常采用一些足以反映系统动态特性的函数，将系统的输出与输入联系起来。这些函数有传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数等等。2.2.3传递函数在工程上，为了计算方便，通常采用拉普拉斯变换(简称拉氏变换)来研究线性微分方程。对上式取拉氏变换得：或上式等号右边是一个与输入x(t)无关的表达式，它只与系统结构参数有关，因而等号右边是传感器特性的一种表达式，它联系了输入与输出的关系，是一个描述传感器传递信息特性的函数。我们将其定义为传递函数：2.2.4频率响应函数对于稳定的常系数线性系统，可用傅里叶变换代替拉氏变换，相应地有：或即：传感器的频率响应函数，简称为频率响应或频率特性。频率响应函数是一个复数函数，它可以用指数形式表示:传感器幅频特性传感器相频特性第3章电阻式传感器电阻式传感器工作原理:将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。电阻式传感器一般构成：弹性敏感元件+电阻应变片。弹性敏感元件在感受被测量同时产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。3.1应变式传感器——金属的电阻应变效应3.1.1工作原理弹性变形后引入径向应变、轴向应变ε=

l/l（

ε，1

ε=1X10-6mm/mm)、泊松比

测量对象：位移；力；力矩；压力等3.1.2应变片的基本结构、材料及粘贴金属丝式应变片：金属箔式应变片：—应变花，照相+光刻技术，基片：3~10m基片：纸基；胶基0.03mm金属丝：康铜，镍铬合金直径：0.01~0.05mm，常用0.025mm(1)制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求；(2)敏感栅截面为矩形，其表面积对截面积之比远较圆断面的为大．(3)敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；(4)散热性能好，允许通过较大的工作电流．从而增大输出信号；(5)敏感栅弯头横向效应可以忽略；(6)蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。金属薄膜式应变片：—真空蒸发或真空沉淀技术，—基片+金属薄膜敏感栅(<0.1m)灵敏系数大；大温差下工作（-197~317℃）应变片形状特点：①便宜、体积小、精度高、使用方便，如分辨力可达l一2微应变，误差小于1%。使用时，只要贴在测量位置，接入外电路即可应用。广泛用于飞机、船舶、桥梁、建筑等的力、压力、应变、转短、位移，以及加速度的测量。②配合

P(微处理器)，可实现多点采样、数据处理，以及遥测等。②由于有保护覆盖层，所以可工作于各种恶劣环境。④测量范围大。如变形可从弹性至塑性，1%—20％变化。⑤动态响应好。⑧缺点是电阻随温度变化导致测量误差。测量容器内部应变时无法