大石院传感器原理与应用课件第1章 绪论

传感器原理与应用课程性质：专业课平时成绩10分；实验成绩10分；期末考试80分。成绩评定标准实验安排实验名称班级时间1.金属箔式应变片—单臂、半桥、全桥性能实验测控06-1测控06-2测控06-37-1-27-1-17-4-32．差动变压器的性能实验测控06-1测控06-2测控06-312-1-512-1-312-4-13．热电偶、热电阻测温特性实验测控06-1测控06-2测控06-313-4-313-1-313-4-54．霍尔式传感器位移特性实验测控06-1测控06-2测控06-314-4-314-1-314-4-4[1]传感器课程http://[2]仪表技术与传感器[3]传感器世界http://[4]中国传感器http://[5]传感器技术[6]21IC中国电子网[7]传感技术学报网

[8]传感器资讯网http://参考网站信息检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。

绪论“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。①传感器是测量装置，能完成检测任务；②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。V、I、F、P一、传感器的定义：二、传感器的地位和作用传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是获取信息的主要途径与手段。没有传感器，现代化生产就失去了基础。传感器是边缘学科开发的先驱。可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。三、传感器测量系统的组成

系统：由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。从工程应用的角度来看，系统是指用来完成一个或多个功能所需两个或多个元件、子系统和部件的组合。测量系统的作用就是以客观和实验的方式对客体或事件的特性、品质加以定量描述。测量的目的一般有两个：一是用于客体对象的监测，例如对室内环境温度/湿度的测量、环境中大气压力及空气污染物的测量、医院中病人状态的监测等；另一个目的就是用于控制。1、典型测控系统被控对象传感器信号调理信号转换与处理显示存储传输执行器控制信号电信号典型测控系统主要包括：测控对象、传感器、信号调理、信号转换与处理、执行器、显示/存储/传输等几部分。

传感器的好坏直接影响系统的性能。如果传感器不能灵敏的感受被测量，或者不能把感受到的被测量精确的转换成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意义。信号调理是测控系统的重要组成部分，它将传感器的输出电信号转换为适合传输、显示、记录的信号，能跟好的满足后续电路或装置对输入信号的要求。通常包括：信号放大、电平调节、滤波、阻抗匹配、信号调制/解调等。是传感器标准化的重要基础。2、信号调理

信号调理大致可分为四种类型，即电平调整、线性化、信号形式变换、滤波、阻抗匹配。

电平调整是对电压信号进行的放大或衰减，及传感器零位电压的调整等。

线性化是针对传感器的非线性特性的信号调理。尽最大可能扩大传感器的响应特性的线性范围。

信号形式变换是将传感器输出信号从一种形式变换为另一种形式，如电压-电流变换。滤波是滤除系统中的无用噪声信号。辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。3、传感器的组成四、传感器的分类

1、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等2、按构成原理，结构型与物性型两大类3、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器4、按照物理原理分类：十种5、按照传感器的用途分类：位移、压力、振动、温度传感器7、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号6、根据转换过程可逆与否：单向和双向8、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器五、传感器的特性

传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。

传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图所示。稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响

传感器输入输出作用图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制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标（一）、静态特性技术指标

这时传感器的输入量与输出量之间在数值上一般具有一定的对应关系，关系式中不含有时间变量。对静态特性而言，传感器的输入量x与输出量y之间的关系通常可用一个如下的多项式表示：

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

式中：a0——输入量x为零时的输出量；

a1，a2，…，an——非线性项系数。

传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移等。

1.灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx之比。用S表示灵敏度，即它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏。由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即γs=(ΔS/S)×100%图2-2传感器的灵敏度2.线性度

传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值ΔLmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用γL表示，即式中：ΔLmax——最大非线性绝对误差；

YFS——满量程输出值。线性度示意图

从传感器的性能看，希望具有线性关系，即理想输入输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性。非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。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，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。直线拟合方法

a)理论拟合b)过零旋转拟合

c)端点连线拟合d)端点连线平移拟合3.迟滞传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合程度为迟滞。0yx⊿HmaxyFS迟滞特性迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值ΔHmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差，用γH表示，即4.重复性

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即yx0⊿Rmax2⊿Rmax1△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。分辨力用绝对值表示,用与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。

5．分辨力与阈值分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。

6．稳定性测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。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。

7.漂移

传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为20℃）时的输出值的变化量与温度变化量之比(ξ)来表示，即指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。8．抗干扰稳定性与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)9、精确度精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5℃。精密度是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的精确度常以测量误差的相对值表示。

（c）精确度高（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（二）、传感器的动态特性

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。它们的动态特性一般都可以用下述的微分方程来描述：式中，a0、a1、…,an,b0、b1、….,bm是与传感器的结构特性有关的常系数。

当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数

微分方程中，系数除了a0、b0之外，其它的系数均为零，则微分方程就变成简单的代数方程，即a0y(t)=b0x(t)通常将该代数方程写成y(t)=kx(t)式中，k=b0/a0为传感器的静态灵敏度或放大系数。传感器的动态特性用上式来描述的就称为零阶系统。

1、零阶系统

零阶系统具有理想的动态特性，无论被测量x(t)如何随时间变化，零阶系统的输出都不会失真，其输出在时间上也无任何滞后，所以零阶系统又称为比例系统。在工程应用中，电位器式的电阻传感器、变面积式的电容传感器及利用静态式压力传感器测量液位均可看作零阶系统。微分方程除系数a1，a0

，b0外其他系数均为0，则a1(dy/dt)+a0y=b0xτ—时间常数(τ=a1/a0)；K——静态灵敏度(K=b0/a0)传递函数：频率特性：幅频特性：相频特性：负号表示相位滞后时间常数

τ越小，系统的频率特性越好

如不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻容滤波器等均可看作为一阶系统。

2、一阶系统3、二阶传感器很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶传感器，其微分方程为：τ—时间常数，；ω0—自振角频率,ω0=1/τξ—阻尼比，；k—静态灵敏度，k=b0/a不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。传递函数幅频特性相频特性频率特性2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)ωτ(b)0-30°-60°-90°-120°-150°-180°0.511.522.5ωτξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=1ξ=0.8ξ=0.707ξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=0.707ξ=0.8ξ=1ξ=0.8ξ=1ξ=0.707ξ=0.6ξ=0.4ξ=0.2ξ=0（a）幅频特性（b）相频特性

当ξ→0时，在ωτ=1处H(ω)趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着ξ的增大，谐振现象逐渐不明显。当ξ≥0.707时，不再出现谐振，这时H(ω)将随着ωτ的增大而单调下降。阻尼比的影响较大。六、传感器的标定1、定义

所谓传感器的标定，就是利用已知的输入量输入传感器，测量传感器相应的输出量，并进而得到传感器输入输出特性的过程。

标定一般包括如下内容：（1）确定一个表达传感器输入输出信号间关系的数学模型。（2）设计一个标定实验，对传感器施加输入，测量相应的输出。（3）对标定实验得到的数据进行处理，确定（1）中数学模型的参数及测量误差。（4）对模型进行分析，确定其是否合适。如不合适，则需要对其加以修正或考虑新的数学模型。2、标定实验的设计标定可采用两种方式：绝对标定及相对标定。

绝对标定是将传感器的输出与真实的固定输入值的输出相比较。相对标定是将传感器的输出与已标定好的传感器输出相比较。

相对标定是将两个传感器的输出进行比较而确定被标定传感器性能的方法，因此相对标定的实验设计中，需要两个传感器：一个是被标定的传感器，称为工作传感器；另一个是作为参考基准的传感器，称为参考传感器或基准传感器，后者是经过绝对标定或高一级精度的相对标定法校准过。参考传感器工作传感器振动控制台

图示为用相对标定法确定加速度传感器灵敏度示意图。所采用的传感器为压电式传感器，其输出电压与加速度成正比。被标定的工作传感器与作为参考基准的参考传感器都安装在振动台上经受相同的简谐振动。设两个传感器的输出电压分别为υ和υ0,参考传感器的灵敏度为S0，则工作传感器的灵敏度为：七、选择传感器时需考虑的问题1、测量方面（1）测量的真正目的是什么？（2）被测对象是什么？（3）被测参量是单调增加还是单调减少，或者两者都有？（4）最终数据显示的测量值的范围如何？（5）将被测参量以最终数据表示应具有怎样的准确度？（6）被测参量的动态范围如何？（7）最终数据中需要反应的频率响应或时间响应特性如何？（8）被测对象的物理和化学性质如何？（9）传感器的安装位置、安装方法如何？（10）传感器的工作环境如何？2、数据获取与处理系统（1）数据获取与处理系统的一般性质是什么？（2）数据获取与处理系统的主要单元的形式是什么？（3）数据获取与处理系统的与传感器接口的精确性和频率响应特性如何？（4）传感器输出信号范围如何？