第1章 传感器基础

1、传感器技术,机械学院仪器系陈良洲,Tel-mail:,2020/7/4,常见的传感器示例,2020/7/4,教材及参考书籍,教材,参考,传感器技术,TP21266/3贾伯年主编,东南大学出版社，2007.,传感器与检测技术，TP212164宋文绪主编，高等教育出版社,2004.,2020/7/4,课程思路,典型应用,基本原理,制造过程,以应用为导向，学习最基础的、最专业的，充分理解原理，提高兴趣，解决问题。,2020/7/4,课程基本总要求,掌握测量的基本知识；掌握各类传感器的基本特性和工作原理、典型测量电路；精通各类传感器的典型应用、典型问题。,2020/7/4,课

2、程内容及安排,共48h,1传感器基础,2020/7/4,1传感器基础,2020/7/4,1传感器基础,2020/7/4,1传感器基础,要求：掌握传感器的定义、组成；了解传感器的分类；掌握传感器的静态特性；了解传感器的动态特性；掌握传感器的主要技术指标；重点：传感器灵敏度、线性度、迟滞和重复性等静态特性的定义及表示方法。难点：传感器动态特性的定义及其含义。,2020/7/4,1传感器基础,2020/7/4,1.1传感器定义,在不同的学科领域，传感器有不同的名称，这也反映了传感器在不同的技术领域中的不同用途。“传感器”一词使用最为广泛而概括。,2020/7/4,1.1传感器定义,其最基本的作用是代

3、替、延伸、扩展或补充人的感觉器官功能。,传感器能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。GB/T7765-87,2020/7/4,1.2组成与分类,传感器的典型组成,敏感元件,信号调理转换电路,辅助电源,被测量,输出信号,常为电量,转换元件,2020/7/4,1.2组成与分类,按工作原理分：(贾伯年教材）应变式、电容式、电感式、压电式、霍尔式、光电式、光栅式、热电式以及超声波式、辐射式、半导体式，还有新型的智能式、仿生式、虚拟传感器等；按被测量分：（宋文绪教材）位移、力、速度、温度、流量、气敏、湿敏、流量、物位、成分等；按输出信号分：开关型、模拟型、数字型。,传感器的分类

4、,2020/7/4,1.2组成与分类,传感器技术是知识密集型技术。同一种被测量可以用不同原理的传感器来测量，而同一原理的传感器又可以用来测量不同种类的物理量；我们可先从工作原理出发，学习各类传感器。对工程上的被测参数，则着重于如何合理选择和使用传感器。,2020/7/4,传感器的发展方向,新效应/新材料/新功能多功能集成化/微型化数字化/智能化/网络化生物器官/仿生,1.2组成与分类,2020/7/4,1.3特性与技术指标,传感器的基本特性就是体现它能否将变化的被测量不失真地变换成相应的电量的能力。常用下面两种特性来描述：,1.3.1静态特性,2020/7/4,1.3.1静态特性,指被测量的值

5、处于稳定状态时，传感器的输出与输入的关系。对静态特性而言，传感器的输入量x与输出量y之间的关系常可用如下的多项式表示：,y=a0+a1x+a2x2+anxn,2020/7/4,1.3.1静态特性,常用的静态特性技术指标：,2020/7/4,1.3.1静态特性,灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。指单位输入量的变化x所引起传感器输出量的变化y。用K表示灵敏度：,K值越大，传感器越灵敏。,2020/7/4,传感器的灵敏度曲线,1.3.1静态特性,2020/7/4,1.3.1静态特性,一般希望测试系统的灵敏度高，且在满量程范围内是恒定的。但需合理选择：,2020/7/4,传感器的输出与输入之间数量

6、关系的线性程度;实际应用中的传感器多为非线性。为了得到线性关系，常引入各种非线性补偿环节进行线性化。,1.3.1静态特性,2020/7/4,静态特性曲线,若传感器非线性的方次不高、输入量变化范围较小时，可用一条直线(切线或割线)近似地代表实际曲线的一段。该方法称为直线拟合法，所采用的直线称为拟合直线。,2020/7/4,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Lmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用L表示：,1.3.1静态特性,2020/7/4,几种直线拟合方法,即使是同类传感器，如果拟合方法不同其象形度也不同，用最小二乘法求取的拟合直线精度

7、最高。,端点平移拟合,理论拟合,过零旋转拟合,端点连线拟合,2020/7/4,迟滞特性,1.3.1静态特性,指在相同工作条件下，传感器正行程特性与反行程特性的不一致程度。,2020/7/4,1.3.1静态特性,指传感器的输入量在同一方向变化时，连续进行重复测量所得的特性曲线不一致程度。,2020/7/4,1.3.1静态特性,其它静态特性技术指标：零点、分辨率、准确度、阈值、漂移、过载能力、稳定性、可靠性,1.3.2动态特性,2020/7/4,1.3.2动态特性,2020/7/4,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。实际中，对于是动态信号的被测量，传感器的输出往往来不及达到

8、平衡状态，处于动态过渡过程之中，输出量也是时间的函数，其之间的关系要用动态特性来表示。,1.3.2动态特性,2020/7/4,一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，二者应该具有相同的时间函数。但实际上输出和输入不会具有相同的时间函数，而会有动态误差。,1.3.2动态特性,2020/7/4,动态测温实验,例:把一支温度计从温度为t0环境中迅速插入一个温度为t1的恒温水槽中，则温度计反映的温度从t0变化到t1需要一段过渡时间。,1.3.2动态特性,温度计反映出来的温度与其介质温度的差值就称为动态误差。,2020/7/4,1.3.2动态特性,要研究传感器的动态特性，需要建立动态数学模

9、型，即传感器在动态输入时，其输出输入之间的关系，通常称为响应特性。研究动态特性的方法常有：,时域瞬态响应法：阶跃、脉冲等输入的响应特性；频域频率响应法：正弦等输入的响应特性。,2020/7/4,一阶阶跃响应特性,T,二阶阶跃响应特性,阶跃输入时，传感器的输出随时间变化的特征。,1.3.2动态特性,2020/7/4,阶跃输入时表征传感器动态特性的主要指标：,时间常数tns:指输出量上升到稳态值63%所需的时间；上升时间tr:指输出指示值从最终稳定值的5%或10%变到最终稳定值的95%或90%所需要的时间;响应时间ts:指输入量开始起作用到输出指示值进入稳定值所给定的范围内所需的时间;过调量:指输

10、出值与稳定值的最大偏差（或其与稳定值之比）。,1.3.2动态特性,2020/7/4,1.3.2动态特性,理论上只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但通常认为可取t=(34)时。如当t=4时其输出就可达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。,一阶阶跃响应特性,2020/7/4,二阶阶跃响应特性,1.3.2动态特性,2020/7/4,二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比和固有角频率n。=0时，特征根为一对虚根，阶跃响应是一个等幅振荡过程，又称为无阻尼状态；=1时，特征根为两个相同的负实根，阶跃响应是一个由不振荡衰减到振荡衰减的临界过程，故又称为临界阻尼状态；1时，特征根为两个不同的负

11、实根，阶跃响应是一个不振荡的衰减过程，这种状态又称为过阻尼状态；01时，特征根为一对共轭复根，阶跃响应是一个衰减振荡过程，值不同，衰减快慢也不同，又称为欠阻尼状态。,1.3.2动态特性,2020/7/4,传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。一个传感器输入端有正弦信号作用时，其输出响应仍然是同频率的正弦信号，只是与输入端正弦信号的幅值和相位不同。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的输出与输入的幅值比和两者相位差的变化。,1.3.2动态特性,2020/7/4,根据一阶传感器的传递函数，即可得其频率特性表达式：,1)一阶传感器的频率响应,1.3.2动态特性,2020/7/4,幅频特性,相频特性,幅频特性,相频特性,1.3.2动态特性,2020/7/4,2)二阶传感器的频率响应,根据二阶传感器的传递函数，即可得其频率特性表达式：,1.3.2动态特性,2020/7/4,幅频特性,相频特性,1.3.2动态特性,2020/7/4,3)频率响应特性指标,通频带0.707：传感器在对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围；时间常数：用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小，频带越宽；固有频率n：二阶传感器的固有频率n表征其动态特性；工作频带0.95(或0.