第二章 傳感器的基本概念

1、LOGO李雅瓊第二章 傳感器的基本概念Company Logo第二章第二章 傳感器的基本概念傳感器的基本概念u傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成u傳感器的分類傳感器的分類u傳感器的性能指標、命名和代號傳感器的性能指標、命名和代號u傳感器的基本特性傳感器的基本特性u傳感器基本測量電路傳感器基本測量電路u傳感器的標定和校準傳感器的標定和校準u改善傳感器性能的主要技術途徑改善傳感器性能的主要技術途徑2.1 傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成u定義：定義：n能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。號的器件或裝置。1.傳感器

2、時測量裝置，能完成檢測任務傳感器時測量裝置，能完成檢測任務2.它的輸入量是某一被測量，它的輸入量是某一被測量，eg物理量、化學量、生物量物理量、化學量、生物量3.輸出量是某一物理量，主要用于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等輸出量是某一物理量，主要用于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等 可以是光、氣、電量。最主要的是電量可以是光、氣、電量。最主要的是電量1.輸入輸出有對應關系，切有一定的精確度輸入輸出有對應關系，切有一定的精確度2.傳感器的組成傳感器的組成u 傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成。u 敏感元件：敏感元件：n直接感受被測量，并輸出與被

3、測量成確定關系的某一物直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量。理量。u 轉(zhuǎn)換元件：n以敏感元的輸出為數(shù)日，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。以敏感元的輸出為數(shù)日，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。u 轉(zhuǎn)換電路：n上述參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。上述參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。u 實際上一個傳感器可能只含有其中1個，或兩個，也可都有。敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路輔助電源輔助電源3. 對傳感器的一般要求對傳感器的一般要求 足夠的容量，有一定的過載能力足夠的容量，有一定的過載能力 靈敏度高，精度適當靈敏度高，精度適當 響應速度快，工作穩(wěn)定，可靠性好。響應速度快，工作穩(wěn)定

4、，可靠性好。 使用性和實用性強：n體積小，重量輕等體積小，重量輕等 使用經(jīng)濟：n成本低，壽命長，且便于使用、維修和校準。成本低，壽命長，且便于使用、維修和校準。2.2 傳感器的分類傳感器的分類u按傳感器的工作機理分類按傳感器的工作機理分類n結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器n按物理學中場的定律定義的按物理學中場的定律定義的n工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎。礎。n物性型傳感器物性型傳感器n按照物質(zhì)定律定義的按照物質(zhì)定律定義的n物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則，此類型傳感器的物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則，此類型傳感器的性

5、能隨著材料性質(zhì)的不同而異。性能隨著材料性質(zhì)的不同而異。n復合型傳感器復合型傳感器n由結(jié)構(gòu)型和物性型組合而成，兼有兩者的特征由結(jié)構(gòu)型和物性型組合而成，兼有兩者的特征2.2 傳感器的分類傳感器的分類u按傳感器轉(zhuǎn)換能量的情況分類按傳感器轉(zhuǎn)換能量的情況分類n無源傳感器無源傳感器n由能量變換元件構(gòu)成，不需要外接電源由能量變換元件構(gòu)成，不需要外接電源neg,基于壓電效應、熱電效應、光電動勢效應基于壓電效應、熱電效應、光電動勢效應n有源傳感器有源傳感器n需要外部電源供給需要外部電源供給neg,電阻，電容，電感等電路參量傳感器；電阻，電容，電感等電路參量傳感器；neg,基于應變電阻效應、磁阻效應、熱阻效應、光

6、電效應，霍基于應變電阻效應、磁阻效應、熱阻效應、光電效應，霍爾效應等的傳感器爾效應等的傳感器2.2 傳感器的分類傳感器的分類u按原理劃分：按原理劃分：P11u按被測量類別分類按被測量類別分類u按傳感器輸出信號的形式分類按傳感器輸出信號的形式分類n模擬量傳感器：輸出量為模擬量模擬量傳感器：輸出量為模擬量n數(shù)字量傳感器：輸出量為數(shù)字量數(shù)字量傳感器：輸出量為數(shù)字量2.3 傳感器的性能指標、命名和代號傳感器的性能指標、命名和代號u傳感器的性能指標傳感器的性能指標u傳感器的命名和代號傳感器的命名和代號傳感器的性能指標傳感器的性能指標u可靠性：可靠性：n工作壽命、平均無故障時間、疲勞性能、安全措施工作壽命

7、、平均無故障時間、疲勞性能、安全措施u靜態(tài)精度：靜態(tài)精度：n靜態(tài)誤差、線性度、重復性、靈敏度、穩(wěn)定性指標靜態(tài)誤差、線性度、重復性、靈敏度、穩(wěn)定性指標u動態(tài)性能：動態(tài)性能：n固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)、頻率響應范圍、臨界速度固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)、頻率響應范圍、臨界速度u量程：量程：n量程范圍、過載能力量程范圍、過載能力u抗干擾能力：抗干擾能力：n抗擊外界產(chǎn)生的電磁波、震動、沖擊、加速度、噪聲干擾等抗擊外界產(chǎn)生的電磁波、震動、沖擊、加速度、噪聲干擾等傳感器的性能指標傳感器的性能指標u 通用性：設計的標準符合國際或國家的標準通用性：設計的標準符合國際或國家的標準u 外形尺寸：為設計者的安裝提供

8、依據(jù)外形尺寸：為設計者的安裝提供依據(jù)u 價格成本低價格成本低u 能耗少能耗少u 對被測對象的影響：對被測對象的影響：n因傳感器測量精度、外形尺寸、質(zhì)量等指標引起被測對象固有因傳感器測量精度、外形尺寸、質(zhì)量等指標引起被測對象固有性能的變化性能的變化u 注：上述指標并不是每個傳感器必備的，在實際使用中應有所側(cè)重，保證主要參數(shù)，其他指標基本滿足要求就可以了。傳感器的命名和代號傳感器的命名和代號u命名方法：命名方法：n按照國家標準按照國家標準GB/T7666-2005傳感器命名法及代碼規(guī)傳感器命名法及代碼規(guī)定：一種傳感器產(chǎn)品的名稱，應由主題詞加定：一種傳感器產(chǎn)品的名稱，應由主題詞加4級修飾語構(gòu)成。級修

9、飾語構(gòu)成。n主題詞：傳感器主題詞：傳感器n一級修飾語：被測量一級修飾語：被測量n二級修飾語：轉(zhuǎn)換原理，可后續(xù)以二級修飾語：轉(zhuǎn)換原理，可后續(xù)以“式式”字字n三級修飾語：特征描述，可后續(xù)以三級修飾語：特征描述，可后續(xù)以“型型”字字n四級修飾語：主要技術指標（量程、測量范圍、精度等）四級修飾語：主要技術指標（量程、測量范圍、精度等）u 注：實際命名時，出第一級修飾語外其他級可視產(chǎn)品的具體情況任選或省略。傳感器代號標記方法傳感器代號標記方法u 規(guī)定：應用大寫漢語拼音字母和阿拉伯數(shù)字構(gòu)成傳感器完成的代規(guī)定：應用大寫漢語拼音字母和阿拉伯數(shù)字構(gòu)成傳感器完成的代號號u 第一部分：主稱，第一部分：主稱，Cu 第

10、二部分被測量：一個或兩個漢字拼音的首字母大寫第二部分被測量：一個或兩個漢字拼音的首字母大寫u 第三部分：轉(zhuǎn)換原理，一個或兩個首字母大寫第三部分：轉(zhuǎn)換原理，一個或兩個首字母大寫u 第四部分：序號?？杀碚鳟a(chǎn)品設計特征、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等第四部分：序號?？杀碚鳟a(chǎn)品設計特征、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等2.4 傳感器的基本特性傳感器的基本特性u傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性u傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性1. 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性u靜態(tài)特性靜態(tài)特性n傳感器在被測量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入輸出關傳感器在被測量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入輸出關系。系。n當輸入量為常量，或變化極慢時的輸入輸出關系

11、。當輸入量為常量，或變化極慢時的輸入輸出關系。（1）線性度）線性度u 靜態(tài)特性曲線可通過實際測試獲得。靜態(tài)特性曲線可通過實際測試獲得。u 實踐中為了方便，采用各種手段線性化處理。實踐中為了方便，采用各種手段線性化處理。u 一般誤差不大的情況下，常采用直線擬合的辦法來線性化。一般誤差不大的情況下，常采用直線擬合的辦法來線性化。u 線性度：線性度：n直線擬合線性化時，輸入輸出的校正曲線與擬合曲線之間的最大偏差直線擬合線性化時，輸入輸出的校正曲線與擬合曲線之間的最大偏差，又稱非線性誤差。通常用相對誤差來表示。，又稱非線性誤差。通常用相對誤差來表示。（1）線性度）線性度u常用的擬合方法如下：常用的擬合

12、方法如下：u實際中，較多采用最小二乘法擬合，精度高，但校實際中，較多采用最小二乘法擬合，精度高，但校準曲線相對擬合直線的最大偏差絕對值并不一定最準曲線相對擬合直線的最大偏差絕對值并不一定最小，最大正、負偏差的絕對值也不一定相等。小，最大正、負偏差的絕對值也不一定相等。（2）遲滯）遲滯u傳感器在正（輸入量增大）反（輸出量減?。┬谐讨袀鞲衅髟谡ㄝ斎肓吭龃螅┓矗ㄝ敵隽繙p?。┬谐讨休斎胼敵銮€不重合稱為遲滯。輸入輸出曲線不重合稱為遲滯。u即對應于同一大小的輸入信號，傳感器的輸出信號不即對應于同一大小的輸入信號，傳感器的輸出信號不相等。相等。u此誤差反應了傳感器的機械部分和結(jié)構(gòu)材料方面不可此誤差反應了

13、傳感器的機械部分和結(jié)構(gòu)材料方面不可避免的弱點，如軸承摩擦、間隙等。避免的弱點，如軸承摩擦、間隙等。m a xm a x1 0 0 %HF SHHey： 正 反 行 程 間 最 大 差 值（3）重復性）重復性u重復性重復性n傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)變動時所得的曲線傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)變動時所得的曲線不一致的程度。不一致的程度。（4） 靈敏度靈敏度u靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度n傳感器輸出的變化量與引起該變化的輸入變化量之比傳感器輸出的變化量與引起該變化的輸入變化量之比nK=y/xu 線性傳感器的校準曲線斜率就是靈敏度。u 非線性傳感器的靈敏度用dy/dx表示，u 靈敏度誤差用相對

14、誤差。（5）分辨率和閥值）分辨率和閥值u分辨率分辨率n傳感器能檢測到的最小的輸入增量。傳感器能檢測到的最小的輸入增量。u閥值n當一個傳感器的輸入量從零開始極緩慢的增加，只有在達當一個傳感器的輸入量從零開始極緩慢的增加，只有在達到了某一最小值后，才測得出變化，這個最小值即為閥值到了某一最小值后，才測得出變化，這個最小值即為閥值u閥值即為傳感器在零點附近的閥值。（6）穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性）穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性u穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：n傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的而變化。傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的而變化。n測試時，一般先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定點，隔測試時，一般先將傳感器輸出調(diào)至零

15、點或某一特定點，隔4h、8h或一定工作次數(shù)，讀輸出值，前后兩次之差即為或一定工作次數(shù)，讀輸出值，前后兩次之差即為穩(wěn)定性誤差。穩(wěn)定性誤差。u溫度穩(wěn)定性：n傳感器在外界溫度變化下輸出量發(fā)生的變化。傳感器在外界溫度變化下輸出量發(fā)生的變化。n測試時，一般先將溫度調(diào)至零點或某一特定點，每上升或測試時，一般先將溫度調(diào)至零點或某一特定點，每上升或下降一定度數(shù)（下降一定度數(shù)（5或或10度），讀輸出值，前后兩次之差即度），讀輸出值，前后兩次之差即為穩(wěn)定性誤差。為穩(wěn)定性誤差。（7）漂移）漂移u漂移漂移n在一定時間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸出在一定時間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸出量無關的、不需要的變

16、化。量無關的、不需要的變化。n零點漂移零點漂移n靈敏度漂移靈敏度漂移n時間漂移時間漂移n溫度漂移溫度漂移（8）靜態(tài)誤差）靜態(tài)誤差u靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差n指傳感器在其全量程內(nèi)任一點的輸出值與其理論輸出值的偏移指傳感器在其全量程內(nèi)任一點的輸出值與其理論輸出值的偏移程度。程度。n是評價傳感器靜態(tài)性能的綜合性指標。是評價傳感器靜態(tài)性能的綜合性指標。u 求取方法見P18u 靜態(tài)誤差基本上包括前面的非線性誤差、遲滯誤差、重復性誤差、靈敏度誤差，因此也可以由這些誤差綜合而得。2. 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性u動態(tài)特性動態(tài)特性n傳感器對隨時間變化的輸入量的相應特性。傳感器對隨時間變化的輸入量的相應特性。u使

17、用傳感器應根據(jù)其動態(tài)特性要求與使用條件選擇合理的使用方法，同時對給定條件下的傳感器動態(tài)誤差做出估計。（1）傳感器的頻率相應特性）傳感器的頻率相應特性u頻率相應函數(shù)頻率相應函數(shù)n初始條件為初始條件為0時，輸出輸入的傅利葉變化之比。時，輸出輸入的傅利葉變化之比。u頻率特性頻率特性n將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號輸入傳感器，其輸將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號輸入傳感器，其輸出正弦信號的幅值、相位與頻率之間的關系。出正弦信號的幅值、相位與頻率之間的關系。u幅頻特性n輸出輸入的幅值比。輸出輸入的幅值比。u相頻特性n輸出輸入的相角差。輸出輸入的相角差。（2）傳感器的階躍相應特性）傳感器的階躍相應特

18、性u階躍響應階躍響應n給靜止的傳感器輸入一給靜止的傳感器輸入一個單位節(jié)約信號，輸出個單位節(jié)約信號，輸出信號即為階躍相應。信號即為階躍相應。u時間常數(shù)u上升時間u相應時間u超調(diào)量u衰減度u延遲時間2.5 傳感器基本測量電路傳感器基本測量電路u傳感器是將被測非電量傳感器是將被測非電量轉(zhuǎn)換為電阻、電容或電轉(zhuǎn)換為電阻、電容或電感的變化，但這些不能感的變化，但這些不能直接輸出，只能轉(zhuǎn)換成直接輸出，只能轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才電壓或電流的變化，才有可能用電測儀表來測有可能用電測儀表來測定。定。u一般用電橋電路作為測一般用電橋電路作為測量電路。量電路。測量電橋電路的特點測量電橋電路的特點1. 能把反映被測

19、信號的電阻、電容、電感的變化轉(zhuǎn)化為能把反映被測信號的電阻、電容、電感的變化轉(zhuǎn)化為電壓電流的變化，易于信號的放大和處理。電壓電流的變化，易于信號的放大和處理。2. 當被測電抗參數(shù)變化為當被測電抗參數(shù)變化為0時，可以通過調(diào)節(jié)電橋的某時，可以通過調(diào)節(jié)電橋的某些橋臂，使電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為零。消除了系些橋臂，使電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為零。消除了系統(tǒng)的靜態(tài)成分。統(tǒng)的靜態(tài)成分。3.電橋電路的輸出（電壓或電流）與電橋的輸入電抗之電橋電路的輸出（電壓或電流）與電橋的輸入電抗之間存在非線性關系。間存在非線性關系。n較嚴重時需要補償，一般采用對稱差動式傳感器。較嚴重時需要補償，一般采用對稱差動式傳感器。1.

20、電橋的分類電橋的分類u按電橋的工作狀態(tài)分類按電橋的工作狀態(tài)分類n平衡電橋：主要用于靜平衡電橋：主要用于靜態(tài)測量或在反饋系統(tǒng)中態(tài)測量或在反饋系統(tǒng)中n準確度高些準確度高些n不平衡電橋：主要用于不平衡電橋：主要用于自動檢測系統(tǒng)中。自動檢測系統(tǒng)中。n響應快。響應快。n適合用于被測量的連續(xù)適合用于被測量的連續(xù)測量測量其他分類其他分類u按組成橋臂的參數(shù)分類：按組成橋臂的參數(shù)分類：n電阻電橋電阻電橋n阻抗電橋阻抗電橋u按供橋電源的類型分類n直流電橋：穩(wěn)定性高，平衡調(diào)節(jié)簡單，不平衡電橋的直流信直流電橋：穩(wěn)定性高，平衡調(diào)節(jié)簡單，不平衡電橋的直流信號易受干擾，后接的直流放大器易產(chǎn)生零漂號易受干擾，后接的直流放大器

21、易產(chǎn)生零漂n交流電橋：交流電橋：n調(diào)節(jié)困難，易受分布參數(shù)影響，后接交流放大電路相對容易調(diào)節(jié)困難，易受分布參數(shù)影響，后接交流放大電路相對容易n恒壓源電橋：實現(xiàn)簡單恒壓源電橋：實現(xiàn)簡單n恒流源電橋：輸出電壓受環(huán)境影響小，且線性好。恒流源電橋：輸出電壓受環(huán)境影響小，且線性好。u按電橋的工作橋臂個數(shù)n單臂電橋單臂電橋n雙臂電橋：相對臂同向；相鄰臂反向變化雙臂電橋：相對臂同向；相鄰臂反向變化n差動電橋：差動電橋：4個工作臂，相鄰的反向個工作臂，相鄰的反向2. 測量電橋的工作原理測量電橋的工作原理2. 測量電橋的工作原理測量電橋的工作原理u 提高電壓靈敏度：提高電壓靈敏度：n提高電橋電源電壓，受橋臂電阻允

22、許功耗限制提高電橋電源電壓，受橋臂電阻允許功耗限制n選擇橋臂比。選擇橋臂比。n=1時最大。時最大。單橋和雙橋單橋和雙橋141/ 2ERURRRu 單電橋：單電橋：n傳感器的敏感元件制作電橋的一個臂，其余傳感器的敏感元件制作電橋的一個臂，其余3個均為固定電阻。個均為固定電阻。u 當RR時，uU E*R/4Ru 電橋的輸出電壓及電壓靈敏度與各橋臂的阻值無關。只與R/R有關單橋和雙橋單橋和雙橋u 雙電橋：雙電橋：n電橋的工作臂是兩個。電阻同向變化，兩臂相對；反向變化兩臂相鄰。電橋的工作臂是兩個。電阻同向變化，兩臂相對；反向變化兩臂相鄰。u 當RR時，UE*R/2Ru 電橋的輸出電壓及電壓林敏杜與各橋

23、臂的阻值無關。只與R/R有關全橋全橋u全橋全橋n電橋連接相鄰臂反向變化。電橋連接相鄰臂反向變化。UER/Rn全橋電壓的靈敏度是單橋的全橋電壓的靈敏度是單橋的4倍。倍。n可以消除非線性誤差，切對特性漂移有補償作用?？梢韵蔷€性誤差，切對特性漂移有補償作用。2.6 傳感器的標定與校準傳感器的標定與校準u任何一個傳感器在裝配完后都必須按設計指標進行全任何一個傳感器在裝配完后都必須按設計指標進行全面嚴格的性能鑒定。面嚴格的性能鑒定。u使用一段時間或維修后也應做校準實驗。使用一段時間或維修后也應做校準實驗。u傳感器的標定傳感器的標定u傳感器的校準傳感器的校準1. 傳感器的標定傳感器的標定u傳感器的標定傳感器的標定n利用精度高一級的標準器對傳感