傳感器的基本概念_百度文庫匯總

1、第一章傳感器的基本概念 第一節(jié)傳感器的定義與組成 笫二節(jié)傳感器的分類 第三節(jié)傳感器的技術(shù)特點(diǎn) 第四節(jié)傳感器的數(shù)學(xué)模型概述 第五節(jié)傳感器的基本特性 第一節(jié)傳感器的定義與組成 f 傳感器的定義 將被測非電量信號轉(zhuǎn)換為與之 有確定對應(yīng)關(guān)系電/輸出的器件或 裝置叫做傳感器，也叫變換器換 能器或探測器。 敏感元件：直接感受被測非電量并按 一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系 的其它量的元件。 轉(zhuǎn)換元件：又稱變換器。能將敏感元 件感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的 器件。二-傳感器的組成 一般1-1 壓力傳感器示例 壓力作用 8 信號調(diào)節(jié)電賂：能把傳感元件輸出的電 信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理、和 控制的有用電

2、信號的電路。 常用的電路有電橋、放大器、變阻 器、振蕩器等。 輔助電路通常包括電源等。 第二節(jié)傳感器的分類 一、按工作機(jī)理分類：根據(jù)物理和化學(xué) 等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)進(jìn)行分類。 二、按被測量分類：根據(jù)輸入物理量的 性質(zhì)進(jìn)行分類。 | 三、按敏感材料分類：根據(jù)制造傳感器 所使用的材料進(jìn)行分類。可分為半 3 導(dǎo)體傳感器 陶瓷傳感器等。 按被測量分類: 物理量傳感器：利用某些變換元件的物理性質(zhì)或某 些功能材料的特殊性能制成的傳感器。 化學(xué)量傳感器：禾y用電化學(xué)反應(yīng)原理把有機(jī)和無機(jī) 的化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。 生物量傳感器：利用生物功能物質(zhì)作識別器件制成 的傳感器。 基本物理量

3、派生物理量 位移 線位移 長度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、不平度 角位移 旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)等 速度 線速度 速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量等 角速度 轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)等 加速度 線加速度 振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量等 角加速度 角振動(dòng)、扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等 力 壓力 重量、應(yīng)力、力矩等 時(shí)間 頻率 周期、記數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布等 溫度 熱容量、氣體速度、渦流等 光 光通量與密度、光譜分布等 分類，可將傳感器分為有源傳感器 和無源傳感器兩大類。 有源傳感器是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能 量，稱之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱換能 器。通常配合有電壓測量電路和放大器。 如:壓電式、熱電式、電磁式等。 無源傳感器又稱為能量控制型傳感器O 被測

4、非電量僅對傳感器中的能量起控制 或調(diào)節(jié)作用。所以必須具有輔助能源（電 能）。 如:電阻式、電容式和電感式等。 五、其它：按用途、學(xué)科、功能和輸出 信號的性質(zhì)等進(jìn)行分類。11! 按 第四節(jié)傳感器的數(shù)學(xué)模型概述 從系統(tǒng)角度看，一種傳感器就是一種系統(tǒng)。 根據(jù)系統(tǒng)工程學(xué)理論，一個(gè)系統(tǒng)總可以用一個(gè) 數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)來描述。即用某種方程式或 函數(shù)表征傳感器的輸出和輸入的關(guān)系和特性， 從而，用這種關(guān)系指導(dǎo)對傳感器的設(shè)計(jì)制造- 校正和使用。通常從傳感器的靜態(tài)輸入輸出 關(guān)系和動(dòng)態(tài)輸入輸出關(guān)系兩方面建立數(shù)學(xué)模 一、靜態(tài)模型 靜態(tài)模型是指在輸入信號不隨時(shí)間 變化的情況下，描述傳感器的輸出與輸 入量的一種函數(shù)關(guān)系。

5、如果不考慮蠕動(dòng)效應(yīng)和遲滯特性，傳感 器的靜態(tài)模型一般可用多項(xiàng)式來表示: y = a） + ax+a2x2 + + anxn （1 一 1） 二動(dòng)態(tài)模型 動(dòng)態(tài)模型是指傳感器在準(zhǔn)動(dòng)態(tài)信 號或動(dòng)態(tài)信號作用下，描述其輸出和 輸入信號的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。 動(dòng)態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞 函數(shù)描述。 1 微分方程 大多數(shù)傳感器都屬模擬系統(tǒng)之列。 描述模擬系統(tǒng)的一般方法是釆用微分 方程 在實(shí)際的模型建立過程中，一般 采用線性常系數(shù)微分方程來描述輸出 量J和輸入量M關(guān)系。 其通式如下: d y dn xy dy a - H a - H - e - H cir.y fl dtn z dtn- 1 dt 0 lm j

6、 m j f a x 7 a x f ax f =嘰 - H b - - H - b、 - F bQx m dtfn 心 dtm-x 1 dt 0 (1-2) 5 如1。0和bm1方o為傳感器的結(jié)構(gòu) 參數(shù)。除如卻外，一般取虬如為零二 2.傳遞函數(shù) 如果W)在$0時(shí)，y(t) =0,貝Uy (的拉 氏變換可定義為 Y(S) = y(tysrdt (1-3) 式中O0G 對微分方程兩邊取拉氏變換，則得 Y(S)仏廠+色$+ a ) = X(S)仏屛+gS小+ %)20 定義輸出W)的拉氏變換Y(S)和輸入 比)的拉氏變換X(S)的比為該系統(tǒng)的傳 遞函數(shù)則 Y(S)+ 九 X(S) cii + +

7、a。 對口“進(jìn)行拉氏變換的初始條件是X0時(shí), 刃=0。對于傳感器被激勵(lì)之前所有的儲能元件女 質(zhì)量塊彈性元件電氣元件等均符合上述的初 始條件。 顯然曰S與輸入量無關(guān)，只與 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因而曰S可以簡 單而恰當(dāng)?shù)孛枋鰝鞲衅鬏敵雠c輸入的 關(guān)系 對于多環(huán)節(jié)串、并聯(lián)組成的傳感 器，若各環(huán)節(jié)阻抗匹配適當(dāng)，可忽略 相互間的影響，傳感器的等效傳遞函 數(shù)可按代數(shù)方式求得。 H(S) = (1-4) 22 對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其看作是 一些賈 則：H(s)= H1(s)xH r(s) _ (1 -5) T(s) s(s) 則：H(S)=H|(S)+HS)+ H/,(S) (1-6) 21 對于較為復(fù)雜

8、的系統(tǒng)，可以將其看作是 一些較為簡單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)。 若傳感器由葉環(huán)節(jié)串聯(lián)而成 貝山 H(S)=F|(S)XH2(S)XXH(S) (1-5) 第五節(jié)傳感器的基本特性 1.線性度：輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān) 系曲線偏離直線的程度。又稱非線性誤差。 可用下式表示: Amax輸出量與輸入量實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差 畑輸岀滿量程值靜態(tài)廠 A max = - (1-10) xlOO 非線性傳感器靈敏度是一個(gè)變量，只能 表示2靈敏度：在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入 增量對線態(tài)特性的斜率: Ay 三種形式所呈現(xiàn)的非線性程度 圖13三種特殊形式的特性曲線 傳感器在某一工作點(diǎn)的靈敏度。 輸入量按同一 方向作

9、全程多次測 試時(shí)，所得特性曲 線不一致的程度。 土沙100% (1-12) _ 4遲滯（回差滯環(huán)）現(xiàn)象: 表明傳感器在 正向行程和反 向行程期間， 輸出-輸入特性 曲線不重3 重1-5重 合的 程度。 對于同一大小的輸入信號馮 在雄續(xù)增 大的行程中，對應(yīng)某一輸出量戶；與在雄續(xù) 減小的行程中，對應(yīng)某一輸出量用藝間的差 值叫滯環(huán)誤差，即所謂的遲滯現(xiàn)象。 在整個(gè)測量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差用 表示.它與滿量程輸出值的比值稱最大滯 環(huán)率： Am max- xlOO% ，F(xiàn)S 29 5. 分辨率與閾值:傳感器在規(guī)定的 范圍所能檢測輸入量的最小變化量O 閾值是使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變 化量的最小被測輸入

10、量值，即零點(diǎn)附 近的分辨力。 6. 穩(wěn)定性：在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng) 長的時(shí)間間隔，傳感器的輸出與起始 標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。1 (1-15) 7. 標(biāo)移：在外界的干擾下，輸出量發(fā) 生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。 漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移o 零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間 時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏 度隨時(shí)間的緩慢變化。 敏度漂移。 二、動(dòng)態(tài)特性 傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng) 特性。很多傳感器要在動(dòng)態(tài)條件下檢測，被測量可能以各種形 式隨時(shí)間變化。只耍輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出量也將是 時(shí)間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動(dòng)特性來說明。 一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī) 律，即漂III 溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈 III III 具有相同的時(shí)間函數(shù)。實(shí)際的傳感器，輸出信號將不會(huì) 與輸入信號具有和同的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是 所謂的動(dòng)態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)測量輸入信號可分類如下: 的常系數(shù)。 周期性冊 - 正弦周期輸入 復(fù)朶周期輸入 非周期性的 - - 躍輸入 性變化輸