傳感器的定義及其組成

1、傳感技術(shù)的作用n工業(yè)自動化生產(chǎn)：檢測、控制溫度、壓力、流量等；工業(yè)自動化生產(chǎn)：檢測、控制溫度、壓力、流量等；n機械制造業(yè)：無損檢測；加工精度、外表光潔度、同軸度等檢測；機械制造業(yè)：無損檢測；加工精度、外表光潔度、同軸度等檢測；n航空航天：檢測飛機、宇宙飛行器等的飛行參數(shù)、運行狀態(tài)等；航空航天：檢測飛機、宇宙飛行器等的飛行參數(shù)、運行狀態(tài)等；n交通運輸：僅汽車業(yè)用交通運輸：僅汽車業(yè)用30多種傳感器檢測車速、方位、轉(zhuǎn)矩、多種傳感器檢測車速、方位、轉(zhuǎn)矩、油量等；油量等；n軍事方面：現(xiàn)代戰(zhàn)爭是科技戰(zhàn)爭，就是傳感器戰(zhàn)爭；海灣戰(zhàn)爭、軍事方面：現(xiàn)代戰(zhàn)爭是科技戰(zhàn)爭，就是傳感器戰(zhàn)爭；海灣戰(zhàn)爭、美伊美伊n醫(yī)療衛(wèi)生：

2、醫(yī)療衛(wèi)生：B超、磁振、腦電圖、心電圖等；超、磁振、腦電圖、心電圖等；n安防環(huán)保：預(yù)報地震、海嘯、火災(zāi)等；對水、空氣等污染檢測；安防環(huán)保：預(yù)報地震、海嘯、火災(zāi)等；對水、空氣等污染檢測；n海洋工程：海底探測；海洋水文信息、氣象信息等；海洋工程：海底探測；海洋水文信息、氣象信息等；n地質(zhì)勘探考古：探測地下礦藏、放射性元素；鑒定文物制造年代地質(zhì)勘探考古：探測地下礦藏、放射性元素；鑒定文物制造年代等；等；n辦公用具家用電器：復(fù)印機、空調(diào)、洗衣機、油煙機、辦公用具家用電器：復(fù)印機、空調(diào)、洗衣機、油煙機、DVD等。等。nn傳感器定義n根據(jù)國標GB7665-87 傳感器通用術(shù)語，傳感器Transducer/S

3、ensor定義為：能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。n敏感元件傳感器中能夠直接感受被測量的局部。n轉(zhuǎn)換元件傳感器中能將敏感元件輸出轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號局部。1.2傳感器的定義及其組成傳感器的定義及其組成傳感器定義傳感器定義 傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。換成另一種信息的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)

4、換成電信號的裝置。號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。輸出電量傳感器的構(gòu)成：輸出電量傳感器的構(gòu)成： 敏感敏感 元件元件 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 元件元件 調(diào)理調(diào)理 電路電路被測量中間量輸出電量敏感元件：敏感元件：它直接感受被測量，并輸出與被測量城區(qū)定關(guān)系它直接感受被測量，并輸出與被測量城區(qū)定關(guān)系的某一物理量。的某一物理量。轉(zhuǎn)換元件：轉(zhuǎn)換元件：它將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時它將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個元件敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個元件(敏感元件敏感元件) 實現(xiàn)的。實現(xiàn)的。調(diào)理電路調(diào)理電路：它將敏感元件和轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換、調(diào)：它將敏感元件和轉(zhuǎn)換元件

5、輸出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換、調(diào)理成一定形式的電量輸出。理成一定形式的電量輸出。測定油箱內(nèi)油面高度的裝置。所用器材和電路元件如下圖，測定油箱內(nèi)油面高度的裝置。所用器材和電路元件如下圖，R是滑動變阻是滑動變阻器，它的金屬滑片是杠桿的一端，器，它的金屬滑片是杠桿的一端，R是定值電阻，油量表由電壓表改是定值電阻，油量表由電壓表改裝而成。油面浮標上升時，油量表示數(shù)變大；反之，油量表示數(shù)變小。裝而成。油面浮標上升時，油量表示數(shù)變大；反之，油量表示數(shù)變小。n傳感器定義的理解n簡單的說，傳感器就是一個能把非電量轉(zhuǎn)換為電量的器件或裝置。n傳感器能夠感受被測量熱、光、聲、位移、速度、加速度、力、力矩等等。n傳感器能將被測

6、量轉(zhuǎn)換成可用信號輸出電阻、電壓、電流、頻率、脈沖等。n轉(zhuǎn)換必須按照一定的規(guī)律進行。n傳感器的組成n一般來說，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。通常會輔以必要的信號調(diào)節(jié)電路及電源。敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路輔助電源輔助電源被測量被測量n傳感器組成的理解：n敏感元件的作用通常是將被測量非電量1變換成另一個與被測量有確定關(guān)系的非電量2，而非電量2易于通過變換元件轉(zhuǎn)換為電量。例如應(yīng)變式壓力傳感器中的彈性模片就將其被測量壓力轉(zhuǎn)換為另一非電量應(yīng)變。n變換元件通常不直接感受被測量。例如應(yīng)變壓力傳感器中的應(yīng)變片，它并不直接感受壓力，而是將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。n不是所有的傳

7、感器都能明確的區(qū)分敏感元件與變換元件。n傳感器組成的理解：n傳感器的輸出信號通常需要必要的信號調(diào)節(jié)電路將其進行放大或轉(zhuǎn)換，而變成易于傳輸、處理、記錄和顯示的形式。n常見的信號調(diào)節(jié)電路有放大器、電橋、阻抗變換器、振蕩器等。n信號調(diào)節(jié)電路通常完成傳感器輸出與后續(xù)測量電路之間的匹配。1.3傳感器的分類傳感器的分類1)1)按被測物理量分類按被測物理量分類常見的被測物理量常見的被測物理量機械量機械量: :長度長度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角, ,轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), ,質(zhì)量質(zhì)量, ,重量重量, ,力力, , 壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風速風速

8、, ,流速流速, , 流量流量; ;聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁場磁場. .溫度溫度: : 溫度溫度, ,熱量熱量, ,比熱比熱. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩機械式機械式, ,電氣式電氣式, ,光學式光學式, ,流體式等流體式等. .2)2)按工作的物理根底分類按工作的物理根底分類: :4)4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換實現(xiàn)信號變換. .如如: :水銀溫度計水銀溫度計. .結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器

9、結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型. .3)3)按信號變換特征按信號變換特征: :能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型: :直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計熱電偶溫度計, ,壓電式加速度計壓電式加速度計. .能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測量控制外部從外部供給能量并由被測量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化. .例如例如: :電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片. . 3傳感器的分類1.4對傳感器的一般要求

10、對傳感器的一般要求n各種傳感器，由于原理、結(jié)構(gòu)不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，其技術(shù)指標也不可能相同。但是有些一般要求，卻根本上是共同的，這就是：可靠性；靜態(tài)精度；動態(tài)性能；量程；抗干擾能力；通用性；輪廓尺寸；本錢；能耗；對被測對象的影響等。 n傳感器輸入與輸出之間的關(guān)系n被測量為某值時，可用信號輸出應(yīng)該是多少？可用信號輸出為某值時，對應(yīng)的被測量輸入應(yīng)該是什么？n輸入應(yīng)該按照某種規(guī)律轉(zhuǎn)換為輸出，同時，輸出可以以某種規(guī)律反推出輸入。傳感器傳感器被測量被測量輸入輸入可用信號可用信號輸出輸出n 測量的目的在于確定被測物理量的數(shù)值。對于測量系統(tǒng)，通常稱被測的量為輸入，所測出的量為輸出。如果將整個測量系

11、統(tǒng)(或其中一個環(huán)節(jié))簡化為一個方框, X(t)代表輸入,y(t)代表輸出。那么可用圖所示的方框圖表示。1.6 傳感器的一般特性傳感器的一般特性n線性度n線性度又稱非線性誤差，線性度又稱非線性誤差，是指測試裝置的是指測試裝置的輸入和輸出是否保持線性關(guān)系輸入和輸出是否保持線性關(guān)系, ,非線性誤差越小非線性誤差越小越好越好 。n模擬儀表的刻度就可做成均勻刻度，而數(shù)字式儀表就可以不必采用線性化環(huán)節(jié)。n線性刻度的測量儀表往往實際特性偏離其理論上的線性特性，即非線性現(xiàn)象。n線性度是衡量實際曲線偏離理論線性特性曲線程度的指標，它以實際示值與理論值之間差值的最大值和儀表測量范圍之比的百分數(shù)表示。2.靜態(tài)特性技

12、術(shù)指標靜態(tài)特性技術(shù)指標通常用相對誤差表示：max一最大非線性誤差； yFS量程輸出。非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計算是否簡便。eL=(max/yFS)100%理論擬合；端點連線平移擬合；端點連線擬合；理論擬合；端點連線平移擬合；端點連線擬合； 過零旋轉(zhuǎn)擬合；最小二乘擬合；過零旋轉(zhuǎn)擬合；最小二乘擬合； 最小包容擬合最小包容擬合直線擬合方法 a)理論擬合 b)過零旋轉(zhuǎn)擬合 c)端點連線擬合 d)端點連線平移擬合 靈敏度 ： 靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變

13、靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用化值與輸入變化值之比，用K 來表示：來表示： dyyKdxx作圖法求靈敏度過程xyx1xy0切點切點傳感器 特性曲線xmaxyKx傳感器輸出曲線的斜率斜率就是其靈敏度。n假設(shè)輸出和輸入都是同一量綱時，那么稱為放大倍數(shù)或倍率。例如，一種機械式位移傳感器當輸入信號(位移量)有0.01mm的變化時，輸出信號也是位移量，為10mm，此時n K10/0.011000n K越大，表示儀器越靈敏。從圖形上看，它表示特性曲線的斜率。 如果特性曲線是一根直線，那么K是常數(shù)，意即系統(tǒng)是線性的；如果特性曲線是一根曲線，那么K是變量，意即測量系統(tǒng)具有非線性特性，其

14、靈敏度(曲線上各點的斜率)是變化的。K0，表示輸出量隨之輸入量的增加而增大；而K0，那么表示輸出量隨輸入量的增加而減少。 重復(fù)性yx0max2max1%100/maxFSRye重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即重復(fù)性是指傳感器在輸入按重復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)屢次變動時所同一方向連續(xù)屢次變動時所得特性曲線不一致的程度。得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差也常用絕對誤差表示。檢測時也可選取幾個測試點，對應(yīng)每一點屢次從同一方向趨近，獲得輸出值系列yi1，yi2，yi3，yin ，算出最大值與最小值之差或3作為重復(fù)性偏差Ri，在幾個Ri中取出最大值Rmax 作為重復(fù)性誤差。max1正行

15、程的最大重復(fù)性偏差， max2反行程的最大重復(fù)性偏差。%100/)32(FSRye遲滯遲滯0yxmaxyFS遲滯特性%100/2/1maxFSHye式中 max正反行程間輸出的最大差值。 遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對誤差表示。檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應(yīng)于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。 傳感器在正(輸入量增大)反輸入量減小行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。遲滯特性如下圖，它一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分數(shù)表示,即n遲滯產(chǎn)生的原因，是由于機械局部的元件腐蝕，松動，材料的內(nèi)摩擦，磁性材料的磁滯效應(yīng)等原因。n遲

16、滯用相同被測量下，正、反行程間儀器的指示值的最大差值與測量范圍之比的百分數(shù)表示，在測量中，儀器的變差不能超過其精度，否那么不能繼續(xù)使用，必須更換和修理 。分辨力：指傳感器能檢出被測分辨力：指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。當被測量信號的最小變化量。當被測量的變化小于分辨力時，傳感器的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反響。對輸入量的變化無任何反響。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認為該表的他附加說明，可以認為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。的分辨力。 分辨力與閾值有些傳感器,當輸入量連續(xù)變化時,輸出量只作階梯變

17、化,那么分辨力就是輸出量的每個“階梯所代表的輸入量的大小。分辨力用絕對值表示,用與滿量程的百分數(shù)表示時稱為分辨率。在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為閾值。 穩(wěn)定性測試時先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定點，相隔4h、8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。它可用相對誤差表示,也可用絕對誤差表示。 穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。測試時先將傳感器置于一定溫度(如20),將其輸出調(diào)至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度

18、數(shù)(如5或10),再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。抗干擾穩(wěn)定性抗干擾穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化假設(shè)干的絕對誤差或相對誤差表示,每引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。指傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。評價這些能力比較復(fù)雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。n 測量系統(tǒng)的動態(tài)特性n 測量系統(tǒng)的根本動態(tài)特性是指在動態(tài)測量時，測量系統(tǒng)的輸出量與隨時間變化的輸入量之間的函數(shù)關(guān)系，就是通常所講的輸出與輸入的瞬時響應(yīng)。更一般說來，就是測量系

19、統(tǒng)的過渡過程曲線。用體溫表測量體溫，要過幾分鐘才能讀數(shù)，這時因為時間短了，達不到穩(wěn)定值，要有一過渡過程。一個測量系統(tǒng)的動態(tài)特性標志著它的動態(tài)品質(zhì)的好壞，當測量系統(tǒng)的極限頻率等于被測信號的最高頻率時，便可認為測量系統(tǒng)本身能夠完成被測信號的測量任務(wù)。反之，如果測量系統(tǒng)的極限頻率低于被測信號的最高頻率時，測量系統(tǒng)的輸出就跟不上輸入的被測信號，而產(chǎn)生較大的動態(tài)誤差。也就是說，假設(shè)一臺儀器的輸出信號是緊緊追蹤一個急速波動的輸入信號，這臺儀器就具有良好的動態(tài)響應(yīng)。1數(shù)學模型與傳遞函數(shù)分析傳感器動態(tài)特性，必須建立數(shù)學模型。線性系統(tǒng)的數(shù)學模型為一常系數(shù)線性微分方程。對線性系統(tǒng)動態(tài)特性的研究，主要是分析數(shù)學模型的輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系，通過對微分方程求解，得出動態(tài)性能指標。對于線性定常時間不變系統(tǒng)，其數(shù)學模型為高階常系數(shù)線性微分方程，即xbdtdxbdtxdbyadtdyadtydammmnnn0101/ y輸出量； x輸入量； t時間a0