傳感器的基本概念課件

傳感器與信號處理電路第一章傳感器的基本概念學習本課程所需的預備知識

電路基礎、電子測量技術、電子線路。教學提要（重難點）、課程內(nèi)容、教學要求、實驗指導

傳感器的概念以及傳感器的基本特性是本章重點。從傳感器的作用開始，逐一介紹了傳感器的概念、組成以及分類，對傳感器的基本特性作了詳細闡述。

對于一個測量系統(tǒng)，它所測量的各種物理量，其形式是不一樣的，可以是機械量、電磁量、熱工量、光學量…，但不論是哪種物理量，它們都可以分為模擬量和數(shù)字量兩大類。傳感器是一種以測量為目的，以一定的精度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關系的、易于處理的電量信號輸出，如電壓、電流、頻率等信號。這一定義包含以下方面:(1)傳感器是一種測量裝置，能夠完成一定的檢測任務；(2)它的輸入量種類很多，且多為模擬信號的非電量；(3)它的輸出量是經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電量信號，且有一定的對應關系和轉(zhuǎn)換精度。傳感器的組成傳感器是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及測量電路三部分組成的。敏感元件是指傳感器中能直接感受被測量，并能輸出相應非電量的元件；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件輸出的非電量轉(zhuǎn)換成電參數(shù)或電量的元件。測量電路是把電參數(shù)或電量變成標準電壓、電流或頻率量這種便于顯示、記錄、處理和控制的電信號的電路。輔助電路通常包括電源，即交、直流供電系統(tǒng)。

被測對象

非電量非電量電參量

電量

傳感器的組成電源輔助電路敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路舉例：測量壓力的應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器是由彈性膜片和電阻應變片組成。其中彈性膜片就是敏感元件，它能將壓力轉(zhuǎn)換成彈性膜片的應變(形變)；彈性膜片的應變施加在電阻應變片上，它能將應變量轉(zhuǎn)換成電阻的變化量，電阻應變片就是轉(zhuǎn)換元件。彈性敏感元件（彈簧管）

敏感元件在傳感器中直接感受被測量，并轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。彈簧管放大圖

當被測壓力p增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動電位器的電刷產(chǎn)生角位移。即彈簧管為敏感元件，它將壓力轉(zhuǎn)換成角位移α。

在下圖中，彈簧管將壓力轉(zhuǎn)換為角位移α壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)被測量通過敏感元件轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)傳感元件轉(zhuǎn)換成電參量

在右圖中，電位器為傳感元件，它將角位移轉(zhuǎn)換為電參量-----電阻的變化（ΔR）

360度圓盤形電位器接地按被測量分類

——物理量傳感器

——化學量傳感器

——生物量傳感器物理量傳感器

：按照被測量的物理性質(zhì)（位移、速度、溫度、壓力、流量。。。）位移傳感器、速度傳感器、負荷傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器。。。按工作原理分類

電容式傳感器諧振式傳感器電位器式傳感器應變（計）式傳感器電阻式傳感器

壓電式傳感器

電磁式傳感器

壓阻式傳感器電感式傳感器

磁阻式傳感器電離式傳感器差動變壓器式傳感器電化學式傳感器霍耳式傳感器光導式傳感器激光傳感器光伏式傳感器輻射傳感器光纖傳感器超聲（波）傳感器熱電式傳感器聲表面波傳感器伺服式傳感器

按能量的傳遞方式分類

有源傳感器

：一種能量轉(zhuǎn)換器，非電能量轉(zhuǎn)化成電能量。熱電偶：熱能→熱電勢光電池:光能→光電勢可逆的傳感器:壓電材料(電能←→機械能)

無源傳感器:不進行能量轉(zhuǎn)換,一般不可逆1.靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出——輸入的關系。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標是線性度、靈敏度、分辨力、穩(wěn)定度、電磁兼容性、可靠性等。

（1）線性度:

理想的測試系統(tǒng)應該具有單值的、確定的輸入－輸出關系。對于每一輸入量都應該只有單一的輸出量與之對應。知道其中一個量就可以確定另一個量。其中以輸出和輸入成線性關系最佳。

YYXX

線性

非線性非線性程度不一樣。幾種輸出曲線：圖(b)為理想線性特性，幾乎每一種傳感器都不具備如此特性，即都存在非線性，因此在使用非線性傳感器時，必須對傳感器輸出特性進行線性處理。常用的擬合方法有理論直線法（理論線性度）、端點線法（端基線性度）、割線法和切線法、最小二乘法和計算程序法等。（平均選點線性度、獨立線性度）(1).靈敏度靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下的輸出變化量△y與輸入變化量△x之比，用K來表示：

K=△y/△x它表征傳感器對輸入量變化的反應能力。對于線性傳感器，靈敏度就是其靜態(tài)特性的斜率，即k=y/x且為常數(shù)。而非線性傳感器的靈敏度為一變量，用k=dy/dx表示。3）遲滯（滯環(huán)）傳感器在正向（被測量增大）和反向（被測量減?。r，輸出特性曲線不重合的程度，稱為遲滯，或稱滯環(huán)。遲滯的值通常用多次實驗得到正向和反向輸出量之間的最大偏差△m與滿量程輸出平均值yfs的百分比來表示，4).重復性重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度。若多次按相同輸入條件測試的輸出特性曲線越重合，其重復性越好，誤差也越小。不重復性一般采用極限誤差式表示:5).分辨力：

指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。當被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對誤差。

6).穩(wěn)定性

穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。理想的情況是,不管什么時候傳感器的靈敏度等特性參數(shù)不隨時間變化。但實際上,隨著時間的推移,大多數(shù)傳感器的特性會改變。這是因為傳感元件或構(gòu)成傳感器的部件的特性隨時間發(fā)生變化,產(chǎn)生一種經(jīng)時變化的現(xiàn)象。

“老化”試驗：在檢測設備通電的情況下，將之放置于高溫環(huán)境低溫環(huán)境高溫環(huán)境……反復循環(huán)。老化之后的系統(tǒng)在現(xiàn)場使用時，故障率大為降低。老化試驗臺7).靜態(tài)響應特性的其他描述漂移:

傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等。零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化。溫度漂移為環(huán)境溫度變化而弓I起的零點或靈敏度的漂移。靈敏閥：又稱為死區(qū)，用來衡量測量起始點不靈敏的程度。測量范圍：是指測試裝置能正常測量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。動態(tài)特性在被測量隨時間變化的情況下，傳感器的輸出量跟隨輸入量變化的能力，用動態(tài)特性性能指標來描述。階躍響應當給靜止的傳感器輸入一個單位階躍函數(shù)信號時，其輸出特性稱為階躍響應特性。時域波形參數(shù)識別衡量階躍響應特性的幾項指標如圖所示。(1)響應時間ts：響應曲線開始進入靜態(tài)誤差帶，并且不再超越靜態(tài)誤差帶的時間；(2)最大超調(diào)量σp:響應曲線第一次超過穩(wěn)態(tài)值時的峰值是傳感器輸出量與穩(wěn)態(tài)值偏差最大的值a.過沖量σ=a/y0*100%

最大超調(diào)量能說明傳感器的相對穩(wěn)定性。(3)延滯時間td:階躍響應達到穩(wěn)態(tài)值50％所需要的時間。(4)上升時間tr,它有幾種定義：①響應曲線從穩(wěn)態(tài)值的10％一90％；②從穩(wěn)態(tài)值的5％～95％；③從零上升到第一次到達穩(wěn)態(tài)值所需的時間。對有振蕩的傳感器常用③，對無振蕩的傳感器常用①描述。(4)峰值時間tp：響應曲線到第一個峰值所需的時間。

為了說明傳感器的動態(tài)特性,下面簡要介紹動態(tài)測溫的問題。在被測溫度隨時間變化或傳感器突然插入被測介質(zhì)中以及傳感器以掃描方式測量某溫度場的溫度分布等情況下,都存在動態(tài)測溫問題。如把一支熱電偶從溫度為T0℃環(huán)境中迅速插入一個溫度為T℃的恒溫水槽中（插入時間忽略不計）,這時熱電偶測量的介質(zhì)溫度從T0突然上升到T,而熱電偶反映出來的溫度從T0℃變化到T