傳感器的基本概念

傳感器的基本概念第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日學(xué)習(xí)本課程所需的預(yù)備知識

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

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(xì)闡述。第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日1.1傳感器的定義

關(guān)于傳感器的定義，至今尚無一個比較全面的定義。不過，對以下提法，學(xué)者們似乎不持異議。國際電工委員會的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號”。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665——87），傳感器（Transducer/Sensor)的定義是：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。第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日

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(jī)械量、電磁量、熱工量、光學(xué)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(guān)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:第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日(1)傳感器是一種測量裝置，能夠完成一定的檢測任務(wù)；(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(yīng)關(guān)系和轉(zhuǎn)換精度。第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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)換電路第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日A型結(jié)構(gòu)傳感器：被測量→敏感元件B型結(jié)構(gòu)：敏感元件與轉(zhuǎn)換元件是同一元件被測量→敏感元件→測量電路（熱敏電阻式傳感器、電容式傳感器、感應(yīng)同步器、角度編碼器）C型結(jié)構(gòu)傳感器:被測量→敏感元件+轉(zhuǎn)換元件+測量電路（電位器傳感器、電感式傳感器、壓磁式傳感器）D型結(jié)構(gòu)傳感器:將兩個傳感器構(gòu)造成一個人測量正增益變化，一個測量負(fù)增益變化，他們的輸出經(jīng)差動電路處理后在輸出。差動結(jié)構(gòu)型傳感器第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日舉例：測量壓力的應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器是由彈性膜片和電阻應(yīng)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(yīng)變(形變)；彈性膜片的應(yīng)變施加在電阻應(yīng)變片上，它能將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻的變化量，電阻應(yīng)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(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日彈簧管放大圖

當(dāng)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。

第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日

在下圖中，彈簧管將壓力轉(zhuǎn)換為角位移α第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日其他各種彈性敏感元件

在上圖中的各種彈性元件也能將壓力轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日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）

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360度圓盤形電位器接地第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日1.3傳感器的分類可以用不同的觀點對傳感器進(jìn)行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。傳感器種類繁多按被測量分類

按測量原理分類

按能量的傳遞方式分類目前常用的分類有兩種：一種是以被測量來分，另一種是以傳感器的原理來分。

第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日按被測量分類

——物理量傳感器

——化學(xué)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(fù)荷傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器。。。第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日按工作原理分類

電容式傳感器諧振式傳感器電位器式傳感器應(yīng)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(xué)式傳感器霍耳式傳感器光導(dǎo)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

第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日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(jī)械能)

無源傳感器:不進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,一般不可逆第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日傳感器的基本特性傳感器所測量的一般有兩種形式：一種是穩(wěn)定的，即不隨時間變化或變化極其緩慢，稱為靜態(tài)信號；另一種是隨時間變化而變化，稱為動態(tài)信號。由于輸入量的狀態(tài)不同，傳感器所呈現(xiàn)出來的輸入—輸出特性也不同，因此存在所謂的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。為了降低或消除傳感器在測量控制系統(tǒng)中的誤差，傳感器必須具有良好的靜態(tài)和動態(tài)特性，才能使信號(或能量)按規(guī)律準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換。第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日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(guān)系。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)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(yīng)該具有單值的、確定的輸入－輸出關(guān)系。對于每一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之對應(yīng)。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(guān)系最佳。

YYXX

線性

非線性第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日非線性程度不一樣。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(jìn)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）第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日(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(yīng)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。第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日線性傳感器：k為一常數(shù)，輸出---輸入關(guān)系：y=a0+kx;y---輸出量；x---輸入量；a0---零位輸出；非線性傳感器：a2,a3,..,an------非線性項的待定系數(shù)。由于傳感器的輸出--輸入特性是非線性的，所以，經(jīng)常用一條直線來近似地表達(dá)實際的曲線。--------非線性化特性的線性化被采用的直線稱為擬合直線。.\第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日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，第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日4).重復(fù)性重復(fù)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(fù)性越好，誤差也越小。不重復(fù)性一般采用極限誤差式表示:第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日5).分辨力：

指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。當(dāng)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(yīng)。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認(rèn)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。

第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日用分辨率表示傳感器的分辨質(zhì)量，有平均分辨率和最大分辨率：平均分辨率：（滿量程）最大分辨率:第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日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。第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日

“老化”試驗：在檢測設(shè)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(fù)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。老化試驗臺第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日7).靜態(tài)響應(yīng)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(guān)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。第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日動態(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(biāo)來描述。第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日階躍響應(yīng)當(dāng)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(yīng)特性。時域波形參數(shù)識別第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日第33頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日衡量階躍響應(yīng)特性的幾項指標(biāo)如圖所示。(1)響應(yīng)時間ts：響應(yīng)曲線開始進(jìn)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(yīng)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(yīng)達(dá)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