傳感器基本概念模塊課件重點

傳感器基本概念模塊課件重點第一頁，共40頁。平時成績XX分；實驗成績XX分；期末考試XX分。成績評定標準第二頁，共40頁。[1]傳感器課程[2]儀表技術與傳感器[3]傳感器世界[4]中國傳感器[5]傳感器技術[6]21IC中國電子網(wǎng)[7]傳感技術學報網(wǎng)

[8]傳感器資訊網(wǎng)參考網(wǎng)站第三頁，共40頁。信息檢測技術作為信息科學的一個重要分支，與計算機技術、自動控制技術和通信技術等一起構成了信息技術的完整學科。在人類進入信息時代的今天，人們的一切社會活動都是以信息獲取與信息轉換為中心，傳感器作為信息獲取與信息轉換的重要手段，是信息科學最前端的一個陣地，是實現(xiàn)信息化的基礎技術之一。緒論“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學技術”的觀點已為全世界所公認。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認識自然、改造自然的有利工具。第四頁，共40頁。國家標準（GB7665-87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；②輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；③輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；④輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭傳感器功用：一感二傳,即感受被測信息,并傳送出去。V、I、F、P一、傳感器的定義：第五頁，共40頁。二、傳感器的地位和作用傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎。傳感器是邊緣學科開發(fā)的先驅?？梢?，傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步等方面起著重要作用。傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。第六頁，共40頁。三、傳感器測量系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)：由若干相互作用和相互依賴的事物組合而成的具有特定功能的整體。從工程應用的角度來看，系統(tǒng)是指用來完成一個或多個功能所需兩個或多個元件、子系統(tǒng)和部件的組合。測量系統(tǒng)的作用就是以客觀和實驗的方式對客體或事件的特性、品質加以定量描述。測量的目的一般有兩個：一是用于客體對象的監(jiān)測，例如對室內(nèi)環(huán)境溫度/濕度的測量、環(huán)境中大氣壓力及空氣污染物的測量、醫(yī)院中病人狀態(tài)的監(jiān)測等；另一個目的就是用于控制。第七頁，共40頁。1、典型測控系統(tǒng)被控對象傳感器信號調(diào)理信號轉換與處理顯示存儲傳輸執(zhí)行器控制信號電信號典型測控系統(tǒng)主要包括：測控對象、傳感器、信號調(diào)理、信號轉換與處理、執(zhí)行器、顯示/存儲/傳輸?shù)葞撞糠帧５诎隧?，?0頁。傳感器的好壞直接影響系統(tǒng)的性能。如果傳感器不能靈敏的感受被測量，或者不能把感受到的被測量精確的轉換成電信號，其他儀表和裝置的精確度再高也無意義。信號調(diào)理是測控系統(tǒng)的重要組成部分，它將傳感器的輸出電信號轉換為適合傳輸、顯示、記錄的信號，能跟好的滿足后續(xù)電路或裝置對輸入信號的要求。通常包括：信號放大、電平調(diào)節(jié)、濾波、阻抗匹配、信號調(diào)制/解調(diào)等。是傳感器標準化的重要基礎。第九頁，共40頁。2、信號調(diào)理信號調(diào)理大致可分為四種類型，即電平調(diào)整、線性化、信號形式變換、濾波、阻抗匹配。

電平調(diào)整是對電壓信號進行的放大或衰減，及傳感器零位電壓的調(diào)整等。

線性化是針對傳感器的非線性特性的信號調(diào)理。盡最大可能擴大傳感器的響應特性的線性范圍。

信號形式變換是將傳感器輸出信號從一種形式變換為另一種形式，如電壓-電流變換。濾波是濾除系統(tǒng)中的無用噪聲信號。第十頁，共40頁。輔助電源敏感元件轉換元件基本轉換電路被測量電量敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉換成電路參量?；巨D換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉換電路（簡稱轉換電路），便可轉換成電量輸出。3、傳感器的組成第十一頁，共40頁。四、傳感器的分類

1、按傳感器的工作機理，分為物理型、化學型、生物型等2、按構成原理，結構型與物性型兩大類3、根據(jù)傳感器的能量轉換情況，可分為能量控制型傳感器和能量轉換型傳感器4、按照物理原理分類：十種5、按照傳感器的用途分類：位移、壓力、振動、溫度傳感器7、根據(jù)傳感器輸出信號：模擬信號和數(shù)字信號6、根據(jù)轉換過程可逆與否：單向和雙向8、根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無源傳感器第十二頁，共40頁。五、傳感器的特性

傳感器特性主要是指輸出與輸入之間的關系。當輸入量為常量，或變化極慢時，這一關系稱為靜態(tài)特性；當輸入量隨時間較快地變化時，這一關系稱為動態(tài)特性。傳感器的輸出與輸入具有確定的對應關系最好呈線性關系。但一般情況下，輸出輸入不會符合所要求的線性關系，同時由于存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動等各種因素以及外界條件的影響，使輸出輸入對應關系的唯一確定性也不能實現(xiàn)?？紤]了這些情況之后，傳感器的輸出輸入作用圖大致如圖所示。第十三頁，共40頁。穩(wěn)定性(零漂)傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力沖擊與振動電磁場線性滯后重復性靈敏度輸入誤差因素外界影響

傳感器輸入輸出作用圖輸出取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制，有時也可以對外界條件加以限制。衡量傳感器特性的主要技術指標第十四頁，共40頁。（一）、靜態(tài)特性技術指標這時傳感器的輸入量與輸出量之間在數(shù)值上一般具有一定的對應關系，關系式中不含有時間變量。對靜態(tài)特性而言，傳感器的輸入量x與輸出量y之間的關系通?？捎靡粋€如下的多項式表示：

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

式中：a0——輸入量x為零時的輸出量；

a1，a2，…，an——非線性項系數(shù)。

傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標來描述，如靈敏度、遲滯、線性度、重復性和漂移等。第十五頁，共40頁。

1.靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標。其定義是輸出量增量Δy與引起輸出量增量Δy的相應輸入量增量Δx之比。用S表示靈敏度，即它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，很顯然，靈敏度S值越大，表示傳感器越靈敏。由于某種原因，會引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。靈敏度誤差用相對誤差表示，即γs=(ΔS/S)×100%第十六頁，共40頁。圖2-2傳感器的靈敏度第十七頁，共40頁。2.線性度

傳感器的線性度是指在全量程范圍內(nèi)實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值ΔLmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用γL表示，即式中：ΔLmax——最大非線性絕對誤差；

YFS——滿量程輸出值。第十八頁，共40頁。線性度示意圖從傳感器的性能看，希望具有線性關系，即理想輸入輸出關系。但實際遇到的傳感器大多為非線性。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，應是獲得最小的非線性誤差。另外，還應考慮使用是否方便，計算是否簡便。第十九頁，共40頁。直線擬合方法

a)理論擬合b)過零旋轉擬合

c)端點連線擬合d)端點連線平移擬合第二十頁，共40頁。3.遲滯傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合程度為遲滯。0yx⊿HmaxyFS遲滯特性遲滯特性如圖所示，它一般是由實驗方法測得。傳感器在全量程范圍內(nèi)最大的遲滯差值ΔHmax與滿量程輸出值YFS之比稱為遲滯誤差，用γH表示，即第二十一頁，共40頁。4.重復性重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。重復性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即yx0⊿Rmax2⊿Rmax1△Rmax1正行程的最大重復性偏差，△Rmax2反行程的最大重復性偏差。第二十二頁，共40頁。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。

5．分辨力與閾值分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。有些傳感器,當輸入量連續(xù)變化時,輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量的大小。

6．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)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。第二十三頁，共40頁。

7.漂移傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結構參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。最常見的漂移是溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸出的變化，溫度漂移主要表現(xiàn)為溫度零點漂移和溫度靈敏度漂移。溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標準環(huán)境溫度（一般為20℃）時的輸出值的變化量與溫度變化量之比(ξ)來表示，即第二十四頁，共40頁。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雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。

8．抗干擾穩(wěn)定性與精確度有關指標：精密度、準確度和精確度(精度)9、精確度精密度：說明測量傳感器輸出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被測量，由同一個測量者，用同一個傳感器，在相當短的時間內(nèi)連續(xù)重復測量多次，其測量結果的分散程度。例如，某測溫傳感器的精密度為0.5℃。精密度是隨即誤差大小的標志，精密度高，意味著隨機誤差小。注意：精密度高不一定準確度高。第二十五頁，共40頁。準確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如,某流量傳感器的準確度為0.3m3/s，表示該傳感器的輸出值與真值偏離0.3m3/s。準確度是系統(tǒng)誤差大小的標志，準確度高意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，準確度高不一定精密度高。精確度：是精密度與準確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準確度都比較高。在最簡單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。機器的精確度常以測量誤差的相對值表示。

（c）精確度高（a）準確度高而精密度低（b）準確度低而精密度高第二十六頁，共40頁。（二）、傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指輸入量隨時間變化時傳感器的響應特性。它們的動態(tài)特性一般都可以用下述的微分方程來描述：式中，a0、a1、…,an,b0、b1、….,bm是與傳感器的結構特性有關的常系數(shù)。當傳感器的數(shù)學模型初值為0時，對其進行拉氏變換，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)第二十七頁，共40頁。微分方程中，系數(shù)除了a0、b0之外，其它的系數(shù)均為零，則微分方程就變成簡單的代數(shù)方程，即a0y(t)=b0x(t)通常將該代數(shù)方程寫成y(t)=kx(t)式中，k=b0/a0為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。傳感器的動態(tài)特性用上式來描述的就稱為零階系統(tǒng)。

1、零階系統(tǒng)零階系統(tǒng)具有理想的動態(tài)特性，無論被測量x(t)如何隨時間變化，零階系統(tǒng)的輸出都不會失真，其輸出在時間上也無任何滯后，所以零階系統(tǒng)又稱為比例系統(tǒng)。在工程應用中，電位器式的電阻傳感器、變面積式的電容傳感器及利用靜態(tài)式壓力傳感器測量液位均可看作零階系統(tǒng)。第二十八頁，共40頁。微分方程除系數(shù)a1，a0

，b0外其他系數(shù)均為0，則a1(dy/dt)+a0y=b0xτ—時間常數(shù)(τ=a1/a0)；K——靜態(tài)靈敏度(K=b0/a0)傳遞函數(shù)：頻率特性：幅頻特性：相頻特性：負號表示相位滯后時間常數(shù)τ越小，系統(tǒng)的頻率特性越好如不帶套管熱電偶測溫系統(tǒng)、電路中常用的阻容濾波器等均可看作為一階系統(tǒng)。

2、一階系統(tǒng)第二十九頁，共40頁。3、二階傳感器很多傳感器，如振動傳感器、壓力傳感器等屬于二階傳感器，其微分方程為：τ—時間常數(shù)，；ω0—自振角頻率,ω0=1/τξ—阻尼比，；k—靜態(tài)靈敏度，k=b0/a第三十頁，共40頁。不同阻尼比情況下相對幅頻特性即動態(tài)特性與靜態(tài)靈敏度之比的曲線如圖。傳遞函數(shù)幅頻特性相頻特性頻率特性第三十一頁，共40頁。2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)ωτ(b)0-30°-60°-90°-120°-150°-180°0.511.522.5ωτξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=1ξ=0.8ξ=0.707ξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=0.707ξ=0.8ξ=1ξ=0.8ξ=1ξ=0.707ξ=0.6ξ=0.4ξ=0.2ξ=0（a）幅頻特性（b）相頻特性當ξ→0時，在ωτ=1處H(ω)趨近無窮大，這一現(xiàn)象稱之為諧振。隨著ξ的增大，諧振現(xiàn)象逐漸不明顯。當ξ≥0.707時，不再出現(xiàn)諧振，這時H(ω)將隨著ωτ的增大而單調(diào)下降。阻尼比的影響較大。第三十二頁，共40頁。六、傳感器的標定1、定義所謂傳感器的標定，就是利用已知的輸入量輸入傳感器，測量傳感器相應的輸出量，并進而得到傳感器輸入輸出特性的過程。標定一般包括如下內(nèi)容：（1）確定一個表達傳感器輸入輸出信號間關系的數(shù)學模型。（2）設計一個標定實驗，對傳感器施加輸入，測量相應的輸出。（3）對標定實驗得到的數(shù)據(jù)進行處理，確定（1）中數(shù)學模型的參數(shù)及測量誤差。（4）對模型進行分析，確定其是否合適。如不合適，則需要對其加以修正或考慮新的數(shù)學模型。第三十三頁，共40頁。2、標定實驗的設計標定可采用兩種方式：絕對標定及相對標定。

絕對標定是將傳感器的輸出與真實的固定輸入值的輸出相比較。相對標定是將傳感器的輸出與已標定好的傳感器輸出相比較。相對標定是將兩個傳感器的輸出進行比較而確定被標定傳感器性能的方法，因此相對標定的實驗設計中，需要兩個傳感器：一個是被標定的傳感器，稱為工作傳感器；另一個是作為參考基準的傳感器，稱為參考傳感器或基準傳感器，后者是經(jīng)過絕對標定或高一級精度的相對標定法校準過。第三十四頁，共40頁。參考傳感器工作傳感器振動控制臺圖示為用相對標定法確定加速度傳感器靈敏度示意圖。所采用的傳感器為壓電式傳感器，其輸出電壓與加速度成正比。被標定的工作傳感器與作為參考基準的參考傳感器都安裝在振動臺上經(jīng)受相同的簡諧振動。設兩個傳感器的輸出電壓分別為υ和υ0,參考傳感器的靈敏度為S0，則工作傳感器的靈敏度為：第三十五頁，共40頁。七、選擇傳感器時需考慮的問題1、測量方面（1）測量的真正目的是什么？（2）被測對象是什么？（3）被測參量是單調(diào)增加還是單調(diào)減少，或者兩者都有？（4）最終數(shù)據(jù)顯示的測量值的范圍如何？（5）將被測參量以最終數(shù)據(jù)表示應具有怎樣的準確度？（6）被測參量的動態(tài)范圍如何？（7）最終數(shù)據(jù)中需要反應的頻率響應或時間響應特性如何？（8）被測對象的物理和化學性質如何？（9）傳感器的安裝位置、安裝方法如何？（10）傳感器的工作環(huán)境如何？第三十六頁，共40頁。2、數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)（1）數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)的一般性質是什么？