傳感器應(yīng)用技術(shù) 課件 項目一 傳感器概述

傳感器應(yīng)用技術(shù)項目一

傳感器概述傳感器的基本概念國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-2005）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。①傳感器是一種測量“器件或裝置”，能完成檢測任務(wù)；②它的輸入量是某一“被測量”，它可能是物理量，也可能是化學(xué)量，生物量等；③它的輸出量是“可用的信號”，這種信號可以是氣、光，電等物理量，但主要是易于處理的電物理量，如電壓、電流、頻率等；④輸出輸入之間的對應(yīng)關(guān)系應(yīng)具有“一定的規(guī)律”，且應(yīng)有一定的精確程度，可以用確定的數(shù)學(xué)模型來描述；1.傳感器的基本概念2.傳感器的作用人體與自動化測控系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系“電五官”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(chǔ)。傳感器是邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。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(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)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?？梢?，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步等方面起著重要作用。2.傳感器的作用通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中,敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分;轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。圖1傳感器的組成框圖3.傳感器的組成說明:

由于傳感器的輸出信號一般都很微弱,因此需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對其進行放大、運算調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用,傳感器的信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可能安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。此外,轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作必須有輔助的電源,不少傳感器要在通過轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一，因此,信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。3.傳感器的組成實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉(zhuǎn)換元件)組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是轉(zhuǎn)換元件。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。3.傳感器的組成4.傳感器的分類分類方法傳感器的種類說明按輸入量（被測量）分類位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器傳感器以被測物理量命名按工作原理分類應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式傳感器以工作原理命名按物理現(xiàn)象分類結(jié)構(gòu)型傳感器傳感器依賴其結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換物性型傳感器傳感器依賴其敏感元件物理特性的變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型傳感器傳感器直接將被測量的能量轉(zhuǎn)換為輸出量的能量能量控制型傳感器由外部供給傳感器能量，而由被測量來控制輸出的能量按輸出信號分類模擬式傳感器輸出為模擬量數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量傳感技術(shù)的發(fā)展：1.深入基礎(chǔ)研究，開發(fā)新型傳感器。2.往集成化、微型化、智能化和仿生化方向發(fā)展3.不斷拓展測量范圍，提高檢測精度和可靠性4.推進新的檢測辦法，發(fā)展非接觸法檢測技術(shù)5.實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)化7.傳感器的發(fā)展傳感器應(yīng)用技術(shù)項目一

傳感器概述傳感器的命名及代號一種傳感器產(chǎn)品的名稱，應(yīng)由主題詞加四級修飾語構(gòu)成。1）主題詞——傳感器。2）第一級修飾語——被測量，包括修飾被測量的定語。3）第二級修飾語——轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字。4）第三級修飾語——特征描述，指必須強調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。5）第四級修飾語——主要技術(shù)指標(biāo)（如量程、測量范圍、精度、靈敏度等）。（1）命名法的構(gòu)成1.傳感器的命名方法1)題目中的用法。本命名法在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計表格、圖書索引、檢索及計算機漢字處理等特殊場合，應(yīng)采用上述命名法的構(gòu)成所規(guī)定的順序。示例1：傳感器，位移，應(yīng)變[計]式，100mm。注:[]內(nèi)的詞，在不引起混淆時，可省略。示例2：傳感器，壓力，壓阻式，[單晶]硅，600kPa示例3：傳感器，差壓，諧振式，智能型，35kPa。（2）命名法的范例1.傳感器的命名方法2）正文中的用法。在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣本、學(xué)術(shù)論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產(chǎn)品名稱應(yīng)采用與上述命名法的構(gòu)成相反的順序。示例1：100mm應(yīng)變式位移傳感器。示例2：600kPa[單晶]硅壓阻式壓力傳感器。示例3：35kPa智能[型]諧振式差壓傳感器。（2）命名法的范例2.傳感器代號標(biāo)記方法

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用大寫漢語拼音字母（或國際通用標(biāo)志)和阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成傳感器完整的代號。

傳感器的完整代號應(yīng)包括以下四部分：主稱（傳感器）；被測量；轉(zhuǎn)換原理；序號。

圖2傳感器代號的構(gòu)成（1）傳感器代號的構(gòu)成2.傳感器代號標(biāo)記方法第一部分：主稱（傳感器），用漢語拼音字母“C”標(biāo)記。第二部分：被測量，用其一個或兩個漢字漢語拼音的第一個大寫字母標(biāo)記（如壓力用Y表示）。當(dāng)這組代號與該部分的另一個代號重復(fù)時，則用其漢語拼音的第二個大寫字母作代號（如應(yīng)力用YL表示，硬度用YD表示）。依此類推。當(dāng)被測量有國際通用標(biāo)志時，應(yīng)采用國際通用標(biāo)志，當(dāng)被測量為離子、粒子或氣體時，可用其元素符號、粒子符號或分子式加圓括號“（）”表示。如(H+)氫離子，（α）粒子，（β）射線。標(biāo)準(zhǔn)對常用的被測量代號作了相應(yīng)的規(guī)定。（2）各部分代號的意義2.傳感器代號標(biāo)記方法第三部分：轉(zhuǎn)換原理，用其一個或兩個漢字漢語拼音的第一個大寫字母標(biāo)記。當(dāng)這組代號與該部分的另一個代號重復(fù)時，則用其漢語拼音的第二個大寫字母作代號（如壓阻用YZ表示；霍爾用HE表示；電容用DR表示，差壓用CY表示）。依此類推。標(biāo)準(zhǔn)對常用的轉(zhuǎn)換原理代號也作了相應(yīng)的規(guī)定。第四部分：序號，用阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記。序號可表征產(chǎn)品設(shè)計特征、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。如果傳感器產(chǎn)品的主要性能參數(shù)不改變，僅在局部有改進或改動時，其序號可在原序號后面順序地加注大寫漢語拼音字母A、B、C……（其中 I、O兩個字母不使用），序號及其內(nèi)涵可由傳感器生產(chǎn)廠家自行決定。2.傳感器代號標(biāo)記方法示例1：氫離子活度傳感器C(H+)-12示例2：壓阻式壓力傳感器CY-YZ-2.5示例3：

霍爾式電流傳感器CDL-HE-1200

（3）傳感器代號標(biāo)記示例2.傳感器代號標(biāo)記方法傳感器應(yīng)用技術(shù)項目一

傳感器概述傳感器的靜態(tài)特性講授內(nèi)容傳感器的特性：一般指輸入、輸出特性。當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時，這一關(guān)系稱為靜態(tài)特性；當(dāng)輸入量隨時間較快地變化時，這一關(guān)系稱為動態(tài)特性。傳感器輸出與輸入關(guān)系可用微分方程來描述。理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，即得到靜態(tài)特性。因此，傳感器的靜態(tài)特性只是動態(tài)特性的一個特例。實際上傳感器的靜態(tài)特性要包括非線性和隨機性等因素，如果把這些因素都引入微分方程，將使問題復(fù)雜化。為避免這種情況，總是把靜態(tài)特性和動態(tài)特性分開考慮。1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器的輸出與輸入具有確定的對應(yīng)關(guān)系最好呈線性關(guān)系。但一般情況下，輸出輸入不會符合所要求的線性關(guān)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(yīng)關(guān)系的唯一確定性也不能實現(xiàn)。1.傳感器的靜態(tài)特性考慮了這些情況之后，傳感器的輸出輸入作用圖大致如圖所示。衡量傳感器靜態(tài)特性的主要性能指標(biāo)包括：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性。1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多項式代數(shù)方程表示：式中：y—輸出量；x—輸入量；a0—零點輸出；

a1—理論靈敏度；a2、a3、…、an—非線性項系數(shù)各項系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。（1）線性度y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)靜態(tài)特性曲線可實際測試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說問題已經(jīng)得到解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系。這時可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補償，進行線性化處理。一般來說，這些辦法都比較復(fù)雜。所以在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法來線性化。在采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度。（1）線性度

2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)通常用相對誤差γL表示：ΔLmax—非線性最大偏差；yFS—滿量程輸出。非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)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。γL=±(ΔLmax/yFS)×100%①理論擬合；②過零旋轉(zhuǎn)擬合；③端點連線擬合④端點連線平移擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)（1）線性度

a)理論擬合

d)端點連線平移擬合

b)過零旋轉(zhuǎn)擬合c)端點連線擬合

2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)（1）線性度設(shè)擬合直線方程：

若實際校準(zhǔn)測試點有n個，則第i個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上響應(yīng)值之間的殘差為最小二乘法擬合直線的原理就是使

為最小值，即

對k和b一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求出a和k的表達式2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)最小二乘法擬合y=kx+bΔi=yi-(kxi+b)即得到k和b的表達式將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)擬合直線的選定原則：保證盡量小的非線性誤差，計算與使用方便序號方法名稱擬合直線特點（1）理論直線法理論特性線，與測量值無關(guān)簡單、方便，非線性誤差大。（2）端點線法校準(zhǔn)曲線端點連線簡單，非線性誤差大（3）最小二乘法與校準(zhǔn)曲線的殘差平方和最小精度高，普遍推薦的方法（4）“最佳直線”法與正、反行程校準(zhǔn)曲線的正、負偏差相等且最小精度高，求解復(fù)雜（2）靈敏度與靈敏度誤差

γs=(Δk/k)×100%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，即可見，傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。對線性傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度k是一常數(shù)，與輸入量大小無關(guān)。K=Δy/Δx傳感器輸出的變化量Δy與引起該變化量的輸入變化量Δ

x之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達式為2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)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的程度稱為遲滯。遲滯特性如圖所示，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

式中△Hmax—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。2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)（3）遲滯產(chǎn)生原因：主要是傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、緊固件松動、材料的內(nèi)摩擦、積塵等。遲滯誤差的存在使輸入輸出不能一一對應(yīng)。出現(xiàn)的誤差大、小視具體情況而定。

（3）遲滯

2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)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的不一致性程度。重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即產(chǎn)生原因:與產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因相同,屬于隨機性誤差。（4）重復(fù)性

2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)分辨力：

分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。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)。有些傳感器,當(dāng)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。

分辨率：

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）分辨力與閥值2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)500米口徑球面射電望遠鏡分辨力—10cm量子感測技術(shù)分辨力—單個生物細胞水平嫦娥五號分辨力—1億像素

分辨力的重要性北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)分辨力—15cm2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)

手機屏幕的分辨能力越高越好嗎？表示傳感器在一較長時間內(nèi)保持性能參數(shù)的能力。包含穩(wěn)定度、環(huán)境影響兩個方面。穩(wěn)定度指所有條件不變，規(guī)定時間維持示值不變的能力。例如某儀表輸出電壓值在8h內(nèi)的最大變化量1.3mV。環(huán)境影響指由外界環(huán)境變化而引起的示值變化。一般由零漂和靈敏度漂移。零漂可以由重新調(diào)零克服,靈敏度漂移可以由計算機處理。環(huán)境影響的因素有：溫度、濕度、氣壓、電源電壓、電源頻率，其中溫度的影響最大，具體克服辦法在后續(xù)章節(jié)學(xué)習(xí)。（6）穩(wěn)定性2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)漂移指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點漂移與靈敏度漂移。零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移(時漂)和溫度漂移(溫漂)。時漂是指在規(guī)定條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫漂為周圍溫度變化引起的零點或靈敏度漂移。（7）漂移2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)（8）靜態(tài)誤差取2σ和3σ值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差也可用相對誤差來表示，即靜態(tài)誤差的求取方法如下：把全部輸出數(shù)據(jù)與擬合直線上對應(yīng)值的殘差,看成是隨機分布,求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差,即靜態(tài)誤差是指傳感器在其全量程內(nèi)任一點的輸出值與其理論值的偏離程度。yi—各測試點的殘差；

n一測試點數(shù)。2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)（8）靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差是評價傳感器靜態(tài)性能的一項綜合性指標(biāo)，常將它稱之為傳感器的精度，他基本包括了前面敘述的非線性誤差、重復(fù)性誤差、靈敏度誤差等，若這幾項誤差是隨機的、獨立的、正態(tài)分布的，也可以把這幾個單項誤差綜合而得，即：

2.傳感器靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)傳感器應(yīng)用技術(shù)項目一

傳感器概述傳感器的動態(tài)特性講授內(nèi)容對隨時間變化的動態(tài)信號測量時，要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地測出信號幅值的大小和無失真地再現(xiàn)被測信號隨時間變化的波形。傳感器的動態(tài)特性指傳感器對隨時間變化的輸入信號的響應(yīng)特性。傳感器的動態(tài)特性

把一支熱電偶從溫度為t0℃環(huán)境中迅速插入一個溫度為t1℃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t1，而熱電偶反映出來的溫度從t0℃變化到t1℃需要經(jīng)歷一段時間，即有一段過渡過程。熱電偶反映出來的溫度與其介質(zhì)溫度的差值就稱為動態(tài)誤差1.研究傳感器動態(tài)特性的方法及其指標(biāo)被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。時域：瞬態(tài)響應(yīng)法輸入信號：階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)指標(biāo)：時間常數(shù)、上升時間、響應(yīng)時間、超調(diào)量…頻域：頻率響應(yīng)法輸入信號：正弦周期信號指標(biāo)：頻帶寬度傳感器的動態(tài)特性2.傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型：常系數(shù)線性微分方程y——輸出量；x——輸入量；t——時間a0，a1，…，an——常數(shù)；b0，b1，…，bm——常數(shù)

——輸出量對時間t的n階導(dǎo)數(shù)；

——輸入量對時間t的m階導(dǎo)數(shù)；求解上述微分方程的方法：采用傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)等足以反映系統(tǒng)動態(tài)特性的函數(shù)將系統(tǒng)的輸出與輸入聯(lián)系起來。傳感器的動態(tài)特性2.傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型：傳遞函數(shù)傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性或線性化定常系統(tǒng)中是指初始條件為0時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。當(dāng)傳感器的數(shù)學(xué)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)Y(s)——傳感器輸出量的拉氏變換式；X(s)——傳感器輸入量的拉氏變換式上式分母是傳感器的特征多項式，決定系統(tǒng)的“階”數(shù)?？梢姡瑢σ欢ǔＯ到y(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)微分方程已知，只要把方程式中各階導(dǎo)數(shù)用相應(yīng)的s變量替換，即求出傳感器的傳遞函數(shù)。1）零階環(huán)節(jié)傳感器的動態(tài)特性方程式系數(shù)除了a0、b0之外，其它的系數(shù)均為零，這樣的系統(tǒng)稱為零階環(huán)節(jié)。此時，微分方程就變成代數(shù)方程，即式中，k=b0/a0為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。在工程應(yīng)用中，電位器式的電阻傳感器、利用靜態(tài)式壓力傳感器測量液位均可看作零階系統(tǒng)。

無失真，無滯后，又稱為比例環(huán)節(jié)、無慣性環(huán)節(jié)。a0y(t)=b0x(t)改寫成

y(t)=kx(t)2）一階環(huán)節(jié)（慣性環(huán)節(jié)）傳感器的動態(tài)特性

方程式的系數(shù)除了a0、a1與b0之外，其它的系數(shù)均為零，則微分方程為式中：τ——傳感器的時間常數(shù)，τ=a1/a0；反映傳感器慣性的大小。

k——傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，k=b0/a0。

改寫成

2）二階環(huán)節(jié)

傳感器的動態(tài)特性

二階環(huán)節(jié)的微分方程為式中：

ξ——傳感器的阻尼系數(shù)，

ωn—傳感器的固有頻率，

k——傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，k=b