傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)知識(shí)課件

一、傳感器的定義提出問(wèn)題：什么是傳感器？第一章傳感器的基本知識(shí)

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通俗的講：

傳感器是接收信號(hào)或刺激并反應(yīng)的器件，以測(cè)量為目的，以一定精度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、易于處理的電量信號(hào)輸出的裝置。9/27/20242國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義“傳感器”的：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。9/27/20243特點(diǎn)：代替人的耳，眼，鼻等器官去感知和獲取人不能直接獲取的自然界當(dāng)中的信息和信息量。用途：就是采集信息和信息量。

用在：工業(yè)，農(nóng)業(yè)，醫(yī)療，衛(wèi)生，國(guó)防，軍事，航天，航空，氣象，安檢以及日常生活等等方面。9/27/20245

在流水線上，邊加工，邊檢驗(yàn)，可提高產(chǎn)品的一致性和加工精度。9/27/202469/27/20247傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，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(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。

9/27/20248二、傳感器的組成舉例：測(cè)量壓力的電位器式壓力傳感器

1-彈簧管2-電位器傳感器組成框圖9/27/20249三、傳感器分類

1.根據(jù)被測(cè)對(duì)象，可分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類;

按被測(cè)量分類：可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。2.按測(cè)量原理分類：可分為電阻、電容、電感、光柵、熱電耦、超聲波、激光、紅外、光導(dǎo)纖維等傳感器?！?/27/202410四、傳感器基本特性

傳感器的特性一般指輸入、輸出特性，包括：靈敏度、分辨力、線性度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。

9/27/2024111.靈敏度：靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來(lái)表示：

（1－1）9/27/202412作圖法求靈敏度過(guò)程xyx1ΔxΔy0切點(diǎn)傳感器特性曲線xmax9/27/202413靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。當(dāng)傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。

提高靈敏度，可得到較高的測(cè)量精度。但靈敏度愈高，測(cè)量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。9/27/2024142.分辨力：指?jìng)鞲衅髂軝z出被測(cè)信號(hào)的最小變化量。當(dāng)被測(cè)量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無(wú)任何反應(yīng)。對(duì)模擬式傳感器，以最小刻度的一半所代表的輸入量表示；對(duì)數(shù)字式傳感器，如果沒(méi)有其他附加說(shuō)明，可以認(rèn)為該表的最后一位數(shù)值所代表的輸入量就是它的分辨力。9/27/2024153.線性度：線性度又稱非線性誤差，是指?jìng)鞲衅鲗?shí)際特性曲線與擬合直線（有時(shí)也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器量程范圍內(nèi)的輸出之百分比。將傳感器輸出起始點(diǎn)與滿量程點(diǎn)連接起來(lái)的直線作為擬合直線，這條直線稱為端基理論直線，按上述方法得出的線性度稱為端基線性度，非線性誤差越小越好。線性度的計(jì)算公式如下：（1－2）9/27/202416作圖法求線性度演示（1—擬合曲線2—實(shí)際特性曲線）9/27/2024174.遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象成為遲滯。對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。

5.重復(fù)性：重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。

6.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(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。9/27/2024181.誤差產(chǎn)生的因素：1）.粗大誤差

明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過(guò)失誤差。粗大誤差主要是由于測(cè)量人員的粗心大意及電子測(cè)量?jī)x器受到突然而強(qiáng)大的干擾所引起的。如測(cè)錯(cuò)、讀錯(cuò)、記錯(cuò)、外界過(guò)電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過(guò)正常條件下的誤差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差時(shí)，應(yīng)予以剔除。

五、測(cè)量誤差及分類

9/27/202419產(chǎn)生粗大誤差的一個(gè)例子

9/27/2024202）.系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)誤差也稱裝置誤差，它反映了測(cè)量值偏離真值的程度。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法或引入修正值的方法計(jì)算修正，也可以重新調(diào)整測(cè)量?jī)x表的有關(guān)部件予以消除。

9/27/2024213）.隨機(jī)誤差

在同一條件下，多次測(cè)量同一被測(cè)量，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)量值時(shí)大時(shí)小，誤差的絕對(duì)值及正、負(fù)以不可預(yù)見(jiàn)的方式變化，該誤差稱為隨機(jī)誤差，也稱偶然誤差，它反映了測(cè)量值離散性的大小。隨機(jī)誤差是測(cè)量過(guò)程中許多獨(dú)立的、微小的、偶然的因素引起的綜合結(jié)果。存在隨機(jī)誤差的測(cè)量結(jié)果中，雖然單個(gè)測(cè)量值誤差的出現(xiàn)是隨機(jī)的，既不能用實(shí)驗(yàn)的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。9/27/202422隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律長(zhǎng)度相對(duì)測(cè)量值次數(shù)統(tǒng)計(jì)9/27/2024232.誤差的表示方法1）.絕對(duì)誤差：

Δ=Ax－Ａ0某采購(gòu)員分別在三家商店購(gòu)買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購(gòu)員對(duì)賣巧克力的商店意見(jiàn)最大，是何原因？(1-1)9/27/2024242）.相對(duì)誤差及精度等級(jí)

幾個(gè)重要公式：實(shí)際相對(duì)誤差：示值（標(biāo)稱）相對(duì)誤差：滿度（引用）相對(duì)誤差：9/27/2024253）.準(zhǔn)確度

準(zhǔn)確度常用最大（滿度）引用相對(duì)誤差來(lái)定義：請(qǐng)思考：1、它表示傳感器的最大滿度相對(duì)誤差為多少？2、若已知傳感器的準(zhǔn)確度和儀表滿量程值，測(cè)量時(shí)的最大示值相對(duì)誤差為多少？9/27/202426儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)和基本誤差

例：某指針式電壓表的準(zhǔn)確度為2.5級(jí)，用它來(lái)測(cè)量電壓時(shí)可能產(chǎn)生的滿度相對(duì)誤差為±2.5%。提問(wèn)：某0.1級(jí)壓力傳感器的量程為100MPa，測(cè)量50MPa壓力時(shí)，傳感器引起的最大示值相對(duì)誤差為多少？9/27/202427例：某指針式萬(wàn)用表的面板如圖所示，問(wèn)：用它來(lái)測(cè)量直流、交流（~）電壓時(shí)，可能產(chǎn)生的滿度相對(duì)誤差分別為多少？9/27/202428例：用指針式萬(wàn)用表的10V量程測(cè)量一只1.5V干電池的電壓，示值如圖所示，問(wèn)：選擇該量程合理嗎？9/27/202429

用2.5V量程測(cè)量同一只1.5V干電池的電壓，與上圖比較，問(wèn)示值相對(duì)誤差哪一個(gè)大？9/27/202430六、彈性敏感元件（彈簧管）

敏感元件在傳感器中直接感受被測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。9/27/202431彈性敏感元件（彈簧管）

在下圖中，彈簧管將壓力轉(zhuǎn)換為角位移α9/27/202432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。9/27/202433壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)9/27/202434彈簧管放大圖

當(dāng)被測(cè)壓力p增大時(shí)，彈簧管撐直，通過(guò)齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)電位器的電刷產(chǎn)生角位移。9/27/202435被測(cè)量通過(guò)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）9/27/202436

360度圓盤形電位器右圖所示的360度圓盤形電位器的中間焊片為滑動(dòng)片，右邊焊片接地，左邊焊片接電源。

接地9/27/202437測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的作用是將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率量。

在左圖中，當(dāng)電位器的兩端加上電源后，電位器就組成分壓比電路，它的輸出量是與壓力成一定關(guān)系的電壓Uo。

9/27/202438分壓比電路的計(jì)算公式如下：

直滑電位器式傳感器的輸出電壓Uo與滑動(dòng)觸點(diǎn)C的位移量x成正比：對(duì)圓盤式電位器來(lái)說(shuō)，Uo與滑動(dòng)臂的旋轉(zhuǎn)角度成正比：9/27/202439練習(xí)題

1、有一臺(tái)測(cè)溫儀表，測(cè)量范圍為-200~+800°C，準(zhǔn)確度為0.5級(jí)?，F(xiàn)用它測(cè)量500°C的溫度，求儀表引起的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。