傳感器的一些基本概念與常識

傳感器的一些基本概念與常識

2021/6/271目錄：

1、什么是傳感器

2、傳感器的定義和組成

3、傳感器分類

4、傳感器的一般特性

5、傳感器的基體材料

6、傳感器的表面粗糙度

7、傳感器的表面處理2021/6/2721、什么是傳感器傳感器是獲取信息的工具。

傳感器（Transducer或Sensor），俗稱探頭，有時亦被稱為換能器、變換器、變送器或探測器。2021/6/273傳感器定義：傳感器是將各種非電量（包括物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量（一般為電量）的裝置。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是：

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,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。2、傳感器定義和組成

2021/6/274表面應(yīng)變計滲壓計磁通量傳感器鋼筋計錨索計土壓力盒2021/6/275熱電偶熱敏電阻光敏電阻光敏三極管壓電加速度傳感器2021/6/276

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理電路和輔助電路組成。

并不是所有的傳感器都必須包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時兼為轉(zhuǎn)換元件，因此，敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩者合一的傳感器是很多的。例如：壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等都是這種形式的傳感器。

組成：敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號調(diào)理電路輔助電路被測量非電量其他量非電量電量電信號標(biāo)準(zhǔn)信號電量2021/6/2771.敏感元件（預(yù)變換器）：是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量（非電量）并輸出與之成確定關(guān)系的其他量（非電量）的部分。（在完成非電量到電量的變換時，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接變換為電量，往往是將被測非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量，然后再變換為電量。能夠完成預(yù)變換的器件稱為敏感元件）。2.轉(zhuǎn)換元件：是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)到的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的可用輸出信號（一般為電信號）的部分。3.信號調(diào)理電路：是能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。

類型視轉(zhuǎn)換元件的分類而定，經(jīng)常采用的有電橋電路、放大器、振蕩器、阻抗變換、補(bǔ)償及其它特殊電路，如高阻抗輸入電路、脈沖調(diào)寬電路等。4.輔助電路：通常指電源，即交、直流供電系統(tǒng)。2021/6/2783、傳感器分類

2021/6/2792021/6/2710

一種傳感器就是一種系統(tǒng)，一個系統(tǒng)總可以用一個數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)來描述。即用某種方程式或函數(shù)表征傳感器的輸出和輸入間的關(guān)系和特性。從傳感器的靜態(tài)輸入－輸出關(guān)系建立的數(shù)學(xué)模型叫靜態(tài)模型；從傳感器的動態(tài)輸入－輸出關(guān)系建立的數(shù)學(xué)模型叫動態(tài)模型。

傳感器所測量的非電量一般有兩種形式：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)特性和動態(tài)特性，才能使信號(或能量)按規(guī)律準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換。

●

靜態(tài)模型

●動態(tài)模型

●靜態(tài)特性●動態(tài)特性

4、傳感器的一般特性2021/6/27111.線性度（非線性誤差）2.靈敏度3.重復(fù)性4.遲滯（回差滯環(huán)）現(xiàn)象5.精確度（精度）6.分辨率7.穩(wěn)定性8.漂移傳感器的靜態(tài)特性主要由下列幾種性能指標(biāo)來描述:

2021/6/2712線性度（非線性誤差）

所謂傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。又稱為非線性誤差。

非線性誤差可用下式表示：

式中ΔYmax

——

輸出量和輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差；

YFS

——

輸出滿量程值。

2021/6/2713L1L2L0L1L2L02021/6/2714

傳感器的靈敏度是其在穩(wěn)態(tài)下輸出增量Δy與輸入增量Δx比值，常用Sn來表示。即

對于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖(a)所示。即

非線性傳感器的靈敏度是一個變量，如圖(b)所示，即用dy/dx表示傳感器在某一工作點的靈敏度。

靈敏度

2021/6/2715L1L2L0L1L2L02021/6/2716靈敏度的解釋

由圖可知靈敏度k是特性曲線上某點的切線斜率。如果特性曲線是直線，則k為常數(shù)；如果特性曲線是非線性的，則k是變化的。2021/6/2717

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。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)性一般采用下式的極限誤差式表示：式中Δmax——輸出最大不重復(fù)誤差；

YFS

——滿量程輸出值。

不重復(fù)性誤差一般屬于隨機(jī)誤差性質(zhì)，按極限誤差公式計算不太合理。不重復(fù)性誤差可以通過校準(zhǔn)測得。根據(jù)隨機(jī)誤差的性質(zhì)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的離散程度隨校準(zhǔn)次數(shù)不同而不同，其最大偏差值也不一樣。因此，重復(fù)性誤差Ez可按下式計算：

式中為標(biāo)準(zhǔn)偏差，可用貝賽爾公式求得。

重復(fù)性

2021/6/2718遲滯(回差滯環(huán))現(xiàn)象

遲滯特性能表明傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輔出-輸入特性曲線不重合的程度。

對于同一大小的輸入信號x

，在x連續(xù)增大的行程中，對應(yīng)某一輸出量為yi，在x連續(xù)減小過程中，對應(yīng)于輸出量為yd

之間的差值叫做滯環(huán)誤差，這就是所謂的遲滯現(xiàn)象。該誤差用E表示為

在整個測量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差用Δm表示，它與滿量程輸出值YFS的比值稱為最大滯環(huán)率Emax，即

2021/6/2719精確度（精度）

說明精確度的指標(biāo)有三個：精密度、正確度和精確度。1.精密度它說明測量結(jié)果的分散性。即對某一穩(wěn)定的對象（被測量）由同一測量者用同一傳感器和測量儀表在相當(dāng)短的時間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測量多次（等精度測量），其測量結(jié)果的分散程度。精密度越小說明測量越精密（對應(yīng)隨機(jī)誤差）。2.正確度

正確度說明測量結(jié)果偏離真值的程度，即示值有規(guī)則偏離真值的程度。指所測值與真值的符合程度（對應(yīng)系統(tǒng)誤差）。3.精確度它含有精密度與正確度兩者之和的意思，即測量的綜合優(yōu)良程度。在最簡單的場合下可取兩者的代數(shù)和。通常精確度是以測量誤差的相對值來表示的。

2021/6/2720（c）多次測量的結(jié)果大多準(zhǔn)確，并且一致性好——有準(zhǔn)確度，也有精密度——有精確度。精密度、準(zhǔn)確度、精確度的關(guān)系（a）多次測量的結(jié)果比較一致，但是誤差較大——有精密度，無準(zhǔn)確度。（b）多次測量的結(jié)果大多準(zhǔn)確，但是一致性差——有準(zhǔn)確度，無精密度。2021/6/2721測量值xab測量值x真值A(chǔ)誤差Δx誤差Δx

a與b兩個測量，其誤差雖然相同，但被測量的長度不同，顯然a的測量結(jié)果更準(zhǔn)確！對物體a與b兩個測量結(jié)果哪個更準(zhǔn)確？2021/6/2722分辨率

傳感器的分辨率是在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測輸入量的最小變化量Δxmin。有時也用該值相對滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)()表示。穩(wěn)定性

穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。對于傳感器常用長期穩(wěn)定性描述其穩(wěn)定性。所謂傳感器的穩(wěn)定性是指在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異。因此，通常又用其不穩(wěn)定度來表征傳感器輸出的穩(wěn)定程度。

2021/6/2723分辨力與分辨率分辨力：平均分辨率為：最大分辨率為：（滿量程）（滿量程）n個臺階(有量綱）(無量綱）2021/6/2724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（零漂）和靈敏度漂移等。零點漂移：傳感器在無輸入（或輸入值不變時），每隔一段時間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值）。

零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移（溫漂）。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)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的漂移程度。一般以溫度變化1℃輸出最大偏差與滿量程的百分比來表示。Δmax

——

輸出最大偏差；ΔT

——

溫度變化范圍式中ΔYo——最大零點偏差（或相應(yīng)偏差）2021/6/27255、傳感器的基體材料45號鋼304不銹鋼(0Cr18Ni9)316L不銹鋼(00Cr17Ni14Mo2)202、204不銹鋼(鉻-鎳-錳奧氏體不銹鋼)2021/6/2726基體材料45號鋼---軸力計、錨索計、鋼筋計、土壓力盒304不銹鋼(0Cr18Ni9)316L不銹鋼(00Cr17Ni14Mo2)202、204不銹鋼(鉻-鎳-錳奧氏體不銹鋼)內(nèi)埋式表面式應(yīng)變計、滲壓計、夾弦器2021/6/27276、傳感器的表面粗糙度

零件在加工過程中，受刀具的形狀和刀具與工件之間的摩擦、機(jī)床的震動及零件金屬表面的塑性變形等因素，表面不可能絕對光滑，零件表面總會存在著由較小間距和峰谷組成的微量高低不平的痕跡。表述這些峰谷的高低程度和間距狀況的微觀幾何形狀的特性，稱為表面粗糙度。表面粗糙度是評定零件表面質(zhì)量的一項重要的指標(biāo)，降低零件表面粗糙度可以提高其表面耐蝕、耐磨和抗疲勞等能力，但其加工成本也相應(yīng)提高。2021/6/2728(一)、表面粗糙度輪廓的界定完工零件實際表面輪廓圖

表面輪廓表面輪廓：平面與表面相交所得的輪廓線，稱為表面輪廓。2021/6/2729(二)、表面粗糙度的評定2021/6/2730表面粗糙度的測量原則1、一般沿加工紋理方向測量表面粗糙度2、表面缺陷（劃痕、氣孔、沙眼等）另行考慮3、多個部位測量平均2021/6/27312021/6/2732(三)、表面粗糙度輪廓對零件工作性能的影響1．耐磨性2．配合性質(zhì)穩(wěn)定性3．耐疲勞性4．抗腐蝕性2021/6/27332021/6/27347、傳感器的表面處理----電鍍2021/6/27352021/6/2736電鍍方法防腐性能耐磨性能環(huán)保鍍層厚度成本示樣鍍鉻NSS-16-24h很好一般0.3μm以上(Cr)高土壓力盒鍍鎳NSS--24h好一般20-d高錨索計的電纜固定頭