第1章 传感器概述教学课件PPT.ppt

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1、完整版教学课件完整版教学课件第1章 传感器概述第第1 1章章 传感器概述传感器概述2022-7-922022-7-93一、教学目标一、教学目标（1 1）了解传感器的基本特性。）了解传感器的基本特性。 （2 2）掌握传感器的概念。）掌握传感器的概念。（3 3）掌握传感器的标定和校准。）掌握传感器的标定和校准。二、教学重点和难点二、教学重点和难点1 1、重点：传感器的概念。、重点：传感器的概念。2 2、难点：传感器的标定和校准。、难点：传感器的标定和校准。三、教学学时三、教学学时 6 6学时学时1. 测量的概述测量的概述检测概述 测量：将被测量与同种性质的标准量进行测量：将被测量与同种性质的标准量

2、进行 比较，从而确定被测量相对于标准量的倍比较，从而确定被测量相对于标准量的倍数的过程。数的过程。 式中，式中， x x为被测量；为被测量；A A为测量值；为测量值；x x0 0为标准量。为标准量。0Axx 2.测量的方法测量的方法 直接测量直接测量 测量手段测量手段 间接测量间接测量 组组合测量法合测量法检测概述 静态测量静态测量被测量的变化被测量的变化特点特点 动态测量动态测量 接触测量法接触测量法测量仪表的特点测量仪表的特点 非接触测量法非接触测量法检测概述直接测量直接测量 电子卡尺电子卡尺2022-7-97检测概述间接测量间接测量 2022-7-98检测概述2022-7-99例：曹冲称

3、象例：曹冲称象检测概述接触式测量接触式测量 2022-7-910检测概述非接触式测量非接触式测量 例：雷达测速例：雷达测速2022-7-911检测概述静态测量静态测量 2022-7-912检测概述对缓慢变化的对象进行测对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。量亦属于静态测量。2022-7-913温度计温度计检测概述动态测量动态测量 地震测量地震测量振动波形振动波形2022-7-914检测概述示波器示波器检测概述 检测（检测（DetectionDetection）定义：）定义： 检测技术就是利用传感器将生产科研需检测技术就是利用传感器将生产科研需要的电量和非电量信息转化成为易于测量、要的电量和非

4、电量信息转化成为易于测量、传输、显示和处理的电信号的过程。传输、显示和处理的电信号的过程。检测概述传感器技术是新技术革命和信息社会的重传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，也要技术基础，是现代科技的开路先锋，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人当集成电路、计算机技术飞速发展

5、时，人们才逐步认识信息摄取装置们才逐步认识信息摄取装置传感器没传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、大脑发达、五官不灵五官不灵”。传感器处于研究对象与测控系统的接口位传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口。一置，是感知、获取与检测信息的窗口。一切科学实验和生产过程，特别是在自动检切科学实验和生产过程，特别是在自动检测和自动控制系统中获取的信息，都要通测和自动控制系统中获取的信息，都要通过传感器转换为易于传输与处理的电信号。过传感器转换为易于传输与处理的电信号。1.1 自动控制系统与传感器自动控制系统与传感器1.2 传感器的概念传感

6、器的概念1.2.1 传感器的定义和组成传感器的定义和组成 传感器是指能感受规定的被测量并按一定规传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的元件或装置。律转换成可用输出信号的元件或装置。 传感器：传感器：非电量非电量 电量电量2022-7-920图图1-3 1-3 传感器组成框图传感器组成框图敏感元件敏感元件在传感器中用于感受被测量，转化后的在传感器中用于感受被测量，转化后的非电量反映被测量所有的信息；非电量反映被测量所有的信息；被测量通过敏感元件转换后，再由被测量通过敏感元件转换后，再由转换元件转换元件转换转换成电量；成电量；测量转换电路测量转换电路的作用是将转换元件输出的电

7、量转的作用是将转换元件输出的电量转换成易于处理的电压、电流或频率量。换成易于处理的电压、电流或频率量。 1.2.2 传感器的分类传感器的分类 传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有：类方法有： ）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。 2）按工作原理分类：可分为电阻、电容、电感、热电）按工作原理分类：可分为电阻、电容、电感、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。偶、超声波、激光、红外、光导纤

8、维等传感器。 本教材采用第二种分类法本教材采用第二种分类法 2022-7-9223)3)按能量的传递方式分按能量的传递方式分: :传感器按能量的传递方式可分为传感器按能量的传递方式可分为有源传感器和无源传感器。有源传感器和无源传感器。无源传感器无源传感器无源传感器不进行能量的转换，被测非电量仅对传感器无源传感器不进行能量的转换，被测非电量仅对传感器中的能量起着控制或调节的作用，所以它必须具有辅助中的能量起着控制或调节的作用，所以它必须具有辅助能源能源(电源电源)，如电阻传感器、电容传感器和电感式传感，如电阻传感器、电容传感器和电感式传感器等器等有源传感器有源传感器有源传感器可视为一台微型发电机

9、，能将非电量转换为有源传感器可视为一台微型发电机，能将非电量转换为电量，它所配用的测量转换电路通常是信号放大器。所电量，它所配用的测量转换电路通常是信号放大器。所以有源传感器是一种能量变换器，如压电式传感器、热以有源传感器是一种能量变换器，如压电式传感器、热电式传感器电式传感器(热电偶热电偶)、电磁式传感器和电动式传感器等。、电磁式传感器和电动式传感器等。4) 按输出信号的性质分按输出信号的性质分传感器按输出信号的性质可分为模拟传感器与数字传传感器按输出信号的性质可分为模拟传感器与数字传感器。模拟传感器要通过感器。模拟传感器要通过AD转换器才能用计算机进转换器才能用计算机进行信号分析、加工与处

10、理。数字传感器则可直接送到行信号分析、加工与处理。数字传感器则可直接送到计算机进行处理。计算机进行处理。传感器一般以这样的形式命名：传感器一般以这样的形式命名： 传感器传感器被测量被测量转换原理转换原理序号序号（1 1）主称）主称传感器代号传感器代号C C；（2 2）被测量）被测量用一个或两个汉语拼音的第一个大写字用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记；母标记；（3 3）转换原理）转换原理用一个或两个汉语拼音的第一个大用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记；写字母标记；（4 4）序号）序号用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品

11、系列等。来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。1.2.3 传感器代号传感器代号 1.3 传感器的基本特性传感器的基本特性 传感器的特性一般指输入、输出特性。传感器的特性一般指输入、输出特性。2022-7-926 传感器的基本特性可用传感器的基本特性可用静态特性静态特性和和动态动态特性特性来描述。来描述。1.3.1 静态特性静态特性传感器的静态特性是指当被测量的值处于稳传感器的静态特性是指当被测量的值处于稳定状态时输入量与输出量的关系。只有传感定状态时输入量与输出量的关系。只有传感器处于稳定状态时，输入量与输出量之间的器处于稳定状态时，输入量与输出量之间的关系式中才不含有时间变量。衡量静态特

12、性关系式中才不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标包括线性度、灵敏度、迟滞、重的重要指标包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、漂移和可靠性等。复性、分辨力、稳定性、漂移和可靠性等。1.线性度线性度线性度是指传感器输入量与输出量之间的静态线性度是指传感器输入量与输出量之间的静态特性曲线偏离直线的程度，其又称为非线性误特性曲线偏离直线的程度，其又称为非线性误差。差。在实际使用中，大多数传感器的静态特性曲线在实际使用中，大多数传感器的静态特性曲线是非线性的。可用一条直线是非线性的。可用一条直线(切线或割线切线或割线)近似近似地代表实际曲线的一段，使输入输出特性线性地代表实际曲线的一段，使

13、输入输出特性线性化，这条直线称为拟合直线。化，这条直线称为拟合直线。图图1-4 1-4 几种拟合直线几种拟合直线2022-7-930 线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。非线性偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。非线性误差越小越好误差越小越好 。线性度的计算公式如下：。线性度的计算公式如下：（11）%100FSmaxLYLL Lmaxmax为最大非线性绝对误差；为最大非线性绝对误差；Y YFSFS为满量程输为满量程输出值。出

14、值。表征传感器对输入量变化的反应能力。表征传感器对输入量变化的反应能力。 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用输入变化值之比，用K 来表示：来表示： 2022-7-931（1 12 2）式中，式中， y y为输出量的增量；为输出量的增量； x x为引起输出量为引起输出量增量的输入量的增量。增量的输入量的增量。xyk2. 灵敏度灵敏度2022-7-932图图1-5 1-5 非线性传感器的输入非线性传感器的输入- -输出特性输出特性3. 迟滞迟滞迟滞是指传感器在输入量由小到大迟滞是指传感器在输入量由小到大(正行程正行程)及输入量及输入量由大到小

15、由大到小(反行程反行程)变化期间其输入变化期间其输入输出特性曲线不输出特性曲线不重合的程度，对于同一大小的输入量，传感器正反行重合的程度，对于同一大小的输入量，传感器正反行程的输出量的大小不等。程的输出量的大小不等。 图图1-6 1-6 传感器的迟滞特性传感器的迟滞特性迟滞误差是指对应同一输入量的正反行程输出值间的迟滞误差是指对应同一输入量的正反行程输出值间的最大差值与满量程输出值的百分比，通常用最大差值与满量程输出值的百分比，通常用H表示，表示，即即 （1-3）式中，式中，Hmax为正反行程输出值间的最大差值。为正反行程输出值间的最大差值。主要原因是传感器中敏感元件材料的物理性质和机械主要原

16、因是传感器中敏感元件材料的物理性质和机械零部件有缺陷。零部件有缺陷。maxHFS100%HY 4.重复性重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程多次重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时，所得输入测试时，所得输入输出特性曲线不一致的程度。多输出特性曲线不一致的程度。多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差越小。复性越好，误差越小。图图1-7 1-7 传感器的重复性传感器的重复性重复性误差是指各测量值正反行程标准偏差重复性误差是指各测量值正反行程标准偏差的两倍或三倍与满量程输出值的百分比，通的两倍或三倍与满

17、量程输出值的百分比，通常用常用R 表示，即表示，即 （1-4）式中，式中， 为正反行程标准偏差。为正反行程标准偏差。RFS(2 3)100%Y 重复性误差也可用正反行程中的最大偏差重复性误差也可用正反行程中的最大偏差Rmax表示，即表示，即 （1-11）式中，式中，Rmax为正反行程中的最大偏差。为正反行程中的最大偏差。%10021FSmaxRYR指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他

18、附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。就是它的分辨力。2022-7-9385. .分辨力分辨力6. 稳定性稳定性稳定性是指传感器在一个较长的时间内保持稳定性是指传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。其性能参数的能力。稳定性一般以室温条件下经过一规定时间间隔稳定性一般以室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，这种差异称为稳定性误差。稳定差异来表示，这种差异称为稳定性误差。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差来性误差可用相对误差表示，也可用绝

19、对误差来表示。表示。7.漂移漂移漂移是指在外界的干扰下，在一定时间间隔内，漂移是指在外界的干扰下，在一定时间间隔内，传感器输出量发生与输入量无关、不需要的变传感器输出量发生与输入量无关、不需要的变化。它包括零点漂移和灵敏度漂移化。它包括零点漂移和灵敏度漂移2022-7-940仪器自身参数的变化仪器自身参数的变化周围环境对输出的影响周围环境对输出的影响产生漂移的主要原因产生漂移的主要原因2022-7-941l漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。 图图1-8 1-8 传感器的漂移传感器的漂移零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂

20、移。度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点漂移或灵时间漂移是指在规定的条件下，零点漂移或灵敏度漂移随时间的缓慢变化。敏度漂移随时间的缓慢变化。温度漂移是指当环境温度变化时，引起的零点温度漂移是指当环境温度变化时，引起的零点漂移或灵敏度漂移。漂移或灵敏度漂移。2022-7-943 8. 可靠性可靠性 可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。完成规定功能的能力。 （1 1）时间性。）时间性。（2 2）统计性。）统计性。（3 3）可比性。）可比性。衡量其可靠性的指标有：衡量其可靠性的指标有：平均无故障时间。平均无故障时间是指传感器

21、或检测系统在正常的工作条件下，连续不间断地工作，直到发生故障，而丧失正常工作能力所用的时间。平均修复时间。平均修复时间是指排除故障所花费的时间。故障率。故障率也称为失效率，它是平均无故障时间的倒数。1.3.2.动态特性动态特性传感器的动态特性就是其对于随时间变化的输传感器的动态特性就是其对于随时间变化的输入信号的响应特性，通常要求传感器不仅能精入信号的响应特性，通常要求传感器不仅能精确地显示被测量的大小，还能显示被测量随时确地显示被测量的大小，还能显示被测量随时间变化的规律，这也是传感器的重要特性之一。间变化的规律，这也是传感器的重要特性之一。为了便于比较、评价动态指标，最常用的输为了便于比较

22、、评价动态指标，最常用的输入信号为阶跃信号和正弦信号，与其对应的入信号为阶跃信号和正弦信号，与其对应的方法为阶跃响应法和频率响应法。方法为阶跃响应法和频率响应法。1.阶跃响应法阶跃响应法研究传感器的动态特性时，在时域中对传感器的响研究传感器的动态特性时，在时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析的方法称为时域分析法，这应和过渡过程进行分析的方法称为时域分析法，这时传感器对所加激励信号的响应称为阶跃响应。时传感器对所加激励信号的响应称为阶跃响应。图1-9 阶跃响应特性曲线衡量传感器阶跃响应特性的几项指标如下：衡量传感器阶跃响应特性的几项指标如下：（1）最大超调量）最大超调量 就是阶跃响应特性曲线偏

23、离稳态就是阶跃响应特性曲线偏离稳态值的最大值。常用百分数表示。值的最大值。常用百分数表示。（2）延滞时间）延滞时间 是指阶跃响应特性曲线达到稳态值是指阶跃响应特性曲线达到稳态值的的50所需的时间。所需的时间。（3）上升时间）上升时间 是指阶跃响应特性曲线从稳态值的是指阶跃响应特性曲线从稳态值的10上升到上升到90所需的时间。所需的时间。（4 4）峰值时间）峰值时间 是指阶跃响应特性曲线从稳态值的是指阶跃响应特性曲线从稳态值的零上升到第一个峰值所需的时间。零上升到第一个峰值所需的时间。（5 5）响应时间）响应时间 是指阶跃响应特性曲线到达与稳态是指阶跃响应特性曲线到达与稳态值之差不超过值之差不超

24、过 （5%2%5%2%）所需要的时间。）所需要的时间。（6 6）稳态误差）稳态误差 是指期望的稳态输出量与实际的稳是指期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差，控制系统的稳态误差越小说明控制态输出量之差，控制系统的稳态误差越小说明控制精度越高。精度越高。2.2.频率响应法频率响应法频率响应法是指从传感器的频率特性出发研究传感频率响应法是指从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。器的动态特性。大部分传感器可简化为单自由度一阶系统或单自大部分传感器可简化为单自由度一阶系统或单自由度二阶系统，即由度二阶系统，即1(j )(j ) 1H（1-61-6）式中，式中，为时间函数。为时间函数。式中，式中，

25、 n为传感器的固有频率。为传感器的固有频率。2nn1(j )1 ()2jH（1-71-7）衡量传感器频率响应特性的几项指标如下：衡量传感器频率响应特性的几项指标如下：（1）频带。传感器的增益保持在一定频率范围）频带。传感器的增益保持在一定频率范围内，这一频率范围称为传感器的频带或通频带，内，这一频率范围称为传感器的频带或通频带，对应有上截止频率和下截止频率。对应有上截止频率和下截止频率。（2）时间常数。可用时间常数）时间常数。可用时间常数来表征传感器单来表征传感器单自由度一阶系统的动态特性。时间常数自由度一阶系统的动态特性。时间常数越小，越小，频带越宽。频带越宽。（3）固有频率。传感器单自由度

26、二阶系统的固）固有频率。传感器单自由度二阶系统的固有频率有频率n可用来表征其动态特性。可用来表征其动态特性。1.4 传感器的标定和校准传感器的标定和校准 任何新研制和生产的传感器在生产完成后任何新研制和生产的传感器在生产完成后都需要进行一系列的测试，确定其时间性能。都需要进行一系列的测试，确定其时间性能。经过一段时间的存储或使用后，传感器的特经过一段时间的存储或使用后，传感器的特性会有所变化，因此也需要进行性能的复测。性会有所变化，因此也需要进行性能的复测。这个过程就是传感器的标定和校准。这个过程就是传感器的标定和校准。1.4.1 传感器的标定传感器的标定利用某种标准器具对新研制、新生产的传感

27、器进行利用某种标准器具对新研制、新生产的传感器进行全面的技术检定和标度，称为标定。全面的技术检定和标度，称为标定。标定的基本方法是：利用标准仪器产生已知确定的标定的基本方法是：利用标准仪器产生已知确定的非电量并且输入到待标定的传感器中，然后将传感非电量并且输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入的标准量一一作比较，获得一系器的输出量与输入的标准量一一作比较，获得一系列校准数据或者曲线，所示的数据就是标定的数据。列校准数据或者曲线，所示的数据就是标定的数据。有时输入的标准量是利用一个标准传感器检测得到有时输入的标准量是利用一个标准传感器检测得到的，这时标定实质上就是待标定传感器与标准传感的，这时标定实质上就是待标定传感器与标准传感器之间的比较。器之间的比较。1.4.2 传感器的校准传感器的校准对传感器在使用中或者储存后进行的性能复测，对传感器在使用中或者储存后进行的性能复测，称为校准。传感器的校准与标定的实质相同。称为校准。传感器的校准与标定的实质相同。休休 息息 一一 下下2022-7-955