第2章 传感器概述.ppt

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1、第第2章章 传感器概述传感器概述2.1 传感器的组成和分类传感器的组成和分类2.2 传感器的基本特性传感器的基本特性 返回主目录传感器的传感器的标定标定2.1传感器的组成和分类传感器的组成和分类 传传感感器器是是能能感感受受规规定定的的被被测测量量并并按按照照一一定定的的规规律律将将其其转转换成可用输出信号的器件或装置。换成可用输出信号的器件或装置。传感器的输出信号通常是传感器的输出信号通常是电量电量,它便于传输、它便于传输、转转换、换、处理、处理、显示等。显示等。电量有很多形式电量有很多形式,如电压、电流、如电压、电流、电容、电阻等电容、电阻等,输出信号的形式由传感器的原理确定。输出信号的形

2、式由传感器的原理确定。通通常常传传感感器器由由敏敏感感元元件件和和转转换换元元件件组组成成。其其中中,敏敏感感元元件件是是指指传传感感器器中中能能直直接接感感受受或或响响应应被被测测量量的的部部分分;转转换换元元件件是是指指传传感感器器中中将将敏敏感感元元件件感感受受或或响响应应的的被被测测量量转转换换成成适适于于传传输输或或测测量的电信号部分。量的电信号部分。由由于于传传感感器器的的输输出出信信号号一一般般都都很很微微弱弱,因因此此需需要要有有信信号号调调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。理与转换电路对其进行放大、运算调制等。一、传感器的组成一、传感器的组成图图2-1传感器组成框图传感器

3、组成框图 目目前前一一般般采采用用两两种种分分类类方方法法:一一是是按按被被测测参参数数分分类类,如如温温度度、压压力力、位位移移、速速度度等等;二二是是按按传传感感器器的的工工作作原原理理分分类类,如如应变式、电容式、压电式、应变式、电容式、压电式、磁电式等。磁电式等。二、传感器的分类二、传感器的分类有源传感器和无源传有源传感器和无源传感器感器 2.2传感器的基本特性（输入传感器的基本特性（输入-输出特性）输出特性）传传感感器器的的输输出出-输输入入特特性性是是与与其其内内部部结结构构参参数数有有关关的的外外部部特性。传感器的基本特性可用特性。传感器的基本特性可用静态特性静态特性和和动态特性

4、动态特性来描述。来描述。快变快变 信号考虑输出的动态特性即随时间变化的特性；信号考虑输出的动态特性即随时间变化的特性；慢变慢变 信号研究静态特性，即不随时间变化的特性信号研究静态特性，即不随时间变化的特性 一、一、传感器的静态特性传感器的静态特性 传传感感器器的的静静态态特特性性是是指指被被测测量量的的值值处处于于稳稳定定状状态态时时的的输输出出输输入入关关系系。只只考考虑虑传传感感器器的的静静态态特特性性时时,输输入入量量与与输输出出量量之之间间的的关关系系式式中中不不含含有有时时间间变变量量。衡衡量量静静态态特特性性的的重重要要指指标标是是线线性性度、度、灵敏度、灵敏度、迟滞、重复性迟滞、

5、重复性等。等。电表四位半、电表四位半、四位，电阻四位，电阻103，电容，电容103的含的含义义 1.线性度线性度 传传感感器器的的线线性性度度是是指指传传感感器器的的输输出出与与输输入入之之间间数数量量关关系系的的线线性性程程度度。输输出出与与输输入入关关系系可可分分为为线线性性特特性性和和非非线线性性特特性性。从从传传感感器器的的性性能能看看,希希望望具具有有线线性性关关系系,即即具具有有理理想想的的输输出出输输入入关关系系。但但实实际际遇遇到到的的传传感感器器大大多多为为非非线线性性,如如果果不不考考虑虑迟迟滞滞和漂移等因素和漂移等因素,传感器的输出与输入关系传感器的输出与输入关系可用一个

6、多项式表示：可用一个多项式表示：式中式中:a0输入量输入量x为零时的输出量为零时的输出量;a1,a2,an非线性项系数。非线性项系数。各项系数不同各项系数不同,决定了特性曲线的具体形式各不相同。决定了特性曲线的具体形式各不相同。对对于于非非线线性性，可可以以采采用用非非线线性性补补偿偿电电路路或或计计算算机机软软件件进进行行线线性性化化处处理理,从从而而使使传传感感器器的的输输出出与与输输入入关关系系为为线线性性或或接接近近线线性性。实实际际特特性性曲曲线线与与拟拟合合直直线线之之间间的的偏偏差差称称为为传传感感器器的的非非线线性误差（或线性度）性误差（或线性度）,通常用相对误差通常用相对误差

7、L表示表示,即即 式中式中:Lmax最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差;YFS满量程输出。满量程输出。通常采用通常采用最小二乘最小二乘法拟合法拟合图图2-2#几种直线拟合方法几种直线拟合方法(a)理论拟合；理论拟合；(b)过零旋转拟合；过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；端点连线拟合；(d)端点平移拟端点平移拟合合2 灵敏度灵敏度 灵灵敏敏度度S是是指指传传感感器器的的输输出出量量增增量量y 与与引引起起输输出出量增量量增量y的输入量增量的输入量增量x的比值的比值,即即S=y/x 对于线性传感器对于线性传感器,它的灵敏度就是它的静态特性的它的灵敏度就是它的静态特性的斜率斜率,即即S=y/x为常

8、数为常数,而非线性传感器的灵敏度为而非线性传感器的灵敏度为一变量一变量,用用S=dy/dx表示。表示。3.迟滞迟滞 传传感感器器在在输输入入量量由由小小到到（正正行行程程）及及输输入入量量由由大大到到小小（反反）行行程程）期期间间其其输输出出-输输入入特特性性曲曲线线不不重重合合的的现现象象称称为为迟迟滞滞,如如图图 2-4 所所示示。也也就就是是说说,对对于于同同一一大大小小的的输输入入信信号号,传传感感器器的的正正反行程输出信号大小不相等。迟滞大小通常由实验确定。反行程输出信号大小不相等。迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差迟滞误差H可由下式计算可由下式计算:4.重复性重复性 重重复复性性是是

9、指指传传感感器器在在输输入入量量按按同同一一方方向向作作全全量量程程连连续续多多次次变变化化时时,所所得得特特性性曲曲线线不不一一致致的的程程度度。重重复复性性误误差差属属于于随随机机误误差差,常常用用标标准准偏偏差差表表示示,也也可可用用正正反反行行程程中中的的最最大大偏偏差差表表示示,即即 5、漂移、漂移 传感器漂移指的是在输入量不变的情况下，传感器输传感器漂移指的是在输入量不变的情况下，传感器输出量随时间的变化。出量随时间的变化。常见的有温度漂移，表现为温度零点常见的有温度漂移，表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。漂移和温度灵敏度漂移。其他特性：其他特性：稳定性、分稳定性、分辨率、阀值辨

10、率、阀值 二、二、传感器的动态特性传感器的动态特性 传传感感器器的的动动态态特特性性是是指指其其输输出出对对随随时时间间变变化化的的输输入入量量的的响响应应特特性性。一一个个动动态态特特性性好好的的传传感感器器,其其输输出出将将再再现现输输入入量量的的变变化化规规律律,即即具具有有相相同同的的时时间间函函数数。实实际际上上输输出出信信号号将将不不会会与与输输入入信信号号具具有有相相同同的的时时间间函函数数,这这种种输输出出与与输输入入间间的的差差异异就就是是所所谓谓的的动动态态误差。误差。影影响响动动态态特特性性的的“固固有有因因素素”任任何何传传感感器器都都有有,只只不不过过它它们们的的表表

11、现现形形式式和和作作用用程程度度不不同同而而已已。动动态态特特性性除除了了与与传传感感器器的的固固有有因因素素有有关关之之外外,还还与与传传感感器器输输入入量量的的变变化化形形式式有有关关。也也就就是是说说,我我们们在在研研究究传传感感器器动动特特性性时时,通通常常是是根根据据不不同同输输入入变变化化规规律来考察传感器的响应的。律来考察传感器的响应的。虽虽然然传传感感器器的的种种类类和和形形式式很很多多,但但它它们们一一般般可可以以简简化化为为一一阶阶或或二二阶阶系系统统（高高阶阶可可以以分分解解成成若若干干个个低低阶阶环环节节）,因因此此一阶和二阶传感器是最基本的。一阶和二阶传感器是最基本的

12、。零阶系统零阶系统一阶系统一阶系统二阶系统二阶系统例：动态测温例：动态测温例：动态测温例：动态测温 设环境温度为设环境温度为设环境温度为设环境温度为T T T T0 0,水槽中水的温度为水槽中水的温度为水槽中水的温度为水槽中水的温度为T,T,T,T,而且而且而且而且 T T T T T T T T0 0 传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中；用热电偶测温用热电偶测温用热电偶测温用热电偶测温,理想情况测试曲线理想情况测试曲线理想情况测试曲线理想情况测试曲线T T T T是阶跃变化的；是阶跃变化的；是阶跃变化的；是阶跃变化的；实际热

13、电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程水温水温T热电偶热电偶环境温度To To T T ToTo补充内容（电路分析）补充内容（电路分析）EE复阻抗复阻抗 复频域变换复频域变换传感器的传递函数传感器的传递函数传感器的传递函数传感器的传递函数：1.瞬态响应特性瞬态响应特性 1)一一阶阶传传感感器器的的单单位位阶阶跃跃响响应应 在在工工程程上上,一一般般将将下下式式:一阶传感器的传递函数：一阶传感器的传递函数：对初始状态为零的传感器对初始状态为零的传感器,当输入一个单位

14、阶跃信号当输入一个单位阶跃信号 0 t0 1 t0 x(t)=由于由于x(t)=1(t),x(s)=,传感器输出的拉氏变换为传感器输出的拉氏变换为Y(s)=H(s)X(s)=一阶传感器的单位阶跃响应信号为一阶传感器的单位阶跃响应信号为由图可见：由图可见：1）传传感感器器存存在在惯惯性性,它它的的输输出出不不能能立立即即复复现现输输入入信信号号,而而是是从从零零开开始始,按按指指数数规规律律上上升升,最最终终达达到到稳态值稳态值2）理理论论上上只只有有时时间间达达到到无无穷穷才才能能达达到到稳稳定定，但但当当t=4时时其其输输出出达达到到稳稳态态值值的的98.2%,可可以以认认为为已已达到稳态达

15、到稳态。3）越越小小,响响应应曲曲线线越越接接近近于于输输入入阶阶跃跃曲曲线线,因因此此,值是一阶传感器重要的性能参数。值是一阶传感器重要的性能参数。频率响应：频率响应：幅频特性、幅频特性、相频特性相频特性 将将一一阶阶传传感感器器的的传传递递函函数数中中的的s用用j代代替替后后,即即可可得得频频率率特性表达式特性表达式,即即相频特性相频特性 ()=-arctan()幅频特性幅频特性假设输入信号为正弦信号：假设输入信号为正弦信号：讨论：讨论：讨论：讨论：一阶系统在时间常数一阶系统在时间常数 1 1才近似零阶系统特性，才近似零阶系统特性，A A（）k,k,（）0;0;输出输出y(t)y(t)反映

16、输入反映输入x(t);x(t);当当=1 =1 时，传感器灵敏度下降了时，传感器灵敏度下降了3 3dBdB，如果灵如果灵 敏度下降到敏度下降到3 3dbdb时的频率为工作频率上限，则：上限时的频率为工作频率上限，则：上限 频率为频率为W WH H=1/=1/，所以时间常数所以时间常数越小，越小，W WH H越高工作越高工作 频率越宽，响应越好；频率越宽，响应越好；另外，另外，1 1,为为过过阻阻尼尼,无无超超调调也也无无振振荡荡,但但达达到到稳稳态态所所需需时时间间较较长长。1,为为欠欠阻阻尼尼,衰衰减减振振荡荡,达达到到稳稳态态值值所所需需时时间间随随的的减减小小而而加加长长。=1 时时响响

17、应应时时间间最最短短。但但实实际际使使用用中中常常按按稍稍欠欠阻阻尼尼调调整整,取取 0.70.8 为为最最好。好。2)二阶传感器的频率响应二阶传感器的频率响应 二阶传感器的频率特性表达式、幅频特性、相频特性分二阶传感器的频率特性表达式、幅频特性、相频特性分别为别为 幅幅频特性频特性相相频频特性特性传传感感器器的的频频率率响响应应特特性性的的好好坏坏主主要要取取决决于于传传感感器器的的固固有有频频率率n和阻尼比和阻尼比。当当时时,A（）1,（）很很小小,此此时时,传传感感器器的的输输出出y(t)再再现现了了输输入入x(t)的的波波形形。通通常常固固有有频频率率n至至少少应应大大于于被测信号频率

18、被测信号频率的的 35 倍倍,即即n（35）。为为了了减减小小动动态态误误差差和和扩扩大大频频率率响响应应范范围围,一一般般是是提提高高传传感感器器固有频率固有频率n。3)频率响应特性指标频率响应特性指标 (1)频频带带传传感感器器增增益益保保持持在在一一定定值值内内的的频频率率范范围围为为传传感感器频带或通频带器频带或通频带,对应有上、下截止频率。对应有上、下截止频率。(2)时时间间常常数数用用时时间间常常数数来来表表征征一一阶阶传传感感器器的的动动态态特特性。性。越小越小,频带越宽。频带越宽。(3)固固有有频频率率n 二二阶阶传传感感器器的的固固有有频频率率n表表征征了了其其动动态特性。态

19、特性。所谓可靠性，就是指产品在规定条件下、规定时间内，所谓可靠性，就是指产品在规定条件下、规定时间内，完成规定功能的能力。完成规定功能的能力。时间性（技术性指标）时间性（技术性指标）统计性统计性两重性两重性(科学技术与科学管理科学技术与科学管理)可比性（规定条件、规定时间、规定功能）可比性（规定条件、规定时间、规定功能）突出可用性突出可用性指标体系（耐久性、无故障性、维修性、可用性、经济性）指标体系（耐久性、无故障性、维修性、可用性、经济性）传感器可靠性技术（补充）传感器可靠性技术（补充）可靠性技术的基本特征量可靠性技术的基本特征量()1、产品的可靠性与其工作条件密切相关、产品的可靠性与其工作

20、条件密切相关2、可靠度、可靠度R(t)（R(t)=P(Tt)）3、寿命分布函数寿命分布函数(F(t)=P(T=t)4、寿命概率密度、寿命概率密度5、失效率、失效率(t)6、寿命寿命(平均寿命、可靠寿命、特征寿命平均寿命、可靠寿命、特征寿命)7、浴盆曲线和可用寿命（早期失效期、偶然失效期、损、浴盆曲线和可用寿命（早期失效期、偶然失效期、损耗失效期）耗失效期）可靠性设计程序和原则可靠性设计程序和原则可靠性管理可靠性管理可靠性实验可靠性实验 在可靠性技术工作中，人们总结出一条重要规律：在可靠性技术工作中，人们总结出一条重要规律：产品的可靠性是设计出来的、生产出来的、使用和管产品的可靠性是设计出来的、生产出来的、使用和管理出来的。理出来的。