第一章-绪论及传感器基本概念.ppt
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1、第一章 绪论及传 感 器 概 述 第二节 传感器基本特性 1.2.1 传感器的数学模型 1.2.2 传感器的静态特性 1.2.3 传感器的动态特性 1.2.4 传感器发展展望第一节 传感器基本概念 1.1.1 传感器的定义及组成 1.1.2 传感器的分类 1.1.1 传感器的定义及组成传感器的定义及组成1 1、定义:、定义:传感器是能感受传感器是能感受规定的被测量规定的被测量并按照并按照一定的规律一定的规律转换成转换成与之有与之有对应关系对应关系的的可用可用输出信号的器件或装置。输出信号的器件或装置。在有些学科领域在有些学科领域,传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这传感器又称为敏感元件、
2、检测器、转换器等。这些不同提法些不同提法,反映了在不同的技术领域中反映了在不同的技术领域中,只是根据器件用途对同一类型只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。的器件使用着不同的技术术语而已。传感器输出信号通常是传感器输出信号通常是电量电量,它便于传输、转换、处理、显示,它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式,如电压、电流、电容、电阻等,输出信号的等。电量有很多形式,如电压、电流、电容、电阻等,输出信号的形式由传感器的原理确定。形式由传感器的原理确定。2 2、组成:、组成:通常,传感器由敏感元件、转换元件及调理转换电路组成(如图所示)。敏感元件:指传感器中能直接感受或响
3、应被测量的部分;转换元件:指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。调理与转换电路:由于传感器输出信号一般都很微弱,需要有信号调理与转换电路,进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用,传感器的信号调理转换电路与敏感元件一起集成在同一芯片上,安装在传感器的壳体里。输出U砝码弹簧F+电源测力传感器例如:例如:我们要测量一个直线运动的汽车的加速度我们要测量一个直线运动的汽车的加速度(规定的被测量)。可设计一个简单的实验装置。(规定的被测量)。可设计一个简单的实验装置。敏感元件敏感元件转换元件转换元件+电子线路电子线路输出输出砝码砝码m千克千克弹簧
4、弹簧k转换转换 电路电路加速度加速度电量电量a力力mama/k位移位移vma/kL1.1.2 1.1.2 传感器的分类传感器的分类传传感感器器的的原原理理有有各各种种各各样样,它它与与许许多多学学科科有有关关,其其种种类类十十分分繁多,分类方法也很多,繁多,分类方法也很多,但目前一般采用两种分类方法:但目前一般采用两种分类方法:一种是按一种是按被测参数分类被测参数分类,如温度、压力、位移、速度等;,如温度、压力、位移、速度等;另一种是按另一种是按传感器的工作原理分类传感器的工作原理分类,如应变式、电容如应变式、电容式、压电式、磁电式等。式、压电式、磁电式等。本书是按后一种分类方法来介绍各种传感
5、器的。还可以按如下的方法分类:还可以按如下的方法分类:物理型:物理型传感器是利用某些变换元件的物理性质或某些功能材料的特殊性能制成的传感器。化学型:化学型传感器是利用电化学反应原理把有机和无机的化学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器。生物型:生物型传感器是利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。按照检测过程中对外界能源的分类按照检测过程中对外界能源的分类:有源传感器、无源传感器有源传感器、无源传感器按照输出信号的性质分类按照输出信号的性质分类:模拟式传感器、数字式传感器模拟式传感器、数字式传感器按照输入按照输入/输出信号间的动态关系分类输出信号间的动态关系分类:零阶、一阶、二阶或高阶传感器
6、零阶、一阶、二阶或高阶传感器第二节 传感器基本特性1.1.1 传感器的静态特性一、静态模型一、静态模型静态模型静态模型是指在静态信号情况下,描述传感器输出是指在静态信号情况下,描述传感器输出与输入间的一种函数关系。与输入间的一种函数关系。一般可用多项式表示:一般可用多项式表示:x输入量输入量 y输出量输出量 a0 零位输出零位输出a1 传感器的线性灵敏度传感器的线性灵敏度 a2 an 非线性项的待定系数非线性项的待定系数y=a0+a1x+a2x2+anxn静态特性曲线过原点,分为四种情况:静态特性曲线过原点,分为四种情况:(1)(1)理想线性特性;理想线性特性;(2 2)非线性项仅有奇次项;非
7、线性项仅有奇次项;(3 3)非线性项仅有偶次项;非线性项仅有偶次项;(4 4)普遍情况。普遍情况。y=a0+a1x+a2x2+anxn 二、传感器的静态特性二、传感器的静态特性传传感感器器的的静静态态特特性性可可以以用用一一组组性性能能指指标标来来描描述述,如如灵灵敏敏度度、迟滞、线性度、重复性迟滞、线性度、重复性和和漂移漂移等。等。1.灵敏度灵敏度:它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化,它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化,显然灵敏度显然灵敏度K值越大,值越大,表示传感器越灵敏。表示传感器越灵敏。灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。是传感器静态特性的一个重要指标。
8、其定义是输出量增量其定义是输出量增量y与引起输出量增量与引起输出量增量y的相应输入的相应输入量增量量增量x之比。用之比。用K表示灵敏度,即表示灵敏度,即 对于线性传感器,灵敏度就是特性曲线的对于线性传感器,灵敏度就是特性曲线的斜率斜率;而;而非线性传感器的灵敏度是变量,用非线性传感器的灵敏度是变量,用dy/dx表示某一点的灵表示某一点的灵敏度。敏度。2.2.线性度:线性度:传感器的传感器的线性度线性度是指传感器的是指传感器的输出与输入输出与输入之间数量关系的之间数量关系的线性程度线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看,
9、传感器的性能看,希望具有线性关系,希望具有线性关系,即理想输入输出关系。即理想输入输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性(但实际遇到的传感器大多为非线性(如图所示如图所示)。)。在实际使用中,为了标定和数据处理的方便,希望得到线在实际使用中,为了标定和数据处理的方便,希望得到线性关系,因此引入各种性关系,因此引入各种非线性补偿环节非线性补偿环节,如采用非线性补偿电,如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理,从而使传感器的输出与输入路或计算机软件进行线性化处理,从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。但如果传感器非线性的方次不高,关系为线性或接近线性。但如果传感器非线性的方次不高,
10、输输入量变化范围较小时,可用一条直线(切线或割线)近似地代入量变化范围较小时,可用一条直线(切线或割线)近似地代表实际曲线的一段,使传感器输入输出特性线性化,所采用的表实际曲线的一段,使传感器输入输出特性线性化,所采用的直线称为直线称为拟合直线拟合直线。传传感感器器的的线线性性度度是是指指在在全全量量程程范范围围内内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最最大大偏偏差差值值Lmax与与满满量量程程输输出出值值yFS之之比比。线线性性度度也称为也称为非线性误差非线性误差,用,用L表示,即表示,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满量程输出值。满量
11、程输出值。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)端点平移拟合端点平移拟合3.迟滞:迟滞:传感器在输入量传感器在输入量由小到大由小到大(正行程)及输入量(正行程)及输入量由大到由大到小小(反行程)变化期间其输入输出(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合特性曲线不重合的现象的现象称为称为迟滞迟滞(如图所示如图所示)。也就是说,对于同一大小的输入信号,传感器的正反也就是说,对于同一大小的输入信号,传感器的正反行程输出信号大小不相等,这个差值称为迟滞差值。行程输出信号大小不相等,这个差值称为迟滞差值。传感器在
12、全量程范围内最大的迟滞差值传感器在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量与满量程输出值程输出值yFS之比称为迟滞误差,用之比称为迟滞误差,用H表示,即表示,即迟滞特性 4.重复性:重复性:重复性是指传感器在输入量按重复性是指传感器在输入量按同一方向同一方向作全量程作全量程连续连续多次变化多次变化时,所得时,所得特性曲线不一致特性曲线不一致的程度(的程度(见图见图)。)。重复性误差属于重复性误差属于随机误差随机误差,常用标准差,常用标准差计算,也可用计算,也可用正反行程中最大重复差值正反行程中最大重复差值max计算,即计算,即重复性5.分辨力分辨力 分分辨辨力力是是指指传传感感器器在在规规定定
13、测测量量范范围围内内所所能能检检测测出出被被测测输输入入量量的的最最小小变变化化值值。有有时时对对该该值值用用相相对对满满量量程程输输入入值值之之百百分分数数表表示,则称为示,则称为分辨率分辨率。阈阈值值是是使使传传感感器器的的输输出出端端产产生生可可测测变变化化量量的的最最小小被被测测输输入入量值,即量值,即零点附近的分辨力零点附近的分辨力。6.静态误差静态误差(精度精度):静态误差是指传感器在其全量程内任一点的静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值输出值与其与其理理论输出值论输出值的偏离程度。的偏离程度。静态误差是一项静态误差是一项综合性指标综合性指标,它基本上包含了前面叙述的,它基
14、本上包含了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差等。非线性误差、迟滞误差、重复性误差等。1、动态模型、动态模型 动态模型动态模型是指在准动态信号或动态信号作用是指在准动态信号或动态信号作用下,描述传感器输出与输入间的一种数学关系。下,描述传感器输出与输入间的一种数学关系。一般可用一般可用微分方程微分方程和和传递函数传递函数来表示:来表示:式中,a0、a1、,an,b0、b1、.,bm是与传感器的结构特性有关的常系数。(1)微分方程:)微分方程:1.1.2 传感器的动态特性(2)传递函数:)传递函数:对微分方程两边取拉普拉斯变换,得对微分方程两边取拉普拉斯变换,得ansn+an-1sn-1+
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- 第一章 绪论 传感器 基本概念
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