第1章传感器的基本概念精选文档.ppt

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1、第1章传感器的基本概念本讲稿第一页，共三十四页第一节第一节 传感器的定义与组成传感器的定义与组成 将被测将被测非电量非电量信号转换为与之有信号转换为与之有确定对应关系确定对应关系电量电量输出的器件或装置输出的器件或装置叫做传感器，也叫变换器、换能器或叫做传感器，也叫变换器、换能器或探测器。探测器。一、传感器的定义一、传感器的定义本讲稿第二页，共三十四页3 二、二、传感器的组成传感器的组成敏感敏感敏感敏感元件元件元件元件辅助电路辅助电路辅助电路辅助电路转换转换转换转换元件元件元件元件 被测被测被测被测非电量非电量非电量非电量 有用有用有用有用非电量非电量非电量非电量有有有有 用用用用 电电电电

2、量量量量 信号调节信号调节信号调节信号调节 电路电路电路电路电电电电 量量量量 图图1-1 1-1 一般传感器组成框图一般传感器组成框图本讲稿第三页，共三十四页敏感元件敏感元件：直接感受被测非电量并按一定：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。的元件。转换元件转换元件：又称变换器。能将敏感元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。感受到的非电量直接转换成电量的器件。本讲稿第四页，共三十四页敏感元件敏感元件转换元件转换元件压力传感器示例压力传感器示例本讲稿第五页，共三十四页本讲稿第六页，共三十四页信号调节

3、电路：信号调节电路：能把传感元件输出的电信能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。的有用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、变阻常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。器、振荡器等。辅助电路辅助电路通常包括电源等。通常包括电源等。本讲稿第七页，共三十四页8第二节第二节 传感器的分类传感器的分类一、按工作机理分类：一、按工作机理分类：根据物理和化学根据物理和化学 等学科的原理、规律和效应进行分类。等学科的原理、规律和效应进行分类。二、按被测量分类：二、按被测量分类：根据输入物理量的根据输入物理量的 性质进行分类。性

4、质进行分类。三、按敏感材料分类：三、按敏感材料分类：根据制造传感器根据制造传感器 所使用的材料进行分类。可分为半所使用的材料进行分类。可分为半 导体传感器、陶瓷传感器等。导体传感器、陶瓷传感器等。本讲稿第八页，共三十四页物理量传感器：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。化学量传感器：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。生物量传感器：利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。按被测量分类：按被测量分类：本讲稿第九页，共三十四页本讲稿第十页，共三十四页四、四、按能量的关系分类：按能量的关系分类：根据能量观点根据能量观点 分类，可将传

5、感器分为分类，可将传感器分为有源传感器有源传感器 和和无源传感器无源传感器两大类。两大类。有源传感器有源传感器是将非电能量转换为电能量，是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称换能器。通称之为能量转换型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大器。常配合有电压测量电路和放大器。如如:压电式、热电式、电磁式等。压电式、热电式、电磁式等。本讲稿第十一页，共三十四页无源传感器又称为能量控制型传感器。被测无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以必须具有辅助能源用。所以必须具有辅助能源(电能电能)。如如

6、:电阻式、电容式和电感式等。电阻式、电容式和电感式等。五、五、其它：其它：按用途、学科、功能和输出按用途、学科、功能和输出 信号的性质等进行分类。信号的性质等进行分类。本讲稿第十二页，共三十四页 从系统角度看，一种传感器就是一种从系统角度看，一种传感器就是一种系统系统。根据系统工程学理论，一个系统总可以用一个根据系统工程学理论，一个系统总可以用一个数学数学方程式方程式或或函数函数来描述。即用某种方程式或函数表征来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入的关系和特性，从而，用这种关传感器的输出和输入的关系和特性，从而，用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。系指导对传感器的设计、

7、制造、校正和使用。通常通常从传感器的从传感器的静态静态输入输入-输出关系和输出关系和动态动态输入输入-输出关系输出关系两方面建立数学模型。两方面建立数学模型。第四节第四节 传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述本讲稿第十三页，共三十四页一、静态模型一、静态模型 静态模型是指在输入信号不随时间变静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下，描述传感器的输出与输入量化的情况下，描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。的一种函数关系。如果不考虑如果不考虑蠕动效应蠕动效应和和迟滞特性迟滞特性，传感器，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：的静态模型一般可用多项式来表示：本讲稿第十四页，共三十四页二、二

8、、动态模型动态模型 动态模型是指传感器在准动态信号动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号作用下，描述其输出和输入或动态信号作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。信号的一种数学关系。动态模型动态模型通常采用通常采用微分方程微分方程和和传递函数传递函数描述。描述。本讲稿第十五页，共三十四页 1.1.微分方程微分方程 大多数传感器都属大多数传感器都属模拟系统模拟系统之列。描之列。描述模拟系统的一般方法是采用述模拟系统的一般方法是采用微分方程微分方程。在实际的模型建立过程中，一般采在实际的模型建立过程中，一般采用线性常系数微分方程来描述输出量用线性常系数微分方程来描述输出量y y和和输入量输入

9、量x x的关系。的关系。本讲稿第十六页，共三十四页 其通式如下：其通式如下：an,an-1a0和和bm,bm-1b0 为传感器的结构为传感器的结构参数。除参数。除b0 0外，一般取外，一般取b1,b2bm为零为零.本讲稿第十七页，共三十四页2.2.传递函数传递函数如果如果y(t)在在t0时，时，y(t)=0，则，则y(t)的拉氏的拉氏变换可定义为变换可定义为 式中式中S=+j，0。对微分方程两边取拉氏变换，则得对微分方程两边取拉氏变换，则得本讲稿第十八页，共三十四页 定义输出定义输出y(t)的拉氏变换的拉氏变换Y(S)和输入和输入x(t)的拉氏变换的拉氏变换X(S)的比为该系统的的比为该系统的

10、传递传递函数函数H(S)，则，则 对对对对y y y y(t t t t)进进进进行行行行拉拉拉拉氏氏氏氏变变变变换换换换的的的的初初初初始始始始条条条条件件件件是是是是t t t t0000时时时时，y y y y(t t t t)=0)=0)=0)=0。对对对对于于于于传传传传感感感感器器器器被被被被激激激激励励励励之之之之前前前前所所所所有有有有的的的的储储储储能能能能元元元元件件件件如如如如质质质质量量量量块块块块、弹弹弹弹性元件、电气元件等均符合上述的初始条件。性元件、电气元件等均符合上述的初始条件。性元件、电气元件等均符合上述的初始条件。性元件、电气元件等均符合上述的初始条件。本讲

11、稿第十九页，共三十四页20 对对于于多多环环节节串串、并并联联组组成成的的传传感感器器，若若各各环环节节阻阻抗抗匹匹配配适适当当，可可忽忽略略相相互互间间的的影影响响，传传感感器器的的等等效效传传递递函函数数可可按代数方式求得。按代数方式求得。显显然然HH(S S)与与输输入入量量x x(t t)无无关关，只只与与系系统统结结构构参参数数有有关关。因因而而HH(S S)可可以以简简单单而而恰恰当地描述传感器输出与输入的关系当地描述传感器输出与输入的关系。本讲稿第二十页，共三十四页21若传感器由若传感器由p个环节并联而成个环节并联而成若传感器由若传感器由r个环节串联而成个环节串联而成 对于较为复

12、杂的系统，可以将其看作是一些对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联。较为简单系统的串联与并联。本讲稿第二十一页，共三十四页22若传感器由若传感器由r r个环节串联而成个环节串联而成 对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联。较为简单系统的串联与并联。本讲稿第二十二页，共三十四页第五节第五节 传感器的基本特性传感器的基本特性本讲稿第二十三页，共三十四页一、一、静态特性静态特性 1 1线线性性度度：输输出出量量与与输输入入量量之之间间的的实实际际关关系系曲曲线线偏偏离离直直线线的的程程度度。又又称称非非线线性性误误

13、差差。可可用用下式表示下式表示:maxmax输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差y yFSFS输出满量程值输出满量程值 本讲稿第二十四页，共三十四页（1）（2）（3）三种形式所呈现的非线性程度三种形式所呈现的非线性程度 图图1-3 1-3 三种特殊形式的特性曲线三种特殊形式的特性曲线 本讲稿第二十五页，共三十四页2.2.灵敏度：灵敏度：在稳态下输出增量与输入增量在稳态下输出增量与输入增量的比值：的比值：对对线线性性传传感感器器，其其灵灵敏敏度度就就是是它它的的静静态态特特性的斜率：性的斜率：非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传非线性传

14、感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在某一工作点的灵敏度。感器在某一工作点的灵敏度。本讲稿第二十六页，共三十四页3.3.重复性：重复性：输入量按同一方输入量按同一方向作全程多次测试时，向作全程多次测试时，所得特性曲线不一致所得特性曲线不一致的程度。的程度。图图1-5 1-5 重复性重复性yx0max2max1本讲稿第二十七页，共三十四页4.4.迟滞（回差滞环）现象：迟滞（回差滞环）现象：表明传感器在表明传感器在正向行程和反正向行程和反向行程期间，向行程期间，输出输出-输入特性输入特性曲线不重合的曲线不重合的程度。程度。H0 x yyFSxFS图图1-6 1-6 迟滞特性迟滞特性本讲稿第二十八页

15、，共三十四页29 对对于于同同一一大大小小的的输输入入信信号号x x，在在x x连连续续增增大大的的行行程程中中，对对应应某某一一输输出出量量yiyi，与与在在x x连连续续减减小小的的行行程程中中，对对应应某某一一输输出出量量ydyd之之间间的的差差值值叫叫滞滞环环误误差差，即所谓的迟滞现象。即所谓的迟滞现象。在在整整个个测测量量范范围围内内产产生生的的最最大大滞滞环环误误差差用用 mm表示，它与满量程输出值的比值称最大滞环率：表示，它与满量程输出值的比值称最大滞环率：本讲稿第二十九页，共三十四页5 5分分辨辨率率与与阈阈值值 ：传传感感器器在在规规定定的的范范围围所能检测输入量的最小变化量

16、。所能检测输入量的最小变化量。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小被测输入量值，即零点附近的分辨力。最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。6 6稳稳定定性性：在在室室温温条条件件下下，经经过过相相当当长长的的时时间间间间隔隔，传传感感器器的的输输出出与与起起始始标标定定时时的的输出之间的差异。输出之间的差异。本讲稿第三十页，共三十四页7 7漂漂移移：在在外外界界的的干干扰扰下下，输输出出量量发发生生与与输入量无关的、不需要的变化。输入量无关的、不需要的变化。漂移包括漂移包括零点漂移零点漂移和和灵敏度漂移灵敏度漂移 。零零点点漂漂移移和和灵灵敏敏度度漂

17、漂移移又又可可分分为为时时间间漂漂移移和和温度漂移温度漂移。时间漂移时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。间的缓慢变化。温温度度漂漂移移为为环环境境温温度度变变化化而而引引起起的的零零点点或或灵灵敏敏度漂移。度漂移。本讲稿第三十一页，共三十四页 传传感感器器的的动动态态特特性性是是指指输输入入量量随随时时间间变变化化时时传传感感器器的的响响应应特特性性。很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间的关系要用动特性来说明。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际的传感器，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差动态误差。二、动态特性二、动态特性本讲稿第三十二页，共三十四页动态测量输入信号可分类如下：本讲稿第三十三页，共三十四页 1.传感器的基本动态特性方程传感器的基本动态特性方程 传感器的种类和形式很多，但它们的动态特性一般都可以用下述的微分方程来描述：式中，a0、a1、,an,b0、b1、.,bm是与传感器的结构特性有关的常系数。本讲稿第三十四页，共三十四页