傳感器原理及應用-第1章-傳感器技術基礎

第一章傳感器技術基礎1.1傳感器的定義、組成和分類1.2傳感器的基本特性1.3傳感器的選用原則國家標準（GB7665-87）中傳感器的定義：

傳感器：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；②輸入量是某一被測量，物理量、化學量、生物量等；③輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；④輸出與輸入有對應關系。傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、換能器、探測器傳感器功用：一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。一、傳感器的定義（Transducer/Sensor）§1.1傳感器的定義、組成和分類工業(yè)測量標準輸出信號能量轉換敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，把輸入轉換成電路參量?；巨D換電路：上述電路參數接入基本轉換電路（簡稱轉換電路），便可轉換成電量輸出。二、傳感器的組成§1.1傳感器的定義、組成和分類敏感元件輔助電路轉換元件被測非電量有用非電量有用電量基本轉換電路可用電量（1）敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。二、傳感器的組成§1.1傳感器的定義、組成和分類彈性敏感元件實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉換元件)組成，感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。二、傳感器的組成

（2）轉換元件§1.1傳感器的定義、組成和分類T’①②BAT熱電偶有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路。例如：壓電式加速度傳感器，質量塊是敏感元件，壓電片（塊）是轉換元件。有些傳感器，轉換元件不只一個，要經過若干次轉換。二、傳感器的組成——（2）轉換元件§1.1傳感器的定義、組成和分類壓電式加速度傳感器二、傳感器的組成——（2）轉換元件§1.1傳感器的定義、組成和分類彈性體極板支架絕緣材料定極板動極板被測非電量：外界壓力敏感元件：彈性體有用非電量：極板間距變化轉換元件：平行板電容器有用電量：電容量C電容式稱重傳感器敏感元件輔助電路轉換元件被測非電量有用非電量有用電量基本轉換電路可用電量二、傳感器的組成

（3）轉換電路§1.1傳感器的定義、組成和分類轉換電路是傳感器的主要組成環(huán)節(jié)：因為不少傳感器要在通過轉換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。

敏感元件輔助電路轉換元件被測非電量有用非電量有用電量基本轉換電路可用電量1、按工作機理：物理型、化學型、生物型等2、按構成原理：結構型與物性型兩大類3、根據能量轉換：能量控制型和能量轉換型傳感器4、按照物理原理分類：十種5、按照用途分類：位移、壓力、振動、溫度等傳感器7、根據輸出信號：模擬信號和數字信號6、根據轉換過程可逆與否：單向和雙向8、根據是否使用電源：有源傳感器和無源傳感器三、傳感器的分類§1.1傳感器的定義、組成和分類結構型傳感器利用物理學中場的定律構成的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。物理學中的定律一般是以方程式給出的。對于傳感器，這些方程式就是許多傳感器在工作時的數學模型。這類傳感器的特點：傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎，而不是以材料特性變化為基礎。

三、傳感器的分類_結構型與物性型§1.1傳感器的定義、組成和分類各種彈性敏感元件傳感器物性型傳感器利用物質定律構成的，如虎克定律、歐姆定律等。物質定律是表示物質某種客觀性質的法則。這種法則，大多數是以物質本身的常數形式給出。這些常數的大小，決定了傳感器的主要性能。物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。如光電管，利用了物質法則中的外光電效應，特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關系。又如所有半導體傳感器、所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。

三、傳感器的分類_結構型與物性型§1.1傳感器的定義、組成和分類半導體氣體傳感器能量控制型傳感器在信息變化過程中，傳感器將從被測對象獲取的信息能量用于調制或控制外部激勵源，使外部激勵源的部分能量載入信息而形成輸出信號。這類傳感器必須由外部提供激勵源，如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這一類傳感器?；陔娮钁冃?、磁阻效應、熱阻效應、外光電效應、霍爾效應等的傳感器也屬于此類傳感器。

三、傳感器的分類_能量控制型和能量轉換型§1.1傳感器的定義、組成和分類霍爾傳感器能量轉換型傳感器能量轉換型傳感器，又稱有源型或發(fā)生器型傳感器。傳感器將從被測對象獲取的信息能量直接轉換成輸出信號能量，主要由能量變換元件構成，不需要外電源。如基于壓電效應、熱電效應、內光電效應等的傳感器都屬于此類傳感器。三、傳感器的分類_能量控制型和能量轉換型§1.1傳感器的定義、組成和分類光電傳感器按照物理原理分類：★電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等；★磁電式傳感器：磁電感應式、霍爾式、磁柵式等；★壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器；★光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導纖維式、紅外式、攝像式等；★氣電式傳感器：電位器式、應變式；三、傳感器的分類§1.1傳感器的定義、組成和分類★熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻；★波式傳感器：超聲波式、微波式等；★射線式傳感器：熱輻射式、γ射線式；★半導體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；★其他原理的傳感器：差動變壓器、振弦式等。有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復合形式，如不少半導體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。

傳感器特性：主要是指輸出與輸入之間的關系。傳感器輸出與輸入關系可用微分方程來描述。理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，即得到靜態(tài)特性。因此，傳感器的靜態(tài)特性只是動態(tài)特性的一個特例。動態(tài)特性：當輸入量隨時間較快地變化時，輸出與輸入之間關系稱為動態(tài)特性。靜態(tài)特性：當輸入量為常量，或變化極慢時，輸出與輸入之間關系稱為靜態(tài)特性?！?.2傳感器的基本特性慢變信號研究靜態(tài)特性，即不隨時間變化的特性?？熳冃盘?/p>

考慮輸出的動態(tài)特性,即隨時間變化的特性；

傳感器的輸出與輸入具有確定的對應關系最好呈線性關系。但一般情況下，輸出輸入不會符合所要求的線性關系，同時由于存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動等各種因素以及外界條件的影響，使輸出輸入對應關系的唯一確定性也不能實現?？紤]了這些情況之后，傳感器的輸出輸入互相作用大致如圖所示。傳感器除了描述輸出輸入關系的特性之外，還有與使用條件、使用環(huán)境、使用要求等有關的特性?！?.2傳感器的基本特性沖擊與振動穩(wěn)定性(零漂)傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力電磁場線性滯后重復性靈敏度輸入誤差因素外界影響輸出傳感器特性，通過傳感器本身的改善來加以抑制，也可以對外界條件加以限制。衡量傳感器特性的主要技術指標§1.2傳感器的基本特性描述傳感器輸入–輸出關系（基本特性）的方法：§1.2傳感器的基本特性數學模型基本特性指標被測輸入量靜態(tài)量準靜態(tài)量動態(tài)量靜態(tài)特性指標靜態(tài)數學模型動態(tài)特性指標動態(tài)數學模型傳感器的輸出輸入關系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，靜態(tài)特性數學模型可用下列多項式代數方程表示：式中y—輸出量；x—輸入量；a0—零點輸出；a1—理論靈敏度；a2、a3、…、an—非線性項系數。各項系數不同，決定了特性曲線的具體形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn§1.2傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性

§1.2傳感器的基本特性靜態(tài)特性曲線一、傳感器的靜態(tài)特性

§1.2傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性

靜態(tài)校準曲線在標準工作狀態(tài)下，利用一定精度等級的校準設備，對傳感器進行往復循環(huán)測試，即可得到輸出－輸入數據。將這些數據列成表格，再畫出各被測量值（正行程和反行程）對應輸出平均值的連線，即為傳感器的靜態(tài)校準曲線。

其中，(ΔLmax)最大非線性偏差；

YFS滿量程輸出。線性度（又稱為“非線性誤差”），是傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性程度，是表征輸出——校準曲線與其擬合直線之間的吻合（或偏離）程度的指標。非線性誤差的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應是獲得最小的非線性誤差。另外，還應考慮使用是否方便，計算是否簡便。一、傳感器的靜態(tài)特性

1、線性度§1.2傳感器的基本特性直線擬合方法§1.2傳感器的基本特性理論擬合端點連線擬合一、傳感器的靜態(tài)特性

1、線性度最小二乘擬合法最小二乘法擬合y=kx+b若實際校準測試點有n個，則第i個校準數據與擬合直線上相應值之間的殘差為Δi=yi-(kxi+b)最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值，即

對k和b一階偏導數等于零，求出b和k的表達式。一、傳感器的靜態(tài)特性

1、線性度§1.2傳感器的基本特性設擬合直線方程：即得到k和b的表達式為系數k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax用以計算非線性誤差。一、傳感器的靜態(tài)特性

1、線性度§1.2傳感器的基本特性最小二乘法擬合

遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差。檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。

傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。遲滯特性一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分數表示，即一、傳感器的靜態(tài)特性

2、遲滯§1.2傳感器的基本特性式中—正反行程間輸出的最大差值?！鱎max1正行程的最大重復性偏差△Rmax2反行程的最大重復性偏差檢測時也可選取幾個測試點，對應每一點多次從同一方向趨近。重復性是指傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向連續(xù)多次變動時，所得特性曲線之間不一致的程度。重復性誤差可用正反行程中最大偏差表示：獲得輸出值系列yi1，yi2，yi3，…，yin

，算出標準差σ，此時（2~3σ）可作為重復性偏差ΔRi，也可以在幾個ΔRi中取出最大值ΔRmax作為重復性誤差：一、傳感器的靜態(tài)特性

3、重復性§1.2傳感器的基本特性因此，傳感器輸出曲線的斜率就是靈敏度。線性特性的傳感器，特性曲線的斜率處處相同，靈敏度K是一常數，與輸入量大小無關。K=Δy/Δx傳感器輸出的變化量Δy與引起該變化量的輸入變化量Δx之比即為靜態(tài)靈敏度，表達式為一、傳感器的靜態(tài)特性

4、靈敏度與靈敏度誤差§1.2傳感器的基本特性量綱相同時：靈敏度——增益——放大倍數靜態(tài)特性曲線（直線）的線斜率越大，其靈敏度越高。一、傳感器的靜態(tài)特性

4、靈敏度與靈敏度誤差§1.2傳感器的基本特性非線性傳感器的靈敏度為一變量，即輸入輸出特性曲線上某點的斜率，且靈敏度雖時間輸入量變化而變化。K=dy/dx分辨力用絕對值表示。在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為閾值。分辨力是指傳感器能檢測到的被測輸入量的最小變化量Δx。有些傳感器，當輸入量連續(xù)變化時，輸出量只作階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量的大小。一、傳感器的靜態(tài)特性

5、分辨力與閾值§1.2傳感器的基本特性傳感器漂移是指在一定工作條件下，保持輸入量不變，傳感器輸出量隨時間發(fā)生緩慢變化，此現象成為漂移。即傳感器輸出存在與被測輸入量無關的、不需要的變化。一、傳感器的靜態(tài)特性

6、漂移§1.2傳感器的基本特性產生原因：

傳感器自身結構參數老化

測試過程中環(huán)境發(fā)生變化測試時先將傳感器置于一定溫度(如20℃)，將其輸出調至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數(如5℃或10℃)，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。溫度漂移是指傳感器輸出量隨著環(huán)境溫度的變化而變化，又稱為溫度穩(wěn)定性。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干℃的絕對誤差或相對誤差表示，每℃引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數?！?.2傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性

6、漂移取2σ和3σ值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差的求取方法：把全部輸出數據與擬合直線上對應值的殘差，看成是隨機分布，求出其標準偏差，即靜態(tài)誤差是指傳感器在全量程內任一點的輸出值與理論值的偏離程度。yi—各測試點的殘差；

n一測試點數。一、傳感器的靜態(tài)特性

7、靜態(tài)誤差§1.2傳感器的基本特性與精確度有關指標：精密度、準確度準確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。準確度是系統(tǒng)誤差大小的標志，準確度高意味著系統(tǒng)誤差小。準確度高不一定精密度高。精密度：說明測量傳感器輸出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被測量，由同一個測量者，用同一個傳感器，在相當短的時間內連續(xù)重復測量多次，其測量結果的分散程度。精密度是隨機誤差大小的標志，精密度高，意味著隨機誤差小。注意：精密度高不一定準確度高。一、傳感器的靜態(tài)特性

8、精確度§1.2傳感器的基本特性精確度是精密度與準確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準確度都比較高。（a）準確度低且精密度低（b）準確度低而精密度高（c）精確度高在測量中我們希望得到精確度高的結果。

一、傳感器的靜態(tài)特性

8、精確度§1.2傳感器的基本特性精確度示意圖二、傳感器的動態(tài)特性§1.2傳感器的基本特性動態(tài)測溫:設環(huán)境溫度為T0,水槽中水的溫度為T,而且T＞T0。傳感器迅速插入被測介質中；用熱電偶測溫,理想情況測試曲線中T是階躍變化的；實際熱電偶輸出值是緩慢變化，存在一個過渡過程。水溫T℃熱電偶環(huán)境溫度T0℃T＞T0被測量隨時間變化的形式千變萬化，工程上在研究動態(tài)特性時常根據標準輸入特性來考慮傳感器的響應特性，確定評定動態(tài)特性的指標。動態(tài)特性：傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。正弦變化的輸入階躍變化的輸入線性輸入標準輸入有三種：經常使用的是前兩種：正弦和階躍變化的輸入。二、傳感器的動態(tài)特性§1.2傳感器的基本特性微分方程傳遞函數動態(tài)數學模型時間的函數頻率的函數描述傳感器動態(tài)特性的一般微分方程：y—輸出量；x—輸入量；t—時間；a0，a1，…

，an—常系數；b0，b1，…

，bm—常系數

輸出量對時間t的n階導數

輸入量對時間t的m階導數二、傳感器的動態(tài)特性

1、數學模型§1.2傳感器的基本特性研究線性系統(tǒng)的動態(tài)特性，主要是分析數學模型的輸入量x與輸出量y之間的關系，通過求解微分方程，可知動態(tài)性能指標。線性定常系統(tǒng)（特性不隨時間改變的線性系統(tǒng)），數學模型為高階常系數線性微分方程，即二、傳感器的動態(tài)特性

1、數學模型§1.2傳感器的基本特性零階系統(tǒng)：

理想的動態(tài)特性，無論被測量x(t)如何隨時間變化，輸出都不會失真，在時間上也無任何滯后，零階系統(tǒng)又稱為比例系統(tǒng)。一階系統(tǒng)：

實際應用時改寫為第二式，τ傳感器的時間常數，k靜態(tài)靈敏度或放大系數。

時間常數具有時間的量綱，反映傳感器的慣性大??；靜態(tài)靈敏度則說明靜態(tài)特性。

一階系統(tǒng)又稱為慣性系統(tǒng)。實際應用時改寫為第二式，k—傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數，ξ—傳感器的阻尼系數，ωn—固有頻率。二、傳感器的動態(tài)特性

1、數學模型§1.2傳感器的基本特性二階系統(tǒng)：根據二階微分方程特征方程根的性質不同，二階系統(tǒng)又可分為：①二階慣性系統(tǒng)特點：特征方程的根為兩個負實根，相當于兩個一階系統(tǒng)串聯。②二階振蕩系統(tǒng)特點：特征方程的根為一對帶負實部的共軛復根。定義：在線性或線性化定常系統(tǒng)中，動態(tài)特性的傳遞函數是指初始條件為0時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。輸出量：響應函數；輸入量：激勵函數。Y(s)傳感器輸出量的拉氏變換式；X(s)傳感器輸入量的拉氏變換式。二、傳感器的動態(tài)特性

2、傳遞函數§1.2傳感器的基本特性拉氏變換：拉氏變換自變量：σ為收斂因子，ω為角頻率。初值為0時，傳感器數學模型進行拉氏變換，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數H(s)傳遞函數求法：一定常系統(tǒng)，微分方程中各階導數用相應S變量替換。單位階躍輸入信號二、傳感器的動態(tài)特性

3、動態(tài)特性指標

（1）瞬態(tài)（時間）響應§1.2傳感器的基本特性一階系統(tǒng)輸入輸出一階傳感器系統(tǒng)的瞬態(tài)響應時域動態(tài)性能指標：

①時間常數τ：傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時間。

②延遲時間td：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時間。

③上升時間tr：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。單位階躍輸入信號二、傳感器的動態(tài)特性

3、動態(tài)特性指標

（1）瞬態(tài)（時間）響應§1.2傳感器的基本特性④峰值時間tp：傳感器輸出響應曲線達到第一個峰值所需的時間。⑤超調量σ：傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。⑥衰減比d：衰減振蕩響應曲線的第一個峰值與第二個峰值之比。二階傳感器系統(tǒng)的瞬態(tài)響應時域動態(tài)性能指標：二階系統(tǒng)輸入輸出傳感器輸入正弦信號：二、傳感器的動態(tài)特性

3、動態(tài)特性指標

（2）頻率響應§1.2傳感器的基本特性頻率響應特性：輸入信號：頻率變化、幅值相等的正弦信號。幅頻特性：輸出信號幅值與輸入頻率的關系。相頻特性：輸出信號相位與輸入頻率的關系。傳感器輸出信號：響應函數（傳遞函數）：幅值相位幅頻特性相頻特性頻率響應特性指標：二、傳感器的動態(tài)特性

3、動態(tài)特性指標

（2）頻率響應§1.2傳感器的基本特性①通頻帶ω0.707：傳感器在對數幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對應的頻率范圍。②工作頻帶ω0.95或ω0.90：當傳感器的幅值誤差為±5%或±10%時其增益