傳感器與測試技術(shù)第三課

傳感器與測試技術(shù)數(shù)控工程學(xué)院

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4傳感器的基本特性傳感器的命名及代號1手機(jī)中的傳感器了解簡易仿生物形機(jī)器人本次課內(nèi)容手機(jī)中的傳感器典型的傳感器，重力傳感器、光線傳感器、觸摸傳感器（觸摸屏的典型應(yīng)用）、磁阻傳感器（電子指南針）、加速傳感器（iphone4的三軸陀螺儀）等。這些傳感器的應(yīng)用為智能手機(jī)增加感知能力，使手機(jī)能夠知道自己做什么，甚至怎么做的動(dòng)作。手機(jī)中的傳感器

目前絕大多數(shù)智能手機(jī)和平板電腦內(nèi)置了重力傳感器，如蘋果的系列產(chǎn)品iphone和ipad，Android系列的手機(jī)等。重力傳感器在手機(jī)橫豎的時(shí)候屏幕會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)，可以不通過按鍵，將手機(jī)平放，左右搖擺就可以代替模擬機(jī)游戲的方向左右移動(dòng)了。重力加速度晶體變形電壓轉(zhuǎn)換壓電效應(yīng)重力傳感器通過重力感應(yīng)操控的游戲在手機(jī)中主要應(yīng)用在翻蓋或滑蓋的控制電路中，通過翻蓋或滑蓋的動(dòng)作來控制掛掉電話或接聽電話、鎖定鍵盤及解除鍵盤鎖等?；魻杺鞲衅魍庑头庋b很似三極管，但看起來比三極管更胖一些。在手機(jī)中，霍爾傳感器的封裝有3個(gè)引腳的，也有4個(gè)引腳的?；魻杺鞲衅骼没魻栃?yīng)做成的半導(dǎo)體元件就是霍爾傳感器?；魻杺鞲衅骺捎枚喾N半導(dǎo)體材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子材料等等?；魻杺鞲衅骶哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻杺鞲衅鞣譃榫€性型霍爾傳感器件和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。手機(jī)中使用的霍爾傳感器是微功耗開關(guān)型霍爾傳感器。NOKIAN73滑蓋手機(jī)的霍爾傳感器電路光線感應(yīng)器也叫做亮度感應(yīng)器，很多平板電腦和手機(jī)都配備了該感應(yīng)器。一般位于手持設(shè)備屏幕上方，它能根據(jù)手持設(shè)備目前所處的光線亮度，自動(dòng)調(diào)節(jié)手持設(shè)備屏幕亮度，來給使用者帶來最佳視的覺效果。例如在黑暗的環(huán)境下，手持設(shè)備屏幕背光燈就會(huì)自動(dòng)變暗，否則很刺眼。光線傳感器利用電容式傳感器，手機(jī)按鍵無需移動(dòng)式元件就可以實(shí)現(xiàn)，這樣會(huì)形成平順光滑的接觸表面。手機(jī)使用的電容式觸摸屏，屏幕面板和觸摸屏合二為一，透光率高，使用壽命長，適合手機(jī)的超薄化設(shè)計(jì)，加上可以多點(diǎn)觸摸功能，深受用戶喜愛。觸摸傳感器電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導(dǎo)電體內(nèi)形成一個(gè)低電壓交流電場。在觸摸屏幕時(shí)，由于人體電場，手指與導(dǎo)體層間會(huì)形成一個(gè)耦合電容，四邊電極發(fā)出的電流會(huì)流向觸點(diǎn)，而電流強(qiáng)弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏幕后的控制器便會(huì)計(jì)算電流的比例及強(qiáng)弱，準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。陀螺儀(Gyroscope)，是一種用來傳感與維持方向的裝置，基于角動(dòng)量守恒的理論設(shè)計(jì)出來的。陀螺儀主要是由一個(gè)位于軸心且可旋轉(zhuǎn)的輪子構(gòu)成。陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于輪子的角動(dòng)量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀有單軸陀螺儀和三軸陀螺儀，單軸的只能測量一個(gè)方向的量，也就是一個(gè)系統(tǒng)需要三個(gè)陀螺儀。而三軸陀螺儀可同時(shí)測定6個(gè)方向的位置，移動(dòng)軌跡，加速。所以一個(gè)三軸陀螺儀就能替代三個(gè)單軸陀螺儀。三軸陀螺儀多用于航海、航天等導(dǎo)航、定位系統(tǒng)，能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位。如今也多用于智能手機(jī)當(dāng)中。三軸陀螺儀利用三軸陀螺儀進(jìn)行體感控制的游戲NFC技術(shù)主題詞+四級修飾語

傳感器的命名主題詞—————傳感器

第一級修飾語——被測量，一般可后續(xù)以“式”字。第二級修飾語——轉(zhuǎn)換原理第三級修飾語——特征描述

第四級修飾語——技術(shù)指標(biāo)命名法的構(gòu)成傳感器的命名與代號傳感器的命名在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣書、學(xué)術(shù)論文和教材等較實(shí)用的場合，比如：放大型應(yīng)變式絕對壓力傳感器壓電式加速度傳感器應(yīng)變式位移傳感器經(jīng)常會(huì)縮寫為只采用第2級或第1級修飾語，比如：

壓變式傳感器壓力傳感器壓電式傳感器溫度傳感器光電式傳感器傳感器的命名與代號傳感器的命名傳感器的命名及代號代號的標(biāo)記方法序號轉(zhuǎn)換原理被測量主稱C速度、加速度、沖擊、振動(dòng)、力、重量（稱重）、壓力、聲壓、力矩、姿態(tài)、位移、液位、流量、溫度、可見光、照度、濕度、粘度、濁度、離子活[濃]度、磁電電位器[式]、電阻[式]、電流[式]、電感[式]、電容[式]、電渦流[式]、電熱[式]、電磁[式]、電化學(xué)[式]、電離[式]、壓電[式]、壓阻[式]、應(yīng)變計(jì)[式]、諧振[式]、伺服[式]、磁阻[式]、光電[式]在被測量、轉(zhuǎn)換原理、序號三部分代號之間有連字符“-”連接。例1：應(yīng)變式位移傳感器，代號為：CWY-YB-10；例2：光纖壓力傳感器，代號為：CY-GQ-1；例3：溫度傳感器，代號為：CW-01A；例4：電容式加速度傳感器，代號為：CA-DR-2。傳感器的命名與代號傳感器的基本特性根據(jù)傳感器的被測量是否隨時(shí)間快速變化分類靜態(tài)特性：被測量不隨時(shí)間變化或者變化緩慢時(shí)傳感器的輸入與輸出的關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性：被測量隨時(shí)間快速變化時(shí)傳感器的輸入與輸出的關(guān)系。傳感器的基本特性，即輸入——輸出特性傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型----靜態(tài)的數(shù)學(xué)模型是指在靜態(tài)信號作用下，傳感器輸出量y與輸入量x之間的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮遲滯特性和蠕動(dòng)效應(yīng)，傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型一般可用ｎ次多項(xiàng)式來表示為(1-1)輸入量，即被測量傳感器的理論輸出量零輸入時(shí)的輸出,也叫零位輸出傳感器線性項(xiàng)系數(shù)也稱線性靈敏度，常用K或S表示非線性項(xiàng)系數(shù)，其數(shù)值由具體傳感器非線性特性決定傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型4種特殊形式理想的線性特性----能準(zhǔn)確無誤地反映被測的真值,線性度最好(a)。線性特性----不過原點(diǎn)的直線(b)僅有偶次非線性項(xiàng)----線性范圍較窄，線性度較差，靈敏度為相應(yīng)曲線的斜率(c)

僅有奇次非線性項(xiàng)----線性范圍較寬，且特性曲線相對坐標(biāo)原點(diǎn)對稱，具有這種特性的傳感器使用時(shí)應(yīng)采取線性補(bǔ)償措施(d)

傳感器典型靜態(tài)特性曲線

n=0,1,2,……

傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)傳感器的靜態(tài)特性主要由性能指標(biāo)來描述量程范圍線性度靈敏度重復(fù)性遲滯分辨力和閾值穩(wěn)定性漂移1.線性度線性度----傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離理論擬合直線的程度，又稱非線性誤差。線性度可用下式表示為

………(1-6)實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差滿量程輸出平均值最大輸出平均值最小輸出平均值線性度是以擬合直線作為基準(zhǔn)來確定的，

擬合方法不同，線性度的大小也不同常用的擬合方法有理論直線法、端點(diǎn)連線法、割線法、最小二乘法等。端點(diǎn)連線法簡單直觀，應(yīng)用比較廣泛，但沒有考慮所有測量數(shù)據(jù)的分布，擬合精度較低。最小二乘法擬合精度最高，但計(jì)算繁瑣，需要借助計(jì)算機(jī)來完成。2.靈敏度靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖1-5a所示.圖1-5傳感器的靈敏度非線性傳感器的靈敏度是一個(gè)隨工作點(diǎn)而變的變量，如圖1-5b所示.3.重復(fù)性不重復(fù)性主要由傳感器的機(jī)械部分的磨損、間隙、松動(dòng)、部件的內(nèi)摩擦、積塵、電路老化、工作點(diǎn)漂移等原因產(chǎn)生。多次測試的不重復(fù)誤差，

多次測試的曲線越重合，

其重復(fù)性越好。輸出最大不重復(fù)誤差滿量程輸出平均值圖1-6重復(fù)性重復(fù)性----傳感器在輸入量按同一方向（輸入量增大或輸入量減少）作全量程多次測試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度，如圖1-6所示。標(biāo)準(zhǔn)偏差重復(fù)性誤差反映的是校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的離散程度，屬隨機(jī)誤差，按上述方法計(jì)算就不太合理。由于測量次數(shù)不同，其最大偏差也不一樣。因此一般按標(biāo)準(zhǔn)偏差來計(jì)算重復(fù)性誤差，其表達(dá)式為:

標(biāo)準(zhǔn)偏差常用貝塞爾公式計(jì)算全部校準(zhǔn)點(diǎn)正、反行程輸出值的標(biāo)準(zhǔn)偏差中最大值某校準(zhǔn)點(diǎn)i的輸出值在第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上輸出量的平均值測量次數(shù)4.遲滯現(xiàn)象遲滯現(xiàn)象----傳感器在正向行程(輸入量增大)和反向行程(輸入量減小)期間，輸出—輸入特性曲線不一致的程度，如圖1—7所示。（1-12）遲滯反映了傳感器機(jī)械部分不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、螺釘松動(dòng)、元件腐蝕或碎裂、材料內(nèi)摩擦、積塵等。最大滯環(huán)誤差

圖1-7遲滯特性圖1-8分辨力和閾值5.分辨力和閾值傳感器的分辨力----實(shí)際測量時(shí)，傳感器的輸入輸出關(guān)系不可能保持絕對連續(xù)。有時(shí)輸入量開始變化，但輸出量并不立刻隨之變化，而是輸入量變化到某一程度時(shí)輸出才突然產(chǎn)生一小的階躍變化。實(shí)際上傳感器的特性曲線并不是十分平滑，而是呈階梯形變化的，如圖1-8所示。在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測的輸入量的最小變化量△Xmin（有量綱）。有時(shí)也用該值相對滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示（分辨率-無量綱）。閾值通常又稱為死區(qū)、失靈區(qū)、靈敏限、靈敏閾、鈍感區(qū)，是輸入量由零變化到使輸出量開始發(fā)生可觀變化的輸入量的值，圖中的值。6.穩(wěn)定性穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長期穩(wěn)定性表示，它是指在室溫條件下,經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來表征其輸出的穩(wěn)定度。7.漂移傳感器的漂移----外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化。零點(diǎn)漂移靈敏度漂移漂移時(shí)間漂移----指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)

或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化溫度漂移----環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化溫度漂移時(shí)間漂移8.測量范圍和量程傳感器所能測量的最大被測量（輸入量）的數(shù)值稱為測量上限，最小被測量稱為測量下限，上限與下限之間的區(qū)間，則稱為測量范圍。量程---測量上限與下限的代數(shù)差。例如：測量范圍為0～+10N，量程為10N；測量范圍為-20～+20℃，量程為40℃；測量范圍為-5～+10g，量程為15g；測量范圍為100～1000Pa，量程為900Pa；通過測量范圍，可以知道傳感器的測量上限與下限，以便正確使用傳感器；通過量程，可以知道傳感器的滿量程輸入值，而其對應(yīng)的滿量程輸出值，乃是決定傳感器性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。穩(wěn)定性(零漂)傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力沖擊與振動(dòng)電磁場線性滯后重復(fù)性靈敏度輸入誤差因素外界影響

傳感器輸入輸出作用圖輸出取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制，有時(shí)也可以對外界條件加以限制。衡量傳感器特性的主要技術(shù)指標(biāo)傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型----指在隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)輸入信號作用下，傳感器輸出與輸入量間的函數(shù)關(guān)系，它通常稱為響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型一般采用微分方程和傳遞函數(shù)描述。傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型微分方程表達(dá)式

式中：——與傳感器的結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)t——時(shí)間；y——輸出量y(t)；x——輸入量x(t)。（1-13）數(shù)學(xué)上常采用拉普拉斯變換將實(shí)數(shù)域的微分方程變成復(fù)數(shù)域（S域）的代數(shù)方程，求解代數(shù)方程就容易多了。傳遞函數(shù)動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性定常系統(tǒng)中是初始條件為0時(shí)，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。由數(shù)學(xué)理論知，如果當(dāng)t≤0時(shí),y(t)=0,則y(t)的拉普拉斯變換可定義為

式中s=σ+jω，σ>0。對式（1—13）現(xiàn)兩邊取拉普拉斯變換，則得(1-14)則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為（1—13）動(dòng)態(tài)特性在動(dòng)態(tài)(快速變化)的輸入信號作用下，要求傳感器不僅能精確地測量信號的幅值大小，而且能測量出信號變化的過程。這就要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)和再現(xiàn)被測信號的變化。也就是說，傳感器要有良好的動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性時(shí)域----階躍響應(yīng)法（研究系統(tǒng)輸出波形）----輸入階躍信號頻域----頻率響應(yīng)法來（研究系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)）----輸入正弦信號階躍響應(yīng)特性（時(shí)域）給傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性。表征階躍響應(yīng)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：時(shí)間常數(shù)、延遲時(shí)間、上升時(shí)間、峰值時(shí)間、最大超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間等。如圖1-9、1-10所示。x（t）=

(1-16)圖1-10二階傳感器階躍響應(yīng)特性圖1-9一階傳感器階躍響應(yīng)特性如圖1-11所示。將代