傳感器及基本特性(第四章)

傳感器及基本特性(第四章)第一頁，共47頁。一、傳感器的定義

國家標準中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)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(wù)；②輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；④輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。傳感器名稱：敏感元件、變送器、換能器、檢測器、探頭第一節(jié)傳感器的定義、組成與分類2第二頁，共47頁。二、傳感器的組成

傳感器組成框圖輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測量電量3第三頁，共47頁。敏感元件：是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。應(yīng)該指出的是，并不是所有的傳感器都必須包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時兼為轉(zhuǎn)換元件。4第四頁，共47頁。1-彈簧管2-電位器舉例：測量壓力的電位器式壓力傳感器5第五頁，共47頁。彈性敏感元件（彈簧管）

敏感元件在傳感器中直接感受被測量，并轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。6第六頁，共47頁。彈性敏感元件（彈簧管）

在下圖中，彈簧管將壓力轉(zhuǎn)換為角位移α7第七頁，共47頁。彈簧管放大圖

當被測壓力p增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動電位器的電刷產(chǎn)生角位移。8第八頁，共47頁。其他各種彈性敏感元件

在上圖中的各種彈性元件也能將壓力轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移。9第九頁，共47頁。被測量通過敏感元件轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)傳感元件轉(zhuǎn)換成電參量

在右圖中，電位器為傳感元件，它將角位移轉(zhuǎn)換為電參量-----電阻的變化（ΔR）10第十頁，共47頁。

360度圓盤形電位器右圖所示的360度圓盤形電位器的中間焊片為滑動片，右邊焊片接地，左邊焊片接電源。

接地11第十一頁，共47頁。測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率量。

在左圖中，當電位器的兩端加上電源后，電位器就組成分壓比電路，它的輸出量是與壓力成一定關(guān)系的電壓Uo。

12第十二頁，共47頁。二、傳感器分類傳感器的種類名目繁多，分類不盡相同。常用的分類方法有：１）按被測參數(shù)分類：可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。2）按測量原理分類：可分為電阻、電容、電感、光柵、熱電耦、超聲波、激光、紅外、光導(dǎo)纖維等傳感器。

13第十三頁，共47頁。第二節(jié)傳感器的靜態(tài)特性傳感器所測量的量(物理量、化學(xué)量及生物量等)經(jīng)常會發(fā)生各種各樣的變化。例如，在測量某一液壓系統(tǒng)的壓力時，壓力值在一段時間內(nèi)可能很穩(wěn)定，而在另一段時間內(nèi)則可能有緩慢起伏，或者呈周期性的脈動變化，甚至出現(xiàn)突變的尖峰壓力。傳感器主要通過其兩個基本特性—靜態(tài)特性和動態(tài)特性，來反映被測量的這種變動性。描述傳感器輸入一輸出關(guān)系的方法有兩種：一是傳感器的數(shù)學(xué)模型；二是傳感器的各種基本特性指標。兩者都可用于描述傳感器的輸入、輸出關(guān)系及其特性。14第十四頁，共47頁。一、傳感器靜態(tài)特性一般知識傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器在靜態(tài)工作狀態(tài)下的輸入輸出特性。所謂靜態(tài)工作狀態(tài)是指傳感器的輸入量恒定或緩慢變化而輸出量也達到相應(yīng)的穩(wěn)定值時的工作狀態(tài)。這時輸出量為輸入量的確定函數(shù)。15第十五頁，共47頁。對靜態(tài)特性而言，傳感器的輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系通常可用一個如下的多項式表示：實際使用中的大多數(shù)傳感器，其用代數(shù)多項式表示的特性方程的次數(shù)并不高，一般不超過五次。根據(jù)傳感器的實際特性所呈現(xiàn)的特點和實際應(yīng)用場合的具體需要，其靜特性方程并非一定要表示成上式所確定的完整形式。16第十六頁，共47頁。傳感器的靜態(tài)特性指標主要是通過校準試驗來獲取的。所謂校準試驗，就是在規(guī)定的試驗條件下，給傳感器加上標準的輸入量而測出其相應(yīng)的輸出量。在傳感器的研制過程中可以通過其已知的元部件的靜特性，采用圖解法或解析法而求出傳感器可能具有的靜態(tài)特性。傳感器除了描述輸出輸入關(guān)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(guān)的特性。17第十七頁，共47頁。二、傳感器的靜態(tài)特性指標

傳感器的特性一般指輸入、輸出特性，包括：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定度、漂移、電磁兼容性、可靠性等。18第十八頁，共47頁。線性度：

線性度又稱非線性誤差，是指傳感器實際特性曲線與擬合直線（有時也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器量程范圍內(nèi)的輸出之百分比。將傳感器輸出起始點與滿量程點連接起來的直線作為擬合直線，這條直線稱為端基理論直線，按上述方法得出的線性度稱為端基線性度，非線性誤差越小越好。線性度的計算公式如下：19第十九頁，共47頁。作圖法求線性度演示（1—擬合曲線2—實際特性曲線）20第二十頁，共47頁。由于實際遇到的傳感器大多為非線性。在實際使用中，為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系。因此引入各種非線性補償環(huán)節(jié)，如采用非線性補償電路或計算機軟件進行線性化處理，從而使傳感器的輸出與輸入關(guān)系為線性或接近線性，但如果傳感器非線性的方次不高，輸入量變化范圍較小時，可用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段，使傳感器輸入輸出特性線性化，所采用的直線稱為擬合直線。21第二十一頁，共47頁。直線擬合方法a)理論擬合b)過零旋轉(zhuǎn)擬合c)端點連線擬合d)端點連線平移擬合22第二十二頁，共47頁。設(shè)擬合直線方程：0yyiy=kx+bxI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(shù)據(jù)與擬合直線上響應(yīng)值之間的殘差為最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值，即Δi=yi-(kxi+b)對k和b一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求出b和k的表達式23第二十三頁，共47頁。靈敏度：靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化值（輸出增量）與引起輸出變化值的輸入變化值（輸入量增量）之比，用K來表示：

24第二十四頁，共47頁。

顯然靈敏度表示靜態(tài)特性曲線上相應(yīng)點的斜率。對線性傳感器，靈敏度為一個常數(shù)；對于非線性傳感器，靈敏度則為一個變量，隨著輸入量的變化而變化，25第二十五頁，共47頁。遲滯:

傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。也就是說，對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。傳感器在全量程范圍內(nèi)最大的遲滯差值與滿量程輸出值之比稱為遲滯誤差，即

26第二十六頁，共47頁。遲滯特性遲滯反映了傳感器機械部分不可避免的缺陷，加軸承摩擦、間隙、螺釘松動、元件腐蝕或碎裂、材料的內(nèi)摩擦、積塞灰塵等。遲滯大小一般由實驗確定。27第二十七頁，共47頁。重復(fù)性(repeatabilityorreproducibility,precision)：

重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差屬于隨機誤差，常用標準差σ計算，也可用正反行程中最大重復(fù)差值ΔRmax計算，即

或

28第二十八頁，共47頁?！鱎max1正行程的最大重復(fù)性偏差，△Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。29第二十九頁，共47頁。分辨力：

指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。當被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應(yīng)。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對誤差。

30第三十頁，共47頁。漂移：

傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。最常見的漂移是溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸出的變化，溫度漂移主要表現(xiàn)為溫度零點漂移和溫度靈敏度漂移。溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標準環(huán)境溫度（一般為20℃）時的輸出值的變化量與溫度變化量之比(ξ)來表示，即31第三十一頁，共47頁。

可靠性：

可靠性是反映檢測系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)是否耐用的一種綜合性的質(zhì)量指標。

浴盆曲線32第三十二頁，共47頁。穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。例如：測試時先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定點，相隔4h、8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。它可用相對誤差表示,也可用絕對誤差表示。33第三十三頁，共47頁。精確度：

精確度是反映測量系統(tǒng)中系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合評定指標。與精確度有關(guān)的指標有：精密度、準確度和精確度。①精密度：說明測量系統(tǒng)指示值的分散程度。精密度反映了隨機誤差的大小，精密度高則隨機誤差小。(思考：與重復(fù)性的關(guān)系？)②準確度：說明測量系統(tǒng)的輸出值偏離真值的程度。準確度是系統(tǒng)誤差大小的標志，準確度高則系統(tǒng)誤差小。③精確度：是準確度與精密度兩者的總和，常用儀表的基本誤差表示。精確度高表示精密度和準確度都高。34第三十四頁，共47頁。準確度高而精密度低準確度低而精密度高精確度高35第三十五頁，共47頁。第三節(jié)傳感器的動態(tài)特性傳感器測量靜態(tài)信號時，由于被測量不隨時間變化，測量和記錄的過程不受時間限制，但是實際檢測中的大量被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，傳感器的輸出不僅需要能精確地顯示被測量的大小，而且還能顯示被測量隨時間變化的規(guī)律，即被測量的波形。傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性來表示。36第三十六頁，共47頁。一、動態(tài)參數(shù)測試的特殊性

熱電偶測溫過程的動態(tài)特性37第三十七頁，共47頁。二、傳感器的動態(tài)模型1、微分方程傳感器的種類和形式很多，但它們的動態(tài)特性一般都可以用下述的微分方程來描述：

對于常見的傳感器，其動態(tài)模型通?？捎昧汶A、一階或二階的常微分方程來描述，分別稱為零階系統(tǒng)、一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)。在實際中，經(jīng)常遇到的是—階和二階環(huán)節(jié)的傳感器。38第三十八頁，共47頁。

1）零階系統(tǒng)在方程式中的系數(shù)除了a0、b0之外，其它的系數(shù)均為零，則微分方程就變成簡單的代數(shù)方程，即a0y(t)=b0x(t)通常將該代數(shù)方程寫成y(t)=kx(t)式中，k=b0/a0為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。傳感器的動態(tài)特性用方程式來描述的就稱為零階系統(tǒng)。零階系統(tǒng)具有理想的動態(tài)特性，無論被測量x(t)如何隨時間變化，零階系統(tǒng)的輸出都不會失真，其輸出在時間上也無任何滯后，所以零階系統(tǒng)又稱為比例系統(tǒng)。39第三十九頁，共47頁。

2）一階系統(tǒng)方程式中的系數(shù)除了a0、a1與b0之外，其它的系數(shù)均為零，則微分方程為

時間常數(shù)τ具有時間的量綱，它反映傳感器的慣性的大小，靜態(tài)靈敏度則說明其靜態(tài)特性。用方程式描述其動態(tài)特性的傳感器就稱為一階系統(tǒng)，一階系統(tǒng)又稱為慣性系統(tǒng)。

40第四十頁，共47頁。3）二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)的微分方程為二階系統(tǒng)的微分方程通常改寫為根據(jù)二階微分方程特征方程根的性質(zhì)不同，二階系統(tǒng)又可分為：①二階慣性系統(tǒng)：其特點是特征方程的根為兩個負實根，它相當于兩個一階系統(tǒng)串聯(lián)。②二階振蕩系統(tǒng)：其特點是特征方程的根為一對帶負實部的共軛復(fù)根。

41第四十一頁，共47頁。2、傳遞函數(shù)動態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性或線性化定常系統(tǒng)中是指初始條件為0時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。當傳感器的數(shù)學(xué)模型初值為0時，對其進行拉氏變換，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)等號右邊是一個與輸無關(guān)的表達式，它只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，因而等號右邊是傳感器特性的一種表達式，它聯(lián)系了輸入與輸出的關(guān)系，是一個描述傳感器傳通信息特性的函數(shù)。42第四十二頁，共47頁。3、傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性

研究傳感器的動態(tài)特性主要是為了分析測量時產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因，傳感器的動態(tài)誤差包括兩部分：一是輸出量達到穩(wěn)定狀態(tài)后與理想輸出量之間的差別；二是當輸入量躍變時，輸出量由一個穩(wěn)態(tài)到另一個穩(wěn)態(tài)之間的過渡狀態(tài)中的誤差。研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性，實際上就是分析傳感器的這兩種動態(tài)誤差。傳感器的動態(tài)特性不僅與傳感器的“固有因素”有關(guān)，還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。也就是說，同一個傳感器在不同形式的輸入信號作用下，輸出量的變化是不同的，通常選用幾種典型的輸入信號作為標準輸入信號，研究傳感器的響應(yīng)特性。43第四十三頁，共47頁。