傳感器的定義及其組成

傳感技術(shù)的作用工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)：檢測(cè)、控制溫度、壓力、流量等；機(jī)械制造業(yè)：無損檢測(cè)；加工精度、表面光潔度、同軸度等檢測(cè)；航空航天：檢測(cè)飛機(jī)、宇宙飛行器等的飛行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等；交通運(yùn)輸：僅汽車業(yè)用30多種傳感器檢測(cè)車速、方位、轉(zhuǎn)矩、油量等；軍事方面：現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是科技戰(zhàn)爭(zhēng)，就是傳感器戰(zhàn)爭(zhēng)；海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、美伊醫(yī)療衛(wèi)生：B超、磁振、腦電圖、心電圖等；安防環(huán)保：預(yù)報(bào)地震、海嘯、火災(zāi)等；對(duì)水、空氣等污染檢測(cè)；海洋工程：海底探測(cè)；海洋水文信息、氣象信息等；地質(zhì)勘探考古：探測(cè)地下礦藏、放射性元素；鑒定文物制造年代等；辦公用具家用電器：復(fù)印機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)、油煙機(jī)、DVD等。目前一頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)傳感器定義根據(jù)國(guó)標(biāo)（GB7665-87傳感器通用術(shù)語(yǔ)），傳感器（Transducer/Sensor）定義為：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件（傳感器中能夠直接感受被測(cè)量的部分。轉(zhuǎn)換元件傳感器中能將敏感元件輸出轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。1.2傳感器的定義及其組成目前二頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)傳感器定義傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。

物理量電量

目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。目前三頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)輸出電量傳感器的構(gòu)成：敏感元件轉(zhuǎn)換元件調(diào)理電路被測(cè)量中間量輸出電量敏感元件：它直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量城區(qū)定關(guān)系的某一物理量。轉(zhuǎn)換元件：它將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時(shí)敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個(gè)元件(敏感元件)實(shí)現(xiàn)的。調(diào)理電路：它將敏感元件和轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換、調(diào)理成一定形式的電量輸出。目前四頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)測(cè)定油箱內(nèi)油面高度的裝置。所用器材和電路元件如圖所示，R是滑動(dòng)變阻器，它的金屬滑片是杠桿的一端，R’是定值電阻，油量表（由電壓表改裝而成）。油面浮標(biāo)上升時(shí)，油量表示數(shù)變大；反之，油量表示數(shù)變小。目前五頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)傳感器定義的理解簡(jiǎn)單的說，傳感器就是一個(gè)能把非電量轉(zhuǎn)換為電量的器件或裝置。傳感器能夠感受被測(cè)量——熱、光、聲、位移、速度、加速度、力、力矩等等。傳感器能將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出——電阻、電壓、電流、頻率、脈沖等。轉(zhuǎn)換必須按照一定的規(guī)律進(jìn)行。目前六頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)傳感器的組成 一般來說，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。通常會(huì)輔以必要的信號(hào)調(diào)節(jié)電路及電源。敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路輔助電源被測(cè)量目前七頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)傳感器組成的理解：敏感元件的作用通常是將被測(cè)量（非電量1）變換成另一個(gè)與被測(cè)量有確定關(guān)系的非電量2，而非電量2易于通過變換元件轉(zhuǎn)換為電量。例如應(yīng)變式壓力傳感器中的彈性模片就將其被測(cè)量（壓力）轉(zhuǎn)換為另一非電量（應(yīng)變）。變換元件通常不直接感受被測(cè)量。例如應(yīng)變壓力傳感器中的應(yīng)變片，它并不直接感受壓力，而是將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。不是所有的傳感器都能明確的區(qū)分敏感元件與變換元件。目前八頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)傳感器組成的理解：傳感器的輸出信號(hào)通常需要必要的信號(hào)調(diào)節(jié)電路將其進(jìn)行放大或轉(zhuǎn)換，而變成易于傳輸、處理、記錄和顯示的形式。常見的信號(hào)調(diào)節(jié)電路有放大器、電橋、阻抗變換器、振蕩器等。信號(hào)調(diào)節(jié)電路通常完成傳感器輸出與后續(xù)測(cè)量電路之間的匹配。目前九頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)1.3傳感器的分類1)按被測(cè)物理量分類常見的被測(cè)物理量機(jī)械量:長(zhǎng)度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場(chǎng).溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩目前十頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:目前十一頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換.如:水銀溫度計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變.例如:電容式和電感式傳感器.目前十二頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.3)按信號(hào)變換特征:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.目前十三頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)

（3）傳感器的分類傳感器分類方法較多,大體有以下幾種：1）

按傳感器檢測(cè)的范疇分類

物理量傳感器化學(xué)量傳感器生物量傳感器２）按傳感器的輸出信號(hào)分類模擬傳感器數(shù)字傳感器４）按傳感器的功能分類單功能傳感器多功能傳感器智能傳感器

３）按傳感器的結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器復(fù)合型傳感器6）按傳感器的能源分類有源傳感器無源傳感器

５）按傳感器的轉(zhuǎn)換原理分類機(jī)—電傳感器光—電傳感器熱—電電傳感器磁—電傳感器電化學(xué)傳感器目前十四頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)1.4對(duì)傳感器的一般要求各種傳感器，由于原理、結(jié)構(gòu)不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，其技術(shù)指標(biāo)也不可能相同。但是有些一般要求，卻基本上是共同的，這就是：①可靠性；②靜態(tài)精度；③動(dòng)態(tài)性能；④量程；⑤抗干擾能力；⑥通用性；⑦輪廓尺寸；⑧成本；⑨能耗；⑩對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響等。目前十五頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)傳感器輸入與輸出之間的關(guān)系 被測(cè)量為某值時(shí)，可用信號(hào)輸出應(yīng)該是多少？可用信號(hào)輸出為某值時(shí)，對(duì)應(yīng)的被測(cè)量輸入應(yīng)該是什么？

輸入應(yīng)該按照某種規(guī)律轉(zhuǎn)換為輸出，同時(shí)，輸出可以以某種規(guī)律反推出輸入。傳感器被測(cè)量輸入可用信號(hào)輸出目前十六頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)測(cè)量的目的在于確定被測(cè)物理量的數(shù)值。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)，通常稱被測(cè)的量為輸入，所測(cè)出的量為輸出。如果將整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)(或其中一個(gè)環(huán)節(jié))簡(jiǎn)化為一個(gè)方框,X(t)代表輸入,y(t)代表輸出。那么可用圖所示的方框圖表示。1.6傳感器的一般特性目前十七頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)①線性度

線性度又稱非線性誤差，是指測(cè)試裝置的輸入和輸出是否保持線性關(guān)系,非線性誤差越小越好。模擬儀表的刻度就可做成均勻刻度，而數(shù)字式儀表就可以不必采用線性化環(huán)節(jié)。線性刻度的測(cè)量?jī)x表往往實(shí)際特性偏離其理論上的線性特性，即非線性現(xiàn)象。線性度是衡量實(shí)際曲線偏離理論線性特性曲線程度的指標(biāo)，它以實(shí)際示值與理論值之間差值的最大值和儀表測(cè)量范圍之比的百分?jǐn)?shù)表示。2.靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)目前十八頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)通常用相對(duì)誤差表示：Δmax一最大非線性誤差；yFS—量程輸出。非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)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(diǎn)，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計(jì)算是否簡(jiǎn)便。eL=±(Δmax/yFS)×100%①理論擬合；②端點(diǎn)連線平移擬合；③端點(diǎn)連線擬合；④過零旋轉(zhuǎn)擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合目前十九頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)直線擬合方法a)理論擬合b)過零旋轉(zhuǎn)擬合c)端點(diǎn)連線擬合d)端點(diǎn)連線平移擬合

目前二十頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)②靈敏度：靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來表示：

目前二十一頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)作圖法求靈敏度過程xyx1ΔxΔy0切點(diǎn)傳感器特性曲線xmax傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。目前二十二頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)若輸出和輸入都是同一量綱時(shí)，則稱為放大倍數(shù)或倍率。例如，一種機(jī)械式位移傳感器當(dāng)輸入信號(hào)(位移量)有0.01mm的變化時(shí)，輸出信號(hào)也是位移量，為10mm，此時(shí)K＝10/0.01＝1000K越大，表示儀器越靈敏。從圖形上看，它表示特性曲線的斜率。

如果特性曲線是一根直線，則K是常數(shù)，意即系統(tǒng)是線性的；如果特性曲線是一根曲線，則K是變量，意即測(cè)量系統(tǒng)具有非線性特性，其靈敏度(曲線上各點(diǎn)的斜率)是變化的。K＞0，表示輸出量隨之輸入量的增加而增大；而K＜0，則表示輸出量隨輸入量的增加而減少。

目前二十三頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)③重復(fù)性yx0⊿max2⊿max1重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜻B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差也常用絕對(duì)誤差表示。檢測(cè)時(shí)也可選取幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)應(yīng)每一點(diǎn)多次從同一方向趨近，獲得輸出值系列yi1，yi2，yi3，…，yin，算出最大值與最小值之差或3σ作為重復(fù)性偏差ΔRi，在幾個(gè)ΔRi中取出最大值ΔRmax作為重復(fù)性誤差?！鱩ax1正行程的最大重復(fù)性偏差，△max2反行程的最大重復(fù)性偏差。目前二十四頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)④遲滯0yx⊿maxyFS遲滯特性式中△max—正反行程間輸出的最大差值。

遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對(duì)誤差表示。檢測(cè)回程誤差時(shí)，可選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于每一輸入信號(hào)，傳感器正行程及反行程中輸出信號(hào)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。遲滯特性如圖所示，它一般是由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即目前二十五頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)遲滯產(chǎn)生的原因，是由于機(jī)械部分的元件腐蝕，松動(dòng)，材料的內(nèi)摩擦，磁性材料的磁滯效應(yīng)等原因。遲滯用相同被測(cè)量下，正、反行程間儀器的指示值的最大差值與測(cè)量范圍之比的百分?jǐn)?shù)表示，在測(cè)量中，儀器的變差不能超過其精度，否則不能繼續(xù)使用，必須更換和修理。目前二十六頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)分辨力：指?jìng)鞲衅髂軝z出被測(cè)信號(hào)的最小變化量。當(dāng)被測(cè)量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無任何反應(yīng)。對(duì)數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認(rèn)為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。

⑤分辨力與閾值有些傳感器,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí),輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。分辨力用絕對(duì)值表示,用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為分辨率。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。

目前二十七頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)

⑥穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)先將傳感器輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，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(duì)誤差表示,也可用絕對(duì)誤差表示。穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟陂L(zhǎng)時(shí)間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時(shí)稱為長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。目前二十八頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)測(cè)試時(shí)先將傳感器置于一定溫度(如20℃),將其輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，使溫度上升或下降一定的度數(shù)(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。⑧抗干擾穩(wěn)定性⑦溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指?jìng)鞲衅髟谕饨鐪囟认螺敵隽堪l(fā)生的變化。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干℃的絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示,每℃引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。指?jìng)鞲衅鲗?duì)外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動(dòng)的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場(chǎng)干擾的能力等。評(píng)價(jià)這些能力比較復(fù)雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。目前二十九頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)㈡測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

測(cè)量系統(tǒng)的基本動(dòng)態(tài)特性是指在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的輸出量與隨時(shí)間變化的輸入量之間的函數(shù)關(guān)系，就是通常所講的輸出與輸入的瞬時(shí)響應(yīng)。更一般說來，就是測(cè)量系統(tǒng)的過渡過程曲線。用體溫表測(cè)量體溫，要過幾分鐘才能讀數(shù)，這時(shí)因?yàn)闀r(shí)間短了，達(dá)不到穩(wěn)定值，要有一過渡過程。一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性標(biāo)志著它的動(dòng)態(tài)品質(zhì)的好壞，當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)的極限頻率等于被測(cè)信號(hào)的最高頻率時(shí)，便可認(rèn)為測(cè)量系統(tǒng)本身能夠完成被測(cè)信號(hào)的測(cè)量任務(wù)。反之，如果測(cè)量系統(tǒng)的極限頻率低于被測(cè)信號(hào)的最高頻率時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的輸出就跟不上輸入的被測(cè)信號(hào)，而產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)誤差。也就是說，若一臺(tái)儀器的輸出信號(hào)是緊緊追蹤一個(gè)急速波動(dòng)的輸入信號(hào)，這臺(tái)儀器就具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。目前三十頁(yè)\總數(shù)三十六頁(yè)\編于十八點(diǎn)1．?dāng)?shù)學(xué)模型與傳遞函數(shù)分析傳感器動(dòng)態(tài)特性，必須建立數(shù)學(xué)模型。線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為一常系數(shù)線性微分方程。對(duì)線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究，主要是分析數(shù)學(xué)模型的輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系，通過對(duì)微分方程求解，得出動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。對(duì)于線性定常（時(shí)間不變）系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型為高階常系數(shù)線性微分方程，即y——輸出量；x——輸入量；t——時(shí)間a0，a1，…，an——常數(shù)；b0，b1，…，bm——常數(shù)——輸出量對(duì)時(shí)間t的n階導(dǎo)數(shù)；