傳感器第1章.ppt

1、傳感器及應(yīng)用,課程教學(xué)目標(biāo)與方法,了解傳感器的基本概念。 掌握常用傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、特性和用途，能正確選用傳感器。 理解傳感器的信號(hào)處理方法和測(cè)量電路、抗干擾技術(shù)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成方法。 掌握常用傳感器的技術(shù)特性及其使用、安裝和調(diào)整方法。 本課程應(yīng)采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，重點(diǎn)理解傳感器的原理與特性，掌握傳感器的選用、安裝與調(diào)整技能。,課程授課計(jì)劃,學(xué)時(shí)分配表（參考）,說(shuō)明,本課程一般為5664學(xué)時(shí) 機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)重點(diǎn)講授第1、2、3、4、5、6、8、10、11章。 電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)重點(diǎn)講授第1、2、3、4、5、6、7、9、10、11章。 汽車電子技術(shù)專業(yè)重點(diǎn)講授第1、2、4、

2、5、6、7、8、10章及9.2節(jié)。 樓宇智能化技術(shù)專業(yè)重點(diǎn)講授第1、2、4、5、6、7、9、10章。 電子信息技術(shù)專業(yè)重點(diǎn)講授第1、2、4、5、6、7、9、10章。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)專業(yè)重點(diǎn)講授第1、2、4、5、6、7、9、10、11章。 若學(xué)時(shí)富裕可適當(dāng)增加第2、3、8章的學(xué)時(shí)。,第1章 傳感器的基本知識(shí), 1.1 傳感器的定義與作用 1.2 傳感器的組成與分類 1.3 傳感器的基本特性 1.4 傳感器的測(cè)量誤差與準(zhǔn)確度 1.5 傳感器中的彈性敏感元件 要點(diǎn)：1.傳感器的作用、類型及基本特性 2.傳感器的誤差與準(zhǔn)確度 3.彈性敏感元件的作用與類型,第一講 1.1 傳感器的定義與作用 1.2 傳

3、感器的組成與分類 1.3 傳感器的基本特性 主要內(nèi)容：傳感器的定義、作用、組成、分類與靜態(tài)特性 能夠回答的問(wèn)題： 1.什么是傳感器？ 2.傳感器有什么作用？ 3.傳感器有哪些功能組成部分？各部分的作用時(shí)什么？ 4.傳感器時(shí)如何分類、命名的？不同分類方法有什么特點(diǎn)？ 5.傳感器的靜態(tài)特性有哪些？如何定義？它們與誤差有什么關(guān)系？,1.1 傳感器的定義與作用,1.1.1 傳感器的定義與作用 傳感器就是利用物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)，把被測(cè)的物理量、化學(xué)量、生物量等非電量轉(zhuǎn)換成電量的器件或裝置。,圖1-1 人機(jī)對(duì)應(yīng)關(guān)系,1.1.2 傳感器的作用和應(yīng)用領(lǐng)域 1.傳感器的作用,如圖1-1所示,人們把傳感

4、器比作人的五種感覺(jué)器官，但在諸如高溫、高濕、深井、高空等環(huán)境及高精度、高可靠性、遠(yuǎn)距離、超細(xì)微等方面是人的感官所不能代替的。,傳感器的作用可包括信息的收集、信息數(shù)據(jù)的交換及控制信息的采集三大內(nèi)容。通過(guò)傳感器對(duì)自然界的各種物質(zhì)信息進(jìn)行采集。,2.傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,如圖1-2所示,傳感器是任何一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。如今，傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域已涉及到科研、各類制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、汽車、智能建筑、家用電器、安全防范、機(jī)器人、人體醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、航空航天、遙感技術(shù)、軍事等各個(gè)方面，人們已經(jīng)離不開各種各樣的傳感器了。,3.傳感器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位 傳感器技術(shù)不僅對(duì)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)及工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)

5、展起到基礎(chǔ)和支柱的作用，同時(shí)在世界各國(guó)也已成為一種重要產(chǎn)業(yè)。可以說(shuō)“沒(méi)有傳感器就沒(méi)有現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)”；沒(méi)有傳感器也就沒(méi)有人類現(xiàn)代化的生活環(huán)境和條件；傳感器技術(shù)已成為科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。,1.2 傳感器的組成與分類,從功能上講，傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及轉(zhuǎn)換電路組成，如圖1-3所示。,1.2.1 傳感器的組成,敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺埽ɑ蝽憫?yīng)）被測(cè)量的部分。在完成非電量到電量的變換時(shí)，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接轉(zhuǎn)換成電量，往往是先變換為另一種易于變成電量的非電量，然后再轉(zhuǎn)換成電量。如傳感器中各種類型的彈性元件常被稱為彈性敏感元件。 轉(zhuǎn)換元件是指能將感受到

6、的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件或元件。如光電池將光的變化量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)，應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻量等。 轉(zhuǎn)換電路是指將無(wú)源型傳感器輸出的電參數(shù)量轉(zhuǎn)換成電量。常用的轉(zhuǎn)換電路有電橋電路，脈沖調(diào)寬電路，諧振電路等，它們將電阻、電容、電感等電參量轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率。 實(shí)際上，有些傳感器的敏感元件可以直接把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出，如壓電晶體、光電池、熱電偶等。通常稱它們?yōu)橛性葱蛡鞲衅鳌?輔助電源為無(wú)源傳感器的轉(zhuǎn)換電路提供電能。,1.2.2 傳感器的分類 傳感器幾種常用的分類方法： 1.按輸入量(被測(cè)對(duì)象)分類 輸入量即被測(cè)對(duì)象，按此方法分類，傳感器可分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類。例

7、如，物理量傳感器又可分為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等等。這種分類方法給使用者提供了方便。 2.按轉(zhuǎn)換原理分類 從傳感器的轉(zhuǎn)換原理來(lái)說(shuō)，通常分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型三大類。 結(jié)構(gòu)型傳感器是利用機(jī)械構(gòu)件(如金屬膜片等)在動(dòng)力場(chǎng)或電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生變形或位移，將外界被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量，它是利用物理學(xué)運(yùn)動(dòng)定律或電磁定律實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。,物性型傳感器是利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、化學(xué)效應(yīng)（即物質(zhì)定律，如虎克定律、歐姆定律等）實(shí)現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)換。它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。例如：電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、熱敏、氣敏、濕敏、磁敏等

8、等。 復(fù)合型傳感器是由結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器組合而成的，兼有兩者的特征。 這種分類方法清楚地指明了傳感器的原理，便于學(xué)習(xí)和研究。 3.按輸出信號(hào)的形式分類 按輸出信號(hào)的形式，傳感器可分為開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。 4.按輸入和輸出的特性分類 按輸入和輸出特性，傳感器可分為線性和非線性兩類。,5.按能量轉(zhuǎn)換的方式分類 按轉(zhuǎn)換元件的能量轉(zhuǎn)換方式，傳感器可分為有源型和無(wú)源型兩類。有源型也稱能量轉(zhuǎn)換型或發(fā)電型，它把非電量直接變成電壓量、電流量、電荷量等，如磁電式、壓電式、光電池、熱電偶等。無(wú)源型也稱能量控制型或參數(shù)型，它把非電量變成電阻、電容、電感等量。 按上述后3種分類方法進(jìn)行分類便于選擇測(cè)量電路

9、。,1.3 傳感器的基本特性 傳感器的特性參數(shù)有很多，且不同類型的傳感器，其特性參數(shù)的要求和定義也各有差異，但都可以通過(guò)其靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行全面描述。 1.3.1 傳感器的靜態(tài)特性 靜態(tài)特性表示傳感器在被測(cè)各量值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出與輸出的關(guān)系。它主要包括靈敏度、分辨力(或分辨率)、測(cè)量范圍及誤差特性。 1.靈敏度 靈敏度是指穩(wěn)態(tài)時(shí)傳感器輸出量y和輸入量x之比，或輸出量的增量y和相應(yīng)輸入量x的增量之比。,線性傳感器的靈敏度k為常數(shù)；非線性傳感器的靈敏度K是隨輸入量變化的量。,2.分辨力 傳感器在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)能夠檢測(cè)出的被測(cè)量的最小變化量稱為分辨力。它往往受噪聲的限制，所以噪聲電平的大小

10、是決定傳感器分辨力的關(guān)鍵因素。 實(shí)際中，分辨力可用傳感器的輸出值表示：模擬式傳感器以最小刻度的一半所代表的輸入量表示，數(shù)字式傳感器則以末位顯示一個(gè)字所代表的輸入量表示。注意不要與分辨率混淆。分辨力是與被測(cè)量有相同量綱的絕對(duì)值，而分辨率則是分辨力與量程的比值。,3.測(cè)量范圍和量程 在允許誤差范圍內(nèi)，傳感器能夠測(cè)量的下限值(y min)到上限值(y max)之間的范圍稱為測(cè)量范圍，表示為y min y max；上限值與下限值的差稱為量程，表示為y F.S y max y min。如某溫度計(jì)的測(cè)量范圍是-20100，量程則為120。,4.誤差特性 傳感器的誤差特性包括線性度、遲滯、重復(fù)性、零漂和溫漂

11、等。 （1）線性度：線性度即非線性誤差，是傳感器的校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差（Lmax）與滿量程值（yF.S）的百分比,校準(zhǔn)曲線：在標(biāo)準(zhǔn)條件下，即在沒(méi)有加速度、振動(dòng)、沖擊及溫度為205、濕度不大于85%RH、大氣壓力為1013277800Pa（76060mmHg）的條件下，用一定等級(jí)的設(shè)備，對(duì)傳感器進(jìn)行反復(fù)循環(huán)測(cè)試，得到的輸入和輸出數(shù)據(jù)用表格列出或畫出曲線，這條曲線稱為校準(zhǔn)曲線。,擬合直線：對(duì)傳感器特性線性化，用一條理論直線代替標(biāo)定曲線，即擬合直線。擬合直線不同，所得線性度也不同。常用的兩種擬合直線，即端基擬合直線和獨(dú)立擬合直線，如圖1-4所示。,圖1-4 傳感器擬合直線示意圖 a）

12、端基擬合直線 b）獨(dú)立擬合直線,端基擬合直線是由傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點(diǎn)輸出平均值和滿量程輸出平均值連成的一條直線。由此所得的線性度稱為端基線性度。這種擬合方法簡(jiǎn)單直觀，應(yīng)用較廣，但擬合精度很低，尤其對(duì)非線性比較明顯的傳感器，擬合精度更差。 獨(dú)立擬合直線方程是用最小二乘法求得的，在全量程范圍內(nèi)各處誤差都最小。獨(dú)立線性度也稱最小二乘法線性度。這種方法擬合精度最高，但計(jì)算很復(fù)雜。,圖1-5 傳感器的遲滯特性,（2）遲滯：遲滯是指在相同工作條件下，傳感器正行程特性與反行程特性的不一致的程度，如圖l-5所示。其數(shù)值為對(duì)應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程輸出值間的最大偏差Hmax，與滿量程輸出值的百分比。用H表示

13、為,或用其一半表示。,3）重復(fù)性：如圖1-6所示，重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特性曲線的不一致性。在數(shù)值上用各測(cè)量值正、反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩倍或三倍與滿量程的百分比表示。記作K：,從誤差的性質(zhì)講，重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差。若誤差完全按正態(tài)分布，則隨機(jī)誤差的標(biāo)準(zhǔn)誤差，可由各次校準(zhǔn)量數(shù)據(jù)間的最大誤差im求出：,式中，前的系數(shù)為置信因數(shù)， n為重復(fù)測(cè)量的次數(shù)。置信因數(shù)取2時(shí)，置信概率為95%；置信因數(shù)取3時(shí)，置信概率為99.73%。,（4）零漂和溫漂：傳感器無(wú)輸入（或某一輸入值不變）時(shí)，每隔一定時(shí)間，其輸出值偏離原示值的最大偏差與滿量程的百分比，即為零

14、漂。溫度每升高1，傳感器輸出值的最大偏差與滿量程的百分比，稱為溫漂。 1.3.2 動(dòng)態(tài)特性 動(dòng)態(tài)特性是描述傳感器在被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)的輸出和輸入的關(guān)系。對(duì)于加速度等動(dòng)態(tài)測(cè)量的傳感器必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的研究，通常是用輸入正弦或階躍信號(hào)時(shí)傳感器的響應(yīng)來(lái)描述的，即傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)。,小結(jié)： 1.傳感器的定義 2.傳感器的組成 3.傳感器的作用 4.傳感器的分類 5.傳感器的基本特性 作業(yè)：1-3、1-4、1-5。思考：1-1、1-2。,第二講 1.4 傳感器的測(cè)量誤差與準(zhǔn)確度 1.5 傳感器中的彈性敏感元件 主要內(nèi)容：誤差的類型、表示方法，準(zhǔn)確度；盈利與應(yīng)變，彈性敏感元件的作用、特性、類型 能夠回答

15、的問(wèn)題： 1.傳感器的誤差是如何表示的？ 2.傳感器的準(zhǔn)確度是如何定義的？它與測(cè)量誤差有什么關(guān)系？ 3.什么是彈性敏感元件？彈性敏感元件的作用是什么？ 4.什么是應(yīng)力和應(yīng)變？應(yīng)力和應(yīng)變有什么關(guān)系？橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變有什么關(guān)系？ 5.彈性敏感元件主要特性有哪些？彈性敏感元件主要類型有哪些？,1.4 傳感器的測(cè)量誤差與準(zhǔn)確度,了解測(cè)量誤差的產(chǎn)生誤差的原因 熟悉測(cè)量誤差的分類 掌握測(cè)量誤差的表示方法 理解準(zhǔn)確度與測(cè)量誤差的關(guān)系,1.4.1 誤差的類型,1.按誤差的性質(zhì)分類 （1）系統(tǒng)誤差 在相同測(cè)量條件下多次測(cè)量同一物理量，其誤差大小和符號(hào)保持恒定或按某一確定規(guī)律變化，此類誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差

16、表征測(cè)量的準(zhǔn)確度。 （2）隨機(jī)誤差 在相同測(cè)量條件下多次測(cè)量同一物理量，其誤差沒(méi)有固定的大小和符號(hào)，呈無(wú)規(guī)律的隨機(jī)性，此類誤差稱為隨機(jī)誤差。通常用精密度表征隨機(jī)誤差的大小。 準(zhǔn)確度和精密度的綜合稱為精確度，簡(jiǎn)稱精度。 （3）粗大誤差 明顯偏離約定真值的誤差稱為粗大誤差。它主要是由于測(cè)量人員的失誤所致，如測(cè)錯(cuò)、讀錯(cuò)或記錯(cuò)等。含有粗大誤差的數(shù)值稱為壞值，應(yīng)予以剔除。在測(cè)量中，若誤差大于極限誤差C，即為粗大誤差。,2.按被測(cè)量與時(shí)間的關(guān)系分類 （1）靜態(tài)誤差 被測(cè)量不隨時(shí)間變化時(shí)測(cè)得的誤差稱為靜態(tài)誤差。 （2）動(dòng)態(tài)誤差 被測(cè)量在隨時(shí)間變化過(guò)程中測(cè)得的誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)誤差是由于檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)

17、響應(yīng)滯后，或?qū)斎胄盘?hào)中不同頻率成分產(chǎn)生不同的衰減和延遲所造成的。動(dòng)態(tài)誤差值等于動(dòng)態(tài)測(cè)量和靜態(tài)測(cè)量所得誤差的差值。,1.4.2 誤差的表示方法,絕對(duì)誤差和修正值的量綱必須與示值量綱相同。 絕對(duì)誤差可表示測(cè)量值偏離實(shí)際值的程度，但不能表示測(cè)量的準(zhǔn)確程度。,（1）絕對(duì)誤差,AxA0,修正值C,C=,當(dāng)AxA0時(shí)，為正誤差；反之為負(fù)誤差。,（2）相對(duì)誤差,實(shí)際相對(duì)誤差,示值(標(biāo)稱)相對(duì)誤差,滿度（引用）相對(duì)誤差,1.4.3 準(zhǔn)確度,傳感器和測(cè)量?jī)x表的誤差是以準(zhǔn)確度表示的。準(zhǔn)確度常用最大引用誤差來(lái)定義,它表示傳感器的最大相對(duì)誤差為S%。,儀表引起的最大測(cè)量相對(duì)誤差為,如壓力傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)分別為0.

18、05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0等；我國(guó)電工儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)分別為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。,某0.1級(jí)壓力傳感器的量程為100MPa，測(cè)量50MPa壓力時(shí)，傳感器引起的最大相對(duì)誤差為0.2%。,1.5 傳感器中的彈性敏感元件,能將力、力矩、壓力、溫度等物理量變換成位移、轉(zhuǎn)角或應(yīng)變的彈性元件，稱為彈性敏感元件。因此，位移傳感器與彈性敏感元件（或構(gòu)件本身）組合，可構(gòu)成力、壓力、加速度、轉(zhuǎn)矩、液位、流量等傳感器。,熟悉應(yīng)力和應(yīng)變的概念 掌握彈性敏感元件的作用、特性和類型,1.應(yīng)力,截面積為S的物體受到外力F的作用并處于平衡狀態(tài)時(shí)，在物體單位

19、截面積上引起的內(nèi)力稱為應(yīng)力,圖1-7 應(yīng)變種類示意圖 a)拉、壓應(yīng)力 b)剪切應(yīng)力,正（向）應(yīng)力：拉伸或壓縮狀態(tài)，拉伸為正，壓縮為負(fù)。,切(向)應(yīng)力：物體一端固定，另一端受平行于端面的力作用， 圖1-7b所示方向?yàn)檎?，反之為?fù)值。,2.應(yīng)變,物體受外力作用時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)變形,縱向應(yīng)變l,橫向應(yīng)變r(jià),切應(yīng)變:切應(yīng)力所產(chǎn)生的變形。,式中， x為力F使角點(diǎn)產(chǎn)生位移， L為固定端至力作用點(diǎn)之間的距離,3.虎克定律與彈性模量,=E =G,式中，E為彈性模量或稱楊氏模量，單位為Nm2； G為剪切模量或稱剛性模量； 為切應(yīng)力。,1.5.2 彈性敏感元件的特性,1.剛度,圖1-8 特性曲線,說(shuō)明彈性元件受力(或力矩、壓力)與其相應(yīng)的位移(線位移，角位移)之間