传感器介绍新

1、传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。例如：水温控制系统例如：水温控制系统传感器原理及应用传感器原理及应用 1.1.1 传感器的组成1.传感器的定义: 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。 2.传感器的组成 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。 其中, 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分; 转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。说明: 由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算、调制等。随着半导体器件与集成技术

2、在传感器中的应用, 传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。 此外, 信号调理、转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源, 因此, 信号调理、转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。 图1-1 传感器的组成框图1.1.2 传感器的分类1按被测物理量分类 这种方法是根据被测物理量的性质进 行分类的，如被测物理量为温度、压力、流量、位移、速度等，则相应的传感器分别称为温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器等。 优点: 比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。 2. 按工作原理分类 传感器的工作原理主要是基于物理

3、、 化学和生物等学科的原理、规律和效应。 据此可将传感器分为电阻式、电感式、电容式、热电式、压电式、光电式等类别。 优点: 对于传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业 工作者对传感器进行深入研究分析。本书的传感器就是按工作原理分类进行编写的。3.按输出信号的性质分类 根据传感器输出信号的性质，可将其 分为模拟传感器和数字传感器两大类。 前者输出模拟信号，后者输出数字信号，当然输出的模拟信号或数字信号都与被测非电量成一定关系。数字传感器便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如盘式角度数字传感器、光栅传感器等。4. 按能量的关系分类 根据能量观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器

4、两大类。前者将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称为换能器，通常配合有电压测量电路和放大器，如压电式、热电式、磁电式等。无源传感器又称为能量控制型传感器，它本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，所以，它们必须具有辅助能源，这类传感器有电阻式、电容式和电感式等。1新材料的开发、应用2新工艺、新技术的应用3利用新的效应开发新型传感器4传感器的集成化5传感器的多功能化6传感器的智能化1.3.1 传感器的静态特性 定义: 传感器在稳态信号作用下，其输出输入关系为静态特性。 衡量传感器静态特性的主要性能指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。 1.线性度 传感器的线

5、性度又称非线性误差，是指传感器输出与输入之间的线性程度。线性度可用下式表示:L线性度（非线性误差）；max最大非线性绝对误差；ym输出满量程值 %100mmaxLy2灵敏度 传感器的灵敏度是指在稳态下输出变化量dy与引起此变化的输入变化量dx之比值，用S表示，即:xySdd3. 迟滞 迟滞（或称迟环）特性是用来说明传 感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出输入特性曲线不重合的程度。 产生原因：主要是敏感元件材料的物理性质和传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等。表示方法： 迟滞大小一般要由试验方法确定，其值用正反行程输出值间最大差值ma

6、x对满量程输出ym的百分比表示：%10021mmaxyrH迟滞特性如图1-2：4.重复性 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线的不一致性程度. 产生原因: 与产生迟滞现象的原因相同 .属于随机误差性质 .重复性的表示方法: 标准偏差 前的系数取2时，误差完全依从正态分布，置信概率为95%；取3时，置信概率为99.73%。根据均方根公式，可以计算，即: 式中 yi 测量值； 测量值的算术平均值； n测量次数。%100)32(%100mmmaxyyRH1)(12inyyniy重复性示意图如图1-31.3.2 传感器的动态特性 定义: 传感器的动态特性是指传感器对激励（输

7、入）的响应（输出）特性。 说明:一个动态特性好的传感器，随时间变化的输出曲线能同时再现随时间变化的输入曲线，即输出输入具有相同类型的时间函数。 1一阶传感器数学模型 :xytydd 设初始条件 : t=0，y=0,当单位阶跃信号X从0到1时，输出响应为： 传感器的时间常数 tye1单位阶跃响应如图1-7所示 由图1-7看出： 只有当t时，y才能达到其稳态值1。 实际工作中，一般根据y达到其稳态值的63.2%所用的时间，来衡量一个传感器动 态响应的速度。值越大，动态响应越慢， 动态误差越大，且存在时间越长。因此，时间常数是一阶传感器的主要动态性能指标，一般希望它越小越好。 2二阶传感器数学模型

8、：xytytynnn2222dd2dd假设初始条件 t=0，y=0，当输入x从0跃变到1时 ：二阶传感器的输出响应分为3种情况： （1）0 1（欠阻尼）时 传感器无阻尼时的固有频率 传感器的阻尼比 22n21arctan1sin-1e1ntytn（2） =1（临界阻尼）时（3） 1（过阻尼）时ttyne11ntteyn2n2122122121e1211图1-5为二阶单位阶跃响应说明：由图分析知一般取 =0.60.8，即欠阻尼状态 。 下面就欠阻尼时的单位阶跃响应，讨论二阶传感器的典型动态性能指标，如图1-6所示。（1）上升时间tr 输出从稳态值的10%到第一次达到其稳态值的90%所用的时间。（

9、2）峰值时间tp 响应曲线到第一个峰值所用的时间。（3）响应时间ts 响应曲线衰减到与稳态值之差不超过5%或2%时所需要的时间，有时称过渡过程时间。（4）最大超调量M 最大超调量就是响应曲线偏离稳态值的最大值。 显然，tr、tp、ts和M数值越小，则传感器的动态性能越好。传感器原理及应用传感器原理及应用 传感器原理及应用 传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用 传感器原理及应用 传感器原理及应用 传感器原理及应用 传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用 传感器原理及应用 传感器原理及应用 传感器原理及应用 传感器原理及应用 传感器原理及应用 传感器原理及应用 传感器原理及应

10、用传感器的数字化和网络化 误差误差= =测量值测量值- -真值真值 例如，在电压测量中，真值电压例如，在电压测量中，真值电压5V5V，测得的电压为，测得的电压为5.3V5.3V，则，则 误差误差= 5.3V - 5V = +0.3V = 5.3V - 5V = +0.3V 真值真值为为“表征某量在所处的表征某量在所处的条件条件下下完美完美地地确定确定的量值的量值”。真值真值是一个理想的概念。是一个理想的概念。真值客观存在，却难以获得。真值客观存在，却难以获得。 实际值实际值-实际测量中常把高一等级的计量标准测得的实际实际测量中常把高一等级的计量标准测得的实际值作为真值使用。值作为真值使用。“实

11、际值实际值”“”“约定真值约定真值”。 测量及测量误差测量及测量误差 测量、测量三要素测量、测量三要素 2.2.误差的表示方法误差的表示方法 相对误差相对误差 绝对误差绝对误差 1.1.绝对误差：绝对误差： 定义：被测量的定义：被测量的测量值测量值x x与其与其真值真值A A0 0之差，称为绝对误差。之差，称为绝对误差。 在实际测量中：在实际测量中： “约定真值约定真值”“”“实际值实际值”= = A A 表示表示 修正值：与绝对误差大小相等，符号相反的量值称为修正值，修正值：与绝对误差大小相等，符号相反的量值称为修正值，一般用一般用C C表示表示 C C= = x x= =A Ax x 大小

12、大小 正负正负 单位单位 x x = =x xA A0 0 x x= =x xA A0U例：例：【2.1.1】 一个被测电压，其真值一个被测电压，其真值为为100V100V，用一只电压表测量，用一只电压表测量，其指示值其指示值U U为为101V101V，则绝对误差，则绝对误差0UUU101 1001V 例：例：【2.1.22.1.2】一台晶体管毫伏表的一台晶体管毫伏表的10mV10mV挡，当用挡，当用其进行测量时，示值为其进行测量时，示值为8mV8mV，在检定时，在检定时8mV8mV刻度处刻度处的修正值是的修正值是-0.03mV-0.03mV，则被测电压的实际值为，则被测电压的实际值为 U=8

13、+(-0.03)=7.97mV2 2 相对误差相对误差： - -表示相对误差表示相对误差例：例：【2.1.32.1.3】测量两个电压，其实际值为测量两个电压，其实际值为U U1 1=100V, =100V, U U2 2=5V=5V，而测得值分别为，而测得值分别为101V101V和和6V6V。则绝对误差为：。则绝对误差为：U U1 1=101-100=1V=101-100=1VU U2 2=6-5=1V=6-5=1V用用相对误差相对误差便于比较便于比较相对误差为：相对误差为： 1 1= =U U1 1/U/U1 1=1%=1% 2 2= =U U2 2/U/U2 2=20%=20%相对误差可以

14、有多种形式：相对误差可以有多种形式： x0 0= =1 10 00 0% %A Axx= =1 10 00 0% %A Amxxx xm m= =1 10 00 0% %mxxm mm m= =1 10 00 0% % = = S S% %真值相对误差真值相对误差 实际值相对误差实际值相对误差 测量值（示值）相对误差测量值（示值）相对误差 满度（或引用）相对误差满度（或引用）相对误差 常用常用因通常因通常A A0 0、A A、X X X X 故常用故常用X X方便方便电工仪表将满度相对误差分为七个等级：电工仪表将满度相对误差分为七个等级： 序号序号一一二二三三四四五五六六七七S%S%0.10.

15、10.20.20.50.51.01.01.51.52.52.55.05.0 3. 3.引用误差引用误差 mxxm mm m= =1 10 00 0% % = = S S% % 仪表精度等级：仪表精度等级： 例：例：【2.1.5】用用MF-20型晶体管万用表交流电压的型晶体管万用表交流电压的30V挡，分别测量挡，分别测量6V及及20V电压，求最大示值相电压，求最大示值相对误差。此表交流电压挡得准确度等级为对误差。此表交流电压挡得准确度等级为4级。级。当当Ux=6V时，时，%mxmxUSU 304%20%6 当当Ux=20V时，时，%mxmxUSU 304%6%20 例：例：【2.1.6】被测量的

16、实际值被测量的实际值U=10V，现有，现有（1）150V，0.5级和（级和（2）15V，2.5级两只电压表，问选择哪只表测量级两只电压表，问选择哪只表测量误差较小？误差较小？用（用（1）表时，）表时，%mmUSU 0.5% 150 0.75 V 示值范围示值范围(100.75) V用（用（2）表时，）表时，%mmUSU 2.5% 15 0.375 V 示值范围示值范围(100.375) V2.1.4 2.1.4 误差按性质分类误差按性质分类(P1921)(P1921)随机误差随机误差 系统误差系统误差 粗大误差粗大误差 随机误差随机误差-不可预定方式变化的误差不可预定方式变化的误差系统误差系统

17、误差-按一定规律变化的误差按一定规律变化的误差粗大误差粗大误差-显著偏离实际值的误差显著偏离实际值的误差 测量结果的评价测量结果的评价 系统误差系统误差 小，准确度高小，准确度高 A A或或A AX Xi iX Xi i随机误差随机误差 小小 ，精密度高，精密度高 A AA A或或X Xi i系统误差和随机误差都较小，称精确度高系统误差和随机误差都较小，称精确度高 A A或或X Xi iX Xi i 传感器接口电路用于完成传感器输出电信号的处理，是传感器与后续电路的连接环 节，其性能直接影响到整个系统。1.传感器输出信号的特点:(1)传感器输出信号的形式多样化，有电阻、电感、电荷、电压等。(2

18、)传感器输出信号微弱，不易于检测。 (3)传感器输出阻抗较高，会产生较大的信号衰减。(4)传感器输出信号动态范围宽，输出信号会受到环境因素的影响，影响到测量的精度。2常见接口电路 （一）放大电路（1）反相放大电路（2）同相放大电路（一）放大电路（3）差动放大电路 （二）阻抗匹配器 传感器输出阻抗都比较高，比一般电压放大电路的输入阻抗要大得多，若将传感器直 接与放大电路进行连接，则信号衰减很大，甚至不能正常工作。常常使用高输入阻抗低输 出阻抗的阻抗匹配器。 常用的阻抗匹配器是半导体阻抗匹配器、场效应管阻抗匹配器及集 成电路阻抗匹配器等。（三）电桥电路 电桥电路是传感器系统中经常使用的转换电路，主要用来把电阻、电容、电感的