传感器与测试技术 第三课

1、传感器与测试技术数控工程学院传感器的基本特性传感器的命名及代号手机中的传感器了解简易仿生物形机器人本次课内容本次课内容手机中的传感器手机中的传感器典型的传感器，重力传感器、光线传感器、触摸传感器（触摸屏的典型应用）、磁阻传感器（电子指南针）、加速传感器（iphone4的三轴陀螺仪）等。这些传感器的应用为智能手机增加感知能力，使手机能够知道自己做什么，甚至怎么做的动作。手机中的传感器手机中的传感器目前绝大多数智能手机和平板电脑内置了重力传感器，如苹果的系列产品iphone和ipad，Android系列的手机等。重力传感器在手机横竖的时候屏幕会自动转，可以不通过按键，将手机平放，左右摇摆就可以代替

2、模拟机游戏的方向左右移动了。重力加速度 晶体变形 电压转换压电效应重力传感器重力传感器通过重力感应操控的游戏在手机中主要应用在翻盖或滑盖的控制电路中，通过翻盖或滑盖的动作来控制挂掉电话或接听电话、锁定键盘及解除键盘锁等。霍尔传感器外型封装很似三极管，但看起来比三极管更胖一些。在手机中，霍尔传感器的封装有3个引脚的，也有4个引脚的。霍尔传感器霍尔传感器利用霍尔效应做成的半导体元件就是霍尔传感器。霍尔传感器可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子材料等等。霍尔传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小

3、，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔传感器分为线性型霍尔传感器件和开关型霍尔传感器两种。手机中使用的霍尔传感器是微功耗开关型霍尔传感器。NOKIA N73滑盖手机的霍尔传感器电路光线感应器也叫做亮度感应器，很多平板电脑和手机都配备了该感应器。一般位于手持设备屏幕上方，它能根据手持设备目前所处的光线亮度，自动调节手持设备屏幕亮度，来给使用者带来最佳视的觉效果。例如在黑暗的环境下，手持设备屏幕背光灯就会自动变暗，否则很刺眼。光线传感器光线传感器利用电容式传感器，手机按键无需移动式元件就可以实现，这样会形成平顺光滑的接触表面。手机使用的电容式触摸屏，屏幕面

4、板和触摸屏合二为一，透光率高，使用寿命长，适合手机的超薄化设计，加上可以多点触摸功能，深受用户喜爱。触摸传感器触摸传感器电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。陀螺仪(Gyroscope)，是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成。 陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向

5、。陀螺仪有单轴陀螺仪和三轴陀螺仪，单轴的只能测量一个方向的量，也就是一个系统需要三个陀螺仪。而三轴陀螺仪可同时测定6个方向的位置，移动轨迹，加速。所以一个三轴陀螺仪就能替代三个单轴陀螺仪。三轴陀螺仪多用于航海、航天等导航、定位系统，能够精确地确定运动物体的方位。如今也多用于智能手机当中。三轴陀螺仪三轴陀螺仪利用三轴陀螺仪进行体感控制的游戏NFCNFC技术技术主题词+四级修饰语传感器的命名$主题词传感器 $第一级修饰语被测量，一般可后续以“式”字。$第二级修饰语转换原理$第三级修饰语特征描述$第四级修饰语技术指标命名法的构成 传感器的命名与代号传感器的命名与代号传感器的命名在技术文件、产品样书、

6、学术论文和教材等较实用的场合，比如：放大型应变式绝对压力传感器压电式加速度传感器应变式位移传感器经常会缩写为只采用第2级或第1级修饰语，比如：压变式传感器 压力传感器压电式传感器 温度传感器光电式传感器传感器的命名与代号传感器的命名与代号传感器的命名传感器的命名及代号代号的标记方法 序号转换原理被测量主称C速度、加速度、 冲击、振动、力、重量（称重）、压力、声压、力矩、姿态、位移、液位、流量、温度、可见光、照度、湿度、粘度、浊度、离子活浓度、磁电电位器式、电阻式、电流式、电感式、电容式、电涡流式、电热式、电磁式、电化学式、电离式、压电式、压阻式、应变计式、谐振式、伺服式、磁阻式、光电式在被测量

7、、转换原理、序号三部分代号之间有连字符在被测量、转换原理、序号三部分代号之间有连字符“-”连接。连接。例例1：应变式位移传感器，代号为：应变式位移传感器，代号为：CWY-YB-10；例例2：光纤压力传感器，代号为：光纤压力传感器，代号为：CY-GQ-1；例例3：温度传感器，代号为：温度传感器，代号为：CW-01A；例例4：电容式加速度传感器，代号为：电容式加速度传感器，代号为：CA-DR-2。传感器的命名与代号传感器的命名与代号传感器的基本特性传感器的基本特性根据传感器根据传感器的被测量是的被测量是否随时间快否随时间快速变化分类速变化分类静态特性：静态特性：被测量不随时间变化或者变化缓慢时传感

8、器的输入与输出的关系。动态特性：动态特性：被测量随时间快速变化时传感器的输入与输出的关系。传感器的基本特性传感器的基本特性，即，即输入输入输出特性输出特性传感器的静态特性传感器的静态特性 传感器的静态数学模型传感器的静态数学模型-静态的数学模型是指静态的数学模型是指在静态信在静态信号作用下，传感器输出量号作用下，传感器输出量y y与输入量与输入量x x之间的一种函数关系之间的一种函数关系。如。如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可用次多项式来表示为用次多项式来表示为(1-1)2012.nny aax a xa x 输入量，

9、输入量，即被测量即被测量传感器的理传感器的理论输出量论输出量零输入时的零输入时的输出输出, ,也叫也叫零位输出零位输出传感器线性项传感器线性项系数也称线性系数也称线性灵敏度，常用灵敏度，常用K或或S表示表示非线性项系数，非线性项系数，其数值由具体其数值由具体传感器非线性传感器非线性特性决定特性决定传感器静态数学模型传感器静态数学模型4 4种特殊形式种特殊形式理想的线性特性理想的线性特性- -能准确无误地反映被测的真值能准确无误地反映被测的真值, ,线性度最好线性度最好(a)(a)。线性特性线性特性-不过原点的直线不过原点的直线(b) (b) 仅有偶次非线性项仅有偶次非线性项-线性范围较窄，线性

10、度较差，灵敏度为线性范围较窄，线性度较差，灵敏度为相应曲线的斜率相应曲线的斜率(c)(c) 2420242.nnyaa xa xa x仅有奇次非线性项仅有奇次非线性项-线性范围较宽，且特性曲线相对坐标原线性范围较宽，且特性曲线相对坐标原点对称，具有这种特性的传感器使用时应采取线性补偿措施点对称，具有这种特性的传感器使用时应采取线性补偿措施 (d) 32101321.nnyaa xa xax 传感器典型静态特性曲线传感器典型静态特性曲线xyxyxx（a）（b）（c）（d） n = 0,1,2, 1ya x01yaa x传感器的静态性能指标传感器的静态性能指标传感器的静态特传感器的静态特性主要由性

11、能指性主要由性能指标来描述标来描述量程范围量程范围线性度线性度灵敏度灵敏度重复性重复性迟迟 滞滞分辨力和阈值分辨力和阈值稳定性稳定性漂漂 移移1. 1.线性度线性度u线性度线性度-传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离偏离理论拟合直线理论拟合直线的程度的程度，又称非线性误差。线性度可用下式表，又称非线性误差。线性度可用下式表示为示为 max.100%LF Sey .max0F Syyy(1-6)实际曲线与拟实际曲线与拟合直线之间的合直线之间的最大偏差最大偏差满量程输满量程输出平均值出平均值最大输出最大输出平均值平均值最小输出最小输出平均值平均值线性度是

12、以拟合直线作为基准来确定的，线性度是以拟合直线作为基准来确定的，拟合方法不同，线性度的大小也不同拟合方法不同，线性度的大小也不同u常用的拟合方法有常用的拟合方法有理论直线法、端点连线法、割线法、最小二乘法理论直线法、端点连线法、割线法、最小二乘法等。等。u端点连线法简单直观，应用比较广泛，但没有考虑所有测量数据的分布，端点连线法简单直观，应用比较广泛，但没有考虑所有测量数据的分布， 拟合精度较低。拟合精度较低。u最小二乘法拟合精度最高，但计算繁琐，需要借助计算机来完成。最小二乘法拟合精度最高，但计算繁琐，需要借助计算机来完成。2. 2.灵敏度灵敏度u灵敏度灵敏度是是传感器在稳态下输出增量与输入

13、增量的比值传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。u线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图1-5a1-5a所示所示. .图图1-5 1-5 传感器的灵敏度传感器的灵敏度u非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图1-5b1-5b所示所示. .3.3.重复性重复性max.100%RF Sey 不重复性主要由传感器的机械部分的磨不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘、损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘、电路老化、工作点漂移等原因产生。电路老化、工作点漂移

14、等原因产生。u多次测试的不重复误差，多次测试的不重复误差， 多次测试的曲线越重合，多次测试的曲线越重合， 其重复性越好其重复性越好。输出最大不输出最大不重复误差重复误差满量程输出满量程输出平均值平均值图图1-6 1-6 重复性重复性maxmax1max2=max(,)u重复性重复性-传感器在传感器在输入量按同一方向（输入量增大或输入量减少）作输入量按同一方向（输入量增大或输入量减少）作全量程全量程多次多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图如图1-61-6所示所示。标准偏差标准偏差u重复性误差反映的是校准数据的重复性误差反映的是校准数据的离散程度离散程度，

15、属，属随机误差随机误差，按上述，按上述方法计算就不太合理。由于测量次数不同，其最大偏差也不一样。方法计算就不太合理。由于测量次数不同，其最大偏差也不一样。因此一般按因此一般按标准偏差标准偏差来计算重复性误差，其表达式为来计算重复性误差，其表达式为: : max.(23)100%RF Sey 标准偏差常用贝塞尔公式计算标准偏差常用贝塞尔公式计算21()1niiiyyn全部校准点正、反行程输全部校准点正、反行程输出值的标准偏差中最大值出值的标准偏差中最大值某校准点某校准点i的输出值的输出值在第在第i个校准点上个校准点上输出量的平均值输出量的平均值测量次数测量次数4. 4.迟滞现象迟滞现象u迟滞现象

16、迟滞现象-传感器在传感器在正向行程正向行程( (输入量增大输入量增大) )和和反向行程反向行程( (输入量输入量减小减小) )期间期间，输出输出输入特性曲线输入特性曲线不一致的程度不一致的程度，如图，如图1 17 7所示。所示。maxmax.100%100%2HHF SF Seeyy 或（1-12）u迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉松迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂、材料内摩擦、积尘等。动、元件腐蚀或碎裂、材料内摩擦、积尘等。最大滞环误差最大滞环误差 图图1-7 1-7 迟滞特性迟滞特性图图1-8 1-8 分辨力和

17、阈值分辨力和阈值yx阈值0minx 5. 5.分辨力和阈值分辨力和阈值 u传感器的分辨力传感器的分辨力-实际测量时，传感器的输入实际测量时，传感器的输入输出关系不可能保持绝对连续。有时输入量开始输出关系不可能保持绝对连续。有时输入量开始变化，但输出量并不立刻随之变化，而是输入量变化，但输出量并不立刻随之变化，而是输入量变化到某一程度时输出才突然产生一小的阶跃变变化到某一程度时输出才突然产生一小的阶跃变化。实际上传感器的特性曲线并不是十分平滑，化。实际上传感器的特性曲线并不是十分平滑，而是呈阶梯形变化的，如图而是呈阶梯形变化的，如图1-81-8所示。所示。在在规定测量规定测量范围内所能检测的输入

18、量的最小变化量范围内所能检测的输入量的最小变化量XminXmin（有量纲）（有量纲）。有时也用该值相对满量程输入值的有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示（分辨率百分数表示（分辨率- -无量纲）。无量纲）。u阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、钝感区，钝感区，是输入量由零变化到使输出量开始发生是输入量由零变化到使输出量开始发生可观变化的输入量的值可观变化的输入量的值，图中的，图中的 值。值。6. 6.稳定性稳定性u稳定性有稳定性有短期稳定性短期稳定性和和长期稳定性长期稳定性之分。之分。u传感器常用传感器常用长期稳定性长期稳定性表示，它是指在

19、室温条件下表示，它是指在室温条件下, ,经过相当长的时经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定输出与起始标定时的输出之时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征其输出的稳定度。间的差异。通常又用其不稳定度来表征其输出的稳定度。7. 7.漂移漂移u传感器的漂移传感器的漂移-外界的干扰下外界的干扰下，输出量发生与输入量输出量发生与输入量无关无关的不需要的不需要的变化的变化。零点漂移零点漂移灵敏度漂移灵敏度漂移漂移漂移时间漂移时间漂移-指在规定的条件下，零点指在规定的条件下，零点 或灵敏度或灵敏度随时间随时间的缓慢变化的缓慢变化温度漂移温

20、度漂移-环境温度环境温度变化变化而引起的零点而引起的零点或或 灵敏度的变化灵敏度的变化温度漂移温度漂移时间漂移时间漂移8. 8. 测量范围和量程测量范围和量程u传感器所能测量的传感器所能测量的最大被测量最大被测量（输入量）的数值称为（输入量）的数值称为测量上限测量上限，最小被测量最小被测量称为称为测测量下限量下限，上限与下限之间的区间，则称为测量范围。，上限与下限之间的区间，则称为测量范围。u量程量程-测量上限与下限的测量上限与下限的代数差代数差。例如：例如：u测量范围为测量范围为0 0+10N+10N，量程为，量程为10N10N；u测量范围为测量范围为-20-20+20+20，量程为，量程为

21、4040；u测量范围为测量范围为-5-5+10g+10g，量程为，量程为15g15g；u测量范围为测量范围为1001001000Pa1000Pa，量程为，量程为900Pa900Pa；u通过测量范围，可以知道传感器的通过测量范围，可以知道传感器的测量上限与下限测量上限与下限，以便正确使用传感器；，以便正确使用传感器；通过量程，可以知道传感器的通过量程，可以知道传感器的满量程输入值满量程输入值，而其对应的满量程输出值，而其对应的满量程输出值，乃是决定传感器性能的一个重要数据。乃是决定传感器性能的一个重要数据。稳定性稳定性(零漂零漂)传感器传感器温度温度供电供电各种干扰稳定性各种干扰稳定性温漂温漂分

22、辨力分辨力冲击与振动冲击与振动电磁场电磁场线性线性滞后滞后重复性重复性灵敏度灵敏度输入输入误差因素误差因素外界影响外界影响 传感器输入输出作用图传感器输入输出作用图输出输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特衡量传感器特性的主要技术性的主要技术指标指标传感器的动态特性传感器的动态特性 u传感器的动态数学模型传感器的动态数学模型-指在随时间变化的动态输入信号作用下，指在随时间变化的动态输入信号作用下，传感器输出与输入量间的函数关系，它通常称为传感器输出与输入

23、量间的函数关系，它通常称为响应特性响应特性。u动态数学模型一般采用动态数学模型一般采用微分方程微分方程和和传递函数传递函数描述。描述。传感器的动态数学模型微分方程表达式微分方程表达式 式中：式中： 与传感器的结构有关的常数与传感器的结构有关的常数 t t时间；时间；y y输出量输出量y(t)y(t)；x x输入量输入量x(t)x(t)。1110111101.nnnnnnmmmmmmd ydydyaaaa ydtdtdtd xdxdxbbbb xdtdtdt101.onmaaabbb、 、 ， 、 、（1-13）u数学上常采用数学上常采用拉普拉斯变换拉普拉斯变换将实数域的微分方程变成复数域将实数

24、域的微分方程变成复数域（S S域）的代数方程，求解代数方程就容易多了。域）的代数方程，求解代数方程就容易多了。 传递函数传递函数u动态特性的传递函数在线性定常系统中是初始条件为动态特性的传递函数在线性定常系统中是初始条件为0 0时，时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。u由数学理论知，如果当由数学理论知，如果当t0t0时时,y(t)=0,y(t)=0,则则y(t)y(t)的拉普拉斯的拉普拉斯变换可定义为变换可定义为 式中式中 s=+j s=+j， 0 0。对式（对式（1 11313）现两边取拉普拉斯变换，则得）现两边取拉普拉斯变换，则得0(

25、 )( )stY Sy t edt(1-14) 011101( )(.)( )(.)nnmmnnmmY s a sasaX s b sbsb则系统的传递函数 为( )H s011110.( )( )( ).mmmmnnnnb sbsbY sH sX sa sasa1110111101.nnnnnnmmmmmmd ydydyaaaa ydtdtdtd xdxdxbbbb xdtdtdt（113）动态特性动态特性u在动态在动态( (快速变化快速变化) )的输入信号作用下，要求传感器不仅的输入信号作用下，要求传感器不仅能精确地测量信号的幅值大小，而且能测量出信号变化能精确地测量信号的幅值大小，而且能

26、测量出信号变化的过程。这就要求传感器能的过程。这就要求传感器能迅速准确迅速准确地地响应和再现响应和再现被测被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。动态特性动态特性时域时域-阶跃响应法（研究系统输出波形）阶跃响应法（研究系统输出波形） - -输入阶跃信号输入阶跃信号频域频域-频率响应法来（研究系统稳态响应）频率响应法来（研究系统稳态响应） - -输入正弦信号输入正弦信号阶跃响应特性（时域）阶跃响应特性（时域） u给传感器输入一个单位阶跃函数信号给传感器输入一个单位阶跃函数信号u其输出特性称为阶跃响应特性。表征阶跃响应特其输出特性称为阶跃

27、响应特性。表征阶跃响应特性的主要技术指标有：时间常数、延迟时间、上升性的主要技术指标有：时间常数、延迟时间、上升时间、峰值时间、最大超调量、响应时间等。如图时间、峰值时间、最大超调量、响应时间等。如图1-91-9、1-101-10所示。所示。x x（t t）= = 0010 tt (1-16) tptrtstdtp稳态误差1.00.90.50.1( )y t0(52)%图图1-10 1-10 二阶传感器阶跃响应特性二阶传感器阶跃响应特性trtdt1.00.90.50.1( )y t0.6320图图1-9 1-9 一阶传感器阶跃响应特性一阶传感器阶跃响应特性如图如图1-111-11所示。将所示。将 代入式代入式(1(115)15)中，传递函数中，传递函数H(s)H(s)变为变为H(j)H(j)，可得系统，可得系统的频率响应特性。的频率响应特性。