第二章 传感器的基本概念

1、LOGO李雅琼第二章 传感器的基本概念Company Logo第二章第二章 传感器的基本概念传感器的基本概念u传感器的定义与组成传感器的定义与组成u传感器的分类传感器的分类u传感器的性能指标、命名和代号传感器的性能指标、命名和代号u传感器的基本特性传感器的基本特性u传感器基本测量电路传感器基本测量电路u传感器的标定和校准传感器的标定和校准u改善传感器性能的主要技术途径改善传感器性能的主要技术途径2.1 传感器的定义与组成传感器的定义与组成u定义：定义：n能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。号的器件或装置。1.传感器

2、时测量装置，能完成检测任务传感器时测量装置，能完成检测任务2.它的输入量是某一被测量，它的输入量是某一被测量，eg物理量、化学量、生物量物理量、化学量、生物量3.输出量是某一物理量，主要用于传输、转换、处理、显示等输出量是某一物理量，主要用于传输、转换、处理、显示等 可以是光、气、电量。最主要的是电量可以是光、气、电量。最主要的是电量1.输入输出有对应关系，切有一定的精确度输入输出有对应关系，切有一定的精确度2.传感器的组成传感器的组成u 传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。u 敏感元件：敏感元件：n直接感受被测量，并输出与被

3、测量成确定关系的某一物直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量。理量。u 转换元件：n以敏感元的输出为数日，把输入转换成电路参数。以敏感元的输出为数日，把输入转换成电路参数。u 转换电路：n上述参数接入转换电路，便可转换成电量输出。上述参数接入转换电路，便可转换成电量输出。u 实际上一个传感器可能只含有其中1个，或两个，也可都有。敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路转换电路辅助电源辅助电源3. 对传感器的一般要求对传感器的一般要求 足够的容量，有一定的过载能力足够的容量，有一定的过载能力 灵敏度高，精度适当灵敏度高，精度适当 响应速度快，工作稳定，可靠性好。响应速度快，工作稳定

4、，可靠性好。 使用性和实用性强：n体积小，重量轻等体积小，重量轻等 使用经济：n成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。2.2 传感器的分类传感器的分类u按传感器的工作机理分类按传感器的工作机理分类n结构型传感器结构型传感器n按物理学中场的定律定义的按物理学中场的定律定义的n工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础。础。n物性型传感器物性型传感器n按照物质定律定义的按照物质定律定义的n物质定律是表示物质某种客观性质的法则，此类型传感器的物质定律是表示物质某种客观性质的法则，此类型传感器的性

5、能随着材料性质的不同而异。性能随着材料性质的不同而异。n复合型传感器复合型传感器n由结构型和物性型组合而成，兼有两者的特征由结构型和物性型组合而成，兼有两者的特征2.2 传感器的分类传感器的分类u按传感器转换能量的情况分类按传感器转换能量的情况分类n无源传感器无源传感器n由能量变换元件构成，不需要外接电源由能量变换元件构成，不需要外接电源neg,基于压电效应、热电效应、光电动势效应基于压电效应、热电效应、光电动势效应n有源传感器有源传感器n需要外部电源供给需要外部电源供给neg,电阻，电容，电感等电路参量传感器；电阻，电容，电感等电路参量传感器；neg,基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光

6、电效应，霍基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应，霍尔效应等的传感器尔效应等的传感器2.2 传感器的分类传感器的分类u按原理划分：按原理划分：P11u按被测量类别分类按被测量类别分类u按传感器输出信号的形式分类按传感器输出信号的形式分类n模拟量传感器：输出量为模拟量模拟量传感器：输出量为模拟量n数字量传感器：输出量为数字量数字量传感器：输出量为数字量2.3 传感器的性能指标、命名和代号传感器的性能指标、命名和代号u传感器的性能指标传感器的性能指标u传感器的命名和代号传感器的命名和代号传感器的性能指标传感器的性能指标u可靠性：可靠性：n工作寿命、平均无故障时间、疲劳性能、安全措施工作寿命

7、、平均无故障时间、疲劳性能、安全措施u静态精度：静态精度：n静态误差、线性度、重复性、灵敏度、稳定性指标静态误差、线性度、重复性、灵敏度、稳定性指标u动态性能：动态性能：n固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、临界速度固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、临界速度u量程：量程：n量程范围、过载能力量程范围、过载能力u抗干扰能力：抗干扰能力：n抗击外界产生的电磁波、震动、冲击、加速度、噪声干扰等抗击外界产生的电磁波、震动、冲击、加速度、噪声干扰等传感器的性能指标传感器的性能指标u 通用性：设计的标准符合国际或国家的标准通用性：设计的标准符合国际或国家的标准u 外形尺寸：为设计者的安装提供

8、依据外形尺寸：为设计者的安装提供依据u 价格成本低价格成本低u 能耗少能耗少u 对被测对象的影响：对被测对象的影响：n因传感器测量精度、外形尺寸、质量等指标引起被测对象固有因传感器测量精度、外形尺寸、质量等指标引起被测对象固有性能的变化性能的变化u 注：上述指标并不是每个传感器必备的，在实际使用中应有所侧重，保证主要参数，其他指标基本满足要求就可以了。传感器的命名和代号传感器的命名和代号u命名方法：命名方法：n按照国家标准按照国家标准GB/T7666-2005传感器命名法及代码规传感器命名法及代码规定：一种传感器产品的名称，应由主题词加定：一种传感器产品的名称，应由主题词加4级修饰语构成。级修

9、饰语构成。n主题词：传感器主题词：传感器n一级修饰语：被测量一级修饰语：被测量n二级修饰语：转换原理，可后续以二级修饰语：转换原理，可后续以“式式”字字n三级修饰语：特征描述，可后续以三级修饰语：特征描述，可后续以“型型”字字n四级修饰语：主要技术指标（量程、测量范围、精度等）四级修饰语：主要技术指标（量程、测量范围、精度等）u 注：实际命名时，出第一级修饰语外其他级可视产品的具体情况任选或省略。传感器代号标记方法传感器代号标记方法u 规定：应用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完成的代规定：应用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完成的代号号u 第一部分：主称，第一部分：主称，Cu 第

10、二部分被测量：一个或两个汉字拼音的首字母大写第二部分被测量：一个或两个汉字拼音的首字母大写u 第三部分：转换原理，一个或两个首字母大写第三部分：转换原理，一个或两个首字母大写u 第四部分：序号。可表征产品设计特征、性能参数、产品系列等第四部分：序号。可表征产品设计特征、性能参数、产品系列等2.4 传感器的基本特性传感器的基本特性u传感器的静态特性传感器的静态特性u传感器的动态特性传感器的动态特性1. 传感器的静态特性传感器的静态特性u静态特性静态特性n传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。系。n当输入量为常量，或变化极慢时的输入输出关系

11、。当输入量为常量，或变化极慢时的输入输出关系。（1）线性度）线性度u 静态特性曲线可通过实际测试获得。静态特性曲线可通过实际测试获得。u 实践中为了方便，采用各种手段线性化处理。实践中为了方便，采用各种手段线性化处理。u 一般误差不大的情况下，常采用直线拟合的办法来线性化。一般误差不大的情况下，常采用直线拟合的办法来线性化。u 线性度：线性度：n直线拟合线性化时，输入输出的校正曲线与拟合曲线之间的最大偏差直线拟合线性化时，输入输出的校正曲线与拟合曲线之间的最大偏差，又称非线性误差。通常用相对误差来表示。，又称非线性误差。通常用相对误差来表示。（1）线性度）线性度u常用的拟合方法如下：常用的拟合

12、方法如下：u实际中，较多采用最小二乘法拟合，精度高，但校实际中，较多采用最小二乘法拟合，精度高，但校准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最小，最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。小，最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。（2）迟滞）迟滞u传感器在正（输入量增大）反（输出量减小）行程中传感器在正（输入量增大）反（输出量减小）行程中输入输出曲线不重合称为迟滞。输入输出曲线不重合称为迟滞。u即对应于同一大小的输入信号，传感器的输出信号不即对应于同一大小的输入信号，传感器的输出信号不相等。相等。u此误差反应了传感器的机械部分和结构材料方面不可此误差反应了

13、传感器的机械部分和结构材料方面不可避免的弱点，如轴承摩擦、间隙等。避免的弱点，如轴承摩擦、间隙等。m a xm a x1 0 0 %HF SHHey： 正 反 行 程 间 最 大 差 值（3）重复性）重复性u重复性重复性n传感器在输入按同一方向作全量程连续变动时所得的曲线传感器在输入按同一方向作全量程连续变动时所得的曲线不一致的程度。不一致的程度。（4） 灵敏度灵敏度u静态灵敏度静态灵敏度n传感器输出的变化量与引起该变化的输入变化量之比传感器输出的变化量与引起该变化的输入变化量之比nK=y/xu 线性传感器的校准曲线斜率就是灵敏度。u 非线性传感器的灵敏度用dy/dx表示，u 灵敏度误差用相对

14、误差。（5）分辨率和阀值）分辨率和阀值u分辨率分辨率n传感器能检测到的最小的输入增量。传感器能检测到的最小的输入增量。u阀值n当一个传感器的输入量从零开始极缓慢的增加，只有在达当一个传感器的输入量从零开始极缓慢的增加，只有在达到了某一最小值后，才测得出变化，这个最小值即为阀值到了某一最小值后，才测得出变化，这个最小值即为阀值u阀值即为传感器在零点附近的阀值。（6）稳定性和温度稳定性）稳定性和温度稳定性u稳定性：稳定性：n传感器在长时间工作的情况下输出量发生的而变化。传感器在长时间工作的情况下输出量发生的而变化。n测试时，一般先将传感器输出调至零点或某一特定点，隔测试时，一般先将传感器输出调至零

15、点或某一特定点，隔4h、8h或一定工作次数，读输出值，前后两次之差即为或一定工作次数，读输出值，前后两次之差即为稳定性误差。稳定性误差。u温度稳定性：n传感器在外界温度变化下输出量发生的变化。传感器在外界温度变化下输出量发生的变化。n测试时，一般先将温度调至零点或某一特定点，每上升或测试时，一般先将温度调至零点或某一特定点，每上升或下降一定度数（下降一定度数（5或或10度），读输出值，前后两次之差即度），读输出值，前后两次之差即为稳定性误差。为稳定性误差。（7）漂移）漂移u漂移漂移n在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输出在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输出量无关的、不需要的变

16、化。量无关的、不需要的变化。n零点漂移零点漂移n灵敏度漂移灵敏度漂移n时间漂移时间漂移n温度漂移温度漂移（8）静态误差）静态误差u静态误差静态误差n指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏移指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏移程度。程度。n是评价传感器静态性能的综合性指标。是评价传感器静态性能的综合性指标。u 求取方法见P18u 静态误差基本上包括前面的非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差，因此也可以由这些误差综合而得。2. 传感器的动态特性传感器的动态特性u动态特性动态特性n传感器对随时间变化的输入量的相应特性。传感器对随时间变化的输入量的相应特性。u使

17、用传感器应根据其动态特性要求与使用条件选择合理的使用方法，同时对给定条件下的传感器动态误差做出估计。（1）传感器的频率相应特性）传感器的频率相应特性u频率相应函数频率相应函数n初始条件为初始条件为0时，输出输入的傅利叶变化之比。时，输出输入的傅利叶变化之比。u频率特性频率特性n将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，其输将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，其输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系。出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系。u幅频特性n输出输入的幅值比。输出输入的幅值比。u相频特性n输出输入的相角差。输出输入的相角差。（2）传感器的阶跃相应特性）传感器的阶跃相应特

18、性u阶跃响应阶跃响应n给静止的传感器输入一给静止的传感器输入一个单位节约信号，输出个单位节约信号，输出信号即为阶跃相应。信号即为阶跃相应。u时间常数u上升时间u相应时间u超调量u衰减度u延迟时间2.5 传感器基本测量电路传感器基本测量电路u传感器是将被测非电量传感器是将被测非电量转换为电阻、电容或电转换为电阻、电容或电感的变化，但这些不能感的变化，但这些不能直接输出，只能转换成直接输出，只能转换成电压或电流的变化，才电压或电流的变化，才有可能用电测仪表来测有可能用电测仪表来测定。定。u一般用电桥电路作为测一般用电桥电路作为测量电路。量电路。测量电桥电路的特点测量电桥电路的特点1. 能把反映被测

19、信号的电阻、电容、电感的变化转化为能把反映被测信号的电阻、电容、电感的变化转化为电压电流的变化，易于信号的放大和处理。电压电流的变化，易于信号的放大和处理。2. 当被测电抗参数变化为当被测电抗参数变化为0时，可以通过调节电桥的某时，可以通过调节电桥的某些桥臂，使电桥处于平衡状态，输出为零。消除了系些桥臂，使电桥处于平衡状态，输出为零。消除了系统的静态成分。统的静态成分。3.电桥电路的输出（电压或电流）与电桥的输入电抗之电桥电路的输出（电压或电流）与电桥的输入电抗之间存在非线性关系。间存在非线性关系。n较严重时需要补偿，一般采用对称差动式传感器。较严重时需要补偿，一般采用对称差动式传感器。1.

20、电桥的分类电桥的分类u按电桥的工作状态分类按电桥的工作状态分类n平衡电桥：主要用于静平衡电桥：主要用于静态测量或在反馈系统中态测量或在反馈系统中n准确度高些准确度高些n不平衡电桥：主要用于不平衡电桥：主要用于自动检测系统中。自动检测系统中。n响应快。响应快。n适合用于被测量的连续适合用于被测量的连续测量测量其他分类其他分类u按组成桥臂的参数分类：按组成桥臂的参数分类：n电阻电桥电阻电桥n阻抗电桥阻抗电桥u按供桥电源的类型分类n直流电桥：稳定性高，平衡调节简单，不平衡电桥的直流信直流电桥：稳定性高，平衡调节简单，不平衡电桥的直流信号易受干扰，后接的直流放大器易产生零漂号易受干扰，后接的直流放大器

21、易产生零漂n交流电桥：交流电桥：n调节困难，易受分布参数影响，后接交流放大电路相对容易调节困难，易受分布参数影响，后接交流放大电路相对容易n恒压源电桥：实现简单恒压源电桥：实现简单n恒流源电桥：输出电压受环境影响小，且线性好。恒流源电桥：输出电压受环境影响小，且线性好。u按电桥的工作桥臂个数n单臂电桥单臂电桥n双臂电桥：相对臂同向；相邻臂反向变化双臂电桥：相对臂同向；相邻臂反向变化n差动电桥：差动电桥：4个工作臂，相邻的反向个工作臂，相邻的反向2. 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理2. 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理u 提高电压灵敏度：提高电压灵敏度：n提高电桥电源电压，受桥臂电阻允

22、许功耗限制提高电桥电源电压，受桥臂电阻允许功耗限制n选择桥臂比。选择桥臂比。n=1时最大。时最大。单桥和双桥单桥和双桥141/ 2ERURRRu 单电桥：单电桥：n传感器的敏感元件制作电桥的一个臂，其余传感器的敏感元件制作电桥的一个臂，其余3个均为固定电阻。个均为固定电阻。u 当RR时，uU E*R/4Ru 电桥的输出电压及电压灵敏度与各桥臂的阻值无关。只与R/R有关单桥和双桥单桥和双桥u 双电桥：双电桥：n电桥的工作臂是两个。电阻同向变化，两臂相对；反向变化两臂相邻。电桥的工作臂是两个。电阻同向变化，两臂相对；反向变化两臂相邻。u 当RR时，UE*R/2Ru 电桥的输出电压及电压林敏杜与各桥

23、臂的阻值无关。只与R/R有关全桥全桥u全桥全桥n电桥连接相邻臂反向变化。电桥连接相邻臂反向变化。UER/Rn全桥电压的灵敏度是单桥的全桥电压的灵敏度是单桥的4倍。倍。n可以消除非线性误差，切对特性漂移有补偿作用。可以消除非线性误差，切对特性漂移有补偿作用。2.6 传感器的标定与校准传感器的标定与校准u任何一个传感器在装配完后都必须按设计指标进行全任何一个传感器在装配完后都必须按设计指标进行全面严格的性能鉴定。面严格的性能鉴定。u使用一段时间或维修后也应做校准实验。使用一段时间或维修后也应做校准实验。u传感器的标定传感器的标定u传感器的校准传感器的校准1. 传感器的标定传感器的标定u传感器的标定传感器的标定n利用精度高一级的标准器对传感