传感器及其应用传感器简论教学ppt课件

1、1.传感检测技术根底2.常用传感器原理3.传感器信号处置电路4.典型传感器运用一、传感器测技术概念一、传感器测技术概念1.传感检测技术作用意义、重要性传感检测技术作用意义、重要性 在自然界、社会生活、消费实际、科学在自然界、社会生活、消费实际、科学实验等活动中，存在各种各样的量，需求知实验等活动中，存在各种各样的量，需求知道他们的存在和大小。有些量大到可以被人道他们的存在和大小。有些量大到可以被人们感知，有些量较小，不能被人们感知。要们感知，有些量较小，不能被人们感知。要测出人们感兴趣量的大小，就要用到对这些测出人们感兴趣量的大小，就要用到对这些量敏感的传感器，信号处置调理电路，量敏感的传感器

2、，信号处置调理电路，检测技术等检测技术等2.2.传感器的概念传感器的概念传感器是人体五官传感器是人体五官耳、眼、鼻、舌、皮肤的工程耳、眼、鼻、舌、皮肤的工程模拟物。模拟物。传感器广义概念是一种以一定的准确度将被丈量转传感器广义概念是一种以一定的准确度将被丈量转换为与之有确定对应关系的、易于准确处置换为与之有确定对应关系的、易于准确处置 和丈和丈量的某种物理量的丈量部件或安装。量的某种物理量的丈量部件或安装。传感器狭义概念是能把外界非电信号转换为电信号传感器狭义概念是能把外界非电信号转换为电信号输出的器件或安装。输出的器件或安装。随着科学技术的提高，传感器的随着科学技术的提高，传感器的“可用信号

3、内涵可用信号内涵也会随之改动，如人们跨入光子时代，光信号将成也会随之改动，如人们跨入光子时代，光信号将成为更便于快速、高效处置与传输的为更便于快速、高效处置与传输的“可用信号了。可用信号了。3.传感器的组成传感器的组成敏感敏感元件元件被丈量被丈量转换转换元件元件根本转根本转换电路换电路电量电量电路参数电路参数物理量物理量例如：悬臂梁加速度传感器例如：悬臂梁加速度传感器敏感元件：悬臂梁把加速度转化为悬臂梁的应变敏感元件：悬臂梁把加速度转化为悬臂梁的应变 。转换元件：电阻应变片把应变转换为电阻变化。转换元件：电阻应变片把应变转换为电阻变化。根本转换电路：电桥把电阻变化转化为电压输出。根本转换电路：

4、电桥把电阻变化转化为电压输出。dV二、传感器的任务机理和分类二、传感器的任务机理和分类1.传感器任务机理传感器任务机理 传感器的任务机理是基于各种物理、化学和生传感器的任务机理是基于各种物理、化学和生物效应等，并受相应的定律和法那么支配。了解这物效应等，并受相应的定律和法那么支配。了解这些定律和法那么有助于对传感器本质的了解和对新些定律和法那么有助于对传感器本质的了解和对新效应传感器的开发。效应传感器的开发。守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。场的定律：如重力场、静电场、磁场等。遵守场定场的定律：如重力场、静电场、磁场等。遵守场定律的传感器可

5、称为律的传感器可称为“构外型传感器构外型传感器物质定律：表示物质本身内在性质的定律。遵守物物质定律：表示物质本身内在性质的定律。遵守物质定律的传感器称为质定律的传感器称为“物性型传感器物性型传感器统计法那么：把微观系统与宏观系统联络起来的法统计法那么：把微观系统与宏观系统联络起来的法那么。那么。2.传感器的分类传感器的分类按被丈量分类按被丈量分类 该分类法明确了传感器的用途，便于运用者选择该分类法明确了传感器的用途，便于运用者选择传感器，如位移传感器、力传感器、温度传感器、传感器，如位移传感器、力传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、速度传感器等。压力传感器、流量传感器、速度传感器等。按

6、任务原理分类按任务原理分类 该分类法清楚地该分类法清楚地 阐明了传感器的任务原理，有阐明了传感器的任务原理，有利于传感器的设计和运用，如电阻式、电感式、电利于传感器的设计和运用，如电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式传感器等。容式、压电式、磁电式传感器等。 按任务机理分类按任务机理分类 物性型：依托敏感元件本身的物理化学性质的变物性型：依托敏感元件本身的物理化学性质的变化实现信号变换。如压阻式传感器、压电式传感器化实现信号变换。如压阻式传感器、压电式传感器等。等。 构外型：依托传感器构造参量的变化实现信号转构外型：依托传感器构造参量的变化实现信号转换。如电容式、电感式传感器等。换。如电容式、

7、电感式传感器等。按根本效应分类按根本效应分类 物理型：利用某些变换元件的物理性质或某些功物理型：利用某些变换元件的物理性质或某些功能资料的特殊性能制成的传感器。如能资料的特殊性能制成的传感器。如PN温度传感器。温度传感器。 化学型：利用电化学反响原理把有机和无机的化化学型：利用电化学反响原理把有机和无机的化学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器 。如接触熄灭气敏传感器等。如接触熄灭气敏传感器等。 生物型：利用生物功能物质作识别器件制成的传生物型：利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。如酸度计传感器等。感器。如酸度计传感器等。按能量转换关系分类按能量转

8、换关系分类 能量转换型无源型、发电型或自动型传感器能量转换型无源型、发电型或自动型传感器 不需求外加电源而将被丈量转化为电量输出，但不需求外加电源而将被丈量转化为电量输出，但其负载才干有限，运用时需求留意。如热电偶、压其负载才干有限，运用时需求留意。如热电偶、压电式传感器等。电式传感器等。 能量控制型有源型、被动型传感器能量控制型有源型、被动型传感器 需求外加电源才干将被测信号转化为电量，能量控需求外加电源才干将被测信号转化为电量，能量控制型传感器本身参数的改动如电阻、电容、电感制型传感器本身参数的改动如电阻、电容、电感不起换能作用。不起换能作用。按输出信号的方式分类按输出信号的方式分类 模拟

9、式：传感器输出模拟信号。大多传感器如此模拟式：传感器输出模拟信号。大多传感器如此 数字式：传感器输出数字信号。如编码器式传感数字式：传感器输出数字信号。如编码器式传感器。器。 工程习惯上常根据任务原理和被丈量命名传感器，工程习惯上常根据任务原理和被丈量命名传感器，电感式位移传感器，电容式加速度传感器等。电感式位移传感器，电容式加速度传感器等。三、传感器数学模型描画方法三、传感器数学模型描画方法 传感器作为感受被丈量信息的器件，传感器作为感受被丈量信息的器件，总希望它能按照一定的规律输出有用信号，总希望它能按照一定的规律输出有用信号，因此，需求研讨其输出因此，需求研讨其输出- -输入关系及特性。

10、最输入关系及特性。最有效的描画方法是传感器的数学模型。有效的描画方法是传感器的数学模型。 由于传感器可以丈量时不变信号和时变由于传感器可以丈量时不变信号和时变信号，所以应该以带随机变量的非线性微分信号，所以应该以带随机变量的非线性微分方程作为数学模型。这样在数学上有困难，方程作为数学模型。这样在数学上有困难，所以，实践上把传感器的静态特性和动态特所以，实践上把传感器的静态特性和动态特性分开思索，从而有静态模型和动态模型。性分开思索，从而有静态模型和动态模型。1.1.静态数学模型静态数学模型 指在静态信号作用下即输入量对时间指在静态信号作用下即输入量对时间t t的各阶导的各阶导数等于数等于0 0

11、得到的数学模型。其静态数学模型为得到的数学模型。其静态数学模型为非线性项待定常数。非线性项待定常数。传感器的灵敏度；传感器的灵敏度；传感器零位输出；传感器零位输出；输出量；输出量；输入量；输入量；式中式中nnnaaaayxxaxaxaay1102210 xay133221xaxaxay55331xaxaxay44221xaxaxay(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)表示输出与输入量之间的关系曲线称为特性曲线表示输出与输入量之间的关系曲线称为特性曲线2.2.动态数学模型动态数学模型 传感器的动态数学模型是指传感器在遭到时变传感器的动态数学模型是指传感器在遭到时变输入量作用时，其输出

12、输入之间的关系，通常称输入量作用时，其输出输入之间的关系，通常称为呼应特性。为呼应特性。 有些传感器虽然有良好的静态特性，但有些传感器虽然有良好的静态特性，但由于传感器总存在着弹性、惯性、阻尼等要素，使由于传感器总存在着弹性、惯性、阻尼等要素，使传感器的输出量不仅与输入量有关，而且还与输入传感器的输出量不仅与输入量有关，而且还与输入量的变化速度等有关，所以将导致严重的动态误差，量的变化速度等有关，所以将导致严重的动态误差，这就必需仔细研讨传感器的动态呼应特性，为此建这就必需仔细研讨传感器的动态呼应特性，为此建立的数学模型称为动态模型。常用的动态方程有：立的数学模型称为动态模型。常用的动态方程有

13、：微分方程、传送函数、频率呼应函数。微分方程、传送函数、频率呼应函数。xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111.1 1微分方程时域内微分方程时域内优点：经过解微分方程易于分清暂态呼应和稳态优点：经过解微分方程易于分清暂态呼应和稳态呼应。通解仅与传感器本身特性及初始条件有关呼应。通解仅与传感器本身特性及初始条件有关；特解不仅与传感器的特性有关，而且还与输入；特解不仅与传感器的特性有关，而且还与输入量有关。量有关。缺陷：求解费事，尤其是经过增减环节来改善传缺陷：求解费事，尤其是经过增减环节来改善传感器的特性时显得更不方便。感器

14、的特性时显得更不方便。2 2传送函数复数域内传送函数复数域内 在数学上，假设运用拉普拉斯变换将时域的数学在数学上，假设运用拉普拉斯变换将时域的数学模型转换成复数域的数学模型，就得到传送函数。模型转换成复数域的数学模型，就得到传送函数。 上述微分方程在初始条件为零时，输出上述微分方程在初始条件为零时，输出y(t)拉氏拉氏变换变换Y(S)和输入和输入x(t)的拉氏变换的拉氏变换X(S)之比，即为传送之比，即为传送函数函数G(S)。01110111)()()(aSaSaSabSbSbSbSXSYsGnnnnmmmm其中其中 jS 传送函数传送函数G(S)G(S)用于描画系统本身固有的特性，用于描画系

15、统本身固有的特性，而与输入量无关。而与输入量无关。3 3频率呼应函数频域内频率呼应函数频域内对于传感器或系统，其频率呼应函数为：初始条件为对于传感器或系统，其频率呼应函数为：初始条件为零时，输出的傅立叶变换和输入的傅里叶变换之比，零时，输出的傅立叶变换和输入的傅里叶变换之比，即即01110111)()()()()()()()(ajajajabjbjbjbSGjGnnnnmmmmjS 如将如将 G(j) G(j)的实部和虚部分开，那么有的实部和虚部分开，那么有 G(j)= P()+ jQ() G(j)= P()+ jQ()其中，其中，P()P()和和 Q() Q()都是都是的实函数，以频率的实函

16、数，以频率为为横坐标，以横坐标，以P()P()和和Q()Q()为纵坐标所绘的图形分别称为纵坐标所绘的图形分别称为系统的实频特性图与虚频特性图。为系统的实频特性图与虚频特性图。 又假设将又假设将G(j)G(j)写成写成 G(j)=A()ej() G(j)=A()ej() 其中其中 )()()()()()()(22 PQarctgQPjGA分别称为幅频特性和相频特性。分别称为幅频特性和相频特性。四、传感器的特性分析四、传感器的特性分析 传感器的特性主要是指其输出与输入之间的传感器的特性主要是指其输出与输入之间的关系，有静特性和动特性之分。关系，有静特性和动特性之分。1.1.传感器的静特性传感器的静

17、特性 静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳定形状时的输出与输入关系，即当输入量是常量或定形状时的输出与输入关系，即当输入量是常量或变化极慢时，输出与输入的关系。变化极慢时，输出与输入的关系。 衡量传感器静态特性的主要技术目的有线性度、衡量传感器静态特性的主要技术目的有线性度、反复性、迟滞、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、反复性、迟滞、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移、准确度等。漂移、准确度等。1线性度线性度 标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。假设在标称全量程输出范围假设在标称全量程输出范围A内，标定曲线偏

18、内，标定曲线偏离拟合直线的最大偏向为离拟合直线的最大偏向为B，那么定义非线性度为，那么定义非线性度为 线性度线性度=(B/A)100% 线性度图线性度图 拟合直线实际直线法、端点拟合直线实际直线法、端点平移法、端点线法、最小二乘平移法、端点线法、最小二乘法，该如何确定，目前国内法，该如何确定，目前国内外尚无一致的规范。较常用的外尚无一致的规范。较常用的是最小二乘法是最小二乘法 。2 2迟滞迟滞 传感器在正传感器在正( (输入量增大输入量增大) )反反( (输入量减小输入量减小) )行行程中输出输入曲线不重合程度称为迟滞。迟滞误程中输出输入曲线不重合程度称为迟滞。迟滞误差普通以正反行程中输出的最

19、大偏向量与满量程差普通以正反行程中输出的最大偏向量与满量程输出之比的百分数表示，即输出之比的百分数表示，即 %100FSmHH 迟滞特性迟滞特性迟滞特性普通由实验方法确定。迟滞特性普通由实验方法确定。3 3反复性反复性 指传感器在输入按同一方向作全量程延续多次指传感器在输入按同一方向作全量程延续多次变动时所得的特性曲线不一致的程度。反复性误差变动时所得的特性曲线不一致的程度。反复性误差常用满量程输出的百分数表示。常用满量程输出的百分数表示。 正行程的最大反复性偏正行程的最大反复性偏向向为为Rmax1Rmax1，反行程的最大反，反行程的最大反复复性偏向为性偏向为Rmax2 Rmax2 。反复性。

20、反复性误差误差取这两个最大偏向之中较大者取这两个最大偏向之中较大者为为RmaxRmax，与满量程输出之，与满量程输出之比比的百分数表示，即的百分数表示，即 %100maxFSRyR 4 4灵敏度灵敏度 传感器输出的变化量与引起此变化量的输入变传感器输出的变化量与引起此变化量的输入变化量之比即为其灵敏度。灵敏度表示传感器对被测化量之比即为其灵敏度。灵敏度表示传感器对被测变化量的反响才干。线性传感器的灵敏度就是拟合变化量的反响才干。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即直线的斜率，即xyk 非线性传感器的灵敏度不是常数，可表示为非线性传感器的灵敏度不是常数，可表示为dxdyk 5 5分辨力与阈值

21、分辨力与阈值 分辨力是指传感器在规定丈量范围内所能检测分辨力是指传感器在规定丈量范围内所能检测出被测输入量的最小变化值。有时对该值用相对满出被测输入量的最小变化值。有时对该值用相对满量程输入值之百分数表示，那么称为分辨率。量程输入值之百分数表示，那么称为分辨率。 阈值是使传感器的输出端产生可测变化量的最阈值是使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。小被测输入量值，即零点附近的分辨力。 有些传感器在零位附近有严重的非线性，构成有些传感器在零位附近有严重的非线性，构成所谓所谓“死区，那么将该死区，那么将该“死区的大小作为阈值。死区的大小作为阈值。6 6稳定性稳定性 稳

22、定性又称长期稳定性，即传感器在长时间内稳定性又称长期稳定性，即传感器在长时间内坚持其原性能的才干。稳定性普通以室温条件下经坚持其原性能的才干。稳定性普通以室温条件下经过规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的过规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差别来表示，有时也用标定的有效期来输出之间的差别来表示，有时也用标定的有效期来表示。表示。7 7漂移漂移 漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出存漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的、不需求的变化。漂移常在着与被测输入量无关的、不需求的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏度漂移。包括零点漂移和灵敏度漂移。 零点漂移

23、或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间有缓慢的变化；温漂是指由周围温度变化所引起的零点或灵敏度的变化。8静态误差(准确度) 静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其实际输出值的偏离程度。是系统误差与随机误差综合影响程度的评价目的。 静态误差的求取方法如下：把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差，看成是随机分布，求出其规范偏向，即nniyn12)(11 取取22或或33值即为传感器的静态误差。值即为传感器的静态误差。 静态误差是一项综合性目的，它根本上包含了静态误差是一项综合性目的，它根本上包含了前述的非线性误差、迟滞误差、反复性误差等。所以前

24、述的非线性误差、迟滞误差、反复性误差等。所以也可以把这几个单项误差综合而得，即也可以把这几个单项误差综合而得，即222RHL 2.2.传感器的动态特性传感器的动态特性 动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的呼应特性。传感器的动态特性取决于传感器本身及呼应特性。传感器的动态特性取决于传感器本身及输入信号的方式。输入信号的方式。 因此，工程上常采用正弦函数和单位阶跃函数作为因此，工程上常采用正弦函数和单位阶跃函数作为“规规范信号函数，对传感器的动态特性进展分析，从而确定范信号函数，对传感器的动态特性进展分析，从而确定评价传感器动态特性的目的。评价传感器动态

25、特性的目的。1频率呼应特性频率呼应特性 传感器的频率呼应函数为传感器的频率呼应函数为01110111)()()()()()()()(ajajajabjbjbjbSGjGnnnnmmmmjS 对系统输入正弦鼓励信号对系统输入正弦鼓励信号x(x)=Asin(2ft)x(x)=Asin(2ft)，在系统，在系统到达稳态后，丈量输出和输入的幅值比和相位差。这样可到达稳态后，丈量输出和输入的幅值比和相位差。这样可以得到频率以得到频率f f下系统的传输特性。从系统的最低丈量频率下系统的传输特性。从系统的最低丈量频率fminfmin到系统的最高丈量频率到系统的最高丈量频率fmaxfmax，按一定的增量方式逐

26、渐，按一定的增量方式逐渐添加正弦鼓励信号频率添加正弦鼓励信号频率f f，记录各频率对应的幅值比和相位，记录各频率对应的幅值比和相位差，绘制在图上就可以得到系统的幅频和相频特性曲线。差，绘制在图上就可以得到系统的幅频和相频特性曲线。 2 2阶跃呼应特性阶跃呼应特性 对一阶系统来说，对系统输入阶跃信号，测得对一阶系统来说，对系统输入阶跃信号，测得系统的呼应信号。取系统输出值到达最终稳态值的系统的呼应信号。取系统输出值到达最终稳态值的63%63%所经过的时间作为时间常数所经过的时间作为时间常数 。 对二阶系统来说，对系统输入阶跃信号，测得对二阶系统来说，对系统输入阶跃信号，测得系统的呼应信号。从而可

27、以测出系统的动态特性参系统的呼应信号。从而可以测出系统的动态特性参数。数。 五、传感器的标定与校准五、传感器的标定与校准1.传感器的标定传感器的标定 传感器系统设计好后，其输出与输入的关传感器系统设计好后，其输出与输入的关系并不知道，只需经过标定才干获得。系并不知道，只需经过标定才干获得。 利用规范设备产生知的非电量规范，利用规范设备产生知的非电量规范，或用基准量来确定传感器电输出与非电量输或用基准量来确定传感器电输出与非电量输入关系的过程，称为标定。入关系的过程，称为标定。1标定设备标定设备 规范信号发生器、输出信号测试仪器。规范信号发生器、输出信号测试仪器。 2静态标定静态标定 输入知规范

28、非电量，测出传感器的输出，给出标定输入知规范非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，计算出传感器系统曲线、标定方程和标定常数，计算出传感器系统的静态特性。的静态特性。3动态标定动态标定 用于确定传感器的动态性能目的。用于确定传感器的动态性能目的。 2.传感器的校准传感器的校准 传感器需求定期检测其根本性能参数，以断定其传感器需求定期检测其根本性能参数，以断定其能否可以继续运用。假设能继续运用，那么应对其能否可以继续运用。假设能继续运用，那么应对其变化的主要目的进展修正。确定传感器的丈量精度变化的主要目的进展修正。确定传感器的丈量精度的过程，称之为传感器的校准。的过程，称之为

29、传感器的校准。 六、改善传感器性能的主要技术途径六、改善传感器性能的主要技术途径 传感器性能目的多方面，企图要求各目的都很传感器性能目的多方面，企图要求各目的都很高，不论是设计或是制造都很困难，实践也没有高，不论是设计或是制造都很困难，实践也没有必要。在运用时，可以确保主要性能目的，放宽必要。在运用时，可以确保主要性能目的，放宽次要性能目的，以提高传感器的性价比。同时，次要性能目的，以提高传感器的性价比。同时，在设计和运用传感器时，还可以采取一些技术措在设计和运用传感器时，还可以采取一些技术措施改善传感器的性能。主要有：施改善传感器的性能。主要有： 1.差动技术差动技术 设有一传感器，其静态数学模型为设有一传感器，其静态数学模型为用另一一样的传感器，但使其输入量符号相反，那用另一一样的传感器，但使其输入量符号相反，那么么21012 nnyaa xa xa x它的输出为它的输出为二者相减得二者相减得于是，有于是，有 消除了零位输出；消除了零位输出； 消除了偶次非线性项，得到对称于原点的相当消除了偶次非线性项，得到对称于原点的相当宽的近似线性范围，减小了非线性；宽的近似线性范围，减小了非线性； 灵敏度提高了一倍；灵敏度提高了一倍； 抵消了共模误差。抵消了共模误差。