传感器的定义与分类课件

1、 第1章 传感器的定义与分类1.1 传感器的定义与分类1.2 传感器的基本特性1.3 传感器的基本误差1.4 传感器中的弹性敏感元件第1页，共29页。1.1传感器的定义与分类1.1.1 传感器的定义 国家标准GB7665-1987对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”1.1.2 传感器的分类 1.根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器两大类 (1)物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 (2)化学传感器包括那些以化学

2、吸附、电化学反应等现象为下一页返回第2页，共29页。1.1传感器的定义与分类因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。 2.按照其用途分类 压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。 3.以其输出信号为标准分类 (1)模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 (2)数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 上一页下一页返回第3页，共29页。1.1传感器的定义与分类 (3)膺数字传感器将被测量的信号量转换

3、成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。 (4)开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阂值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 4.从所应用的材料观点出发分类 (1)按照其所用材料的类别分金属聚合物陶瓷混合物 (2)按材料的物理性质分导体绝缘体半导体磁性材料 (3)按材料的晶体结构分单晶多晶非晶材料 5.与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向 在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。 上一页下一页返回第4页，共29页。1.1传感器的定义与分类 探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术

4、。 在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。 6.按照其制造工艺分类 (1)集成传感器用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 (2)薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用棍合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。 (3)厚膜传感器利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上上一页下一页返回第5页，共29页。1.1传感器的定义与分类制成的，基片通常是氧化铝制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。 (4)陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶一凝胶等)生

5、产。上一页返回第6页，共29页。1.2 传感器的基本特性1.2.1 传感器静态特性 1.测量范围和量程 传感器所能测量的最大被测量的数值为测量上限，最小被测量称为测量下限。测量上限和测量下限所构成的区间称为测量范围。测量上限和测量下限的代数差称为量程，即量程=测量上限-测量下限。 2.传感器的线性度 理想情况下，如图1-1所示，传感器的静态特性输出是条直线;但通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，如图1-2所示。下一页返回第7页，共29页。1.2 传感器的基本特性3.传感器的灵敏度 灵敏度是指传

6、感器在稳态工作情况下输出量变化Y对输入量变化x的比值。 4.传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超分辨力时，其输出才会发生变化。 5.迟滞 迟滞现象是指传感器正向特险曲线(输入量增大)和反向特性曲线(输入量减小)的不一致程度。如图1-3所示。上一页下一页返回第8页，共29页。1.2 传感器的基本特性 6.传感器的精度等级 传感器的精度等级是为了简单表示传感器测量结果的可靠程度而引用的。常见的精度等级有0.

7、1级、0. 2级、0. 5级、1. 0级、1. 5级、2. 0级、2. 5级、5.0级。数值越小，精度等级越高，测量越精确。 1.2.2 传感器动态特性 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。上一页下一页返回第9页，共29页。1.2 传感器的基本特性最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 1.阶跃响应

8、输入为阶跃信号时，传感器的响应被称为阶跃响应。从阶跃响应中我们可以得到传感器在时间域内的响应特性。如图1-4所示输入信号是幅值为A的阶跃信号，此时传感器阶跃响应如图1-5所示。 2.频率响应 将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入到传感器，传感器的输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应特性。其中输出信号的幅值与输入信号的频率的关系称为幅频响应;输出信号的相位与输入信号的频率的关系称为上一页返回下一页第10页，共29页。1.2 传感器的基本特性相频特性。频率响应是通过研究稳态过程来分析传感器的动态特性的，它可以通过对传感器在频域响应过程中的波形参数进行计算，并对响应特性曲线进行分析

9、;也可通过对频率响应性能指标(如频率响应范围、幅值误差、相位误差等)的考核来完成。返回上一页第11页，共29页。第12页，共29页。1.3 传感器的基本误差1.3.1 传感器的基本误差 任何测量都不可能绝对准确，都存在误差，只要误差在允许范围内即可认为符合标准，传感器也不例外。所谓传感器的误差，即传感器的输出值与理论输出值的差值。因此要求设计与制造传感器时，允许有误差，但必须在规定误差的范围之内。为了使传感器能满足一定的精度要求，我们要掌握误差的种类及分析产生误差的原因、克服与减少误差的方法。1.测量误差的基本概念 由传感器的定义得知，传感器是将未知的物理量转换成人们可知的电信号，实际上传感器

10、就是一种测量器具，所以传感器的误差也就是测量误差。下面介绍有关测量的部分名词。下一页返回第13页，共29页。1.3 传感器的基本误差 2.误差的分类 在测量中由不同因素产生的误差是混合在一起同时出现的。为了便于分析研究误差的性质、特点和消除方.法，下面将对各种误差进行分类讨论。(1)按表示方法分类 绝对误差指示值 与约定真值 的差值，即 量中常使用修正值 。只要得到修正值 示值 ，便可得知约定真值 。 相对误差针对绝对误差有时不足以反映示值偏离约定真值大小程度而设定的，在实际测量中相对误差有下列表示形式:上一页下一页返回第14页，共29页。1.3 传感器的基本误差(2)按误差出现的规律分类 系

11、统误差指误差的数值是一个常数或按一定规律变化的值。它又可分为恒值误差和变值误差。 随机误差由于偶然因素的影响而引起的，其数值大小和正负号不定，而且难以估计。但是总体仍服从一定统计规律，它不能通过实验方法加以消除，但能运用统计处理方法减少其影响。随机误差表现了测量结果的分散性。在误差理论中常用精密度来表征随机误差的大小。随机误差愈小，精密度愈高。 粗大误差指在一定的条件下测量结果显著地偏离其实际值时所对应的误差。从性质上看，粗大误差并不是单独的类别，它本身既具有系统误差的性质，也可能具有随机误差的性质，只不过在一定测量条件下其绝对值特别大而已。上一页下一页返回第15页，共29页。1.3 传感器的

12、基本误差粗大误差是由于测量方法不妥、各种随机因素的影响以及测量人员粗心所造成的。(3)按被测量随时间变化的速度分类 静态误差指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢或基本不变时的测量误差。 动态误差在被测量随时间变化时所测得的误差。例如用笔式记录仪测得的结果，由于记录笔有惯性量，输出量在时间上不能与被测量的变化一致，而造成的误差就属于动态误差。动态误差是在动态测量时产生的，动态测量的优点是检测效率高和环境影响小。(4)按使用条件分类 基本误差指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。上一页返回下一页第16页，共29页。1.3 传感器的基本误差 附加误差当使用条件偏离规定标准条件时，除基本误

13、差外还会产生附加误差，例如由于温度超过标准引起的温度附加误差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加误差在使用时会叠加到基本误差上去。1.3.2 仪表精度与测量精度 1.仪表精度与测量精度的关系 仪表精度一般分为七个等级，实际上就是取最大满度(引用)相对误差，对于数字仪表和光学仪表等还具有更高精度的等级。一般而言，七个等级在工业仪表中是具有代表性的。而真正反映测量精度的是实际相对误差。从最大满度(引用)误差和实际相对误差的定义公式不难看出，被测量的大小愈接近量程，相对误差就愈接近于最大满度(引用)误差，因此下一页返回上一页第17页，共29页。1.3 传感器的基本误差对于同等级精度的仪表，选择

14、适当的量程，使被测量位于仪表量值的上限附近，将能充分利用仪表精度获得较精确的测量结果。 2.附加误差对实际测量精度的影响 在检测仪表的技术说明书中，除了给出基本误差外，还给出了工作条件变化时可能产生的附加误差。如果实际工作条件不是仪表规定的标准状态，这时必须考虑到附加误差的影响。上一页返回第18页，共29页。1.4 传感器中的弹牲敏感元件1.4.1 弹性敏感元件的基本特性 物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形，如果在外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形，具有这类特性的物体称为弹性元件。在传感器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。1.刚度 刚度是使弹性敏感元

15、件产生单位变形所需要的外部作用力(或压力)，其表达式为式中k为刚度; F为作用于弹性元件上的外力; x为弹性元件产生的变形。 下一页返回第19页，共29页。1.4 传感器中的弹牲敏感元件 2.灵敏度 灵敏度是刚度的倒数，它表示弹性敏感元件在承受单位输入量(力、压力等)时所产生的变形大小，一般用K表示，即在非电量检测中往往希望弹性灵敏度为常数，此时弹性敏感元件的弹性特性是线性的，即1.4.2 弹性敏感元件的形式及应用范围 根据弹性敏感元件在传感器中的作用，对它提出了一些要求，如具有好的弹性特性、足够的精度、长期使用和温度变化时的稳定性等。因而对制作弹性敏感元件的材料提出了多方面的要求，如弹性模量

16、的温度系数要小、线膨胀系数小且恒定、有良好的机械加工和热处理性能等。我国通常使用合金钢、碳钢、铜合金和铝合金等材料。上一页下一页返回第20页，共29页。第21页，共29页。1.4 传感器中的弹牲敏感元件 1.弹性敏感元件的形式 传感器中弹性敏感元件的输入量通常是力(力矩)或流体压力(统称压力)，即使其他非电被测量输入给弹性敏感元件时，也是先将它们变换成力或压力再输入给弹性敏感元件。 2.变换力的弹性元件 (1)等截面轴等截面轴又称柱式弹性敏感元件，可以是实心柱体或空心圆柱体，如图1-7所示。实心等截面轴在力的作用下弹性敏感元件的位移很小，因此常用它的应变作输出量。其主要的优点是结构简单、加工方

17、便、测量范围宽，可承受数万牛顿的载荷，但其灵敏度小。上一页下一页返回第22页，共29页。1.4 传感器中的弹牲敏感元件 (2)环状弹性敏感元件环状弹性敏感元件多做成等截面圆环，如图1-8(a),(b)所示，圆环有较高的灵敏度，因而它多用于测量较小的力。圆环的缺点是加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。 (3)悬臂梁悬臂梁是一端固定、另一端自由的弹性敏感元件。按截面形状又可分为等截面矩形悬臂梁和变截面等强度悬臂梁，如图1-9所示。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变)大，灵敏度高，常用于较小力的测量。 (4)扭转轴如图1-10所示为扭转轴式弹性敏感元件，当自由端受到转矩的作用

18、时，扭转轴的表面会产生拉伸或压缩应变，在轴表面上与轴线成方向(图1-10的AB方向)产生应变。，而图1-10中AC方向所产生的应变与AB方向的应变大小相等，符号相反。上一页下一页返回第23页，共29页。1.4 传感器中的弹牲敏感元件3.变换压力的弹性敏感元件 (1)弹簧管弹簧管又称波登管，通常是一根弯成C形的空心扁管，管子的截面形状有椭圆形、平椭圆形、D形、8字形等，如图1-11所示。弹簧管的另一端(自由端)密封并与传感器其他部分相连。 (2)波纹管波纹管是一种圆柱管状的弹性敏感元件，其表面上有许多与圆柱同心的环状皱纹(如图1-12所示)，管的一端封闭，另一端开口并与被测压力相通。 (3)等截面薄板等截面薄板又称平膜片，是一种抗弯刚度可以忽略的周边固定的圆形薄膜，它能将输入信号(压力或压差)转化为位移信号。当膜片的两侧面受到不同的压力时，