传感器及其一般特性-力学基础实验课件-中国科技大学-04

第四章、传感器及其一般特性

●传感器的作用和重要性●传感器的定义和组成●传感器的分类及工作原理●传感器的基本特性和表征●传感器标定

人体与智能机器的对应关系人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑，而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”）。传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。传感器所探测的对象近来显著地增加，因而其品种也极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。§4.1传感器的作用和重要性作为人脑的一种模拟的电子计算机的发展极为迅速，可是起五种感觉模拟作用的传感器却发展很慢，因而如果不进行传感器的开发，现在的电子计算机将不能适应实际需要。现代社会要求传感器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。这样，传感器就成了现代科学的耳目，它日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势。§4.1传感器的作用和重要性●传感器的发展促使科学研究不断得以深入，科学技术的进步也在不断带动传感器技术的更新换代。

●传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域有广泛应用。●同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。§4.1传感器的作用和重要性●社会需求是传感器技术发展的强大动力。随着现代科学技术，特别是微电子技术和信息产业的飞速发展，以及“电脑”的普及，传感器在新的技术革命中的地位和作用将更为突出，一股竞相开发和应用传感器的热潮已在世界范围内掀起。§4.1传感器的作用和重要性●“电五官”落后于“电脑”的现状，已成为微型计算机进一步开发和应用的一大障碍●许多有竞争力的新产品开发和卓有成效的技术改造，都离不开传感器●传感器的应用直接带来了明显的经济效益和社会效益●集传感、执行等多种功能于一身的器件正在兴起§4.1传感器的作用和重要性●传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。包含一下几个方面的内涵：●传感器是测量装置，能完成检测任务●它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等●输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电、声，但主要是电量●输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。§4.2传感器的定义和组成电路被测量

敏感元件转化元件转换电路§4.2传感器的定义和组成●传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：●敏感元件（Sensitiveelement）：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的元件。●转换元件（Transductionelement）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。●转换电路（Transductioncircuit）：将转换电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。传感器种类繁多，目前常用的分类有两种：●根据被测量的特征进行分类●根据传感器的工作原理进行分类§4.3传感器的分类及工作原理被测量类别被

测

量流动与热力学量

温度、压力、真空度、流量、流速、湍流度、导热系数、扩散系数、粘度、密度机械量位移（线位移、角位移），尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声按被测量进行分类§4.3传感器的分类及工作原理被测量类别被

测

量物性和成分量气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（PH值）、盐度、浓度其它状态量颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量

§4.3传感器的分类及工作原理电阻式、光电式、电感式、谐振式、电容式、霍尔式、阻抗式、超声式、磁电式、同位素式、热电式、电化学式、压电式、微波式等。

按输出量的变换原理进行分类§4.3传感器的分类及工作原理机械式传感器原理：在测试技术中，以弹性体作为传感器的敏感元件，对力、压力、温度等物理量进行测量，而输出弹性元件本身的弹性变形，经放大后成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。

典型应用：用于测力或称重的环性测力计、弹簧称等；用于测量流体压力的波纹膜片、波纹管等；用于温度测量的双金属片等§4.3传感器的分类及工作原理优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等缺点：弹性变形不宜过大，以减小线形误差。

此外，由于放大和指针环节多为机械传动，不仅受间隙的影响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。机械式传感器电阻式传感器

电阻式传感器是一种把被测量转化为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。

1、变阻器式传感器

原理：它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。

ρ——电阻率l——电阻丝长度A——电阻丝截面积

变阻器式传感器的优点是结构简单，性能稳定，使用方便。缺点是分辨力不高。

电阻式传感器2、电阻应变式传感器

优点：体积小、动态响应快测量精度高、使用简便

（1）金属电阻应变片把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上。在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其电阻值发生相应变化。由此，将被测量转化为电阻变化。

（2）半导体应变片

半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。

2、电阻应变式传感器

尺寸变化影响金属电阻应变片半导体应变片电阻变化可简化为

λEε项是由电阻率变化引起的。对半导体而言，后者远远大于前者。这样，半导体应变片的灵敏度这一数值比金属丝电阻应变片大50——70倍。金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体形变引起的电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起的电阻的变化。

优点是灵敏度高，缺点是温度稳定性差、灵敏度分散度大以及在较大应变作用下，非线形误差大。

（2）半导体应变片

（3）电阻应变片式传感器应用方式1）直接用来测定结构的应变或应力2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件得到与被测量成正比的应变，在由应变片转换为电阻的变化。

电感式传感器

将被测参数转换为线圈自感量或互感量变化的装置。电感式传感器可分为自感型和互感型两大类

1、自感型（1）可变磁阻式传感器变磁阻式传感器的原理图。

自感量可用下式表示式中N——线圈匝数——磁路总电阻由于两侧气隙磁阻远大于铁芯和衔铁磁阻之和：所以式中

——空气磁导率A——铁芯截面积δ——气隙长度

线圈的自感量L与铁芯截面积A成正比，而与气隙长度δ成反比。（2）涡电流式

涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。动画是一个高频反射式涡电流传感器的工作原理。

1、自感型金属板置于一只线圈附近，相互间距为δ。当线圈中有一高频交变电流I通过时，便产生磁通Φ。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流i1。这种电流在金属体内是闭合的，称之为涡电流或涡流。这种涡电流也将产生交变磁通Φ1

。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，Φ1总是抵抗Φ的变化。由于涡流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距离δ有关。

涡电流式传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路及调频电路。（2）涡电流式

应用举例涡流传感器测量钢板厚度动画测量转速动画当线圈输入交流电流时，线圈产生感应电动势，其大小与电流的变换率成正比，即（右图）小位移测量的差动相敏检波电路工作原理。在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，输出电压经过交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量大小和方向。

电感式传感器2、互感型——差动变压器式传感器

电容式传感器

1、电容式传感器工作原理设平板电容器两极板间距离为δ，有效覆盖面积为A，极板间介质的相对介电系数ε，真空介电常数，则电容器的电容量为如果在δ、A、ε三个参数中保持其中的两个不变，而只改变一个参数，则电容器的电容量将随之发生变化。所以电容式传感器可以分成三种类型：极距变化型（变δ）、面积变化型（变A）和介质变化型（变ε）。

1）极距变化型

当极距有微小变化dδ时，引起电容变化量dC为传感器灵敏度为优点：可进行动态非接触式测量电容式传感器2）面积变化型

保持电容器极板距离、介质不变，仅改变极板间的相对覆盖面积。则此中传感器灵敏度为常数通常电容传感器的覆盖面积与线形位移间有良好的线性关系，故面积变化型传感器有着良好的线性关系。3）介质变化型

利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。常用于液位测量，或某些材料的厚度、温度、湿度等参数的变化测量电容式传感器1.电桥型电路2.直流极化电路3.谐振电路4.调频电路5.运算放大器电路

2、测量电路

应用：测量转速电容式传感器压电式传感器是利用某些物质的压电效应将被测量转换为电量的一种传感器。1、压电效应某些物质如石英，当受到外力时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场；当外力消失时，材料又重新回复到原来状态，这种现象称为压电效应。

相反，如果这些物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种现象称为逆压电效应。（传感和执行）压电式传感器2、压电材料常用的压电材料大致分为三类：压电单晶（机械强度好）、压电陶瓷（压电常数大）和有机压电薄膜（可大量生产）。3、压电传感器及其等效电路

1）压电传感器可看作是电荷发生器，它又是一个电容器。压电式传感器压电传感器可以等效成与一个电容器并联的电荷源，也可以等效为一个电压源，如图所示。2）等效电路压电式传感器4、测量电路

1.电压放大器电路2.电荷放大器电路5、压电式传感器的特点及应用特点：1.刚性好，固有频率高2.灵敏度高且稳定3.较好的线性，通常无滞后4.系统使用和调整方便应用：

压电式力传感器压电式加速度计压电式传感器把被测量转换成感应电动势的传感器称为电磁感应式传感器原理：基于电磁感应定律：感应电动势取决于匝数W和磁通变化率dφ/dt，即1、动圈式当线圈在磁场运动时所产生的感应电动势为（线速度型）（角速度型）2、磁阻式物体运动——磁路磁阻改变——磁通变化——产生感应电动势

磁电式传感器半导体有一个重要的特性是对光、热、力、磁、气体、温度等理化量的敏感性。利用半导体材料的这些特性，作为非电量电测的转换元件，是近代半导体技术应用的一个重要的方面。半导体的特点是他们是一些物性型传感器，通常可以作成结构简单、体积小、重量轻的器件，他们的功耗低、安全可靠、寿命长；他们对被测量敏感，响应速度快；易于实现集成化。半导体传感器半导体传感器种类：光敏传感器、固态图象传感器、热敏电阻、气敏传感器、湿敏传感器、集成传感器等等。1、分类

按照调制方式光纤传感器可以分为强度调制、频率调制、相位调制和偏振调制四类。2、光纤传感器原理当光由大折射率的介质射入小折射率的介质，当入射角大于临界角时将出现全反射现象。光波以全反射方式沿光纤传播。光纤传感器3、传感器的特点1）不受电磁干扰，电气绝缘性能好，可在强电磁干扰下完成传统的传感器难以完成的某些参量的测量。2）光波传输无电能和电火花，不会引起被测介质的燃烧和爆炸。而且耐高压耐腐蚀。3）重量轻、体积小、可挠性好，可在狭小的空间使用4）具有良好的几何形状适应性5）频带宽，动态范围大，对被测对象不产生影响，利于提高精度6）利用现有的光通讯技术，易于实现远距离测控根据测试目的和实际条件，合理的选用传感器§4.4传感器的基本特性及表征足够的容量——传感器的工作范围或量程足够大；具有一定的过载能力。灵敏度高，精度适当——即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。响应速度快，工作稳定，可靠性好。使用性和适应性强——体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。使用经济——成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。

传感器的基本特性传感器的输出-输入关系特性是传感器的基本特性，从误差角度去分析输出-输入特性是测量技术所要研究的主要内容之一。输出-输入特性虽是传感器的外部特性，但与其内部参数有密切关系。传感器特性分为静态特性和动态特性。衡量传感器的特性又有静态性能指标和动态性能指标之分。§4.4.1静态特性

传感器在稳态信号作用下，其输出-输入的关系称为静态特性。衡量传感器静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、重复性、迟滞、零点漂移和温度漂移等技术指标，传感器本身的特点、被测量及外界条件都可能影响这些技术指标。

1.线性度

所谓传感器的线性度就是其输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。又称为非线性误差。∆Lmax—输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差；

YFS—输出满量程值。实际上许多传感器的输出-输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变效应一般可用下列多项式表示输出y与输入x特性。其表达式如下：

y＝a0＋a1x＋a2x

2＋…＋an

x

n

a0—零位输出；a1—传感器线性灵敏度；a2，a3，…，an—待定常数。

1.线性度对于上式对应三种特殊情况：（1）理想的线性特性

如图（a）所示的直线，表达式变为

y=a1x

a1为常数，即为传感器的灵敏度。（2）仅有偶次非线性项如图（b）所示。其输出-输入特性方程为

y=a0+a2x2

+a4x4+…其线性范围较窄，一般传感器设计很少采用这种特性。（3）仅有奇次非线性项如图（c）所示，其输出－输入特性方程式为：y=a1x

+a3x3+a5x5+…

具有这种特性的传感器，一般在输入量x相当大的范围内具有较宽的准线性。这是比较接近于理想直线的非线性特性。

在使用非线性特性的传感器时，如果非线性项的方次不高，在输入量变化范围不大的条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段，如图虚线所示。这种方法称为传感器非线性特性的“线性化”，所采用的直线称为拟合直线。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差，如图中所示的∆Lmax值，取其中最大值与输出满度值之比作为评价非线性误差（或线性度）的指标。

输出－输入特性的非线性YFSyyyYFSYFSxmxmxmxxxΔLmaxΔLmaxΔLmax2.灵敏度

（a）传感器的灵敏度是指稳态时，输出增量Δy与输入增量Δx的比值，对于线性传感器，其灵敏度就是静态特性的斜率，如图（a）所示，即：而非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图（b）所示，即用dy/dx表示传感器在某一工作点的灵敏度。y0xyy0(a)x0(b)ΔxΔyyK=Δy/Δx灵敏度定义3.迟滞（回差滞环）现象

迟滞特性能表明传感器在正向（输入量增大）行程和反向（输入量减小）行程期间，输出-输入特性曲线不重合程度。

YFSyxXFS∆Hmax迟滞现象0

对于同一大小的输入信号x，在x连续增大的行程中，对应某一输出量为yi，在x连续减小过程中，对应于输出量为yd之间的差值叫滞环误差，这就是迟滞现象，该误差用∆H表示为：∆H＝|yi-yd|在整个测量范围内的最大滞环误差用∆Hmax表示，它与满量程输出值YFS的比值称为最大滞环率δH，即：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，所得特性曲线不一致的程度y重复性0△Rm1△Rm2yFSxFSx不重复性误差属随机误差性质，重复性误差为：其中σ为标准偏差，如果误差服从高斯分布，标准偏差可以按贝塞尔公式计算：

yi－某次测量值；－各次测量值的平均值，；n－测量次数。5.零点漂移

传感器无输入信号时，定时进行读数，其输出偏离零值，即为零点漂移，其值为：△Y0为最大零点偏差，Δt为零点漂移的时间。

6.温度漂移

温度漂移表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1℃，输出最大偏差与满量程的百分比表示，即：

△Y0输出最大偏差，△YFS满量程输出，△T温度变化范围。

测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。(如压力传感器）分辨率：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。如：A/D转换．稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。7静态响应特性的其他描述

传感器的动态特性：输入量随时间变化时传感器的响应特性。动态误差：实际的传感器，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,输出与输入间有差异。误差原因：温度传感器的热惯性（比热容、质量）和传热热阻动态测温

§4.4.2动态特性

传感器的种类和形式很多，但它们的动态特性一般都可以用下述的n阶微分方程来描述：式中，a0、a1、…,an,b0、b1、….,bm是与传感器的结构特性有关的常系数。1、传感器的基本动态特性方程a0y(t)=b0x(t)通常将该代数方程写成

y(t)=kx(t)k=b0/a0为传感器的静态灵敏度或放大系数

1）、零阶系统

一阶系统微分方程

上式通常改写成为式中：τ——传感器的时间常数，τ=a1/a0

k——传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a02）、一阶系统

二阶系统的微分方程通常改写为式中：k——传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0；ξ——传感器的阻尼系数，

ωn——传感器的固有频率，3）、二阶系统a0-γa2-m动态特性的传递函数:在线性系统中初始条件为0时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。单位阶跃响应标准输入信号:阶跃信号和脉冲信号。2、瞬态响应特性:时域分析法t≤0t>0k=1一阶传感器微分方程为：当单位阶跃输入输入拉氏变换则输出拉氏变换：拉氏反变换：

（1）、一阶传感器的单位阶跃响应图:一阶传感器单位阶跃响应1、一阶传感器具有惯性2、t=4τ,认为达到稳态3、τ越小，动态误差小由图

（1）、一阶传感器的单位阶跃响应（续）微分方程为设传感器的静态灵敏度k=1，其二阶传感器的传递函数为传感器输出的拉氏变换为（2）、二阶传感器的单位阶跃响应（2）、二阶传感器的单位阶跃响应（续）ξ＝1为临界阻尼，响应时间最短；

ξ>1为过阻尼，无超调也无振荡，但反应迟钝，动作缓慢，达到稳态所需的时间较长；

ξ<1为欠阻尼，衰减振荡，达到稳态所需的时间随着ξ减少而加长。

ξ＝0，零阻尼，超调量为100％，产生等幅振荡，达不到稳态。频率响应法测量系统特性

优点：简单，信号发生器，双踪示波器就可以缺点：效率低3、频率响应特性频率响应特性:传感器对不同频率正弦输入信号的响应特性。频率响应法：幅值比和相位差。加速度(压电)步进电机步进电机阻尼环(1)一阶传感器的频率响应

图:一阶传感器频率响应特性一阶系统是低通环节,只<<1/时，幅频响应才接近于1截止频率：幅值比下降到零频率下倍时对应的频率幅频特性相频特性随频率增加误差变大由图幅频特性相频特性

（2）二阶传感器的频率响应曲线

设计传感器时，应使ξ<1，固有频率ωn大于被测信号频率的（3～5）倍

利用标准设备产生已知的非电量（标准量），或用基准量来确定传感器电输出量与非电输入量之间关系的过程，称为传感器标定。

1．传感器标定、校准与检定概念

传感器或仪器在制造、装配完毕后必须对设计指标进行一系列试验，进行全面检测，确定其实际性能，这个称之为标定过程。

§4.5传感器标定§4.5.1传感器标定方法和内容

经使用一段时间（中国计量法规定一般为一年）或修理后，必须对其主要技术指标再次进行检测试验，即校准试验，以确保其性能指标达到要求。检定必须严格按照检定规程运作，对所检仪器给出具有法律效应合格或不合格的结论。2．传感器标定的方法与特点

标定的基本方法是将已知的被测量（亦即标准量）输入给待标定的传感器，同时得到传感器的输出量；对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。标定系统分为绝对法标定系统和比较法标定系统。传感器的标定有静态标定和动态标定两种。

3.静态标定

确定传感器静态指标，主要是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的，主要用于检验、测试其静态特性指标。静态标准条件主要包括没有加速度、振动、冲击（除参数本身是被测量）及环境温度（一般为室温20℃±5℃）、相对湿度不大于85％、气压为（101±7）kPa等条件。一般的静态标定包括如下步骤：（1）将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点。

（2）根据传感器量程分点情况，由小到大、逐点递增输入标准量值，并记录与各点输入值相对应的输出值。（3）将输入量值由大到小、逐点递减，同时记录下与各点输入值相对应的输出值。（4）按上述步骤（2）、（3）所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次（一般为3～10次）测试，将得到的输出-输入测试数据用表格列出或画成曲线。（5）对测试数据进行必要处理。输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等静态特性指标。4.动态标定

传感器的动态标定就是通过实验得到传感器动态性能指标，确定方法常常因传感器的形式（如电的、机械的、气动的等）不同而不完全一样，但从原理上一般可分为阶跃信号响应法、正弦信号响应法、随机信号响应法和脉冲信号响应法等。1．静态标定设备

传感器静态标定设备分类：力标定设备（如测力砝码、拉压式测力计）、压力标定设备（如活塞式压力计、水银压力计、麦氏真空计）、位移标定设备（如量块、直尺等）、温度标定设备（如铂电阻温度计、铂铑－铂热电偶、基准光电高温比较仪）等。（1）力标定设备

1）测力砝码我国基准测力装置是固定式装基准测力机，下图采用杠杆式砝码标定装置。§4.5.2常用传感器标定设备12341-支架2-传感器3-杠杆4-砝码

21341－传感器2－工作活塞，3－液压缸4－液体5－砝码6－加力活塞7－测力液压缸8－导管5678杠杆式砝码标定装置液压式测力机工作原理2）拉压式（环形）测力计

环形测力计是一种标准推力标定装置，它由液压缸产生测力，测出测力环变形量作为标准输入。可以用杠杆放大机构和百分表结构来读测力环变形量，也可用光学显微镜读取。若用光学干涉法读取，则精度更高（2）压力标定设备1）活塞式压力计

利用上图的液压式测力机原理和不同的结构形式，再将传感器受力由点改成面接触结构，就形成了活塞式压力计，如下图所示。其中，砝码1经油路产生的压力作为标准压力作用在待标定的传感器6上。1234567891-标准压力表2-砝码3-活塞4-进油阀5-油杯6-被标传感器7-针形阀8-手轮9-