传感检测技术及其应用 第1-3章

传感检测技术

及其应用郑州大学机械工程学院机电一体化研究所刘武发

2/2/2023本课程的主要内容1.传感检测技术基础2.常用传感器原理3.传感器信号处理电路4.典型传感器应用2/2/20232第1－3章传感检测技术基础一、传感器测技术概念1.传感检测技术作用（意义、重要性）

在自然界、社会生活、生产实践、科学实验等活动中，存在各种各样的量，需要知道他们的存在和大小。有些量大到能够被人们感知，有些量较小，不能被人们感知。要测出人们感兴趣量的大小，就要用到对这些量敏感的传感器，信号处理（调理）电路，检测技术等…2/2/202332.传感器的概念＊传感器是人体五官—耳、眼、鼻、舌、皮肤的工程模拟物。＊传感器广义概念是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置。＊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装置。＊随着科学技术的进步，传感器的“可用信号”内涵也会随之改变，如人们跨入光子时代，光信号将成为更便于快速、高效处理与传输的“可用信号”了。2/2/202343.传感器的组成敏感元件被测量转换元件基本转换电路电量电路参数物理量例如：悬臂梁机速度传感器2/2/20235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。基本转换电路：电桥把电阻变化转化为电压输出。dV2/2/20236二、传感器的工作机理和分类1.传感器工作机理传感器的工作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则支配。了解这些定律和法则有助于对传感器本质的理解和对新效应传感器的开发。＊守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。＊场的定律：如重力场、静电场、磁场等。遵守场定律的传感器可称为“结构型传感器”＊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“物性型传感器”2/2/20237＊统计法则：把微观系统与宏观系统联系起来的法则。2.传感器的分类＊按被测量分类

该分类法明确了传感器的用途，便于使用者选择传感器，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。＊按工作原理分类该分类法清楚地表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和应用，如电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式传感器等。

2/2/20238＊按工作机理分类

▽物性型：依靠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、压电式传感器等。

▽结构型：依靠传感器结构参量的变化实现信号转换。如电容式、电感式传感器等。＊按基本效应分类▽物理型：利用某些变换元件的物理性质或某些功能材料的特殊性能制成的传感器。如PN温度传感器。

2/2/20239▽化学型：利用电化学反应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。如接触燃烧气敏传感器等。▽生物型：利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。如酸度计传感器等。＊按能量转换关系分类▽能量转换型（无源型、发电型或主动型传感器）不需要外加电源而将被测量转化为电量输出，但其负载能力有限，应用时需要注意。如热电偶、压电式传感器等。

▽能量控制型（有源型、被动型传感器）2/2/202310

需要外加电源才能将被测信号转化为电量，能量控制型传感器本身参数的改变（如电阻、电容、电感）不起换能作用。＊按输出信号的形式分类

▽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。如编码器式传感器。

工程习惯上常根据工作原理和被测量命名传感器，电感式位移传感器，电容式加速度传感器等。2/2/202311三、传感器数学模型（描述方法）

传感器作为感受被测量信息的器件，总希望它能按照一定的规律输出有用信号，因此，需要研究其输出-输入关系及特性。最有效的描述方法是传感器的数学模型。由于传感器可以测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方程作为数学模型。这样在数学上有困难，所以，实际上把传感器的静态特性和动态特性分开考虑，从而有静态模型和动态模型。2/2/2023121.静态数学模型指在静态信号作用下（即输入量对时间t的各阶导数等于0）得到的数学模型。其静态数学模型为2/2/202313(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2/2/2023142.动态数学模型传感器的动态数学模型是指传感器在受到时变输入量作用时，其输出－输入之间的关系，通常称为响应特性。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、阻尼等因素，使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，这就必须认真研究传感器的动态响应特性，为此建立的数学模型称为动态模型。常用的动态方程有：微分方程、传递函数、频率响应函数。2/2/202315（1）微分方程（时域内）优点：通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态响应。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，而且还与输入量有关。缺点：求解麻烦，尤其是通过增减环节来改善传感器的特性时显得更不方便。2/2/202316（2）传递函数（复数域内）在数学上，如果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，就得到传递函数。上述微分方程在初始条件为零时，输出y(t)拉氏变换Y(S)和输入x(t)的拉氏变换X(S)之比，即为传递函数G(S)。其中传递函数G(S)用于描述系统本身固有的特性，而与输入量无关。2/2/202317（3）频率响应函数（频域内）对于传感器或系统，其频率响应函数为：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，即如将G(jω)的实部和虚部分开，则有G(jω)=P(ω)+jQ(ω)其中，P(ω)和Q(ω)都是ω的实函数，以频率ω为横坐标，以P(ω)和Q(ω)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。又若将G(jω)写成G(jω)=A(ω)ejφ(ω)

其中2/2/202318分别称为幅频特性和相频特性。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关系，有静特性和动特性之分。1.传感器的静特性静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳定状态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。2/2/202319衡量传感器静态特性的主要技术指标有线性度、重复性、迟滞、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移、精确度等。（1）线性度标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。若在标称（全量程）输出范围A内，标定曲线偏离拟合直线的最大偏差为B，则定义非线性度为线性度=(B/A)×100%

线性度图拟合直线（理论直线法、端点平移法、端点线法、最小二乘法），该如何确定，目前国内外尚无统一的标准。较常用的是最小二乘法。2/2/202320（2）迟滞

传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出输入曲线不重合程度称为迟滞。迟滞误差一般以正反行程中输出的最大偏差量与满量程输出之比的百分数表示，即

迟滞特性迟滞特性一般由实验方法确定。2/2/202321（3）重复性指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得的特性曲线不一致的程度。重复性误差常用满量程输出的百分数表示。

正行程的最大重复性偏差为△Rmax1，反行程的最大重复性偏差为△Rmax2

。重复性误差取这两个最大偏差之中较大者为△Rmax，与满量程输出之比的百分数表示，即

2/2/202322（4）灵敏度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变化量的反应能力。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即非线性传感器的灵敏度不是常数，可表示为2/2/202323（5）分辨力与阈值

分辨力是指传感器在规定测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量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。

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，形成所谓“死区”，则将该“死区”的大小作为阈值。2/2/202324（6）稳定性

稳定性又称长期稳定性，即传感器在长时间内保持其原性能的能力。稳定性一般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输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。（7）漂移

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、不需要的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏度漂移。

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零点漂移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(精确度)静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。是系统误差与随机误差综合影响程度的评价指标。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，求出其标准偏差，即2/2/202326取2σ或3σ值即为传感器的静态误差。静态误差是一项综合性指标，它基本上包含了前述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差等。所以也可以把这几个单项误差综合而得，即2.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响应特性。传感器的动态特性取决于传感器本身及输入信号的形式。2/2/202327

因此，工程上常采用正弦函数和单位阶跃函数作为“标准”信号函数，对传感器的动态特性进行分析，从而确定评价传感器动态特性的指标。（1）频率响应特性

传感器的频率响应函数为对系统输入正弦激励信号x(x)=Asin(2πft)，在系统达到稳态后，测量输出和输入的幅值比和相位差。这样可以得到频率f下系统的传输特性。从系统的最低测量频率fmin到系统的最高测量频率fmax，按一定的增量方式逐步增加正弦激励信号频率f，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。

2/2/202328（2）阶跃响应特性对一阶系统来说，对系统输入阶跃信号，测得系统的响应信号。取系统输出值达到最终稳态值的63%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，测得系统的响应信号。从而可以测出系统的动态特性参数。（3）传感器不是真条件传感器不失真检测条件为2/2/202329即：幅频特性应当是常数(即水平直线)；相频特性应该是线性关系。五、传感器的标定与校准1.传感器的标定传感器系统设计好后，其输出与输入的关系并不知道，只有通过标定才能获得。利用标准设备产生已知的非电量（标准），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。（1）标定设备标准信号发生器、输出信号测试仪器。2/2/202330（2）静态标定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，计算出传感器（系统）的静态特性。（3）动态标定用于确定传感器的动态性能指标。2.传感器的校准传感器需要定期检测其基本性能参数，以判定其是否可以继续使用。若能继续使用，则应对其变化的主要指标进行修正。确定传感器的测量精度的过程，称之为传感器的校准。2/2/202331六、改善传感器性能的主要技术途径1.差动技术2.平均技术3.稳定性技术4.屏蔽、隔离与干扰抑制技术5.补偿校正技术6.集成化与智能化