传感器基础知识

传感器

原理与应用技术班级：测控技术与仪器学号：20、22、24、31演讲者：制作人：李杰、林灿坤范志华、蓝启祥传感器基础知识1·1学习传感器技术的重要性1·2传感器的组成与分类1·3传感器的数学模型概述1·4传感器的基本特性1·5传感器的标定与校准1·1学习传感器技术的重要性传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是获取信息的主要途径与手段。没有传感器，现代化生产就失去了基础。传感器是边缘学科开发的先驱。传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。返回1·2传感器的组成与分类1·2·1传感器的定义能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。①传感器是测量装置，能完成检测任务；②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；③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头

1·2传感器的组成与分类1·2·2传感器的组成敏感元件转换元件基本转换电路电量被测量辅助电源敏感元件是直接感受被测量，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：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。1·2传感器的组成与分类1·2·3传感器的分类1、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等2、按被测量分类有物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类3、按敏感材料分类可分为半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器、高分子材料传感器、金属传感器等。4、按能量的关系分类可分为有源传感器和无源传感器两大类，有源传感器一般将非电能量转换为电能量；无源传感器本身不是一个换能装置。5、除了以上方法还有用途、学科、功能和输出信号的性质等分类的方法。

返回1·3传感器的数学模型概述1·3·1静态模型静态模型是指在输入静态信号（输入信号不随时间变化）的情况下，描述传感器输出与输入量间关系的一种函数；若不考虑其它因数则可用下列多项式表示：y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn式中：y—输出量；x—输入量；a0—零点输出；a1—理论灵敏度；a2、a3、…、an—非线性项系数

1·3·2动态模型动态模型是指在输入动态信号的情况下，描述传感器输出玉输入量间关系的一种函数；通常称为响应特性。常采用微积分方程和传递函数等来描述。1·3传感器的数学模型概述1、微积分大多数传感器都属于模拟系统，为准确建立传感器的动态数学模型，需忽略一些影响不大的因数，将传感器作为线性定常系统来考虑，则动态数学模型可以用线性常系数微分方程来表示，公式如下：式中：a0，a1，…，an

和b0，b1，…，bm

为传感器的结构参数，是常量。对于传感器，除b0不等于0外，一般取b1，…，bm。用线性常系数微分方程来表示传感器的动态模型的优点是易于通过解微分方程分清暂态响应和稳态响应。2、传递函数为了方便求解，常采用拉普拉斯变换将式子变为算子s的代数式，或采用传递函数研究传感器动态特性。如当t≤0时，y(t)=0，则y(t)的拉氏变换可定义为：1·3传感器的数学模型概述式中：s=δ+jw,δ＞0。对微分方程两边取拉氏变换，得：分析得，H(s)与输入量x(t)无关，只与系统的结构参数有关。则H(s)可以简单而恰当地描述传感器输出与输入的关系。若传感器由r个环节串联而成，其等效传递函数为：若传感器由p个环节并联而成，其等效传递函数为：返回1·4传感器的基本特性1·4·1静态特性1、线性度在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度通常用相对误差γL表示：γL=±(ΔLmax/yFS)×100ΔLmax一最大非线性误差；yFS—量程输出。传感器的静态模型有三种特殊形式，它们所呈现的非线性程度如图所示：(a)(y)(c)1·4传感器的基本特性(a)理想的线性特性：可得：(b)仅有偶次非线性项：(c)仅有奇次非线性项：2、灵敏度在稳态下传感器输出的变化量△y与引起此变化量的输入变化量△x的比值即为其静态灵敏度。其表达式为3．重复性yx0⊿Rmax2⊿Rmax1重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。重复性误差也常用绝对误差表示。检测时也可选取几个测试点，对应每一点多次从同一方向趋近，获得输出值系列yi1，yi2，yi3，…，yin，算出最大值与最小值之差或3σ作为重复性偏差ΔRi，在几个ΔRi中取出最大值ΔRmax作为重复性误差。△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。4．迟滞0yx⊿HmaxyFS迟滞特性式中△Hmax—正反行程间输出的最大差值。

迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。

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称为迟滞。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。

5．分辨力与阈值分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。

6．稳定性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。又可以分为时间漂移和温度漂移。稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，即传感器长时间内保持其原性能的能力。

8．静态误差取2σ和3σ值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即静态误差的求取方法如下：把全部输出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值的偏离程度。yi—各测试点的残差；n一测试点数。1.财4.样2动态护特性1.动态掉误差例：然用一眠只热然电偶作测量葱某一拿容器因的液叼体温岔度T，若动环境传温度新为T0，把膀置于殿环境须温度责之中淘的热质电偶戚立即去放入析容器点中（蒸若T>T0)。图1-5热电偶测温过程测试曲线动态误差TtTT0tt0在动着态的足输入夺信号剖情况参下，滔输出合与输令入间床的差壶异即杨为动态络误差。研究骨传感界器动刑态特日性的肾方法型及其布指标研究寻动态娇特性报可以旦从时胞域和轿频域张两个蛇方面镰采用茂瞬态汇响应克法和扬频率飞响应透法来控分析丑。由透于输订入信贩号的令时间坑函数宣形式松是多番种多哈样的轮，在岛时域点内研侍究传兽感器慎的响耀应特球性时嗓，只丘能研烘究几燥种特什定的蠢输入遍时间雨函数屑（如榆阶跃宅函数仔、脉响冲函霜数和法斜坡苹函数氏等）婶的响灭应特翼性。请在频醒域内尸研究鼠动态秀特性支一般邮是采历用正盯弦函臭数得索到频如率响极应特挣性。轨为了首便于长比较去、评逝价或认动态帝定标惨，最说常用能的输吸入信馅号为干阶跃罗信号碗和正邪弦信抵号。激因此善，对万应的己方法殿为阶龙跃响婶应法廊和频尸率响惯应法筒。（1）阶弃跃响感应当给匙静止盼的传唉感器届输入役一个高单位栏阶跃愿函数咬信号时，课其输椅出特疑性称德为阶泽跃响卖应特帆性。阶跃响应特性tdtrtpσpσ'pts00.100.500.901.00y(t)t①最大夏超调姐量σp：响应崖曲线膛偏离乔阶跃院曲线慨的最挤大值俭。当稳倾态值侄为1，则递最大圈百分今比超挺调量珍为：②延滞愿时间td：阶跃贸响应伏达到换稳态毯值50趋%所需鸽要的译时间疮。③王上升虑时间tr：A．响注应曲旱线从尿稳态骆值10桃%~悼90碗%所需露要的廉时间舌。B．响像应曲仗线从灭稳态默值5%丙~9忌5%所需话要的乒时间查。C．响在应曲岗线从现零到畅第一腊次到就达稳眉态值食所需非要的被时间谊。对有瘦振荡玩的传钱感器络常用C，对腾无振貌荡的注传感屑器常泰用A。④唇峰值夏时间tp：响应婚曲线幕到第榜一个梢峰值灯所需凝要的件时间受。⑤响应沙时间ts：响应禁曲线拳衰减虹到稳寺态值朋之差尸不超怠过±5骡%或±2秆%时所蛙需要课的时逼间。有时如称过球渡过昨程时禾间。（2）频袜率响拢应在采只用正登弦输抢入研捕究传宽感器役频域蜘动态仓特性椅时，洽常用扰幅频冲特性赶和相吸频特伟性来仇描述挥传感逃器的处动态陪特性柏，其勾重要侵指标民是频默带宽瓜度，霸简称充带宽单。带话宽是废指增鄙益变疲化不永超过躬某一国规定演分贝案值的纳频率盒范围酸。在定港常线术性系粗统中栏，拉冲氏变口换是哀广义羞的傅撇氏变淹换，高取s=σ+jω中的σ=0，则s=jω，即欢拉氏性变换理局限宫于s平面皇的虚辆轴，筝则得闻到傅然氏变穷换：同样交有：H（jω）称翻为传匠感器猛的频广率响企应函湖数。H（jω）是待一个勒复函踏数，袖它可登以用机指数始形式益表示警，即其中即A(ω)称为毕传感延器的豆幅频胀特性盆，也旬称为屑传感宝器的勤动态抄灵敏当度（遣或增陈益）转。A(ω)表示膊传感蒸器的埋输出接与输石入的盈幅度届比值塔随频骑率而芳变化抽的大舞小。若以分别惨表示H（jω）的积实部晓和虚利部，锤则频蔽率特刑性的雾相位万角:φ（ω）表示垂传感芝器的乡丰输出撞信号安相位台随频库率而起变化焰的关止系。对于概传感车器φ通常丈是负蔑的，特表示看传感罚器输篇出滞之后于刻输入端的相仁位角腹度，脏而且φ随ω而变阔，故别称之宅为传吧感器总相频议特性受。3.典型烘环节连传感漆器系摧统的绝动态蹈响应屯分析多数部传感墨器输结出与崭输入四的关伏系均柴可用辈零阶且、一搬阶或苹二阶衬微分歼方程存来描栗述，北据此智可把扩传感衔器分热为零倦阶传昼感器崭、一顾阶传坛感器泼和二馅阶传敏感器孩。下互面将稼分别咳讨论叉这几呆种传识感器飘的数寸学模系型。（1）零牺阶传孩感器忘系统零阶督系统叹的微危分方有程为:或零阶嘱传感干器的拉传递直函数俱和频酬率特凉性为撇：（2）一细阶系蜓统的际动态纺响应伞分析一阶系统微分方程：时间常数，静态灵敏度其中对上搜式进饲行拉俭氏变昨换，贫得则传递函数为频率响应函数幅频特性：相频特性：τ越小拣，频否率响捞应特膀性越遭好。若输入为阶跃函数一阶系统微分方程的解为：τ越小亮，阶板跃响见应特悼性越怪好。（3）二统阶传播感器脏的数变学模蜘型所谓能二阶瓶传感矿器是度指由塔二阶茅微分棉方程迁所描餐述的棚传感躁器。蚁很多球传感妇器，心如振委动传撞感器首、压宿力传超感器吃等属归于二偶阶传炊感器辛，其配微分邀方程独为：或或阻尼唱比ξ的影份响较惰大，退不同注阻尼泻比情繁况下茧相对届幅频际特性党即动广态特西性与朴静态萝灵敏柜度之坚比的铜曲线订如图株。2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5ωτξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=1ξ=0.8ξ=0.707A(ω)当ξ→0时，拴在ωτ=1处A(ω)趋近较无穷饶大，珠这一疯现象魔称之匙为谐廉振。宏随岩着ξ的增城大，妄谐振溪现象卸逐渐灾不明嗓显。当ξ≥0碗.7歌07时，额不再善出现炭谐振秋，这马时A(ω)将随串着ωτ的增缠大而收单调等下降勾。0-30°-60°-90°-120°-150°-180°0.511.522.5ωτξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=0.707ξ=0.8ξ=1ξ=0.8ξ=1ξ=0.707ξ=0.6ξ=0.4ξ=0.2ξ=0Φ(ω)相频崖特性二阶紧传感轿器的斤阶跃匠响应赞特性单位阶跃响应通式随阻紫尼比ξ的不翼同，及有几旬种不谊同的挪解：①ξ=0薄(零阻复尼)：输傻出变蜡成等际幅振谷荡，赖即y/K21ω0tξ=01.510.60.2②0＜ξ＜1(欠阻帅尼)：该焦特征莫方程吐具有星共轭载复数央根方程呼通解根据t→∞，y→kA，求出A3；据知初始同条件价求出A1、A2则其曲楼线如笨图，伴是一熔衰减爹振荡顿过程,ξ越小,振荡绘频率袜越高,衰减钟越慢毕。y/K21ω0tξ=01.510.60.2③ξ=1桶(临界污阻尼)：特木征方科程具际有重役根-1待/τ,过渡械函数逐为④ξ后>1（过仪阻尼快）：拳特征暴方程收具有业两个进不同付的实挥根过渡老函数挺为：上两总式表忍明，点当ξ≥患1时，灾该系缺统不酷再是叹振荡粉的，猾而是腔由两乖个一灯阶阻饼尼环昼节组弊成，帝前者凑两个铺时间宰常数兼相同钉，后孙者两嗽个时弱间常躲数不牵同。实际炊传感吐器，ξ值一啊般可袭适当弄安排殊，兼姥顾过笋冲量δm不要辱太大病，稳朱定时餐间tω不要岂过长吴的要纸求。蹦在ξ＝0.丈6～0.馅7范围妻内，蹈可获密得较蜂合适单的综牢合特外性。喜对正山弦输沸入来调说，边当ξ=0辛.6～0.箱7时，希幅值宪比A(ω)/k在比向较宽肿的范嘉围内你变化肠较小泉。计臭算表翠明在ωτ＝0～0.售58范围寄内，盒幅值均比变故化不掌超过5％，服相频脖特性φ(ω)接近哥于线斑性关先系。对于绞高阶厉传感糊器，乐在写母出运矮动方趣程后汉，特可根聪据式学具体部情况鞠写出菠传递路函数泄、频狠率特启性等旨。在暗求出返特征泄方程甚共轭大复根芳和实缎根后顷，可扒将它叮们分山解为染若干乘个二经阶模夏型和兼一阶谱模型搬研究鸽其过律渡函棉数。资有些宵传感穿器可反能难恐于写跟出运仆动方芝程，革这时牌可采横用实派验方老法，帮即通筹过输伍入不躬同频躺率的碰周期坐信号津与阶置跃信云号，恩以获宝得该幅传感扶器系店统的分幅频腐特性屋、相棕频特殖性与股过渡豆函数唉等。返回1·刘5传感余器的呼标定急与校张准1·流5·功1传感骨器的寄标定压电式压力传感器电荷信号压力信号活塞衬式压胁力计惜：已却知标愉准力输入-输出将关系精度椅已知签检测刻设备军测量标定加：利围用标今准器斧具对剂传感毒器进捏行标皮度的成过程驳。校准汽：传逐感器荣在使亲用中滋或存抚储后疼进行漏的性享能复股测。——再次钱的标黎定。标定涌的基惯本方双法待标序定传合感器已知氧非电叫量输入谦量标准瞧设备输出羡量电量输入劈燕标准砖量：怪由标离准传艇感器爱检测滥得到输入量发生器标准传感器输出2待标定传感器输出1实质篇：待复标定侦传感赴器与厦标准熊传感查器之关间的