电气测试技术第6章传感器概述

第6章非电量的电测试技术6.1

传感器概述6.2

传感器特性6.1

传感器概述

辅助电源敏感元件转换元件转换电路被测量电量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。转换电路：上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。传感器1.传感器组成举例：测量压力的电位器式压力传感器敏感元件：能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件。弹性敏感元件（弹簧管）：将压力转换为角位移α将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。传感元件（电位器）：将角位移转换为电参量-----电阻的变化（ΔR）

转换元件（传感元件）：将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo。

测量转换电路：2.传感器的定义根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。

本课程主要讲述将各种非电量转换为电量输出的一类传感器。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、按构成原理，结构型与物性型两大类3、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器4、按照物理原理分类：十种5、按照传感器的用途分类：位移、压力、振动、温度传感器6、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器按照物理原理分类：★电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；★磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；★压电式传感器：声波传感器、超声波传感器；★光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；★气电式传感器：电位器式、应变式；★热电式传感器：热电偶、热电阻；★波式传感器：超声波式、微波式等；★射线式传感器：热辐射式、γ射线式；★半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；★其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。

被测量是表征被测对象的各种物理及化学等现象或过程的量，通过传感器后其通常变换成电量，因此这种检测方法也称为非电量的电测法。非电学量电测法具有如下特点：（1）可在极宽的被测量范围内十分方便地调整整机灵敏度，即具有很宽的幅值域。利用电子技术能把信号放大数万倍，因此可测量极微弱的电信号。

（2）电测仪器具有极小的惯性，具有相当宽广的频域，因而既能测量缓慢变化的信号，又可测量随时间作快速变化的信号。

（3）精度高且便于传输，特别是电信号可以用无线电发射、接收，也可直接传输给计算机，对信号进行加工等。（4）电测仪器能够用单元电气部件来装配组合成装置系统或自动系统，这就大大地方便了科研及工业应用。4.非电量电测法的特点6.2

传感器特性

6.2.1静态特性

1.线性度在静态标准条件下，利用一定精度等级的校准设备，测得的特性曲线称为系统的静态校准曲线。系统的校准曲线与其拟合直线的偏离程度称为系统的线性度，又称为非线性误差。如图所示，用ΔLmax表示校准曲线与拟合直线的最大偏差，用yF.S.表示系统的满量程输出值（F.S.是fullscale的缩写），则线性度可表示为图

传感器的线性度的评定

校准曲线拟合直线

非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。①理论拟合；②端点连线平移拟合；③端点连线拟合；④过零旋转拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合直线拟合方法

a)理论拟合b)过零旋转拟合

c)端点连线拟合d)端点连线平移拟合图a中，理论拟合拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。该方法十分简单，但一般说△Lmax较大。图b为过零旋转拟合，常用于曲线过零的传感器。拟合时，使，这种方法也比较简单，非线性误差比前一种小很多。图c中，端点连线拟合把输出曲线两端点的连线作为拟合直线。这种方法比较简便，但△Lmax也较大。图d端点平移拟合中在图c基础上使直线平移，移动距离为原先△Lmax的一半，这样输出曲线分布于拟合直线的两侧，，与图c相比，非线性误差减小一半，提高了精度。直线拟和方法设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法最小二乘法拟合y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即Δi=yi-(kxi+b)

对k和b一阶偏导数等于零，求出b和k的表达式求得拟合直线方程的估计值0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法最小二乘法拟合y=kx+b其中，

2.灵敏度灵敏度是指系统在稳态工作情况下输出改变量与引起此变化的输入改变量之比。常用k表示灵敏度，其表达式为显然，非线性系统的灵敏度各处不一样，如图（a）所示。只有线性系统的灵敏度才为常数，如图（b）所示，

这时

(a)线性传感器(b)非线性传感器

3.迟滞（迟环）在相同工作条件下作全量程范围校准时，正行程（输入量增大）和反行程（输入量减小）所得输出输入特性曲线不重合称为迟滞。也就是说，对应于同一大小的输入信号，系统正、反行程的输出信号大小不相等。迟滞（或称迟环）正是用来描述系统在正、反行程期间特性曲线不重合程度的。迟滞的大小常用正、反行程最大输出差值ΔHmax对满量程输出yF.S.的百分比来表示，其表达式为图

迟滞特性

4.重复性

重复性是指在相同工作条件下，输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得系统特性曲线不一致性的程度。重复性的计算方法有多种。比较简单的方法是先求出正行程的最大偏差ΔRmax1和反行程的最大偏差ΔRmax2，再取这两个偏差中的较大者为ΔRmax，然后用ΔRmax与满量程输出yF.S.的百分比表示，即图

重复性

因重复性误差属随机误差，故按标准偏差来计算重复性指标更合适，用σmax表示各校准点标准偏差中的最大值，则

式中，α为置信概率系数，通常取2~3。取2时，置信概率为95.4%；取3时，置信概率为99.7%。

5.阈值和分辨力

分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力说明了系统可测出的最小输入改变量。对数字式系统，分辨力指能引起数字输出的末位数发生改变所对应的输入增量。

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。

6.稳定性

稳定性表示系统在较长时间内保持其性能参数的能力，故又称长期稳定性。一般以室温条件下经过一个规定的时间后，系统的输出与标定时输出的差异程度来表示其稳定性。稳定性可用相对误差或绝对误差来表示。表示方式如：x个月不超过y%满量程输出。有时也采用给出标定的有效期来表示其稳定性。

7.漂移

漂移是指系统的被测量不变，而其输出量却发生了不希望有的改变。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。如图所示，特性曲线2相对于特性曲线1既发生了零点漂移又发生了灵敏度漂移。

漂移又可分为时间漂移（时漂）和温度漂移（温漂）。时漂指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温漂则是周围温度变化引起的零点漂移或灵敏度漂移。

图

零点漂移与灵敏度漂移

与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)8.精确度准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5℃。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器常以测量误差的相对值表示。

（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。

6.2.2动态特性检测系统的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性称为系统的动态特性，简称动特性。它反映了检测系统测量动态信号的能力。一个理想的测量系统，其输出量y（t）与输入量x（t）随时间变化的规律相同，即具有相同的时间函数。但实际上，输入量x（t）与输出量y（t）只能在一定频率范围内，对应一定动态误差的条件下保持所谓一致。在工程测量中，大量的被测信号是随时间变化的动态信号，即x（t）是时间t的函数，不为常量，因此必须研究检测系统的动态特性。1.瞬态响应特性从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号的响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面以传感器的单位阶跃响应来分析传感器的动态性能指标。阶跃响应当输入为阶跃函数时，则传感器的响应函数y(t)分为两个响应过程，一个是从初始状态到接近终态之间的过程，即动态过程（又称为过渡过程），t趋于无穷时，输出基本稳定，称为稳态过程。如图所示。图阶跃输入与响应

一阶传感器瞬态响应特性

一阶传感器的传递函数：对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号时,传感器的响应为

式中，τ为时间常数；k为静态灵敏度；一阶传感器阶跃响应曲线如图。由于传感器存在惯性,输出不能立即复现输入信号,而是从零开始,按指数规律上升,最终达到稳态值。τ越小,响应曲线越接近于输入阶跃曲线,因此,τ值是一阶传感器重要的性能参数。

图一阶传感器单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应

二阶传感器的传递函数为

图二阶传感器单位阶跃响应式中:ωn——传感器的固有频率;ξ——传感器的阻尼比。

二阶传感器阶跃响应在很大程度上取决于阻尼比ξ和固有频率ωn。固有频率ωn由传感器主要结构参数所决定,ωn越高,传感器的响应越快。

当ωn为常数时,传感器的响应取决于阻尼比ξ。阻尼比ξ直接影响超调量和振荡次数。ξ=0,为临界阻尼,超调量为100%,产生等幅振荡,达不到稳态。ξ>1,为过阻尼,无超调也无振荡,但达到稳态所需时间较长。ξ<1,为欠阻尼,衰减振荡,达到稳态值所需时间随ξ的减小而加长。ξ=1时响应时间最短。但实际使用中常按稍欠阻尼调整,ξ取0.7～0.8为最好。传感器对正弦输入信号的响应特性．称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。2.频率响应特性一阶传感器的频率响应

将一阶传感器的传递函数中的s用jω代替后,即可得频率特性表达式,即

幅频特性相频特性ω是什么？时间常数τ越小,频率响应特性越好。当ωτ<<1时,A（ω）≈1,Φ（ω）≈0,表明传感器输出与输入为线性关系,且相位差也很小,输出y(t)比较真实地反映输入x(t)的变化规律。因此,减小τ可改善一阶传感器的频率特性