传感器应用技术 课件 项目一 传感器概述

传感器应用技术项目一

传感器概述传感器的基本概念国家标准（GB7665-2005）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。①传感器是一种测量“器件或装置”，能完成检测任务；②它的输入量是某一“被测量”，它可能是物理量，也可能是化学量，生物量等；③它的输出量是“可用的信号”，这种信号可以是气、光，电等物理量，但主要是易于处理的电物理量，如电压、电流、频率等；④输出输入之间的对应关系应具有“一定的规律”，且应有一定的精确程度，可以用确定的数学模型来描述；1.传感器的基本概念2.传感器的作用人体与自动化测控系统的对应关系“电五官”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。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。2.传感器的作用通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。图1传感器的组成框图3.传感器的组成说明:

由于传感器的输出信号一般都很微弱,因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用,传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外,转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源,不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一，因此,信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。3.传感器的组成实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。3.传感器的组成4.传感器的分类分类方法传感器的种类说明按输入量（被测量）分类位移传感器、温度传感器、压力传感器传感器以被测物理量命名按工作原理分类应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器以工作原理命名按物理现象分类结构型传感器传感器依赖其结构参数变化实现信息转换物性型传感器传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换按能量关系分类能量转换型传感器传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量能量控制型传感器由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量按输出信号分类模拟式传感器输出为模拟量数字式传感器输出为数字量传感技术的发展：1.深入基础研究，开发新型传感器。2.往集成化、微型化、智能化和仿生化方向发展3.不断拓展测量范围，提高检测精度和可靠性4.推进新的检测办法，发展非接触法检测技术5.实现无线网络化7.传感器的发展传感器应用技术项目一

传感器概述传感器的命名及代号一种传感器产品的名称，应由主题词加四级修饰语构成。1）主题词——传感器。2）第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语。3）第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字。4）第三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后续以“型”字。5）第四级修饰语——主要技术指标（如量程、测量范围、精度、灵敏度等）。（1）命名法的构成1.传感器的命名方法1)题目中的用法。本命名法在有关传感器的统计表格、图书索引、检索及计算机汉字处理等特殊场合，应采用上述命名法的构成所规定的顺序。示例1：传感器，位移，应变[计]式，100mm。注:[]内的词，在不引起混淆时，可省略。示例2：传感器，压力，压阻式，[单晶]硅，600kPa示例3：传感器，差压，谐振式，智能型，35kPa。（2）命名法的范例1.传感器的命名方法2）正文中的用法。在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述命名法的构成相反的顺序。示例1：100mm应变式位移传感器。示例2：600kPa[单晶]硅压阻式压力传感器。示例3：35kPa智能[型]谐振式差压传感器。（2）命名法的范例2.传感器代号标记方法

标准规定用大写汉语拼音字母（或国际通用标志)和阿拉伯数字构成传感器完整的代号。

传感器的完整代号应包括以下四部分：主称（传感器）；被测量；转换原理；序号。

图2传感器代号的构成（1）传感器代号的构成2.传感器代号标记方法第一部分：主称（传感器），用汉语拼音字母“C”标记。第二部分：被测量，用其一个或两个汉字汉语拼音的第一个大写字母标记（如压力用Y表示）。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则用其汉语拼音的第二个大写字母作代号（如应力用YL表示，硬度用YD表示）。依此类推。当被测量有国际通用标志时，应采用国际通用标志，当被测量为离子、粒子或气体时，可用其元素符号、粒子符号或分子式加圆括号“（）”表示。如(H+)氢离子，（α）粒子，（β）射线。标准对常用的被测量代号作了相应的规定。（2）各部分代号的意义2.传感器代号标记方法第三部分：转换原理，用其一个或两个汉字汉语拼音的第一个大写字母标记。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则用其汉语拼音的第二个大写字母作代号（如压阻用YZ表示；霍尔用HE表示；电容用DR表示，差压用CY表示）。依此类推。标准对常用的转换原理代号也作了相应的规定。第四部分：序号，用阿拉伯数字标记。序号可表征产品设计特征、性能参数、产品系列等。如果传感器产品的主要性能参数不改变，仅在局部有改进或改动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写汉语拼音字母A、B、C……（其中 I、O两个字母不使用），序号及其内涵可由传感器生产厂家自行决定。2.传感器代号标记方法示例1：氢离子活度传感器C(H+)-12示例2：压阻式压力传感器CY-YZ-2.5示例3：

霍尔式电流传感器CDL-HE-1200

（3）传感器代号标记示例2.传感器代号标记方法传感器应用技术项目一

传感器概述传感器的静态特性讲授内容传感器的特性：一般指输入、输出特性。当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。实际上传感器的静态特性要包括非线性和随机性等因素，如果把这些因素都引入微分方程，将使问题复杂化。为避免这种情况，总是把静态特性和动态特性分开考虑。1.传感器的静态特性传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。1.传感器的静态特性考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图所示。衡量传感器静态特性的主要性能指标包括：线性度、灵敏度、迟滞和重复性、分辨力、稳定性。1.传感器的静态特性传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：式中：y—输出量；x—输入量；a0—零点输出；

a1—理论灵敏度；a2、a3、…、an—非线性项系数各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。（1）线性度y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn2.传感器静态特性技术指标静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。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。（1）线性度

2.传感器静态特性技术指标通常用相对误差γL表示：ΔLmax—非线性最大偏差；yFS—满量程输出。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。γL=±(ΔLmax/yFS)×100%①理论拟合；②过零旋转拟合；③端点连线拟合④端点连线平移拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合2.传感器静态特性技术指标（1）线性度

a)理论拟合

d)端点连线平移拟合

b)过零旋转拟合c)端点连线拟合

2.传感器静态特性技术指标（1）线性度设拟合直线方程：

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

对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式2.传感器静态特性技术指标最小二乘法拟合y=kx+bΔi=yi-(kxi+b)即得到k和b的表达式将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。2.传感器静态特性技术指标2.传感器静态特性技术指标拟合直线的选定原则：保证尽量小的非线性误差，计算与使用方便序号方法名称拟合直线特点（1）理论直线法理论特性线，与测量值无关简单、方便，非线性误差大。（2）端点线法校准曲线端点连线简单，非线性误差大（3）最小二乘法与校准曲线的残差平方和最小精度高，普遍推荐的方法（4）“最佳直线”法与正、反行程校准曲线的正、负偏差相等且最小精度高，求解复杂（2）灵敏度与灵敏度误差

γs=(Δk/k)×100%由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。K=Δy/Δx传感器输出的变化量Δy与引起该变化量的输入变化量Δ

x之比即为其静态灵敏度，其表达式为2.传感器静态特性技术指标传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的程度称为迟滞。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

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。2.传感器静态特性技术指标（3）迟滞产生原因：主要是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。出现的误差大、小视具体情况而定。

（3）迟滞

2.传感器静态特性技术指标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的不一致性程度。重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即产生原因:与产生迟滞现象的原因相同,属于随机性误差。（4）重复性

2.传感器静态特性技术指标分辨力：

分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。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。

分辨率：

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）分辨力与阀值2.传感器静态特性技术指标500米口径球面射电望远镜分辨力—10cm量子感测技术分辨力—单个生物细胞水平嫦娥五号分辨力—1亿像素

分辨力的重要性北斗导航定位系统分辨力—15cm2.传感器静态特性技术指标2.传感器静态特性技术指标

手机屏幕的分辨能力越高越好吗？表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力。包含稳定度、环境影响两个方面。稳定度指所有条件不变，规定时间维持示值不变的能力。例如某仪表输出电压值在8h内的最大变化量1.3mV。环境影响指由外界环境变化而引起的示值变化。一般由零漂和灵敏度漂移。零漂可以由重新调零克服,灵敏度漂移可以由计算机处理。环境影响的因素有：温度、湿度、气压、电源电压、电源频率，其中温度的影响最大，具体克服办法在后续章节学习。（6）稳定性2.传感器静态特性技术指标漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移(时漂)和温度漂移(温漂)。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂为周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。（7）漂移2.传感器静态特性技术指标（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。2.传感器静态特性技术指标（8）静态误差静态误差是评价传感器静态性能的一项综合性指标，常将它称之为传感器的精度，他基本包括了前面叙述的非线性误差、重复性误差、灵敏度误差等，若这几项误差是随机的、独立的、正态分布的，也可以把这几个单项误差综合而得，即：

2.传感器静态特性技术指标传感器应用技术项目一

传感器概述传感器的动态特性讲授内容对随时间变化的动态信号测量时，要求传感器能迅速准确地测出信号幅值的大小和无失真地再现被测信号随时间变化的波形。传感器的动态特性指传感器对随时间变化的输入信号的响应特性。传感器的动态特性

把一支热电偶从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t1℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时热电偶测量的介质温度从t0突然上升到t1，而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到t1℃需要经历一段时间，即有一段过渡过程。热电偶反映出来的温度与其介质温度的差值就称为动态误差1.研究传感器动态特性的方法及其指标被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。时域：瞬态响应法输入信号：阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数指标：时间常数、上升时间、响应时间、超调量…频域：频率响应法输入信号：正弦周期信号指标：频带宽度传感器的动态特性2.传感器的动态数学模型：常系数线性微分方程y——输出量；x——输入量；t——时间a0，a1，…，an——常数；b0，b1，…，bm——常数

——输出量对时间t的n阶导数；

——输入量对时间t的m阶导数；求解上述微分方程的方法：采用传递函数、频率响应函数等足以反映系统动态特性的函数将系统的输出与输入联系起来。传感器的动态特性2.传感器的动态数学模型：传递函数传感器的动态特性动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统中是指初始条件为0时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数Y(s)——传感器输出量的拉氏变换式；X(s)——传感器输入量的拉氏变换式上式分母是传感器的特征多项式，决定系统的“阶”数。可见，对一定常系统，当系统微分方程已知，只要把方程式中各阶导数用相应的s变量替换，即求出传感器的传递函数。1）零阶环节传感器的动态特性方程式系数除了a0、b0之外，其它的系数均为零，这样的系统称为零阶环节。此时，微分方程就变成代数方程，即式中，k=b0/a0为传感器的静态灵敏度或放大系数。在工程应用中，电位器式的电阻传感器、利用静态式压力传感器测量液位均可看作零阶系统。

无失真，无滞后，又称为比例环节、无惯性环节。a0y(t)=b0x(t)改写成

y(t)=kx(t)2）一阶环节（惯性环节）传感器的动态特性

方程式的系数除了a0、a1与b0之外，其它的系数均为零，则微分方程为式中：τ——传感器的时间常数，τ=a1/a0；反映传感器惯性的大小。

k——传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0。

改写成

2）二阶环节

传感器的动态特性

二阶环节的微分方程为式中：

ξ——传感器的阻尼系数，

ωn—传感器的固有频率，

k——传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b