传感器及其一般特性课件

2025/1/141

传感器及其一般特性

2025/1/142

人通过五官接受外界信息，经大脑思维（信息处理），作出相应的动作。而对于用计算机控制的自动化系统，计算机则相当于人的大脑，传感器则相当于人的五官。一、概论人体与智能机器的对应关系2025/1/143传感器的定义和组成定义：被测量：物理量、化学量、生物量……规律：确定规律，可以重复（线性、非线性、周期）可用信号：便于处理和传输的非噪声信号（电信号、光信号……）例：电阻应变片—变形和温度变化--电阻变化传感器：传--传递信息；感--感受被测量；器--器件；

传感器是现代科学的耳目。传感器是一种把特定的被测信息量按照一定规律转换成为可用信号输出的器件或装置。2025/1/144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。电量被测量

敏感元件转换元件转换电路非电量输出

2025/1/145传感器的定义和组成●敏感元件：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。如：粘贴于构件上的电阻应变片，直接感受应变，并将应变的变化转换为电阻的变化。说明：以现有的方法和技术，并非所有的非电量都能直接变换为电量，而是常需要预变换。即：将被测非电量预先变换为一种易于变换成电量的非电量。如：电容式压力传感器中的膜片就是敏感元件，它首先将压力量预变换成位移量，然后再将位移量变换为电容量。故敏感元件也称预变换器。2025/1/146传感器的定义和组成●转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电量的器件。有时敏感元件和转换元件合成一体，如电阻应变计、压电晶体等。●转换电路（测量电路）：是将传感元件输出的电信号转换为便于显示、控制和处理为有用信号的电路。使用较多的有惠斯登电桥电路。由于传感元件输出的信号一般较小，大多数测量电路还包括了放大器，但有时把放大器归在测量仪器中。2025/1/147传感器的分类分类法型式说明按输入量位移：线/角位移；速度：线/角速度；加速度：线/角加速度；力：压力、应力等以被测量命名（即按用途分类）按工作原理电阻式电容式电感式压电式磁电式热电式光电式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输出量模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、……）输出量为数字信号（脉冲、编码、……）2025/1/148

现代化的传感器必须具备以下特点：传感器的必备特点高精度——高精度的测量必须使用高精度的传感器。小型化——很多测量场合要求传感器具有尽可能小的尺寸。集成化——其一是将传感器与放大器、温度补偿电路等集成在同一芯片上；其二是将同一类的传感器集成在同一芯片上，构成二维阵列式传感器，如面型固态图像传感器（CCD）。数字化——为了使传感器与计算机直接联机，要求传感器本身的信号数字化。智能化——智能化传感器与微型计算机相结合，兼有检测与信息处理，甚至自动化操作的功能。根据测试目的和实际条件，合理的选用传感器。2025/1/149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（与其内部参数有密切关系），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。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。二、传感器的静态特性和动态特性2025/1/14101、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。

2025/1/1411输出－输入特性的非线性YFSyyyYFSYFSxmxmxmxxxΔLmaxΔLmaxΔLmax

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与拟合直线的偏离程度，又称非线性误差。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的指标。

（1）线性度2025/1/1412

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，灵敏度就是静态特性的斜率：而非线性传感器的灵敏度是一个变量，即用dy/dx表示传感器在某一工作点的灵敏度。

灵敏度定义y0xyy0(a)线性传感器x0(b)非线性传感器ΔxΔyyK=Δy/Δx(2)灵敏度2025/1/1413YFSyxXFS∆Hmax

迟滞现象0

迟滞是指传感器在正向（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如图中所示。迟滞反映了传感器机械部分如轴承摩擦、间隙、材料内摩擦等缺陷。（3）迟滞现象2025/1/1414

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：

（3）迟滞现象2025/1/1415

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（4）重复性2025/1/1416

不重复性误差属随机误差，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。（4）重复性2025/1/1417零点漂移:传感器无输入信号、温度恒定时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值，即为零点漂移，其值为：

△0max为在一定时间内的最大零点偏差。

（5）零点漂移、蠕变和温度漂移温度漂移:温度每变化1℃时，传感器输出最大偏差与满量程输出的百分比：蠕变:在满量程输入并保持不变时，输出量随时间变化的最大值与满量程输出的百分比：2025/1/1418

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。（6）静态响应特性的其他描述2025/1/1419

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

2、动态特性

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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：（1）传感器的基本动态特性方程式中，a0、a1、…,an,b0、b1、….,bm是与传感器的结构特性有关的常系数；分别为动态输入和输出。绝大多数传感器输出和输入关系均可用零阶、一接或二阶微分方程来描述，因此分别称为零阶、一接和二阶传感器。2025/1/1421通常将该代数方程写成：

为传感器的静态灵敏度或放大系数。①零阶系统

ULxUx+-零阶传感器原理图（电位器式传感器）2025/1/1422一阶系统微分方程：

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。②一阶系统2025/1/1423

二阶系统的微分方程通常改写为：③二阶系统a0-相当于弹簧系数γ；a2-相当于质量块m。二阶传感器原理图（电动式振动传感器）k——传感器的静态灵敏度或放大系数；ξ——传感器的阻尼系数，ωn——传感器的固有频率，式中：2025/1/1424

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2025/1/1425拉氏变换*拉普拉斯变换：是求解线性微分方程，特别是常系数的线性微分方程的有效工具。用拉氏变换可简单地写出激励与响应之间的代数关系。已知函数，下列积分所确定的函数称为函数的拉氏变换，或简单记为称为函数的拉氏逆变换，记为（S是复数）2025/1/1426用拉氏变换方法求解微分方程举例。单自由度欠阻尼系统对任意激励的响应微分方程：对上式两端各项作拉氏变换：

代入原微分方程，经整理得：拉氏变换*2025/1/1427

上式是系统的响应在拉氏域中的表达式。对其进行拉氏逆变换，得到在时间域的响应表达式。

如不计运动的初始条件，即令则上式可写成

拉氏变换*或令则或称为系统的传递函数，它定义为系统的响应的拉氏变换与激励的拉氏变换之比。

在拉氏域中，系统的响应是系统的传递函数和激励的乘积。2025/1/1428t≤0t>0当k=1系统的传递函数:一阶传感器微分方程为：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2025/1/1429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）2025/1/1430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2025/1/1431ξ＝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。②二阶传感器的单位阶跃响应（续）2025/1/1432（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。

2025/1/1433由图知，随频率增加误差变大；一阶系统是低通环节，只当<<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一阶传感器频率响应特性（a）幅频特性（b）相频特性①一阶传感器的频率响应

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②二阶传感器的频率响应曲线

低频区共振区高频区低频区：λ→0的情形，阻尼比对放大系数的影响很小。共振区：λ=1振幅出现最大值，λ→1振幅变化明显，阻尼的影响也显著。高频区：λ>>1，阻尼的影响又变小，振幅放大因子减小→0。频响曲线2025/1/1435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。幅频特性相频特性对数坐标中的频响曲线2025/1/1436仪器校准的内容之一就是用它去测量“标准”件（特性或参数是已知的物质）。通过这种测量调整仪器，使其测量的结果与“标准”件的特性或参数相一致。因此，对标准件的要求非常高，因为其后由该仪器所进行的测量都是与校准结果相比较而言的。通常，仪器的校准是逐级传递的，例如A级标准用来校准标准实验中的B级仪器，B级用来校准在工厂中使用的C级仪器，C级用来校准最终的产品D，校准D的实际上是A，校准的路径是A→B→C→D，即量值传递（是自上而下的活动，带有强制性）。最常用的标准件是专门制作的，存放在国家标准实验室。目前任何一个国家标准实验室都无法对新型仪器进行校准。为此，在测量过程中使用某些器件，并把这些公认的测量结果定为标准。三、传感器标定（校准）仪器校准2025/1/1437

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。经使用一段时间（中国计量法规定一般为一年，因仪器不同而异）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。1、传感器标定方法和内容2025/1/1438

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。

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（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。一般的静态标定步骤：①将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点。2025/1/1440②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。以输入量为横坐标、输出量为纵坐标，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。

2025/1/1441（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（频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等），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。必要条件：可靠的标准信号源（如阶跃信号响、正弦信号、脉冲信号等）；标准信号源与时间的关系。2025/1/1442①力标定设备

◆测力砝码我国基准测力装置是固定式基准测力机，如图采用杠杆式砝码标定装置。2、常用传感器标定设备（1）静态标定设备

传感器静态标定设备分类：力标定设备、压力标定设备、位移标定设备、温度标定设备等。12341-支架2-传感器3-杠杆4-砝码

杠杆式砝码标定装置2025/1/144321341－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液压式测力机工作原理2025/1/1444

◆拉压式（环形）测力计（也称测力环）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。2025/1/1445②压力标定设备

◆活塞式压力计

如图所示，利用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。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-手摇压力阀活塞压力计示意图2025/1/1446压力标定曲线◆水银压力计

水银压力计是一种最普通的液体压力计，采用U形管水银压力计的原理，靠水银的重力产生压力，根据两端位置差和一端的压力，即可求出另一端的压力。2025/1/1447③位移标定设备

主要是各种长度计量器具，如各种直尺、深度尺、深度千分尺、量块、塞规、专门制造的标准样柱等均可用作位移传感器的静态标定设备。

标准位移器2025/1/1448④温度标定设备

630.74℃以下主要用铂电阻温度计，630.74～1064℃用铂铑-铂热电偶，1064℃以上一般采用光学高温计。⑤应变标定设备

一般采用加载后能产生已知均匀准确的一维应力装置，多采用泊松系数为0.285的合金钢的等弯矩梁或等强度悬臂梁，梁的应变通常用挠度计转换后测得。或用标准应变模拟仪。2025/1/1449（2）动态标定设备

标定中常用的动态激励设备有激振器（如电磁振动台、低频回转台、机械振动台等）、激波管、周期与非周期函数压力发生器等。其中激振器可用于加速度、速度、位移、力、压力传感器的动态标定。2025/1/1450◆电动式中、低频激振器

中频激振器工作的频率范围为5～7.5kHz，一般采用电动式激振器作为中频标定用振动台。右图所示为电动式激振器结构示意图，驱动线圈7固装在顶杆4上，并由支承弹簧1支承在壳体2中，线圈7正好位于磁极5与铁芯6的气隙中。磁钢3、磁极5、铁芯6和气隙构成磁回路，当线圈7通以经功率放大的交变电流时，它在气隙的磁场中受力，该力通过顶杆4传到试件8上便是激振力。①振动标定设备电动式激振器原理图1弹簧2壳体3磁钢4顶杆5磁极6铁芯7线圈8试件2025/1/1451◆压电式高频激振器

1.被标传感器2.内装传感器3.压电片4.底座压电式高频振动台◆其他激振器

机械振动台种类很多，其中最常用的是偏心惯性质量式。其原理是电机带动-偏心质量旋转，产生振动。2025/1/1452◆周期函数压力发生器

a）振动空腔校验器为封闭空腔，用适当方法产生空气谐振，安装在空腔壁上的传感器能感受到周期变化的力。b）非谐振空腔校验器的原理是用一定方式调制通过容器的气流，使容器内的气体产生周期变化的压力。c）活塞与缸筒式稳态压力源，如下图所示。调节手柄可以改变压力的幅值，可获得70kg/cm2的峰值压力，频率可达100Hz。d）凸轮控制喷嘴式稳态压力源，如下右图所示，可获得0.1kg/cm2的峰值压力，频率可达300Hz。②压力标定设备2025/1/14531-接被检压力计；2-接标准压力计；3-飞轮；4-调节手柄

活塞缸筒稳态压力源示意图1-恒定压力入口；2-接被检压力计；3-凸轮；4-接标准压力计凸轮控制喷嘴稳态压力源2025/1/1454◆非周期函数压力（力）发生器

a）激波管

2025/1/1455b）快速阀门装置

1－传感器2－泄放阀3－小容腔4－阀芯5－阀杆6－活塞7－供油管道2025/1/14561、基本原理

由于应变测量具有很多的优点，任何物理量只要能设法转变为应变，都可以利用应变片进行间接测量，进而发展成多种形式的应变式传感器。例如测量力时，可以将应变片粘贴在承受被测力的杆件上，因为杆件应变与力的大小成比例，测出应变即可间接测出力。该杆称为弹性元件，其作用是承受被测物理量并产生一定的应变。应变片式传感器有应变片、弹性元件及附件组成。四、应变片式传感器2025/1/1457要求：

（1）弹性元件上粘贴应变片的部位有足够大的应变量，以使传感器有较大的灵敏度。（2）保证弹性元件上任何部分的应力不超过材料的屈服极限，并有必要的安全系数。（3）如果弹性元件是被测部件的组成部分，应使变形量足够小，以免改变被测部件原有状态。（4）弹性元件应设计紧凑，但要有足够部位粘贴应变片，并便于粘贴和接线。（5）动态测量时，需进行弹性元件自振频率计算或对传感器进行动态特性试验。1.1弹性元件2025/1/1458（1）非线性度和迟滞：非线性度和迟滞使测量产生误差，一般迟滞值在0.2％～1.5％之间。选用优质的材料和进行适当的热处理能够减小迟滞。（2）弹性模量随温度变化：材料的弹性模量随温度而稍有变化，会产生应变测量误差。因此要求弹性模量随温度变化尽可能小。（3）热膨胀系数：当弹性元件与应变片敏感栅材料的热膨胀系数不同时也会使应变片产生热输出。（4）自振频率：弹性元件和传感器有关部分与被测部件的有关部分组成弹性自振系统，在动态测量时，弹性元件的自振频率影响测量准确度。弹性元件刚度越大，自身和附加质量越小，惯性越小，则自振频率越高。弹性元件的特性：2025/1/14591.2传感器电路补偿和调整

由于传感器长期使用，精确度要求通常比应变测量高，所以常采用特别措施减少温度和非线性引起的误差。应变片式传感器利用电桥电路特点，用补偿片法或采用温度自补偿应变片来实现初步温度补偿，但环境温度变化时电桥还有输出，一种是无载时发生的输出，另一种在有载时电桥输出灵敏度随温度而变化的输出，需要设法补偿。

2025/1/1460零点输出调整

为了减少测量误差和便于仪表调零，传感器的应变计桥路在空载时输出应近似为零。由于应变计电阻和接线电阻总有差别，因此需经零点输出调整。调整方法：先测出空载时的输出，然后在某一桥臂中串联一电阻温度系数很小的电阻R0，使桥路输出接近于零。R0计算如下：R：桥臂电阻值；U：供桥电压；ΔU调整前实测零点输出电压（mV）。2025/1/1461零点温度补偿

传感器空载时输出基本为零，当温度变化时，因弹性元件、粘结剂、应变计都有不同长度的热胀冷缩，引起敏感栅电阻值变化，另一方面敏感栅材料电阻温度系数引起电阻变化，这些因素均会引起传感器输出，因此需进行温度补偿。调整方法：在某一桥臂中串联一电阻温度系数很大的电阻Rt，只要选择合适的阻值和桥臂，就可使零点温度输出得到补偿。2025/1/1462线性补偿

补偿方法：在供桥电路中串联一电阻RL，与电阻RAC组成分压器，调节RL即可改变传感器的实际供桥电压UAC

，其等效电路见图（b）。若传感器输出在未补偿之前有递减趋向，则调节RL使实际供桥电压增加，经补偿后即可近似为直线。为了细调非线性补偿特性，可用电阻RL’与RL并联，使在一定范围内得到不同的补偿效果。2025/1/1463灵敏度温度补偿补偿方法：在供桥回路中串联一电阻Rm，其电阻温度系数较大。的那个温度升高时，一般传感器输出随之增大，而此时Rm增大，则由电阻分压作用相当于使桥路实际供桥电压UAC降低，从而使输出减少，补偿补偿作用。为了方便细调，在Rm上个并联一电阻Rm’。2025/1/1464灵敏度标准化调整

为了提高传感器互换性，应将传感器灵敏度调整到标准值（如2mV/V，允许变化±0.1%）。解决方法：在供桥回路中再串联一电阻RS，相当于减少实际供桥电压UAC，以使灵敏度达到标准值。2025/1/1465输入电阻标准化调整

经过上述几项补偿和调整后，传感器输入电阻往往与标称值（如120Ω）差别较大，为使输入电阻标准化，可在输入HJ间并联一电阻值RP。2025/1/1466完整的传感器电桥电路

上述6项补偿和调整工作应按顺序进行，工作量虽大，但对于高精密度传感器是必要的。为使桥路各项参数对称，常把RL、Rm、RS分成相同两部分对称地串联在供桥回路中。包括上述各种补偿和调整电阻的完整传感器桥路如图所示。2025/1/1467粘贴式可调补偿和调整片

传感器桥路