气体传感器菜鸟入门知识2.

第二章传感器的基本概念传感器的定义和组成传感器的分类传感器的一般要求传感器的基本特征传感器的正确选用传感器的应用领域及其发展传感器的基本概念传感器：以一定精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。定义含义：传感器是测量装置传感器的输入量是某一被测量传感器的输出量应是便于转换的物理量传感器的输入与输出之间有一定精确程度的对应关系传感器的定义和组成V、I、F、P传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去被测量电量敏感元件、转换元件、基本转换电路被测量输出量敏感元件：它是直接感受被测量，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，它把输入的被测量抟换成电路参量。基本转换电路：上述电路参量输入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路传感器组成1——壳体2——膜盒（敏感元件）3——电感线圈（转换元件）4——磁芯5——转换电路传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类十分繁多。为了很好地掌握它、应用它，需要有一个科学的分类方法。传感器分类1)按被测物理量分类机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩常见的被测物理量2)按工作的物理基础分类:机械式,电气式,光学式,流体式等.能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.例如位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等。模拟传感器、数字传感器。双向传感器、单向传感器等。按照传感器的用途来分类根据传感器输出是模拟信号还是数字信号根据转换过程可逆与否①可靠性；⑥通用性；②静态精度；⑦轮廓尺寸；③动态性能；⑧成本；④量程；⑨能耗；⑤抗干扰能力；⑩对被测对象的影响传感器的工作可靠性、静态精度和动态性能是最基本的要求传感器一般要求静态特性：被测量不随时间变化或变化很慢时，检测系统的输入和输出量都与时间无关。动态特性：输入量和输出量都随时间变化较快，是一个含有时间变量的微分方程式。检测系统对快速变化的被测量的响应特性称为动态特性。传感器基本特性传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。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。灵敏度分辨率线性度重复性迟滞稳定性漂移静态特性稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响传感器输入输出作用图输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标1、线性度线性度是用实测系统输入-输出特性曲线与其拟合直线之间的最大偏差。又称为非线性误差。通常用相对误差来表示，即：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：线性度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。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。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。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.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。线性度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a.理论拟合b.过零拟合c.端点连线拟合d.端点连线平移拟合常用拟合方法2、灵敏度灵敏度：是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化Δy和引起此变化的输入的变化量Δx的比值。可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，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。由多个环节组成的检测系统其灵敏度等于各环节的灵敏度之积。3、重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即或：y0⊿Rmax2⊿Rmax1X△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、分辨率分辨率：传感器的分辨率是指在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示：5、稳定性：传感器的稳定性一般是指长期稳定性指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。抗干扰稳定性包括：温度稳定性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，有时称为长时间工作稳定性。6、漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的变化，包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移灵敏度漂移时间漂移、温度漂移7、迟滞（回差滞环）现象传感器在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程期间,输入-输出特性曲线的不一致的程度。其大小是以满量程输出YFS的百分数表示，即：是正、反行程输出值间的最大差值。传感器的动态特性是指其输出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被测量的变化形式动态特性在动态的输入信号情况下，输出信号一般来说不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。动态特性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。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。正弦变化的输入阶跃变化的输入线性输入经常使用的是前两种标准输入有三种通常采用阶跃响应法和频率响应法分析传感器的动态误差阶跃响应法阶跃响应法从时域方面来分析传感器的瞬态响应特性，如：超调量、上升时间、响应时间、延滞时间、峰值时间等。时，其输出特性称为阶跃响应或瞬态响应特性。当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号：瞬态响应特性曲线如图阶跃响应特性（1）最大超调量σp（2）延滞时间td（3）上升时间tr（4）峰值时间tp（5）响应时间ts：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。通常是先建立传感器的数学模型，通过拉氏变换找出传递函数表达式，再根据输入条件得到相应的频率特性。频率响应法传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。分析传感器动态特性，必须建立数学模型。线性系统的数学模型为常系数线性微分方程。对线性系统动态特性的研究，主要是分析数学模型的输入量x与输出量y之间的关系，通过对微分方程求解，得出动态性能指标。频率响应法xbdtdxbdtxdbyadtdyadtydammmnnn0101////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nndtyd/mmdtxd/零阶传感器在零阶传感器中，只有a0与b0两个系数，微分方程为a0y=b0xKxxaby)/(00K——静态灵敏度零阶输入系统的输入量无论随时间如何变化，其输出量总是与输入量成确定的比例关系。在时间上也不滞后，幅角等于零。如电位器传感器。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似地当作零阶系统处理。大部分传感器可简化为单自由度一阶或二阶系统一阶传感器微分方程除系数a1，a0，b0外其他系数均为0，则a1(dy/dt)+a0y=b0xxabydtdyaa0001Kxydtdyτ—时间常数(τ=a1/a0)；K——静态灵敏度(K=b0/a0)传递函数：一阶传感器sKsW1)(频率特性：jKjW1)(幅频特性：2)(1)(KjW相频特性：)arctan()(时间常数τ越小，系统的频率特性越好负号表示相位滞后二阶传感器很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶传感器，其微分方程为：xbyadtdyadtyda001222//kXYss1222τ—时间常数，；ω0—自振角频率,ω0=1/τξ—阻尼比，；k—静态灵敏度，k=b0/a02/aa传递函数12/2sskjW频率特性jkjW21/22幅频特性2222)2()1(/)(kk相频特性)1/(2arctan)(22二阶传感器（1）频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。（2）时间常数：用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小，频带越宽。（3）固有频率n：二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。传感器频率响应特性指标基本参数指标环境参数指标可靠性指标其它指标传感器的技术指标基本参数指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等环境参数指标温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁场干扰能力等可靠性指标工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等其他指标（一）与测量条件有关的因素（二）与传感器有关的技术指标（三）与使用环境条件有关的因素（四）与购买和维修有关的因素传感器的正确选用一、与测量条件有关的因素(1)测量的目的；(2)被测试量的选择；(3)测量范围；(4)输入信号的幅值，频带宽度；(5)精度要求；(6)测量所需要的时间；(7)输入信号的形式。传感器的正确选用二、与传感器有关的技术指标(1)精度；(2)稳定度；(3)响应特性；(4)模拟量与数字量；(5)输出幅值；(6)对被测物体产生的负载效应；(7)校正周期；(8)超标准过大的输入信号保护。传感器的正确选用传感器的正确选用三、与使用环境条件有关的因素(1)安装现场条件及情况；(2)环境条件(湿度、温度、振动等)；(3)信号传输距离（长距离传输，加长线驱动，即电压变送器）；(4)所需现场提供的功率容量。传感器的正确选用四、与购买和维修有关的因素(1)价格；(2)零配件的储备；(3)服务与维修制度，保修时间；(4)交货日期。生产过程的测量与控制安全报警与环境保护自动