传感器考试笔记3

一、传感器定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件组成。作用：1.传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。2.传感器所检测的信号品种极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。组成：由敏感元件、转换元件二部分组成，有时也将测量电路及辅助电源作为传感器的组成部分。分类：1.被测量：热工量（温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流速、风速）、机械量（位移（线位移、角位移），尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声）、物性和成分量（气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（PH值）、盐度、浓度、粘度；密度、比重）、光（照度、光度、彩色、紫外线、红外线等）、电气（电流、电压、电位、功率、电荷、阻抗、电阻、电感、电容等）、状态量（颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量）2.原理：（电阻式、电感式、电容式、阻抗式（电涡流式）、磁电式、热电式、压电式、光电式（红外式、光导纤维式）、谐振式、霍尔式（磁式）、超声式、同位素式、电化学式、微波式）3.物理现象：（结构型传感器：电容式、电感式、电阻式（说明：传感器依赖其结构参数变化引起“场”的变化，实现信息转换。）；物性型传感器：压电式、光电式等（说明：传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换。））4.能量关系：（能量转换型传感器：如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器（说明：又称有源型或发生器型。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：如电阻、电感、电容等电路参量传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器（说明：传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，必须由外部供给传感器能量。））5.输出信号：（模拟式传感器（说明：输出量为模拟量）；数字式传感器：光栅数字传感器、脉冲盘式角度数字传感器等（说明：输出为数字量，便于与计算机联用，抗干扰力较强）6.能量控制型：（电阻、电感、电容、应变电阻、磁阻、热阻、光电、磁致伸缩、霍尔、电离、约瑟夫逊）能量转换型：（压电、磁致伸缩、热电、光电动势、光电放射、热电、光子滞后、热磁、热电磁）性能要求：灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；滞后、漂移误差小；动态特性良好；在接入测量系统时，对被测量不产生影响；功耗小，复现性好，有互换性；防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；结构简单，容易维修和校正；低成本、通用性强；静态参数：1.线性误差：在规定条件下（利用一定等级的校准设备，对传感器进行反复循环测试）得出输出--输入特性曲线与拟合直线(fittingstraightline)间最大偏差与满量程F·S—fullspan）输出值的百分比称为线性误差。2.灵敏度：传感器在稳态下输出变化量（增量）与输入变化量（增量）的比值（线性传感器就是静态特性斜率）。3.最小检测量(分辨力)和分辨率：分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力（百分比表示，则称为分辨率）。4.回程误差（迟滞）：迟滞特性表明传感器在输入量增大行程期间（正行程）和输入量减小行程期间（反行程）输出—输入特性曲线不重合的程度。5.漂移：是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移，即时漂和温漂。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间有缓慢的变化；温漂是指由环境温度变化引起的零点或灵敏度的变化。6.精密度：说明测量传感器输出值的分散性，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。7.准确度：指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。8.信噪比：混杂在输出信号中的无用成分称为噪声。信噪比的表达式：定义1：20lgAS/AN(输出信号峰值/噪声信号峰值)；定义2：10lgPS/PN(输出信号功率/噪声信号功率)；一般仪器的信噪比要在40分贝以上。静态特性参数：线性度、灵敏度、分辨力（传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力）和分辨率、回程误差、漂移（零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移，即时漂和温漂。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间有缓慢的变化；温漂是指由环境温度变化引起的零点或灵敏度的变化）、精密度、准确度（测量仪器给出的示值和真值的接近程度）、信噪比（信噪比要在40分贝以上）动态特性参数：1.一般数学模型（微分方程，传递函数，频率响应函数）；2.频率响应特性指标（时间常数t越小，响应越快，频率响应特性越好；Wn越高响应越快，阻尼比=0，持续振荡，阻尼比1，无振荡，但达到稳态时间长，0.6阻尼比0.8，达到稳态时间最短，综合特性最好）传感器选择注意事项：1.与测量条件有关的事项（1）测量目的（2）被测量（3）测量范围（4）超标准过大输入信号的出现次数（5）输入信号的带宽（6）测量的精度（7）测量所需的时间2.与性能有关的事项（1）传感器精度（2）传感器稳定度（3）响应速度（4）模拟量或数字量（5）输出量及其数量级（6）对信号获取对象所产生的负载效应（7）校正周期（8）超标准过大输入信号的保护3.与使用条件有关的事项（1）设置场所（2）环境条件（如温度、湿度、振动等）（3）测量全过程所需要的时间（4）传感器与其它设备的距离及连接方式（5）传感器所需的功率容量4.与购买和维修有关的事项（1）价格（2）交货日期（3）服务与维修制度（4）零配件的储备（5）保修期限传感器的标定：利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立其输出量和输入量之间的对应关系。同时也确定不同使用条件下的误差关系。根据系统的用途输入可以是静态的也可以是动态的。因此传感器的标定有静态和动态标定二种。标定的主要作用：确定仪器或测量系统的输入－输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；确定仪器或测量系统的静态特性指标；消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度。分类：1.静态标定：确定传感器的静态特性指标，主要有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。2.动态标定：确定传感器的动态特性指标，主要有时间常数、固有频率和阻尼比等。静态标定的条件：在静态标准条件下进行标定的。所谓静态标准是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（20±5ºC)、相对湿度不大于85％，大气压力为101±8kPa的情况。标定系统组成：(1)被测量的标准发生器，如衡温源、测力机等(2)被测量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感器、标准温度计等（3）待标定传感器所接配的信号调节器、显示器和记录器等，其精度是已知的。静态特性标定的方法：具体的标定数据处理如下：1.作输入-输出特性曲线；2.求重复性误差H1和H2；3.求作正反行程的平均输入-输出曲线；4.求回程误差；5.求作定度曲线；6.求作拟合直线，计算非线性误差和灵敏度。静态特性标定步骤：（1）将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；（2）根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值（3）将输入值由小到大一点一点的减少，同时记录下各输入值相对应的输出值（4）按（2）、（3）所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，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的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。动态标定：用于确定传感器的动态性能，如固有频率和频响范围等、动态灵敏度等；传感器进行动态标定时，需有一标准信号对它激励，常用的标准信号有二类：一是周期函数，如正弦波等，另一是瞬变函数，如阶跃波等；用标准信号激励后得到传感器的输出信号，经分析计算、数据处理、便可决定其频率特性，即幅频特性、阻尼和动态灵敏度等。一阶系统时间常数测量：方法一：对系统施加一阶跃信号，然后求取系统达到最终稳定值的63.2%所需时间作为系统的时间常数τ。这一方法的缺点是不精确。方法二：阶跃试验d（ln（1-y（t）））/dt=-1/τ根据测得数据y(t)值，画出Z=ln(1-y(t))与t的关系图，则可得到一根斜率为-1/τ的直线。这种方法考虑了瞬态响应的全过程，从而可以得到更为精确的值。二阶系统参数测量：脉冲响应/阶跃响应函数法：ξ=ln(M/M1)/2pi；频率响应函数法：ξ=（W2-W1）/Wn，峰值对应频率为Wn，为0.707时对应的频率。传感器发展趋势：高精度、小型化、集成化、数字化、智能化。（开发新型传感器、开发新材料、新工艺的采用、集成化多功能化、智能化）。二、光电式传感器：（将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。）光电效应：因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。（向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。）爱因斯坦光电效应方程式：m电子质量；v0电子逸出速度。内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应。（1.光电导效应：某些半导体材料受到光照射时，其电导率发生变化的现象（光敏电阻）2.光生伏特效应：在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象（光电池、光敏二极管、光敏三极管、半导体位置敏感器件传感器））光敏二极管（光照反偏pn结）：（特性看书P12）光敏二极管的基本特性包括光谱特性（在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系）、伏安特性（指在一定照度下的电流电压特性）、光照特性（指在外加电压恒定时，光敏二极管的光电流与照度之间的关系）、温度特性（光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系）、频率响应特性（在同样的电压和同样幅值的光强度下，当入射光强度以不同的正弦交变频率调制时，光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随调制频率变化的关系）应用：光电路灯控制电路、光强测量电路。光敏三极管：（特性看书P17），光谱特性（存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。）伏安特性（光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。）光照特性（输出电流I和照度之间之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。）温度特性（温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大．所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。）频率特性（频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。）应用：脉冲编码器、转速传感器、烟雾散射式火灾报警器。光敏电阻（光导管）：（特性看书P23）它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。优点：光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电