第一章传感器概述

第1章传感器概述1.1传感器的组成与分类1.2传感器的一般特性1.3传感器的标定1.4传感器的发展动向1.1传感器的组成与分类1.1.1传感器的组成1.传感器的定义: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。1.1传感器的组成与分类2.传感器的组成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。1.1传感器的组成与分类说明: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,信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源,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。1.1传感器的组成与分类图1-1传感器的组成框图1.1传感器的组成与分类1.1.2传感器的分类1．按被测物理量分类这种方法是根据被测物理量的性质进行分类的，如被测物理量为温度、压力、流量、位移、速度等，则相应的传感器分别称为温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器等。优点:比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。1.1传感器的组成与分类2.按工作原理分类传感器的工作原理主要是基于物理、化学和生物等学科的原理、规律和效应。据此可将传感器分为电阻式、电感式、电容式、热电式、压电式、光电式等类别。优点:对于传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入研究分析。本书的传感器就是按工作原理分类进行编写的。1.1传感器的组成与分类3.按能量的关系分类根据能量观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。前者将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称为换能器，通常配合有电压测量电路和放大器，如压电式、热电式、磁电式等。无源传感器又称为能量控制型传感器，它本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，所以，它们必须具有辅助能源，这类传感器有电阻式、电容式和电感式等。1.1传感器的组成与分类说明:不同的分类角度对于能量传感器有两种理解.一是:本教材的理解;二是:从结构组成的角度看传感器本身是否为换能器，是则不加辅助电源，称为无源传感器，否则为有源传感器.1.1传感器的组成与分类4.按输出信号的性质分类根据传感器输出信号的性质，可将其分为模拟传感器和数字传感器两大类。前者输出模拟信号，后者输出数字信号，当然输出的模拟信号或数字信号都与被测非电量成一定关系。数字传感器便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如盘式角度数字传感器、光栅传感器等。1.2传感器的一般特性1.2.1传感器的静态特性定义:传感器在稳态信号作用下，其输出—输入关系为静态特性。衡量传感器静态特性的主要性能指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。1.2传感器的一般特性1.线性度传感器的线性度又称非线性误差，是指传感器输出与输入之间的线性程度。线性度可用下式表示:•γL──线性度（非线性误差）；•Δmax──最大非线性绝对误差；•ym──输出满量程值%100mmaxLy1.2传感器的一般特性2．灵敏度传感器的灵敏度是指在稳态下输出变化量dy与引起此变化的输入变化量dx之比值，用K表示，即:xyKdd1.2传感器的一般特性3.迟滞迟滞（或称迟环）特性是用来说明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出—输入特性曲线不重合的程度。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。1.2传感器的一般特性表示方法：迟滞大小一般要由试验方法确定，其值用正反行程输出值间最大差值Δmax对满量程输出ym的百分比表示：%100mmaxty1.2传感器的一般特性迟滞特性如图1-2：1.2传感器的一般特性4.重复性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.产生原因:与产生迟滞现象的原因相同.属于随机误差性质.1.2传感器的一般特性重复性的表示方法:标准偏差前的系数取2时，误差完全依从正态分布，置信概率为95%；取3时，置信概率为99.73%。根据均方根公式，可以计算，即:式中yi──测量值；──测量值的算术平均值；n──测量次数。%100)3~2(mZy1)(12inyyniy1.2传感器的一般特性重复性示意图如图1-31.2传感器的一般特性1.2.2传感器的动态特性定义:传感器的动态特性是指传感器对激励（输入）的响应（输出）特性。说明:一个动态特性好的传感器，随时间变化的输出曲线能同时再现随时间变化的输入曲线，即输出—输入具有相同类型的时间函数。1.2传感器的一般特性1．一阶传感器数学模型:xbyatya001dd1.2传感器的一般特性设初始条件:t=0，y=0,当单位阶跃信号X从0到1时，输出响应为：K=b0/a0──传感器的静态灵敏度；=a1/a0──传感器的时间常数)e1(tKy1.2传感器的一般特性单位阶跃响应如图1-4所示1.2传感器的一般特性由图1-4看出：只有当t→∞时，y才能达到其稳态值K。实际工作中，一般根据y达到其稳态值的63.2%所用的时间，来衡量一个传感器动态响应的速度。值越大，动态响应越慢，动态误差越大，且存在时间越长。因此，时间常数是一阶传感器的主要动态性能指标，一般希望它越小越好。1.2传感器的一般特性2．二阶传感器数学模型：xbyatyatya001222dddd1.2传感器的一般特性假设初始条件t=0，y=0，当输入x从0跃变到1时：二阶传感器的输出响应分为3种情况：（1）0＜＜1（欠阻尼）时──传感器的静态灵敏度──传感器无阻尼时的固有频率──传感器的阻尼比22n21arctan1sin-1e1ntKyt00abK20naa2012aaa1.2传感器的一般特性（2）=1（临界阻尼）时（3）＞1（过阻尼）时ttKyne11ntteKyn2n2122122121e12111.2传感器的一般特性图1-5为二阶单位阶跃响应1.2传感器的一般特性说明：由图分析知一般取=0.6~0.8，即欠阻尼状态。下面就欠阻尼时的单位阶跃响应，讨论二阶传感器的典型动态性能指标，如图1-6所示。1.2传感器的一般特性（1）上升时间tr输出从稳态值的10%到第一次达到其稳态值的90%所用的时间。（2）峰值时间tp响应曲线到第一个峰值所用的时间。（3）响应时间ts响应曲线衰减到与稳态值之差不超过±5%或±2%时所需要的时间，有时称过渡过程时间。（4）最大超调量M最大超调量就是响应曲线偏离稳态值的最大值。显然，tr、tp、ts和M数值越小，则传感器的动态性能越好。1.3传感器标定1.3.1静态标定1.静态标定目的:确定静态技术指标.2．静态标准条件传感器的静态特性是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），环境温度一般为室温（20±5℃），相对湿度不大于85%，大气压力为101±7KPa时的情况。1.3传感器标定3．静态特性标定的方法对传感器进行静态特性标定，首先要创造一个静态标准条件，其次是选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定等级的标定用仪器设备，然后才能开始对传感器进行静态特性标定。标定过程步骤如下：（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地输入标准值，并记录下与各输入值相对应的输出值；（3）将输入值由大到小一点一点地减少下来，同时记录下与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，将得到的一组输出—输入测试数据用表格列出或绘成曲线；（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、迟滞和重复性等静态特性指标。1.3传感器标定1.3.2传感器的动态特性标定动态标定目的:传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应。与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数，二阶传感器则有固有频率和阻尼比两个参数。动态标定方法:测量传感器的阶跃响应，可以确定传感器的时间常数，固有频率和阻尼比。1.4传感器的发展动向1．新材料的开发、应用2．新工艺、新技术的应用3．利用新的效应开发新型传感器4．传感器的集成化5．传感器的多维化6．传感器的多功能化7．传感器的智能化小结•1．传感器是指能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成电学量输出的测量装置。一般由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分组成。•2．传感器的分类方法很多，一般可按被测物理量、工作原理、能量关系和输出信号性质来分类。•3．传感器的输出—输入关系特性是传感器的基本特性，有静态特性和动态特性之分。所谓静态特性，是指传感器在稳态信号作用下，输出—输入之间的关系特性；而传感器的动态特性是指传感器在测量动态信号时，对激励（输入）的响应（输出）特性。衡量传感器静态特性的主要性能指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。一个动态特性好的传感器总是希望随时间变化的输出曲线能同时再现随时间变化的输入曲线，常通过阶跃响应来研究传感器的动态特性。一阶传感器的阶跃响应最重要的动态特性指标是时间常数，一般希望它越小越好；二阶传感器的阶跃响应典型的动态性能指标包括上升时间、峰值时间、响应时间和最大超调量等，一般也希望它们的数值越小越好。•4．传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、迟滞和重复性等；动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如一阶传感器的时间常数，二阶传感器的固有频率和阻尼比等。思考题•1．传感器一般由哪几部分组成？它们分别起什么作用？•2．传感器分类有哪几种？它们各适合在什么情况下使用？•3．什么是传感器的静态特性？它由哪些主要性能指标来描述？•4．什么是传感器的动态特性？常用什么方法来分析？•5．传感器的标定有哪两种？标定的目的是什么？