第一章 传感器技术基础知识

第一章传感器技术基础知识1.1传感器的组成和分类1.2传感器的基本特征第一节传感器的组成和分类一、传感器的组成传感器的输出信号通常是电量输出信号的形式由传感器的原理确定敏感元件转换元件传感器传感器中能直接感受或响应被测量的部分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二、传感器的分类1.按传感器的工作原理分类适用于初次接触这门技术的人和应用传感技术制造检测设备的技术人员。如应变式、电容式、压电式、磁电式等物理现象。2.按被测参数分类适用于在工程实际中的使用者。以被测参数为准，着重于如何合理选择和使用传感器以及由其组成的测量系统。如温度、压力、位移、速度等被测量。第二节传感器的基本特性一、传感器的静态特性传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。其输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标线性度、灵敏度、迟滞性和重复性等1．线性度线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。可分为线性特性和非线性特性。用一个多项式表示：式中：a0——输入量x为零时的输出量；a1，a2，…，an——非线性项系数。实际使用中，希望得到线性关系，如非线性的方次不高，输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，如图1-2所示，使传感器输出—输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。nn22110xaxaxaay...图1-2几种直线拟合方法(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合即使是同类传感器拟合直线不同其线性度也是不同的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度），通常用相对误差γL表示：式中：ΔLmax——最大非线性绝对误差；YFS—满量程输出。用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。相对偏差γL%100maxFSLYLr2．灵敏度（Sensitivity）灵敏度S：传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量的输入量增量Δx的比值，即：线性传感器灵敏度是它的静态特性的斜率，即S为常数。非线性传感器它的灵敏度S为一变量，用下式表示。xySdxdyS传感器的灵敏度如图1-3所示。xyddSOOYoYYXXYxy-yS0ydxda）线形传感器b）非线形传感器3．迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。结论：对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因：传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的。迟滞大小通常由实验确定迟滞误差γH式中：ΔHmax—正反行程输出值间的最大差值。%10021maxFSYr4．重复性重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度重复性误差rR属于随机误差，常用标准偏差表示，也可用正反行程中的最大偏差表示，即：%10021maxFSRYRr二、传感器的动态特性传感器的动态特性：其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化，是时间的函数时，则传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动特性来表示。除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。动态测温问题实例把一支温度计从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时温度计温度从t0℃突然上升到t，而温度计反映出来的温度从t0℃变化到t℃需要经历一段时间，即有一段过渡过程。温度计反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。造成温度计输出波形失真和产生动态误差的原因，是温度计有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻，使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。这种热惯性是温度计固有的，决定了温度计测量快速温度变化时会产生动态误差。动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说，我们在研究传感器动特性时，通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。下面分析以正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。1．瞬态响应特性传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。传感器的动态性能指标有以下几个方面：（1）一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器单位阶跃响应的通式：)()()(txtydttdyx(t)、y(t)分别为传感器的输入量和输出量。它们都是时间的函数，表征传感器的时间常数，具有时间“秒”的量纲。一阶传感器的单位阶跃响应信号为：te1ty)(相应的响应曲线：传感器存在惯性，它的输出不能立即复现输入信号，而是从零开始，按指数规律上升，最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但实际上当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。τ越小，响应曲线越接近于输入阶跃曲线，因此，τ值是一阶传感器重要的性能参数。（2）二阶传感器的单位阶跃响应)t(xw)t(ywdt)t(dywdt)t(ydnnn22222固有频率ωn由传感器主要结构参数所决定。ωn越高，传感器的响应越快。当ωn为常数时，传感器的响应取决于阻尼比ξ。阻尼比ξ直接影响超调量和振荡次数。二阶传感器的单位阶跃响应的通式为：ωn——传感器的固有频ξ——传感器的阻尼ξ=0，为临界阻尼，超调量为100%，产生等幅振荡，达不到稳态。ξ1，为过阻尼，无超调也无振荡，但达到稳态所需时间较长。ξ1，为欠阻尼，衰减振荡，达到稳态值所需时间随ξ的减小而加长。ξ=1时响应时间最短。但实际使用中常按稍欠阻尼调整，ξ取0.7～0.8为最好。（3）瞬态响应特性指标①时间常数τ：一阶传感器时间常数τ越小，响应速度越快。②延时时间：传感器输出达到稳态值的50%所需时间。③上升时间：传感器输出达到稳态值的90%所需时间。④超调量：传感器输出超过稳态值的最大值。2．频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。频率响应特性指标包括：频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带或通频带，对应有上、下截止频率。时间常数：用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性。τ越小，频带越宽。固有频率：二阶传感器的固有频率ωn表征了其动态特性。作业与思考题1.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。2.某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器：0.35Ω/℃；电桥：0.01V/Ω；放大器：100（放大倍数）；笔式记录仪：0.1cm/V求：（1）测温系统的总灵敏度；（2）纪录仪笔尖位移4cm时。所对应的温度变化值。3.有三台测温仪表，量程均为0_600℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？