第一章 传感器概述

第一章概述1.1传感器简介及分类1.2传感器及检测技术系统基本特征的评价与选用原则1.3传感器的标定与校准1.4传感器与检测技术的发展方向1.1机电一体化系统常用传感器1.1.1传感器的概述传感器技术通信技术信息社会的三大技术：信息的采集信息的传输信息的处理计算机技术人和机器进行体力劳动、脑力劳动过程五官感觉传感器大脑筋肉计算机执行器来自外界的信息机器人传感器→电五官在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器，•电冰箱、电饭煲中的温度传感器;•空调中的温度和湿度传感器;•煤气灶中的煤气泄漏传感器;•水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器;•照相机中的光传感器;•汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？工业生产医疗诊断家用电器液化气烟雾报警器门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统指纹门禁具体再以汽车为例：汽车用传感器技术是促进汽车电子化发展的关键技术之一。目前，一般普通汽车大约装有几十只到近百只传感器，而豪华高级汽车大约使用200～300只传感器。汽车用传感器主要使用在发动机控制系统和汽车状态控制系统中。汽车发动机控制系统用传感器主要有：1、压力传感器：主要检测汽缸负压、大气压、汽缸内压、油压等；2、温度传感器：主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度等；3、气体浓度传感器：主要用于检测车体内气体和废气排放；4、流量传感器：主要用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比，启动、点火等；5、位置和转速传感器：主要用于检测曲轴转角、发动机转速、车速等；6、爆震传感器：汽油在即将燃烧而没有发生明显爆燃时，燃烧速度最快、动力性最好。用检测发动机机体振动。霍尔传感器安装位置及作用★作用：感应凸轮轴位置和转速信号，将此信号传给ECU以确定点火时刻和喷油时刻。空气流量计安装位置及作用★作用：热膜式，检测进气量的多少，给发动机ECU提供进气数量信号。ECU的安装位置及作用★作用：发动机管理系统，接收各种输入信号并加以处理，输出执行命令水温传感器安装位置及作用★作用：感应冷却水温度，并将其变成电信号传给ECU爆振传感器安装位置及作用另一爆振传感器安装在三四缸之间的相同位置。★作用：感应发动机工作时的爆振状况。如产生爆振，将信号传给ECU，ECU将对点火时刻进行调整，以消除或减轻爆振。1.1.2传感器的概念和组成国标GB７６６５－８７规定：传感器(sensor)是能感受规定的被测量并能按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。•传感器亦称为：变换器(transducer)、转换器(converter)、检测器(detector)和变送器(transmitter)等通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件转换元件信处理电路电源非电量电量通俗的说法１，传感器是对物理、化学、生物等非电量敏感，并能将其转换成电信号的器件（元件）。非电量电量电量元件信号处理信号显示非电量电量元件２，传感器是将物理、化学、生物等非电量转换成电量，并具有传输、显示等功能的装置。1.1.2传感器的分类压力传感器、位移传感器、温度传感器、角度传感器1.按输入量分类：传感器手册等的编排通常采用这种方法2.按传感器工作原理进行分类：•应变式传感器，电阻式传感器，•电容式传感器，电感式传感器，•压电式传感器，磁阻式传感器，•霍尔式传感器，磁光式传感器。•通常的教科书均采用这种分类方法3.按能量转换关系分类•按照传感器的能量转换情况，可分为能量控制型和能量转换型传感器两大类。•所谓能量控制型传感器是指其变换的能量是由外部电源供给的，而外界的变化(即传感器输入量的变化)只起到控制的作用。如电阻、电感、电容等电参数传感器、霍耳传感器等都属于这一类传感器。•能量转换型传感器，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电效应等的传感器都属于此类传感器。4.按输出电量的形式进行分类：模拟式传感器数字式传感器具体参阅教材p3图1-21.2传感器及检测技术系统基本特征的评价与选用原则测量范围：传感器在允许的误差限内，其被测量值的范围。量程：传感器在测量范围内的上下限之差。过载能力：允许超过测量上限（下限）/量程X100%静态特性：当输入量为常量，或变化缓慢时的输出与输入之间的关系。动态特性：当输入量随时间较快变化时的输出与输入之间的关系。一个高精度的传感器必须有良好的静态特性和动态特性才能完成信号无失真的转换。1.2.1传感器的静态特性静态特性：当输入量为常量，或变化缓慢时的输出与输入之间的关系。传感器的静态特性一般输入量与输出量之间在数值上具有一定的对应关系静态特性方程(不考虑迟滞、蠕变及其他不稳定因素）y=a0+a1x+a2x2+…+anxn式中：a0——输入量x为零时的输出量；a1——线性项系数，也是理想的灵敏度，a2，…，an——非线性项系数。各项系数决定了特性曲线的具体形式1.灵敏度灵敏度：传感器达到稳定工作状态时输出量的变化与引起此变化的输入量变化之比。xyS输入变化量输出变化量输入、输出同量纲时，S称为放大倍数传感器静态特性性能指标：线性度(非线性误差):输入输出特性曲线偏离拟合直线的程度。通常用相对误差表示。%100maxFSLYLyYFSx理想特性曲线实际特性曲线o3.迟滞（回程误差、变差）Hmax—正反行程间输出的最大差值%100maxFSHyH•回程误差表明的是在正反行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度。迟滞（或称迟环）特性表明传感器在正（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。产生回程误差的原因：一般滞后现象引起：由于磁性材料的磁化和材料受力变形仪器的不工作区引起：机械部分存在（轴承）间隙、摩擦、（紧固件）松动、材料内摩擦、积尘等缺陷造成输入变化对输出无影响。yx0Rmax2Rmax14.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不一致性程度。多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。重复特性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象具有相同的原因。6.精确度（精度）说明精确度的指标有三个：精密度、正确度和精确度。１精密度：说明测量结果的分散性。对应随机误差。２.正确度：测量结果偏离真值的程度。对应系统误差。３.精确度：它含有精密度与正确度之和的意思，即测量的综合优良程度。简单情况为上述两者之和。通常精度是以测量误差的相对值来表示。•为加深对精密度、准确度和精确度的理解，下面用打靶的例子来说明。子弹落在靶心周围有三种情况：•图(a)的弹着点很分散，表明它的精密度很低；•图(b)的弹着点集中但偏向一方，表明精密度高但准确度低；•图(c)的弹着点集中靶心，则表明既精密又准确，即精确度高。%100.SFYAA式中A－传感器精度；ΔA－测量范围内允许的最大绝对误差；YF.S－满量程输出。工程应用中，引入一个精度等级概念，用A表示，A的数值表示传感器在规定条件下，其允许的最大绝对误差相对于其测量范围的百分数。表示为一、动态参数测试的特殊问题在实际测试工作中，大量的被测信号是动态信号，传感器对动态信号的测量任务不仅需要精确地测量信号幅值的大小，而且需要测量和记录动态信号变换过程的波形，这就要求传感器能迅速准确地测出信号幅值的大小和无失真的再现被测信号随时间变化的波形。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。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数。1.2.2传感器的动态特性这种影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。一个测量水温的实验过程T0T从T0逐渐上升到T，热电偶指示出来温度从T0上升到T，历经了时间从t0到t的过渡过程，如图所示。没有这样一个过程就不会得到正确的测量结果。而从t0→t过渡过程中，测试曲线始终与温度从T0跳变到T的阶跃波形存在差值，这个差值就称为动态误差，从记录波形看，测试具有一定失真。测试曲线动态误差TtTT0tt0二、研究传感器动态特性的方法及其指标在采用正弦输入研究传感器频域动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性，其重要指标是频带宽度，简称带宽。带宽是指增益变化不超过某一规定分贝值的频率范围。研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。由于输入信号的时间函数形式是多种多样的，在时域内研究传感器的响应特性时，只能研究几种特定的输入时间函数如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等的响应特性。在频域内研究动态特性一般是采用正弦函数得到频率响应特性。动态特性好的传感器频率响应范围很宽。1.2.3传感器的图形符号传感器图形符号的说明(1)x—被测量符号；﹡—转换原理传感器图形符号的说明(2)对角线—内在的能量转换功能；(A)、(B)—输入、输出信号传感器的电气引线，应根据接线图设计需要，从正方形的三条边线垂直引出；如果引线需要接地或接壳体、接线板，应按照GB4728.2中的规定绘制，1.3传感器的标定与校准标定就像给一杆秤画刻度好比说一根光杆，怎么把它变成尺子呢？就是拿个标准尺子来对照着画上刻度，就可以量长度了...传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立传感器输出量和输入量之间的对应关系.传感器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。标定系统组成：传感器标定时，所用测量设备的精度通常要比待标定传感器的精度高一个数量级（至少要高1/3以上）。标定系统框图为了保证各种被测量量值的一致性和准确性，很多国家都建立了一系列计量器具(包括传感器)检定的组织和规程、管理办法。我国由国家计量局、中国计量科学研究院和部、省、市计量部门以及一些大企业的计量站进行制定和实施。国家计量局(1989年后由国家技术监督局)制定和发布了力值、长度、压力、温度等一系列计量器具规程，并于1985年9月公布了《中华人民共和国计量法》，其中规定：计量检定必须按照国家计量检定系统表进行。计量检定系统表是建立计量标准、制定检定规程、开展检定工作、组织量值传递的重要依据。力值传递系统工程测试中传感器的标定，应在与其使用条件相似的环境下进行。为获得较高的标定精度，应将传感器及其配用的电缆(尤其象电容式压电式传感器等)、放大器等测试系统一起标定。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两种。但应注意：由于一个已知的动态源不能独立存在，因此，动态响应通常建立在静态标定的基础上。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、滞后和重复性等。传感器的静态特性是在静态标准条件下标定的。1.3.1传感器的静态标定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、逐点递增输入标准量值,并记录下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。静态标定方法：4)按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的处理,根据处理结果就可以得到传感器校正曲线，进而可以确定出传感器的灵敏度、线性度、迟滞和重复性。1.3.1传感器的动态标定传感器动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。有时，根据需要也要对横向灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定。传感器动态标定实质上就是通过实验得到传感器动态性能指标的具体数值（实验确定法）。实验确定法常因传感器形式不同而不完全一样，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