第1单元 传感器的基本知识讲义

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1、传感技术,第1单元 传感器的基本知识,1.1 传感器的定义、组成、分类 1.2 传感器的基本特性 1.3 传感器的发展方向和趋势 习题,请你思考,在民用、工业、军用、航天领域，试列举用传感器获取信息的实例。试举例你身边不含传感器的整机设备，电子用品。 什么是你见过的结构最简单和较复杂的传感器？ 试举例针对同种被测量的两种不同的传感器，比较两者的准确度、线性度、分辨力、稳定性等静态指标。 试举出动态测量的例子，选用何种传感器能完成测量任务。,1.传感技术的特点和地位,“传感技术”课程主要讲授把各种几何量、机械 量以及其它有关量转换成电量的各种传感器 （包括基本转换电路）。,“传感技术”课程是一门

2、综合性、理论性和实践性 都很强的课程。,1.1传感器的定义、组成、分类,现代信息技术的基础有三个主要方面：,信息采集传感技术 信息传输通信技术 信息处理计算机技术,本课程相对于大学物理、模电数电、材料力学、工程光学是专业课，相对于智能仪器设计、检测技术是基础课，称之为专业平台课。,掌握各类传感器的基本理论，掌握几何量、机械量及有关量测量中常用的各种传感器的工作原理、主要性能及其特点； 能合理选择和使用传感器； 掌握常用传感器的工程设计方法和实验研究方法； 了解传感器的发展动向。,2.本课程的任务,3.什么是传感器（Transducer/Sensor ）,我国国家标准（GB7765-87）中是这

3、样定义的：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。,我们的定义是：传感器是一种以一定的准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。,这一定义包含了以下几方面的意思:,传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等; 它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。,4.传感器的作用,电五官 获取信息

4、监视和控制,人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。,新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。,在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或是最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代生产也就失去了基础。,5.传感器的组成,1

5、. 敏感元件 在具体实现非电量到电量间的变换时， 并非所有的非电量都能利用现有的技术手段直接变换为电量， 而必须进行预变换， 即先将待测的非电量变为易于转换成电量的另一种非电量。这种能完成预变换的器件称之为敏感元件。 2. 变换器 能将感受到的非电量变换为电量的器件称为变换器。例如，可以将位移量直接变换为电容、 电阻及电感的电容变换器、 电阻及电感变换器； 能直接把温度变换为电势的热电偶变换器。显然，变换器是传感器不可缺少的重要组成部分。,包含敏感元件、转换元件、转换电路的传感器,包含敏感元件、转换元件、转换电路的传感器,包含敏感元件、转换元件的传感器,同样测加速度，与前图比较。,包含敏感元件

6、的传感器,包含敏感元件的传感器,6.传感器的分类,按传感器的工作机理,物理型,化学型,生物型,按构成原理,结构型,物性型,（本课主讲）,按传感器的能量转换情况,能量控制型传感器,能量转换型传感器,按照物理原理分类,按照传感器的用途来分类，例如位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等等。,另外，根据传感器输出是模拟信号还是数字信号，可分为模拟传感器和数字传感器；根据转换过程可逆与否，可分为双向传感器和单向传感器等。,结构型传感器,是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器来说，这些方程式也就是许多传感器在工作时的

7、数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。,物性型传感器,是利用物质定律构成的，如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物理型传感器的性能随材料的不同而异。例如，光电管就是物性型传感器，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等特性能变化的传感器，都属于物性型传感器。,能量控制型传感器,在

8、信息变化过程中，其能量需要外电源供给。如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。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也属于此类传感器。,主要是由能量变化元件构成，它不需要外电源。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。,能量转换型传感器,按物理原理分类,其它原理的传感器 半导体式传感器 射线式传感器 波式传感器 热电式传感器 气电式传感器 光电式传感器 压电式传感器 磁电式传感器 电参量式传感器,表1.1 传感器按工作原理的分类,表1.2 传感器输入被测量,按输入被测量分类,什么是传感器的特性？ 它主要是指输入和输出的关系。当

9、输入量为常量或变化很慢时，这一关系为静特性；当输入量随时间较快地变化时，这一关系就称为动特性。,1.2 传感器的基本特性,1.2.1 传感器的静特性,什么是传感器的静特性? 它表示传感器在被测量处于稳定状态时输出输入关系。 人们期望传感器的输入与输出成什么样的确定关系? 线性关系最方便我们观察输入与输出的关系。,但为什么一般情况下输入输出不符合线性关系?是什么影响了线性关系? 如下图：传感器的输出输入作用图：,传感器,输入,输出,电磁场,冲击与震动,温度,供电,线性,滞后,重复性,灵敏度,各种干扰稳定性,温漂,稳定性（零漂）,分辨力,1.线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系

10、的线性程度。但实际遇到的传感器大多为非线性,如果不考虑迟滞和蠕变等因素, 传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示： (1.1) a0零点输出；a1理论灵敏度； a2, , an非线性项系数； x输出量；y输出量。 该多项式可能有四种情况,如图1.1所示。,图1.1 传感器静态特性曲线,设ai0, a00。 1) 理想线性 这种情况见图1.2(a)。此时 a0=a2=a3=an=0 于是 y=a1x (1.2) 因为直线上任何点的斜率都相等,所以传感器的灵敏度为 a1= =k=常数 (1.3),2) 输出-输入特性曲线关于原点对称 这种情况见图1.1（b）。此时,在原点附近相当范围内曲线基本成

11、线性,式（1.1）只存在奇次项： y=a1x+a3x3+a5x5+ (1.4) 3) 输出-输入特性曲线不对称 这时,式（1.1）中非线性项只有偶次项,即 y=a1x+a2x2+a4x4+ (1.5) 对应曲线如图1.1（c）所示。,4） 普遍（实际）情况 普遍情况下的表达式就是式（1.1）,对应的曲线如图1.2(d)所示。 当传感器特性出现如图1.2中(b) （c）（d）所示的非线性情况时,就必须采取线性化补偿措施。 实际运用时,传感器数学模型的建立究竟应取几阶多项式,是一个数据处理问题。建立数学模型的古典方法是分析法。 该法太复杂,有时甚至难以进行。利用校准数据来建立数学模型,是目前普遍采

12、用的一种方法。,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。常用的拟和直线有：,（a）理论拟合,L1 =L2 =Lmax （b）过零旋转拟合,（c）端点连线拟合,（d）端点平移拟合,实际特性曲线（图中直线）与拟合直线（图中虚线）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rL （L）表示, 即 式中: Lmax 最大非线性绝对误差; yFS满量程输出。,结论 由此可见，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。另外还要考虑使用是否方便，计算是否简便。 我们来看一

13、下最小二乘拟合方法,采用最小二乘法拟合时， 如图所示： 设拟合直线方程为: y=kx+b 若实际校准测试点有n个， 则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为 最小二乘法拟合直线的原理就是：,也就是使 即 从而求出 k 和 b 的表达式为,对 k 和 b 一阶偏导数等于零，,最小二乘法的拟合精度很高,但校准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最小,最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。,2.迟滞 传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如下图所示，它一般是由实验方法测得。 它反映了传感器的机械部分和结构材料方面不可避免的弱点,如轴承摩擦、灰尘积塞

14、、间隙不适当,元件磨蚀、碎裂等。迟滞的大小一般由实验确定,迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示，即 H = 迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。,3. 重复性 重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得输出值（特性曲线）不一致的程度。它是反映传感器精密度的一个指标。 我们先来看一下输出曲线的重复特性：,如图：当正行程的最大重复性偏差为Rmax1时，反行程的最大重复性偏差为Rmax2 。重复性偏差取这两个偏差之中较大者为Rmax, 再以满量程输出的百分数表示，

15、即 重复性误差也常用绝对误差表示。,4.灵敏度与灵敏度误差 什么是静态灵敏度？ 传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度,其表达式为 由此可见,传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。 由于某种原因,会引起灵敏度变化,产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示,即,线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率 非线性传感器的灵敏度不是常数 灵敏度用输出、输入量之比表示。例如,某位移传感器在位移变化1mm时,输出电压变化有300mV,则其灵敏度为300 mVmm。,有些情况下,灵敏度有另一种含义,因为有许多传感器的输出电压与其电源电压有关,在同样输入量情况下,输出电压是不同的,这时,灵敏度计算中还要考虑单位电源的作用。如若电源电压为10 V,上例位移传感器的灵敏度应为30 mV(mmV)。,5.分辨力与阈值 阈值：当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加时,只有在达到了某一最小值后才测得出输出变化,这个最小值就称为传感器的阈值。 分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输人量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。 当一个传感器的输入从非零的任意值缓慢地增加时,只有在超过某一输入增量后输出才