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1、传感器的一些基本概念与常识 目录 1 什么是传感器2 传感器的定义和组成3 传感器分类4 传感器的一般特性5 传感器的基体材料6 传感器的表面粗糙度7 传感器的表面处理 传感器定义 传感器是将各种非电量 包括物理量 化学量 生物量等 按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量 一般为电量 的装置 国家标准GB7665 87对传感器下的定义是 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 2 传感器定义和组成 表面应变计 渗压计 磁通量传感器 钢筋计 锚索计 土压力盒 热电偶 热敏电阻 光敏电阻 光敏三极管 压电加速度传感器 传感器一般由敏感元
2、件 转换元件 信号调理电路和辅助电路组成 并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件 如果敏感元件直接输出的是电量 它就同时兼为转换元件 因此 敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的 例如 压电晶体 热电偶 热敏电阻 光电器件等都是这种形式的传感器 组成 1 敏感元件 预变换器 是指传感器中能直接感受或响应被测量 非电量 并输出与之成确定关系的其他量 非电量 的部分 在完成非电量到电量的变换时 并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换为电量 往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量 然后再变换为电量 能够完成预变换的器件称为敏感元件 2 转换元件 是指传感器中能将敏感元
3、件感受或响应到的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号 一般为电信号 的部分 3 信号调理电路 是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示 记录 处理和控制的有用电信号的电路 类型视转换元件的分类而定 经常采用的有电桥电路 放大器 振荡器 阻抗变换 补偿及其它特殊电路 如高阻抗输入电路 脉冲调宽电路等 4 辅助电路 通常指电源 即交 直流供电系统 3 传感器分类 一种传感器就是一种系统 一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描述 即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入间的关系和特性 从传感器的静态输入 输出关系建立的数学模型叫静态模型 从传感器的动态输入 输出关系建立的数学模型叫动态模型
4、传感器所测量的非电量一般有两种形式 一种是稳定的 即不随时间变化或变化极其缓慢 称为静态信号 另一种是随时间变化而变化 称为动态信号 由于输入量的状态不同 传感器所呈现出来的输入 输出特性也不同 因此存在所谓的静态特性和动态特性 为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差 传感器必须具有良好的静态特性和动态特性 才能使信号 或能量 按规律准确地转换 静态模型 动态模型 静态特性 动态特性 4 传感器的一般特性 1 线性度 非线性误差 2 灵敏度3 重复性4 迟滞 回差滞环 现象5 精确度 精度 6 分辨率7 稳定性8 漂移 传感器的静态特性主要由下列几种性能指标来描述 线性度 非线性误差 所谓
5、传感器的线性度就是其输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度 又称为非线性误差 非线性误差可用下式表示 式中 Ymax 输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差 YFS 输出满量程值 L1 L2 L0 L1 L2 L0 传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量 y与输入增量 x比值 常用Sn来表示 即 对于线性传感器 其灵敏度就是它的静态特性的斜率 如图 a 所示 即 非线性传感器的灵敏度是一个变量 如图 b 所示 即用dy dx表示传感器在某一工作点的灵敏度 灵敏度 L1 L2 L0 L1 L2 L0 灵敏度的解释 由图可知灵敏度k是特性曲线上某点的切线斜率 如果特性曲线是直线 则
6、k为常数 如果特性曲线是非线性的 则k是变化的 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的程度 多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合 其重复性越好 误差也越小 不重复性一般采用下式的极限误差式表示 式中 max 输出最大不重复误差 YFS 满量程输出值 不重复性误差一般属于随机误差性质 按极限误差公式计算不太合理 不重复性误差可以通过校准测得 根据随机误差的性质 校准数据的离散程度随校准次数不同而不同 其最大偏差值也不一样 因此 重复性误差Ez可按下式计算 式中为标准偏差 可用贝赛尔公式求得 重复性 迟滞 回差滞环 现象 迟滞特性能表明传感器在正向 输入
7、量增大 行程和反向 输入量减小 行程期间 辅出 输入特性曲线不重合的程度 对于同一大小的输入信号x 在x连续增大的行程中 对应某一输出量为yi 在x连续减小过程中 对应于输出量为yd之间的差值叫做滞环误差 这就是所谓的迟滞现象 该误差用E表示为 在整个测量范围内产生的最大滞环误差用 m表示 它与满量程输出值YFS的比值称为最大滞环率Emax 即 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 精密度它说明测量结果的分散性 即对某一稳定的对象 被测量 由同一测量者用同一传感器和测量仪表在相当短的时间内连续重复测量多次 等精度测量 其测量结果的分散程度 精密度越小说明测量越精密
8、对应随机误差 2 正确度正确度说明测量结果偏离真值的程度 即示值有规则偏离真值的程度 指所测值与真值的符合程度 对应系统误差 3 精确度它含有精密度与正确度两者之和的意思 即测量的综合优良程度 在最简单的场合下可取两者的代数和 通常精确度是以测量误差的相对值来表示的 c 多次测量的结果大多准确 并且一致性好 有准确度 也有精密度 有精确度 精密度 准确度 精确度的关系 a 多次测量的结果比较一致 但是误差较大 有精密度 无准确度 b 多次测量的结果大多准确 但是一致性差 有准确度 无精密度 测量值x a b 测量值x 真值A 误差 x 误差 x a与b两个测量 其误差虽然相同 但被测量的长度不
9、同 显然a的测量结果更准确 对物体a与b两个测量结果哪个更准确 分辨率传感器的分辨率是在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量 xmin 有时也用该值相对满量程输入值的百分数 表示 稳定性稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分 对于传感器常用长期稳定性描述其稳定性 所谓传感器的稳定性是指在室温条件下 经过相当长的时间间隔 如一天 一月或一年 传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异 因此 通常又用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度 分辨力与分辨率 分辨力 平均分辨率为 最大分辨率为 满量程 满量程 n个台阶 有量纲 无量纲 漂移 传感器的漂移是指在外界的干扰下 输出量发生与输入量无关的 不需要
10、的变化 漂移包括零点漂移 零漂 和灵敏度漂移等 零点漂移 传感器在无输入 或输入值不变时 每隔一段时间进行读数 其输出偏离零值 或原指示值 零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移 温漂 时间漂移是指在规定的条件下 零点或灵敏度随时间的缓慢变化 温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移程度 一般以温度变化1 输出最大偏差与满量程的百分比来表示 max 输出最大偏差 T 温度变化范围 式中 Yo 最大零点偏差 或相应偏差 5 传感器的基体材料 45号钢 304不锈钢 0Cr18Ni9 316L不锈钢 00Cr17Ni14Mo2 202 204不锈钢 铬 镍 锰奥氏体不锈钢 基体材料
11、 45号钢 轴力计 锚索计 钢筋计 土压力盒 304不锈钢 0Cr18Ni9 316L不锈钢 00Cr17Ni14Mo2 202 204不锈钢 铬 镍 锰奥氏体不锈钢 内埋式表面式应变计 渗压计 夹弦器 6 传感器的表面粗糙度 零件在加工过程中 受刀具的形状和刀具与工件之间的摩擦 机床的震动及零件金属表面的塑性变形等因素 表面不可能绝对光滑 零件表面总会存在着由较小间距和峰谷组成的微量高低不平的痕迹 表述这些峰谷的高低程度和间距状况的微观几何形状的特性 称为表面粗糙度 表面粗糙度是评定零件表面质量的一项重要的指标 降低零件表面粗糙度可以提高其表面耐蚀 耐磨和抗疲劳等能力 但其加工成本也相应提高 一 表面粗糙度轮廓的界定 图表面轮廓 表面轮廓 平面与表面相交所得的轮廓线 称为表面轮廓 二 表面粗糙度的评定 表面粗糙度的测量原则 1 一般沿加工纹理方向测量表面粗糙度 2 表面缺陷 划痕 气孔 沙眼等 另行考虑 3 多个部位测量平均 三 表面粗糙度轮廓对零件工作性能的影响 1 耐磨性2 配合性质稳定性3 耐疲劳性4 抗腐蚀性 7 传感器的表面处理 电镀 1 请说明磁通量传感器的敏感元件 转换元件 辅助电路和信号调理电路 2 传感器的主要性能指标是哪些 3 表面粗糙度测量原则 完毕 谢谢大家 希望能对大家的工作有帮助 同时也谢谢大家进行指正
