现代传感技术与系统课件

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1、第三章 传感器构成论,3.1 传感器的构成方法 3.2 传感器与被测对象的关联 3.3 传感器对信号的选择 3.7 传感器的性能指标,3.1 传感器的构成方法,传感器的定义：传感器是以一定的精确度把被测量（物理量、生物量、化学量）转换为与之有确定关系的便于处理应用的某种物理量（如电量、光学量）的测量部件或装置。通常由敏感元件和转换元件、转换电路组成。,3.1 传感器的构成方法,1、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物 理量（包括电学量）。 2、转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学 量（包括电路参数量）。 3、转换电路：将电路参数（如电阻、电容、电感）量转换 成便于测量的

2、电学量（如电压、电流、频率 等）。,3.1 传感器的构成方法,但有些传感器，三部分不一定齐全，如： 热电偶、差动变压式位移传感器 由1组成； 电容式位移传感器、压阻式传感器 由1、3组成； 压电式加速度传感器、差动变压式力传感器 由1、2组成； 电阻应变式力传感器 由1、2、3组成。 根据结构组成可将传感器按其构成方法分为以下几类： 1.通用型、2.参比型、3.差动型、4.反馈型。 每一类型，根据能量变换，一般都可分为： 能量变换型 能量控制型,3.1 传感器的构成方法,1.通用型 根据组成可分为：能量变换基本型、能量控制基本型、能量变换特殊型（辅助能源型）、电路参数型和多级变换型。 （1）能

3、量变换基本型,输入量为被测非电量，输出是电流、电压。,3.1 传感器的构成方法,典型例子： 热电偶（塞贝克效应） 光电池（光生伏特效应） 压电式传感器 压电式超声波探头 特点： （1）只由敏感元件构成。 （2）不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件，能量从被测对象 获得，输出能量较弱。 （3）利用热平衡现象或传输现象中的一次效应制成是可逆的。 （4）对被测对象有负荷效应（因输出逆效应而影响输入）。 （5）输出能量不可能大于被测对象的能量。,（压电效应）,3.1 传感器的构成方法,（2）能量控制基本 特点： （1）也由敏感元件组成，但需外加电源才能将被测非电量转换成电量 输出。 （2）输出能量可

4、大于被测对象具有的能量。 （3）无需变换电路即可有较大的电量输出。,典型例子：变压式位移传感器 感应同步器,3.1 传感器的构成方法,（3）能量变换特殊型（辅助能源型） 特点： （1）只由敏感元件构成。 （2）能量从被测对象获得，属能量变换型。 （3）辅助能源是为了增加抗干扰能力或提高稳定性，或取出信号， 或为原理所需要而使用固定磁场。 如霍尔式传感器，使用固定磁场，这是利用磁铁来代替动力源， 这时不把磁铁看作动力源，而看作辅助能源。,典型例子： 光电管 光电倍增管 CCD 磁电感应式传感器 霍尔式传感器（霍尔型较特殊，可以看作上面的混合型）,3.1 传感器的构成方法,（4）电路参数型 特点：

5、 (1) 敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换。 (2) 转换电路含有该敏感元件。 (3) 电源向转换电路提供能量从而输出电量，属于能量控制型。 (4) 输出能量远大于输入能量。 (5) 利用传输现象中的二次效应都属于此类传感器。,它由敏感元件以及包含敏感元件在内的转换电路和电源组成。,典型例子： 电阻应变式、电感式、电容式、电涡流式、 气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、热敏电阻等。,3.1 传感器的构成方法,（5）多级变换型,压电式加速度传感器,目前大多数传感器都是利用敏感元件把被测非电量转换成某种可利用的中间变换物理量，再通过转换元件，有时还需要转换电路转换成便于测量的电量输出。,3.1 传感器

6、的构成方法,热平衡二次效应,应变式力传感器、 光纤式加速度、 酶热敏电阻式、 电容电感式加速度、 霍尔式压力传感器。,特点：设计自由度大，可用二级或二级以上变换，设计出适应各种条件的传感器。,3.1 传感器的构成方法,可利用的中间变换量：是指那些容易转换成电学量的物理量。,在大多数情况下，传感器的输出采取电量的形式，但是把输入的物理量直接更换为电量不那么容易，而是转换成为可利用的中间变换量。 在多数情况下，采取两级或两级以上的变换，这就增加了传感器设计的自由度并使之适应各种条件。,3.1 传感器的构成方法,2.参比补偿型,为了消除环境条件变化（如温度变化、电源电压波动等）的影响。采用两个性能完

7、全相同的传感元件。,3.1 传感器的构成方法,特点： (1) 采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。其 中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量作补 偿用。 (2) 两个敏感元件同时接到电桥的相邻两臂或反串。 (3) 能消除环境和条件变化干扰的影响（如温度、电源电 压）。,3.1 传感器的构成方法,例：电阻式或压电式压力传感器中压力与温度变化对电阻、压电元件影响较近时，需用温度补偿片，构成参比型。 （一个为工作片，另一个为补偿片。）,3.1 传感器的构成方法,3.差动结构型 特点： (1) 采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响量和方向相反的被测量。

8、(2) 反串或接入电桥相邻的两臂。 (3) 输出信号提高一倍。 (4) 传感器差动结构以提高灵敏度、线性度，减小或消除环境因素的影响。 应用：差动电阻式、差动电容式、差动电感式。,3.1 传感器的构成方法,4.反馈型 特点： (1) 传感器的敏感元件（或转换元件）同时兼作反馈元件。 (2) 是闭环系统、传感器输入处于平衡状态，故又称为平衡式传感器。 (3) 主要有力（位移）反馈和热反馈型，如差动电容力平衡式加速度感 器、热线热反馈型流速传感器等。 (4) 结构较复杂，应用于特殊场合（高精度微差压、高流速）。,3.1 传感器的构成方法,小结： 通用型：结构简单、成本低的场合 参比型：精度要求高、

9、性能好 差动型：精度要求高、性能好 反馈型：特殊要求场合,3.2 传感器与被测对象的关联,3.2.1 传感器与固体对象的关联 3.2.2 传感器与流体对象的关联,3.2 传感器与被测对象的关联,被测对象分为固体、流体 3.2.1 固体 特点： (1)传感器与被测对象可视为一体，受环境变动的影响相同、易获得较 准确的信息。 (2)标定方法和装置与具体被测对象无关，可事先标定，标定结果对不 同对象可立即使用，不需再标定（现场）。 缺点： 有负荷效应。,接触型,负荷效应（即被测对象承受负荷而改变其状态或特性）与传感器体积、刚度、热容量等参数大小有关，小到一定程度时可忽略，否则要补偿，不补偿则带来误差

10、。,3.2.1 固体,2. 非接触型 (1)接受由被测对象发出的光或电磁波、辐射热等。例如光电传感器、 红外探测器。 (2)从传感器向被测对象发射信号或与之构成电位差、距离改变等，用 传感器接收相应的响应。例如超声波、电涡流、电容传感器等。 特点：负荷效应一般极小，可以忽略。但激光干涉仪测位移， 反光镜在被测物上，要考虑负荷效应。 缺点： (1)被测物的放射性、被测对象与传感器之间的介质特性，在传感器附 近的其它物体，传感器与被测物间距离变化影响输出。 (2)安装位置任意，不能事先标定，故要现场标定。标定不仅取决于安装位置，还与被测物形状尺寸、物理参数以及环境等因素有关。,高温、高速回转物体（

11、危险）、或被测对象很小、传感器无法安装、或负荷效应不易补偿等场合下应用。,获取信息的方法：,结论：根据具体使用目的、场合选择。,3.2.1 固体,（接触型与非接触型的比较）,分布检测： 对观测值或误差是否服从某一分布所作的检验。检验时，对检测值或误差要计算一些数值统计量，将这些统计量与假设观测值或误差服从某一分布时所得出的临界值作比较，以判断观测值或误差是否服从某一分布。,3.2.2 流体,利用传感器测量流体的某些参数（流速、温度、流量、浓度等），这些参数是容器或管道中流动的一些参数，所以必须将传感器安装在容器里或管道中。因此,传感器对原来流体的状态或多或少地会产生一些影响。,特点： (1)

12、存在负荷效应。 (2) 要求传感器与被测对象间能量授受越小越好，这将导致传感器的输入信号很弱，必须采用高灵敏传感器。,差压式流量计,3.3 传感器对信号的选择,3.3.1 传感器信号选择机理 3.3.2 传感器的信号选择方式,3.3.1 传感器信号选择机理,传感器的基本机能是采集与变换被测信号。为使其正 确采集应从结构、材料学等方面加以保证，确保采集 有用信号，阻止或剔除无用信号。 设输入变量x1,x2,xn,传感器内部变量u1,u2,ur, 输出变量y1,y2ym,则传感器的一般数学模型表达式 为： yi=fi(x1,x2,xn, u1,u2,ur) 其中i=1,2,m 如果被测信号为x1,

13、与之对应的输出为y1，则 y1=f1(x1,x2,xn, u1,u2,ur) 为了得到x1与y1一一对应，则必须使除x1以外的变量（称干 扰量）固定或即使有变化，对x1也不产生影响或影响很小可忽 略。,3.3.1 传感器信号选择机理,又如：金属导线R金属种类、纯度、尺寸、 温度、应力。 如果测温，必须选择只随温度变化，结构上应 防止变形影响；如果选择电阻随尺寸、应力而 变化，则应防止温度的影响，使之输入、输出 一一对应。 下面讨论几种常见的传感器对信号的选择方式：,3.3.2 传感器信号选择方式,1.固定方式,把x1之外的其他变量固定，或用控制方法使其为定值，例热电偶： 严格控制材料纯度，使d

14、u1/dt、du2/dt=0；基准结点温度x2固定为冰水点，热电偶插入保护管内，避免因周围环境及气氛的影响。,三相点：物质的固相、液相 及其上方的蒸汽相三相平衡 共存时的温度和压强是一个 固定值。例如水的三相点温 度是273.16K.,3.3.2 传感器信号选择方式,2.补偿方式（参比） 利用被测量和干扰量共同作用的第一函数量和只有干扰量作用的第二函数量之差（干扰量作用效果与被测量相加时）或之比（干扰量作用效果与被测量相乘时）来消除干扰量的影响的一种方式。,设：被测量x1，变量x1；干扰量x2，变量x2,共同作用的函数：f (x1+x1 , x2+x2),只有干扰作用的函数： f (x1 ,

15、x2+x2),分别在x1，x2附近泰勒展开，忽略二次以上的高阶微小量,3.3.2 传感器信号选择方式,如果函数f(x1,x2)是f1(x1)和f2(x2)之和。例如,则取上两式之差，可得,3.3.2 传感器信号选择方式,设函数f(x1,x2)是x1和x2的线性组合。例如,时，,两式之差为：,x2的影响在输出中被消除了，达到全补偿,3.3.2 传感器信号选择方式,（2）如果函数f(x1,x2)是f1(x1)和f2(x2)之积，例如,则取上两式之比，它们的输出为（作用函数：）,消除了干扰量影响，得到了完全补偿。 例子：电阻工作应变片与补偿应变片接成桥式电路。,3.3.2 传感器信号选择方式,3.差

16、动方式,被测量朝两个方向对称变化，而作为影响量的次要变量则朝一个方向变化，然后取差，就能将被测量选择出来。 使传感器的两个相反的方向（即一个增大，另一个减小），感受同一被测量，而且以两个相同方向感受干扰量，取两个函数之差作为输出。,例如：差动结构传感器有差动式电容、电感传感器、变压器式以及利用传播时间差原理的超声波流速仪、应变式电桥传感器等。 设被测量为x1，干扰量为x2，则差动式作用函数分别为,3.3.2 传感器信号选择方式,用多项式展开，忽略两次以上的高阶量，并求差得：,3.3.2 传感器信号选择方式,可知与补偿法相比，灵敏度提高了一倍，消除了(x2 )2非线性项，改善了传感器的非线性。,当x1,x2为算术迭加时，,例：一维线性组合,此时x2的影响可完全消除。,3.3.2 传感器信号选择方式,4.频率域及时间域的选择,信号和噪声的频带重迭时，可以对信号频率进行调制，将其移到别的频带上，以达到与噪声分离的目的。（采用包含直流信号的调