传感器技术与应用第3版传感器概述

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1、第1章 传感器概述1.1 自动测控系统与传感器 1.2 传感器分类 1.3 传感器性能指标 1.4 实训1.1 自动测控系统与传感器v 世界是由物质组成的，表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性 ，可分为电量和非电量两类。v 非电量不能直接使用一般电工仪表和电子仪器测量，非电量需要转换成与非电量有 一定关系的电量，再进行测量。实现这种转 换技术的器件叫传感器。v 自动检测和自动控制系统处理的大都是电量, 需通过传感器对通常是非电量的原始信息进行精确可靠的捕获和转换为电量。v1.1.1 自动测控系统v 自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量掌握以及预期效果控制所

2、从事的一系列的技术措施。v 自动测控系统是完成这一系列技术措施之一的装置，它是检测和控制器与研究对象的总和。v 通常可分为开环与闭环两种自动测控系统 。测量电路传感器电源指示仪记录仪伺服控制图1-1 开环自动测控系统框图 被测量调节元件给定元件信息处理检测电路执行元件传感器对象输出显示记录 图1-2 闭环自动测控系统框图 v 一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。 v1.1.2 传感器v 传感器的定义是：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。v 敏感元件是指传感器中能直接感 受或

3、响应被测量的部分；v 转换元件是指传感器中能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的部分。 敏感元件转换元件辅助电源接口电路图1-3 传感器组成框图非电物 理量电信号v 压电晶体、热电偶、热敏电阻、光 电器件等是敏感元件与转换元件两者合 二为一的传感器。 v 传感器转换能量的理论基础都是利 用物理学、化学学、生物学现象和效应 来进行能量形式的变换。v 被测量和它们之间的能量的相互转 换是各种各样的。机械能光能电 磁 能化 学 能 热能图1-4 传感器的能量转换关系 v 传感器技术就是掌握和完善这些 转换的方法和手段。是涉及：v 传感器能量转换原理、v 传感器材料选取与制造、

4、v 传感器器件设计、v 传感器开发和应用等多项综合技术 。1.2 传感器分类传感器有许多分类方法，但常 用的分类方法有两种：v 一种是按被测输入量来分；v 另一种是按传感器的工作原理来 分。v1.2.1 按被测量分类v 这一种方法是根据被测量的性质 进行分类，如：v 温度传感器、湿度传感器、v 压力传感器、位移传感器、v 流量传感器、液位传感器、v 力传感器、加速度传感器、v 转矩传感器等。v 这种分类方法把种类繁多的被测量分为v 基本被测量和派生被测量两类。v 例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力、力矩等派生被测 量。v 当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。v

5、基本被测量和派生被测量见表1-1。 表1-1 基本被测量和派生被测量基本被测测量 派生被测测量位 移 线线位移 长长度、厚度、应变应变 、振动动、磨损损、不平度角位移 旋转转角、偏转转角、角振动动速 度 线线速度 速度、振动动、流量、动动量角速度 转转速、角振动动加速度 线线加速度 振动动、冲击击、质质量角加速度 角振动动、扭矩、转动惯转动惯 量力 压压 力 重量、应应力、力矩时时 间间 频频 率 周期、计计数、统计统计 分布温 度 热热容量、气体速度、涡涡流光 光通量与密度、光譜分布湿 度 水气、水分、露点v 这种分类方法：v 优点：比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。

6、v 缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者 掌握其基本原理及分析方法。v1.2.2 按传感器工作原理分类v 这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原 理、规律和效应作为分类的依据。v 这种分类法：v 优点：对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者 对传感器的深入研究分析。v 缺点：不便于使用者根据用途选用。v 具体划分为v1. 电学式传感器v 应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器 、磁电式传感器及电涡流式传感器等。v2. 磁学式传感器v 利用铁磁物质的一些物理效应而制成。主要用于位移、转矩等参数

7、的测量。v3. 光电式传感器v 利用光电器件的光电效应和光学原理 而制成。v 主要用于光强、光通量、位移、浓度 等参数的测量。v4. 电势型传感器v 利用热电效应、光电效应、霍耳效应 等原理而制成。v 主要用于温度、磁通、电流、速度、 光强、热辐射等参数的测量。v5. 电荷传感器v 利用压电效应原理而制成。 v 主要用于力及加速度的测量。v6. 半导体传感器v 利用半导体的压阻效应、内光电效应、 磁电效应、半导体与气体接触产生物质变 化等原理而制成。v 主要用于温度、湿度、压力、加速度、 磁场和有害气体的测量。v7. 谐振式传感器v 利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理而制成。v 主

8、要用来测量压力。v8. 电化学式传感器v 以离子导电原理为基础而制成，可分为v 电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、级譜式传感器和电解式传感器等。v 主要用于分析v 气体成分、液体成分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位 等参数的测量。 v 分类方法还有：v 按能量的关系分类，分为v 有源传感器和无源传感器；v 按输出信号的性质分类，分为 v 模拟式传感器和数字式传感器。v 数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如：v 盘式角度数字传感器，光栅传感器等。1.3 传感器的性能指标v 传感器测量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。1.3

9、.1 静态特性v 传感器的静态特性主要由下列几种技术指标来描述。v1. 线性度v 理想传感器输出量与输入量之间的关系 应是线性的，如图1-5（a）所示。图1-5 （a）v 实际传感器输出量与输入量之间的关系 大多是非线性的，如图1-5 （b）所示。图1-5 （b）v 各种传感器的非线性程度不相同。v 线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。v 线性度可用下式表示： v式中： max为实际曲线与拟合直线之间的最大偏差； yfs为输出满量程值。v 传感器输出量与输入量之间的非线性应进行线性补偿处理，以提高测量准确性。（1-1）v2. 灵敏度v 灵敏度是传感器在

10、稳态下输出增 量与输入增量的比 值。v 对于线性传感 器，其灵敏度sn就是它的静态特性的 斜率。 图1-6（a）v 非线性传感器 的灵敏度sn是一个随工作点而变的变 量：v sn=dy /dx=df(x)/dx图1-6（b）图1-6 传感器的灵敏度 v3. 重复性v 重复性是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。v 如图1-7所示。 图1-7 传感器的重复性 v 传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。v 不重复性极限误差由下式表示： v EZ= (max/yfs) 100% v

11、4. 迟滞现象v 传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度。v 如图1-8所示。图1-8 传感器的迟滞现象 v 在行程环中同一输入量xi对应的不同输出量yi和yd的差值叫滞环误差。v 最大滞环误差与满量程输出值的比值称最大滞环率Emax=(m/yfs) 100% v5. 分辨力v 传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。v 有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。v6. 稳定性v 稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。v 传感器常用长期稳定性，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

12、标定时的输出之间的差异。v 通常又用其不稳定度来表征稳定程度。v7. 漂移v 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的变化。v 漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。v 零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂 移和温度漂移。v 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；v 温度漂移为环境温度变化而引起的零点 或灵敏度的变化。 v1.3.2 动态特性v 在动态（快速变化）的输入信号情况 下，要求传感器能迅速准确地响应和再现 被测信号的变化。也就是说，传感器要有 良好的动态特性。v 从时域和频域两方面，v采用瞬态响应法和频率响应法来分析。 v1. 阶跃响应特性v

13、采用瞬态响应法，给传感器输入一个单 位阶跃函数信号： 其输出特性称为阶跃响应特性，如图 1-9所示。图1-9 传感器阶跃响应特性 (1)最大超调量 (2)延迟时间 (3)上升时间 (4)峰值时间 (5)响应时间 由图可衡量阶跃响应的几项指标 。 v2. 频率响应特性v 采用频率响应法，给传感器输入各种 频率不同而幅值相同，初相位为零的正弦 信号。v 其输出的正弦信号的幅值和相位与频 率之间的关系，为频率响应曲线。 v例：v 图1-10，弹簧阻尼器组成的机械压力 传感器。图1-10 机械压力传感器 系统输入量为作用力，令其与弹簧刚度成 正比， 。 系统输出量为弹簧形变产生的位移，。 根据牛顿第三

14、定律，作用力与（阻尼器磨擦力、弹簧弹性力）反作用力相等，即： ； 。 式中：， 为阻力器磨擦力，为弹簧弹性力。设设：为时间 常数经计算，弹簧形变位移和输入作用力 频率的关系（频率特性）如图1-11 所示。由图可见，时间常数越小，频率特性越好。时间常数很小时，幅频特性为常数，相频特性与频率成线性关系。输出位移 能真实地反应输入作用力的变化规律，与 作用力频率无关。图1-11 一阶传感器的频率特性 1.4 实训v 1.4.1 电子秤静态特性测试v 用一个电子称，按其最大称重量，由 小到大取10个不同重量的砝码（或组合10 个砝码重量）。v 将砝码从小到大，进行称重，记录显 示值。再将砝码从大到小，进行称重，记 录显示值