传感器原理与技术课程教案(学生)

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1、1传感器原理与技术传感器原理与技术2绪绪 论论0.10.1 传感器传感器1、定义: 广义定义：能够把特定的被测量信息（如物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号的器件或装置。狭义定义：所谓“可用信号” ，是指便于传输、便于处理的信号。就目前而言，电信号最为满足便于传输、便于处理的要求。因此，传感器的狭义定义为：能把外界非电量信息转换成电信号输出的器件或装置。2、组成：传感器通常由敏感元件(sensing element)和转换元件(transduction element)组成。图 0.1 传感器组成框图敏感元件指传感器中能直接感受（或响应）与检测出被测对象的待测信息（非电量）的

2、元件。如：机械类传感器中的弹性元件。转换元件指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）的信息直接转换成电信号的部分。如：应变式压力传感器由弹性膜片和电阻应变片组成，其中电阻应变片就是转换元件。3、分类：(1)按工作原理分类：(2)按输入信号分类：位移传感器，速度传感器，加速度传感器，力/压力传感器，温度传感器，湿度传感器，磁传感器，色传感器，等。(3)按应用范围分类：工业用、农业用、民用、军用、医用、科研用、家电用传感器等；计测用、监视用、检查用、诊断用、控制用、分析用等； 。30.20.2 传感器技术传感器技术传感器技术是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术。传感器技术的特点

3、：（1）内容的离散性：物理、化学、生物学中的“效应” 、 “反应” 、 “机理”等，多而彼此独立；（2）知识的密集性；（3）技术(工艺)的复杂性：微电子/机械加工技术，特种加工技术，智能化技术；（4）品种的多样性与用途的广泛性。40.30.3 传感器与传感器技术的地位和作用传感器与传感器技术的地位和作用 传感器是获取信号的工具，传感器与传感器技术是现代工业社会自动检测与自动控制系统的主要环节。图 0.2 是自动测控系统的框图。火箭、卫星、飞机、汽车等设备，油气勘探、开发、集输、加工处理等自动化过程，大量使用传感器。图 0.2 自动测控系统传感器与传感器技术是现代信息社会信息技术(传感与控制技术

4、、通信技术和计算机技术)的三大支柱之一，是信息系统的“源头” 。0.40.4 传感器与传感器技术的发展趋势传感器与传感器技术的发展趋势 传感器技术的主要发展动向：（1）传感器本身的基础研究：即研究新的传感器材料和工艺，发现新现象。（2）跟微处理器组合在一起的传感器系统的研究;即研究如何将检测功能与信号处理技术相结合，向传感器的智能化、集成化发展。具体说来，其发展主要分为以下几个方面：（1）发现新现象；（2）开发新材料；（3）采用微细加工技术；（4）智能传感器(Intelligent sensor/Smart sensor)；（5）多功能传感器：如 Honeywell 公司 ST-3000 型

5、差压压力传感器，基片340.2cm3，制作静压、差压和温度三种敏感元件和 CPU、EPROM，精度 0.1%，具有自诊断、自动选择量程、存储补偿数据等功能。5第第 1 1 章章 传感器的一般特性传感器的一般特性线性度（Linearity）灵敏度（Sensitivity）静态 分辨率和分辨力（Resolution）传感 特性 迟滞（Rysteresis）器的 重复性（Repeatability）一般 精度（Accuracy）特性 动态特性数学模型动态 传递函数特性 频率响应函数动态响应特性（不作要求）传感器的基本特性即输出输入关系特性： 静态特性关系表达式为： （对应=常数的情况）)(xfy )

6、(tx 动态特性关系表达式为：。 )()(txfty图 1-1 传感器系统研究传感器的基本特性的意义：研究传感器的基本特性的意义：（1）测量：传感器作为测量系统，由输出 y 推求输入x；（2）传感器的研究、设计与系统建立。传感器的基本特性是外特性，但由其内部结构参数决定。1.11.1 传感器的静态特性传感器的静态特性传感器在稳态信号（=常数）作用下，其输出输入关系称为传感器)(tx的静态特性，其关系表达式为： 。)(xfy 1.1.1 线性度(非线性误差)(Linearity)传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间的线性程度。理想输出输入线性特性传感器（系统）优点：（1）简化传感器理论分析和

7、设计计算；6（2）方便传感器的标定和数据处理；（3）显示仪表刻度均匀，易于制作、安装、调试，提高测量精度；（4）避免非线性补偿环节。实际传感器输出输入特性一般为非线性，即（1-1）xaxaxaaannxy332210式中， -零位输出，零点漂移（零漂） ；a0-传感器线性灵敏度，常用K表示；a1、-待定系数。a2a3an线性度(非线性误差)(Linearity)(1)理想线性：， （1-2）xya1灵敏度 =常数（K）aSxyn1/(2)具有偶次项非线性： （1-3）xaxaaxy44221由于没有对称性，所以其线性范围很窄。一般很少采用这种特性。(3)具有奇次项非线性： （1-4）xaxaa

8、xy55331该特性在原点附近较大范围内具有较宽的准线性。比较接近于理想直线的非线性特性。 （它相对于原点对称）)()(xyxy(4)普遍情况：xaxaxaaxy4422133图 1-2 传感器的静态特性 传感器非线性特性的线性化 直线拟合：实际使用非线性传感器时，若非线性项的次数不高，则在变化范围不大的条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代替实际的静态特性曲线的某一段，使传感器的静态特性近于线性。如图 1-3 所示。 这种方法称为传感器非线性特性的线性化所采用的直线称为拟合直线拟合直线。拟合方法由端点法；割线法；切线法；最小二乘法等。7图 1-3 中，为线性化部分的对应的最大值；为对应的输

9、出。xmxySFxm为实际静态特性曲线与拟合直线之间的非线性误差的最大值。取与输maxmax 出满度值之比作为评价非线性误差（或线性度）的指标。即：ySF图 1-3 传感器静态特性的非线性（1-5）式中， 非线性误差（线性度） ； 最大非线性绝对误差；Lmax 输出满量程。ySF1.1.2 灵敏度(Sensitivity)灵敏度是指传感器在稳态下的输出变化与输入变化的比值，用Sn 表示，即（1-6）具有输出/输入量纲。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性曲线的斜率（或传递函数） ，即：= 。SnxyK/非线性传感器的灵敏度为一变量，如图 1-4（b）所示。一般地，希望传感器的灵敏度高，在满

10、量程范围恒定，即输出 输入特性为直线。因此，可对非线性传感器通过一些校正网络，使其输出 输入之间成线性关系，此时传感器的灵敏度可写成：（1-7）xyK/%100maxSFLydxdySn入入入入入入入入入入入入入入8图 1-4 灵敏度定义 (a)线性传感器；(b)非线性传感器1.1.3 分辨率和分辩力（Resolution）分辨率和分辩力都是表示传感器能检测被测量的最小值的性能指标。分辨率是以满量程的百分数来表示，无量纲； 分辩力是以最小量程的单位值来表示，有量纲。1.1.4 迟滞（滞环） （Hysteresis)迟滞的含义：传感器的正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程输出 输入特性曲线

11、不重合的程度。迟滞现象：对于同一大小的输入信号，传感器的正、反行程的输出信号大小不相等的现象。图 1-5 滞环特性示意图迟滞误差（属系统误差）：1.1.5 重复性（Repeatability) 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。如图 1-6 所示。产生原因：由传感器的机械部件和结构材料等存在的问题引起。如：轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当、螺钉松动、元件磨损（或碎裂）以及材料的内部摩擦等。不重复性误差(属随机误差）：即重复性指标一般采用输出最大不重复误差与满量程的百分比表示：maxySF%100max SFHy9（1-9）式中： 与的两数值中的最大

12、者；maxmax1max2 正行程多次测量的各测试点输出值之间的最大偏差；max1 反行程多次测量的各测试点输出值之间的最大偏差。max2图 1-6 重复性考虑到不重复性误差是随机误差，校准数据的离散程度与与随机误差的精密度有关。则根据标准偏差来计算重复性指标的公式为：（1-10）式中：为置信系数；为标准偏差。a服从高斯（正态）分布，可按贝塞尔公式计算：其中：（1-11） niiyyn11式中： 第 i 次的测量值；yi 测量值的算术平均值； yn 测量次数。前的置信系数=2 时，置信概率为：95.4%；a前的置信系数=3 时，置信概率为：99.73%；a%100maxSFRy%10032SF

13、Ry112 nyynii 10置信概率是根据置信系数计算出来的，不要求计算。1.1.6 精度（Accuracy) 传感器的精度是指其测量结果的可靠程度，它由其量程范围内的最大基本误差 m 与满量程之比的百分数表示。基本误差由系统误差和随机误差两部分组成，故（1-12）误差愈小，传感器精度越高。式中： 测量范围内允许的最大基本误差。m系统 迟滞表示的误差H基本误差 误差 线性度表示的误差L随机误差（重复性表示的误差）R精度等级：精度等级：传感器的精度用精度等级 a 表示，如 0.05，0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5级等。精度等级代表的误差指传感器测量的最大允许误差。传感器偏离规定

14、的正常工作条件还存在附加误差，测量时应考虑。提高传感器性能的技术途径提高传感器性能的技术途径: :通常，由单一敏感元件与单一变送器组成的传感器，其输出-输入特性较差，如果采用差动、对称结构和差动电路（如电桥）相结合的差动技术，可以达到消除零位值、减小非线性、提高灵敏度、实现温度补偿和抵消共模误差干扰等的效果，改善传感器的技术性能。(各类传感器特性分析中具体介绍)RHL SFm y%100111.21.2 传感器的动态特性传感器的动态特性时域线性常微分方程、传递函数和频率特性的关系：（1） 时域线性常微分方程经过拉氏变换得到复频域中的传递函数 H（S） ；（2） 频率响应函数 H（）是 S=时传

15、递函数的一种特殊形式；即：jj时域线性常微分方程 传递函数 H（S） 频率响应函数 H（）逆拉氏变换拉氏变换jS j动态特性是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应特性。)(tx)()(txfty理想传感器：与的时间函数表达式相同；)(ty)(tx实际传感器：与的时间函数在一定条件下基本保持一致。)(ty)(tx与与要求基本保持一致的原因：要求基本保持一致的原因：)(ty)(tx 传感器的实际测试中，大量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精确地测量信号幅值的大小，而且需测量和记录动态信号随时间变化过程的波形，这就要求传感器能迅速准确地测出信号幅值的大小，并无失真地再现被测信号随时间变化的波形。传感器的动态特性指传感器对激励（输入）的响应（输出）特性。一个动态特性好