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1、1,传感器原理与应用,第一章 概论概述,2,第一章 概论,电子信息科学的核心技术：信息采集传感与检测技术信息传递通信技术信息处理计算机技术信息控制自动控制技术电子信息工程专业：涉及到全部四门技术。信号检测、信号处理是电子信息工程专业的主要方向。传感与检测技术是信息科学的最前端技术，是信息技术的最重要基础之一,3,传感与检测技术在工程信息检测领域的应用技术，主要研究： 力、压力、应变、位移、液位、容量、温度、湿度、速度、加速度、角度、角速度/转速、流量、扭矩、心电、血液含氧量、血糖等，故又叫做非电量的电测技术。除此之外，我们还关心电量的检测：电压（包括超高压、微弱电压信号）、电流（包括大电流、微
2、小电流）、功率因素、正弦信号波形的失真、各种非正弦信号的波形参数等。我们这门课不讨论电信号的检测，仅讨论非电量的电测技术。有些非电物理量我们不用电的信息处理技术也能检测与显示例如玻璃温度计测量温度例如机械转速表能够测量转速,4,例如家里用的水表能够计量用水量波模式压力表能够测量并显示气体/液体压力但是，当前的信息社会，我们主要用电路：模拟/数字电路来处理、传输、存储信息。尤其当前主要用计算机来处理信息、存储信息、传输信息、实现控制操作更多地使用数字化的技术手段来实现信息技术。这样，就需要将非电物理量转换为电信号这是我们这门课的任务。当然，电信号中的超高压（大电流）、或微弱的电压（电流）信号也需
3、要转换为信号处理电路能够处理的范围。但这不是我们这门课程的任务。,5,第一节 传感与检测技术的基本概念,非电量的电测方法是将待测非电量，通过特定的敏感元器件或装置变换成相应的电信号，这些电信号在经过一定的测量电路或者信号调理电路进行放大、整形、转换后，送入终端装置进行记录、显示、处理，即用电工或电子测量的方法实现非电量的检测。非电量的电测技术是信息科学与技术领域的重要组成部分。,6,一、非电量电测系统的组成及特点,典型组成如图,这个图反映的是一般的非电量电测系统组成结构当前普遍使用计算机技术处理信息，故测量电路处理后一般送到计算机系统。计算机可以使各种形式的计算机系统,7,对于包含控制的非电量
4、检测，可以用下图组成结构来描述,这个结构反映的是与控制有关的非电量检测系统,8,用传感器实现非电信号获取的电测技术又简称为感测技术。非电量电测技术的优点：（1）测量灵敏度高，应用广泛（2）感测系统结构紧凑、安装调试方便（3）测量惯性小，反应速度快、频率特性好（4）可进行无接触测量和远程监测，并有较好的测量精度（5）在计算机技术的支持下，具有很高的自动测试程度，并向智能测试方向发展,9,二、 传感器概述,1. 定义GB76661987给出的传感器定义：能够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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部
5、分；转换元件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）和测量的电信号部分。在许多情况下，敏感元件和转换元件分不开，是同一个元件,10,2. 传感器的分类,（1）按被测物理量分温度传感器、压力传感器、湿度传感器、加速度传感器、速度/转速传感器、位移传感器、颜色传感器、磁传感器、（2）按转换原理分应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、热电偶式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、压电式传感器、电阻式传感器、,11,（3）按敏感元件的物理现象分 结构型传感器依赖敏感元件结构参数的变化实现非电物理量的转换，例如：应变电阻式传感器应变片变形导致电阻变化 电容式传感器结构变化导致电
6、容量变化 电感式传感器结构变化导致电感量变化 物性型传感器依赖敏感原件物理性质的变化实现非电量的转换例如：热电传感器热电阻，温度变化导致电阻变化 热电偶，温度变化导致热电势变化 光电传感器光转换为对应的电信号 颜色传感器颜色转换为对应的电信号 压电传感器压力转换为对应的电信号,12,3. 传感器的发展,（1）新的敏感材料（2）微细加工技术微米加工技术，主要体现在： 硅微机械加工 以激光精密加工为主体的超精密机械加工技术 X射线深层光刻电铸成型技术,13,（3）新型传感器包括汽车领域：发动机的电喷、各种车载传感器环境保护领域：水质监测、大气监测机器人领域：听觉、视觉、嗅觉、触觉、味觉医疗保健、人
7、类智慧研究领域：心电、脑电、（4）智能化传感器传感器、处理电路、计算机融为一体。,14,第二节 传感器的基本特性,传感器是一个二端口网络，其基本特性指的是输入信号与输出信号的对应关系。不同的传感器具有不同的输入输出特性同一传感器适应不同的被测信号呈现的特性也不完全相同,15,一、传感器的静态特性,指稳态信号作用下，传感器输出量与输入量之间的关系特性。1. 线性度传感器的输出量y与输入量x的关系一般可以表示为,（1）理想的线性特性除a1外，其它ak=0(k1),16,（2）仅有偶数非线性项,曲线没有对称性，可取的线性范围较小传感器设计时，应尽量避免出现这种特性,17,（3）仅有奇数非线性项,曲线
8、以坐标原点为对称点，具有较大的线性范围 差动传感器一般具有这种输出特性,18,对于差动传感器，如果一侧,可见，传感器差动方式输出可以改善线性特性，同时使输出量增大1倍。,则另一侧,差动输出,19,对于非线性程度不大的传感器，通常用曲线的割线、切线、或某种其他直线来近似代表实际曲线的一段叫做传感器非线性的线性化。用多段折线近似表示一条曲线分段线性化,20,2. 灵敏度,传感器在稳态时输出量与输入量之比值。,灵敏度,对于非线性传感器，曲线上每一段灵敏度不一样,是常数,对于线性特性传感器,21,3. 迟滞性,传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程期间，输出和输入特性曲线不重合的程度。,y,x
9、,正,反,用最大正反向偏差m与满量程输出YF_S之比表示,.,22,磁性材料的特性曲线具有这种特性,另外，具有运动机构的传感器，由于摩擦、间隙、元件磨损等原因，会出现迟滞特性,23,4. 重复性,输入量按同一方向作全量程连续多次测试时，所得输出和输入特性曲线的补重合程度。,重复性误差标准误差,.,24,5. 精度,反映传感器系统误差和随机误差的综合误差指标，即准确度和精密度的综合偏差程度。,x在规定量程范围内的最大误差去掉百分号所得的值，表示仪表的精度等级。0.005级、0.1级、0.5级、1.0级、1,5级、2.0级、2.5级,25,二、 传感器的动态特性,反映传感器对于随时间变化的输入量的
10、相应特性。或者说，当传感器的输入量发生变化时，输出量随时间的变化特性。,26,1. 传感器的数学模型,由于存在弹性、惯性、阻尼、迟滞等，传感器的输入输出之间不是简单的跟随关系，要建立准确的传感器数学模型是困难的。常将系统近似看做线性定常系统，用常系数线性微分方程建立传感器模型,线性系统具有两个十分重要的特性： 叠加性 和频率保持性,27,叠加性：当系统由多个输入信号激励时，输出的响应等于各个输入信号单独激励作用的响应之和。,对于激励xJ，响应为yJ,对于激励,响应,28,频率保持性：线性系统稳态响应时，输出信号的频率保持与输入信号的频率相同。,29,公式（1-10）的求解比较困难。在工程中，虽
11、然传感器种类和形式很多，但其结构常数bi中，除b0外，b1=b2=.=bm=0.,一般，传感器都可以简化为一阶、二阶系统。,30,2. 时域响应,（1） 一阶传感器,工程上一般将其变换为,为时间常数阶跃激励，输出到达稳态输出63.2%所需要的时间K为静态灵敏度,31,用传递函数表示,一般取K=1,32,（2） 二阶传感器,特性可以用二阶微分方程描述。,工程上一般变换为。,33,用传递函数表示,二阶传感器对单位阶跃激励的响应与阻尼系数和固有频率0有关。阻尼系数和固有频率0由传感器结构参数决定。0大，传感器响应快=0，等幅振荡； 1, 过阻尼，响应无振荡无超调，达到稳态所需时间较长,34,实际上很
12、难做到=1工程上，一般设计为欠阻尼状态取=0.60.8，这时超调量2.5%10%之间。曲线见教材P12图1-8,35,（3）时域特性指标,时间常数 阶跃输入下，传感器输出量上升到稳态值的63.2%所需要的时间。上升时间tr 阶跃输入下，传感器输出量从稳态值10%上升到稳态值的95%所需要的时间。延迟时间tS 阶跃输入下，传感器输出达到稳态值50%所需要的时间超调量 阶跃输入下，传感器输出的最大值与稳态值之比。,36,3. 传感器的频率特性,（1） 一阶传感器,幅频特性,相频特性,曲线见教材P13 图1-9时间常数越小，频率响应越好，1，输出输入呈线性关系，且相位差很小，传感器输出能真实反映输入
13、信号,37,（2）二阶传感器,幅频特性,相频特性,频率特性曲线见教材P.14图1-10.,38,三、传感器的标定,指的是利用较高等级的标准器具对传感器的特性进行刻度。传感器在使用前，一定要进行标定传感器在使用过程中，要定期进行检查校验。购买的标准传感器在出厂前经过标定。,39,1. 传感器静态特性的标定,用于标定传感器的标准器具精度等级应该比被标定的传感器精度等级至少高1级。例如：标定1.0级的传感器，至少要使用0.5级精度的标准器具。这个精度等级，指的是传感器量程标定范围内的精度等级。例如温度传感器，0500，2.5级精度如果使用0500 2.0级的标准仪表，可以，但是，如果使用量程01000 ，2.0级的标准仪表，就不能标定该传感器。因它的最大偏差 1000* 2.0%*=20 ，换算到0500 ，再改量程范围内，4.0%的误差，不能标定2.5级的传感器。,40,标定方法与步骤：5点，教材P.15.标定时的注意事项：选择的点要涵盖传感器的量程范围，输入信号要从一个方向变化（从小到大全部测并试记录完，然后在从大到小全部点测试并记录）,41,2. 传感器动态特性的标定,主要是测试动态性能指标。,
