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1、传感器与信号处理电路杨芬第一章 传感器的基本概念学习本课程所需的预备知识学习本课程所需的预备知识 电路基础、电子测量技术、电子线路。教教学学提提要要（重重难难点点）、课课程程内内容容、教教学学要要求求、实验指导实验指导 传感器的概念以及传感器的基本特性是本章重点。从传感器的作用开始，逐一介绍了传感器的概念、组成以及分类，对传感器的基本特性作了详细阐述。1.1传感器的定义传感器的定义 关于传感器的定义，至今尚无一个比较全面的关于传感器的定义，至今尚无一个比较全面的定义。不过，对以下提法，学者们似乎不持异定义。不过，对以下提法，学者们似乎不持异议。议。国际电工委员会的定义为：国际电工委员会的定义为
2、：“传感器是测量系统传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号测量的信号”。根据中华人民共和国国家标准（根据中华人民共和国国家标准（GB766587），传感器（），传感器（Transducer/Sensor)的定义是：的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成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。可用输出信号的器件或装置。 对于一个测量系统，它所测量的各种物理量，对于一个测量系统，它所测量的各种物理量，其形式是不一样的，可以是机械量、电磁量、热其形式是不一样的，可以是机械量、电磁量、热工量、光学
3、量工量、光学量，但不论是哪种物理量，它们都，但不论是哪种物理量，它们都可以分为可以分为模拟量模拟量和和数字量数字量两大类。两大类。传感器传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出，如电压、电流、频率等信号。这一定信号输出，如电压、电流、频率等信号。这一定义包含以下方面义包含以下方面:(1)传感器是一种测量装置，能够完成一定传感器是一种测量装置，能够完成一定的检测任务；的检测任务；(2)它的输入量种类很多，且多为模拟信号它的输入量种类很多，且多为模拟信号的非电量；的非电
4、量；(3)它的输出量是经转换后的电量信号，且它的输出量是经转换后的电量信号，且有一定的对应关系和转换精度。有一定的对应关系和转换精度。传感器的感器的组成成传感器是由传感器是由敏感元件、转换元件敏感元件、转换元件及及测量测量电路电路三部分组成的。三部分组成的。敏感元件敏感元件是指传感器中能直接感受被测是指传感器中能直接感受被测量，并能输出相应非电量量，并能输出相应非电量的元件；的元件；转换元件转换元件是指传感器中能将敏感元件是指传感器中能将敏感元件输输出的出的非电量非电量转换成电转换成电参数参数或电量的元件或电量的元件。测量测量电路电路是是把电参数或电量变成标准把电参数或电量变成标准电压、电流或
5、频率量电压、电流或频率量这种这种便便于显示、记录、处理和控制的电信号的电路。辅助电路通常包括于显示、记录、处理和控制的电信号的电路。辅助电路通常包括电源，即交、直流供电系统。电源，即交、直流供电系统。被测对象 非电量 非电量 电参量 电量 传感器的感器的组成成电源辅助电路敏感元件转换元件基本转换电路A型结构传感器：被测量型结构传感器：被测量敏感元件敏感元件B型结构：敏感元件与转换元件是同一元件型结构：敏感元件与转换元件是同一元件被测量被测量敏感元件敏感元件测量电路测量电路（热敏电阻式传感器、电容式传感器、感应同步（热敏电阻式传感器、电容式传感器、感应同步器、角度编码器）器、角度编码器）C型结构
6、传感器型结构传感器:被测量被测量敏感元件敏感元件+转换元件转换元件+测量电路测量电路（电位器传感器、电感式传感器、压磁式传（电位器传感器、电感式传感器、压磁式传感器）感器）D型结构传感器型结构传感器:将将两个两个传感器构造成一个人测传感器构造成一个人测量正增益变化，一个测量负增益变化，他们的量正增益变化，一个测量负增益变化，他们的输出经差动电路处理后在输出。差动结构型传输出经差动电路处理后在输出。差动结构型传感器感器举例：测量压力的举例：测量压力的应变式压力传感器应变式压力传感器应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹性膜应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹性膜应变
7、式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹性膜应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹性膜片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变( ( ( (形变形变形变形变) ) ) )；弹；弹；弹；弹性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的变化量，电阻应变片就是转
8、换元件。变化量，电阻应变片就是转换元件。变化量，电阻应变片就是转换元件。变化量，电阻应变片就是转换元件。弹性敏感元件（弹簧管）弹性敏感元件（弹簧管）弹性敏感元件（弹簧管）弹性敏感元件（弹簧管） 敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。确定关系、更易于转换的非电量。弹簧管放大图弹簧管放大图 当被测压力当被测压力p p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。即齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。即弹弹弹弹簧管为敏感元件，它将压力转换成
9、角位移簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移。 在下图中，弹簧管将压力转换为角位移在下图中，弹簧管将压力转换为角位移其他各种弹性敏感元件其他各种弹性敏感元件 在上图中的各种弹性元件也能将压力转在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。换为角位移或直线位移。压力传感器的外形及内部结构压力传感器的外形及内部结构被测量通过敏感元件转换后，再经传感元被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量件转换成电参量 在右图中，在右图中，电位器为传感电位器为传感元件，它将角元件，它将角位移转换为电位移转换为电参量参量-电阻
10、电阻的变化（的变化（R） 360度圆盘形电位器度圆盘形电位器接地接地1.3传感器的分类传感器的分类可以用不同的观点对传感器进行分类：可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理；它们它们的转换原理；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。传感器种类繁多传感器种类繁多按被测量分类按被测量分类按测量原理分类按测量原理分类按按能量的传递方式能量的传递方式分类分类目前常用的分类有两种：目前常用的分类有两种：一种是以被测量来分，一种是以被测量来分，另一种是以传感器的原理来分。另一种是以传感器的原理来分。 按被测量分类按被测量分类
11、物理量传感器物理量传感器化学量传感器化学量传感器生物量传感器生物量传感器物理量传感器物理量传感器：按照被测量的物理性质：按照被测量的物理性质（位移、速度、温度、压力、流量。）（位移、速度、温度、压力、流量。）位移传感器、速度传感器、负荷传感器、压位移传感器、速度传感器、负荷传感器、压力传感器、温度传感器、流量传感器。力传感器、温度传感器、流量传感器。按按工作工作原理分类原理分类电容式传感器电容式传感器谐振式传感器谐振式传感器电位器式传感器电位器式传感器应变（计）式传感器应变（计）式传感器电阻式传感器电阻式传感器压电式传感器压电式传感器电磁式传感器电磁式传感器压阻式传感器压阻式传感器电感式传感器
12、电感式传感器磁阻式传感器磁阻式传感器电离式传感器电离式传感器差动变压器式传感器差动变压器式传感器电化学式传感器电化学式传感器霍耳式传感器霍耳式传感器光导式传感器光导式传感器激光传感器激光传感器光伏式传感器光伏式传感器辐射传感器辐射传感器光纤传感器光纤传感器超声（波）传感器超声（波）传感器热电式传感器热电式传感器声表面波传感器声表面波传感器伺服式传感器伺服式传感器按按能量的传递方式能量的传递方式分类分类有源传感器有源传感器：一种能量转换器，非电能量：一种能量转换器，非电能量转化成电能量。转化成电能量。热电偶：热能热电偶：热能热电势热电势光电池光电池:光光能能光光电势电势可逆的传感器可逆的传感器:
13、压电材料压电材料(电能电能机械能机械能)无源传感器无源传感器:不进行能量转换不进行能量转换,一般不可逆一般不可逆传感器的基本特性传感器的基本特性传感器所测量的一般有两种形式：一种是稳定传感器所测量的一般有两种形式：一种是稳定的，即不随时间变化或变化极其缓慢，称为的，即不随时间变化或变化极其缓慢，称为静静态信号态信号；另一种是随时间变化而变化，称为；另一种是随时间变化而变化，称为动动态信号态信号。由于输入量的状态不同，传感器所呈。由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入现出来的输入输出特性也不同，因此存在所输出特性也不同，因此存在所谓的谓的静态特性静态特性和和动态特性动态特性。为了降低或消除
14、传。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和动态特性，才能使信号有良好的静态和动态特性，才能使信号(或能量或能量)按规律准确的转换。按规律准确的转换。1.静态特性静态特性传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时，传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时，传感器的输出传感器的输出输入的关系。衡量传感器静态特性的输入的关系。衡量传感器静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、分辨力、稳定度、电磁兼重要指标是线性度、灵敏度、分辨力、稳定度、电磁兼容性、可靠性等。容性、可靠性等。 （1）线性度线性度:理想的测试系统应该具有单值的、
15、确定的输入输出关系。理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳。个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳。 Y Y X X 线性 非线性非线性程度不一样非线性程度不一样。几种输出曲线：。几种输出曲线：图图(b)为理想线性特性，几乎每一种传感器都不具备为理想线性特性，几乎每一种传感器都不具备如此特性，即都存在非线性，因此在使用非线性传感如此特性，即都存在非线性，因此在使用非线性传感器时，必须对传感器输出特性进行
16、线性处理。常用的器时，必须对传感器输出特性进行线性处理。常用的拟合拟合方法有理论直线法方法有理论直线法（理论线性度）（理论线性度）、端点线法、端点线法（端基线性度）（端基线性度）、割线法和切线法、最小二乘法和计、割线法和切线法、最小二乘法和计算程序法等。算程序法等。（平均选点线性度、独立线性度）（平均选点线性度、独立线性度）(1).灵敏度灵敏度灵敏度是指传感器在稳态下的输出变化量灵敏度是指传感器在稳态下的输出变化量y y与输入变化量与输入变化量x x之之比，用比，用K 来表示：来表示： K= y/ xK= y/ x它表征传感器对输入量变化的反应能力。对于它表征传感器对输入量变化的反应能力。对于
17、线性线性传感器，灵敏传感器，灵敏度就是其静态特性的斜率，即度就是其静态特性的斜率，即k=y/xk=y/x且为常数。而且为常数。而非线性非线性传感器传感器的灵敏度为一变量，用的灵敏度为一变量，用k=dy/dxk=dy/dx表示。表示。线性传感器：k为一常数，输出-输入关系：y=a0+kx; y-输出量；x-输入量；a0-零位输出；非线性传感器：a2,a3,.,an-非线性项的待定系数。由于传感器的输出-输入特性是非线性的，所以，经常用一条直线来近似地表达实际的曲线。-非线性化特性的线性化被采用的直线称为拟合直线。.3）迟滞（滞环）传感器在正向（被测量增大）和反向（被测量减小）时，输出特性曲线不重
18、合的程度，称为迟滞，或称滞环。迟滞的值通常用多次实验得到正向和反向输出量之间的最大偏差m与满量程输出平均值yfs的百分比来表示，4).重复性重复性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。若多次按相同输入条件测试的输出得特性曲线不一致性的程度。若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。特性曲线越重合，其重复性越好，误差也越小。不重复性一般采用极限误差式表示不重复性一般采用极限误差式表示: :5).分辨力：分辨力：指传感器能检出被测信号的最小变化量。指传感器能检出被测信号
19、的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对对输入量的变化无任何反应。对数字仪数字仪表表而言，如果没有其他附加说明，可以而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的认为该表的最后一位最后一位所表示的数值就是所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。小于仪表的最大绝对误差。 用分辨率表示传感器的分辨质量，有平均分辨率和最大分辨率：平均分辨率： （满量程）最大分辨率:6).稳定性稳定性稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的稳定性表示传感器在一个较长的时间内保
20、持其性能参数的能力。能力。理想的情况是理想的情况是,不管什么时候传感器的灵敏度等特性参数不管什么时候传感器的灵敏度等特性参数不随时间变化。但实际上不随时间变化。但实际上,随着时间的推移随着时间的推移,大多数传感器的特性大多数传感器的特性会改变。这是因为传感元件或构成传感器的部件的特性随时间发会改变。这是因为传感元件或构成传感器的部件的特性随时间发生变化生变化,产生一种经时变化的现象。产生一种经时变化的现象。 “老化老化”试验：在检测设备通电的情况下，将试验：在检测设备通电的情况下，将之放置于高温环境之放置于高温环境低温环境低温环境高温环境高温环境反反复循环。老化之后的系统在现场使用时，故障率大
21、复循环。老化之后的系统在现场使用时，故障率大为降低为降低。老化试验台老化试验台7).静态响应特性的其他描述静态响应特性的其他描述漂移漂移:传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量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。漂移包括发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移或灵敏度漂零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指移又可分为时间漂移和温度漂移。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弓化。温度漂移为环境温
22、度变化而弓I起的零点或灵起的零点或灵敏度的漂移。敏度的漂移。l灵敏阀：灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量起始点不灵又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。敏的程度。测量范围：测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。和最大输入量之间的范围。动态特性动态特性在在被测量随时间变化的情况下，传感器被测量随时间变化的情况下，传感器的输出量跟随输入量变化的能力，用动的输出量跟随输入量变化的能力，用动态特性性能指标来描述。态特性性能指标来描述。阶跃响应阶跃响应当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号时，时，其
23、输出特性称为阶跃响应特性。其输出特性称为阶跃响应特性。时域波形参数识别时域波形参数识别衡量阶跃响应特性的几项指标如图所示。衡量阶跃响应特性的几项指标如图所示。(1)响应时间响应时间ts：响应曲线响应曲线开始进入静态误差带，并且不再超越静开始进入静态误差带，并且不再超越静态误差带的时间；态误差带的时间；(2)最大超调量最大超调量p:响应曲线响应曲线第一次超过稳态值时的峰值是传感器第一次超过稳态值时的峰值是传感器输出量与稳态值偏差最大的值输出量与稳态值偏差最大的值a.过冲量过冲量=a/y0*100%最大超调量能说明传感器的相对稳定性。最大超调量能说明传感器的相对稳定性。(3)延滞时间延滞时间td:
24、阶跃响应达到稳态值阶跃响应达到稳态值50所需要的时间。所需要的时间。(4)上升时间上升时间tr,它有几种定义：它有几种定义：响应曲线从稳态值的响应曲线从稳态值的10一一90；从稳态值的从稳态值的595；从零上升到第一次到达稳态值所需的时间。从零上升到第一次到达稳态值所需的时间。对有振荡的传感器常用对有振荡的传感器常用，对无振荡的传感器常用，对无振荡的传感器常用描述。描述。(4)峰值时间峰值时间tp：响应曲线到第一个响应曲线到第一个峰值所需的时间峰值所需的时间。 为了说明传感器的动态特性为了说明传感器的动态特性,下面简要介绍动态测温的问题。下面简要介绍动态测温的问题。在被测温度随时间变化或传感器
25、突然插入被测介质中以及传感器在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下,都存在动态测温都存在动态测温问题。如把一支热电偶从温度为问题。如把一支热电偶从温度为T0环境中迅速插入一个温度为环境中迅速插入一个温度为T的恒温水槽中（插入时间忽略不计）的恒温水槽中（插入时间忽略不计）,这时热电偶测量的介质这时热电偶测量的介质温度从温度从T0突然上升到突然上升到T,而热电偶反映出来的温度从而热电偶反映出来的温度从T0变化到变化到T需要经历一段时间需要经历一段时间,即有一段过渡过程即有一段过渡过程,如图如图1-8所
26、示。热电偶所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。 T0C作业作业1.什么叫做传感器的定义？什么叫做传感器的定义？2.传感器由哪几部分组成？传感器由哪几部分组成？3.传感器有哪几种分类传感器有哪几种分类 ？4. 传感器的静态特性是什么？由哪些主要性能传感器的静态特性是什么？由哪些主要性能指标描述？指标描述？ 5. 传感器的动态特性是什么？根据输入信号的传感器的动态特性是什么？根据输入信号的不同通常用哪些方法进行分析其动态特性？不同通常用哪些方法进行分析其动态特性？6.为什么要把传感器的特性分为静态特性和动为什么要把传感器的特性分为静态特性和动态特性态特性?
