傳感器的定義與分類課件

1、 第1章 傳感器的定義與分類1.1 傳感器的定義與分類1.2 傳感器的基本特性1.3 傳感器的基本誤差1.4 傳感器中的彈性敏感元件第1頁(yè)，共29頁(yè)。1.1傳感器的定義與分類1.1.1 傳感器的定義 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-1987對(duì)傳感器下的定義是:“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成?！?.1.2 傳感器的分類 1.根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器兩大類 (1)物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 (2)化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)

2、吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為下一頁(yè)返回第2頁(yè)，共29頁(yè)。1.1傳感器的定義與分類因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 2.按照其用途分類 壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅?、能耗傳感器、速度傳感器、熱敏傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、振動(dòng)傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。 3.以其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)分類 (1)模擬傳感器將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。 (2)數(shù)字傳感器將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。 上一頁(yè)下一頁(yè)返回第3頁(yè)，共29頁(yè)。1.1傳感器的定義與分類 (3)膺數(shù)字傳感器將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換

3、成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。 (4)開(kāi)關(guān)傳感器當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閡值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。 4.從所應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)分類 (1)按照其所用材料的類別分金屬聚合物陶瓷混合物 (2)按材料的物理性質(zhì)分導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體磁性材料 (3)按材料的晶體結(jié)構(gòu)分單晶多晶非晶材料 5.與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開(kāi)發(fā)工作，可以歸納為下述三個(gè)方向 在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實(shí)際使用。 上一頁(yè)下一頁(yè)返回第4頁(yè)，共29頁(yè)。1.1傳感器的定義與分類 探索新的材料，應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來(lái)改進(jìn)傳感器技術(shù)

4、。 在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以具體實(shí)施。 6.按照其制造工藝分類 (1)集成傳感器用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。 (2)薄膜傳感器則是通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用棍合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。 (3)厚膜傳感器利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上上一頁(yè)下一頁(yè)返回第5頁(yè)，共29頁(yè)。1.1傳感器的定義與分類制成的，基片通常是氧化鋁制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。 (4)陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠一凝膠等)生

5、產(chǎn)。上一頁(yè)返回第6頁(yè)，共29頁(yè)。1.2 傳感器的基本特性1.2.1 傳感器靜態(tài)特性 1.測(cè)量范圍和量程 傳感器所能測(cè)量的最大被測(cè)量的數(shù)值為測(cè)量上限，最小被測(cè)量稱為測(cè)量下限。測(cè)量上限和測(cè)量下限所構(gòu)成的區(qū)間稱為測(cè)量范圍。測(cè)量上限和測(cè)量下限的代數(shù)差稱為量程，即量程=測(cè)量上限-測(cè)量下限。 2.傳感器的線性度 理想情況下，如圖1-1所示，傳感器的靜態(tài)特性輸出是條直線;但通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實(shí)際的特性曲線，如圖1-2所示。下一頁(yè)返回第7頁(yè)，共29頁(yè)。1.2 傳感器的基本特性3.傳感器的靈敏度 靈敏度是指?jìng)?/p>

6、感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化Y對(duì)輸入量變化x的比值。 4.傳感器的分辨力 分辨力是指?jìng)鞲衅骺赡芨惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力。也就是說(shuō)，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化，當(dāng)輸入變化值未超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化，即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來(lái)的。只有當(dāng)輸入量的變化超分辨力時(shí)，其輸出才會(huì)發(fā)生變化。 5.遲滯 遲滯現(xiàn)象是指?jìng)鞲衅髡蛱仉U(xiǎn)曲線(輸入量增大)和反向特性曲線(輸入量減小)的不一致程度。如圖1-3所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第8頁(yè)，共29頁(yè)。1.2 傳感器的基本特性 6.傳感器的精度等級(jí) 傳感器的精度等級(jí)是為了簡(jiǎn)單表示傳感器測(cè)量結(jié)果的可靠程度而引用的。常見(jiàn)的精度等級(jí)有0.

7、1級(jí)、0. 2級(jí)、0. 5級(jí)、1. 0級(jí)、1. 5級(jí)、2. 0級(jí)、2. 5級(jí)、5.0級(jí)。數(shù)值越小，精度等級(jí)越高，測(cè)量越精確。 1.2.2 傳感器動(dòng)態(tài)特性 所謂動(dòng)態(tài)特性，是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第9頁(yè)，共29頁(yè)。1.2 傳感器的基本特性最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)表示。 1.階躍響應(yīng)

8、輸入為階躍信號(hào)時(shí)，傳感器的響應(yīng)被稱為階躍響應(yīng)。從階躍響應(yīng)中我們可以得到傳感器在時(shí)間域內(nèi)的響應(yīng)特性。如圖1-4所示輸入信號(hào)是幅值為A的階躍信號(hào)，此時(shí)傳感器階躍響應(yīng)如圖1-5所示。 2.頻率響應(yīng) 將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號(hào)輸入到傳感器，傳感器的輸出正弦信號(hào)的幅值、相位與頻率之間的關(guān)系稱為頻率響應(yīng)特性。其中輸出信號(hào)的幅值與輸入信號(hào)的頻率的關(guān)系稱為幅頻響應(yīng);輸出信號(hào)的相位與輸入信號(hào)的頻率的關(guān)系稱為上一頁(yè)返回下一頁(yè)第10頁(yè)，共29頁(yè)。1.2 傳感器的基本特性相頻特性。頻率響應(yīng)是通過(guò)研究穩(wěn)態(tài)過(guò)程來(lái)分析傳感器的動(dòng)態(tài)特性的，它可以通過(guò)對(duì)傳感器在頻域響應(yīng)過(guò)程中的波形參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)響應(yīng)特性曲線進(jìn)行分析

9、;也可通過(guò)對(duì)頻率響應(yīng)性能指標(biāo)(如頻率響應(yīng)范圍、幅值誤差、相位誤差等)的考核來(lái)完成。返回上一頁(yè)第11頁(yè)，共29頁(yè)。第12頁(yè)，共29頁(yè)。1.3 傳感器的基本誤差1.3.1 傳感器的基本誤差 任何測(cè)量都不可能絕對(duì)準(zhǔn)確，都存在誤差，只要誤差在允許范圍內(nèi)即可認(rèn)為符合標(biāo)準(zhǔn)，傳感器也不例外。所謂傳感器的誤差，即傳感器的輸出值與理論輸出值的差值。因此要求設(shè)計(jì)與制造傳感器時(shí)，允許有誤差，但必須在規(guī)定誤差的范圍之內(nèi)。為了使傳感器能滿足一定的精度要求，我們要掌握誤差的種類及分析產(chǎn)生誤差的原因、克服與減少誤差的方法。1.測(cè)量誤差的基本概念 由傳感器的定義得知，傳感器是將未知的物理量轉(zhuǎn)換成人們可知的電信號(hào)，實(shí)際上傳感器

10、就是一種測(cè)量器具，所以傳感器的誤差也就是測(cè)量誤差。下面介紹有關(guān)測(cè)量的部分名詞。下一頁(yè)返回第13頁(yè)，共29頁(yè)。1.3 傳感器的基本誤差 2.誤差的分類 在測(cè)量中由不同因素產(chǎn)生的誤差是混合在一起同時(shí)出現(xiàn)的。為了便于分析研究誤差的性質(zhì)、特點(diǎn)和消除方.法，下面將對(duì)各種誤差進(jìn)行分類討論。(1)按表示方法分類 絕對(duì)誤差指示值 與約定真值 的差值，即 量中常使用修正值 。只要得到修正值 示值 ，便可得知約定真值 。 相對(duì)誤差針對(duì)絕對(duì)誤差有時(shí)不足以反映示值偏離約定真值大小程度而設(shè)定的，在實(shí)際測(cè)量中相對(duì)誤差有下列表示形式:上一頁(yè)下一頁(yè)返回第14頁(yè)，共29頁(yè)。1.3 傳感器的基本誤差(2)按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分類 系

11、統(tǒng)誤差指誤差的數(shù)值是一個(gè)常數(shù)或按一定規(guī)律變化的值。它又可分為恒值誤差和變值誤差。 隨機(jī)誤差由于偶然因素的影響而引起的，其數(shù)值大小和正負(fù)號(hào)不定，而且難以估計(jì)。但是總體仍服從一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律，它不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法加以消除，但能運(yùn)用統(tǒng)計(jì)處理方法減少其影響。隨機(jī)誤差表現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果的分散性。在誤差理論中常用精密度來(lái)表征隨機(jī)誤差的大小。隨機(jī)誤差愈小，精密度愈高。 粗大誤差指在一定的條件下測(cè)量結(jié)果顯著地偏離其實(shí)際值時(shí)所對(duì)應(yīng)的誤差。從性質(zhì)上看，粗大誤差并不是單獨(dú)的類別，它本身既具有系統(tǒng)誤差的性質(zhì)，也可能具有隨機(jī)誤差的性質(zhì)，只不過(guò)在一定測(cè)量條件下其絕對(duì)值特別大而已。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第15頁(yè)，共29頁(yè)。1.3 傳感器的

12、基本誤差粗大誤差是由于測(cè)量方法不妥、各種隨機(jī)因素的影響以及測(cè)量人員粗心所造成的。(3)按被測(cè)量隨時(shí)間變化的速度分類 靜態(tài)誤差指在測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)量隨時(shí)間變化很緩慢或基本不變時(shí)的測(cè)量誤差。 動(dòng)態(tài)誤差在被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)所測(cè)得的誤差。例如用筆式記錄儀測(cè)得的結(jié)果，由于記錄筆有慣性量，輸出量在時(shí)間上不能與被測(cè)量的變化一致，而造成的誤差就屬于動(dòng)態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)誤差是在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的，動(dòng)態(tài)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)效率高和環(huán)境影響小。(4)按使用條件分類 基本誤差指檢測(cè)系統(tǒng)在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下使用時(shí)所產(chǎn)生的誤差。上一頁(yè)返回下一頁(yè)第16頁(yè)，共29頁(yè)。1.3 傳感器的基本誤差 附加誤差當(dāng)使用條件偏離規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)，除基本誤

13、差外還會(huì)產(chǎn)生附加誤差，例如由于溫度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)引起的溫度附加誤差、電源附加誤差以及頻率附加誤差等。這些附加誤差在使用時(shí)會(huì)疊加到基本誤差上去。1.3.2 儀表精度與測(cè)量精度 1.儀表精度與測(cè)量精度的關(guān)系 儀表精度一般分為七個(gè)等級(jí)，實(shí)際上就是取最大滿度(引用)相對(duì)誤差，對(duì)于數(shù)字儀表和光學(xué)儀表等還具有更高精度的等級(jí)。一般而言，七個(gè)等級(jí)在工業(yè)儀表中是具有代表性的。而真正反映測(cè)量精度的是實(shí)際相對(duì)誤差。從最大滿度(引用)誤差和實(shí)際相對(duì)誤差的定義公式不難看出，被測(cè)量的大小愈接近量程，相對(duì)誤差就愈接近于最大滿度(引用)誤差，因此下一頁(yè)返回上一頁(yè)第17頁(yè)，共29頁(yè)。1.3 傳感器的基本誤差對(duì)于同等級(jí)精度的儀表，選擇

14、適當(dāng)?shù)牧砍?，使被測(cè)量位于儀表量值的上限附近，將能充分利用儀表精度獲得較精確的測(cè)量結(jié)果。 2.附加誤差對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響 在檢測(cè)儀表的技術(shù)說(shuō)明書(shū)中，除了給出基本誤差外，還給出了工作條件變化時(shí)可能產(chǎn)生的附加誤差。如果實(shí)際工作條件不是儀表規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，這時(shí)必須考慮到附加誤差的影響。上一頁(yè)返回第18頁(yè)，共29頁(yè)。1.4 傳感器中的彈牲敏感元件1.4.1 彈性敏感元件的基本特性 物體因外力作用而改變?cè)瓉?lái)的尺寸或形狀稱為變形，如果在外力去掉后能完全恢復(fù)其原來(lái)的尺寸和形狀，那么這種變形稱為彈性變形，具有這類特性的物體稱為彈性元件。在傳感器中用于測(cè)量的彈性元件稱為彈性敏感元件。1.剛度 剛度是使彈性敏感元

15、件產(chǎn)生單位變形所需要的外部作用力(或壓力)，其表達(dá)式為式中k為剛度; F為作用于彈性元件上的外力; x為彈性元件產(chǎn)生的變形。 下一頁(yè)返回第19頁(yè)，共29頁(yè)。1.4 傳感器中的彈牲敏感元件 2.靈敏度 靈敏度是剛度的倒數(shù)，它表示彈性敏感元件在承受單位輸入量(力、壓力等)時(shí)所產(chǎn)生的變形大小，一般用K表示，即在非電量檢測(cè)中往往希望彈性靈敏度為常數(shù)，此時(shí)彈性敏感元件的彈性特性是線性的，即1.4.2 彈性敏感元件的形式及應(yīng)用范圍 根據(jù)彈性敏感元件在傳感器中的作用，對(duì)它提出了一些要求，如具有好的彈性特性、足夠的精度、長(zhǎng)期使用和溫度變化時(shí)的穩(wěn)定性等。因而對(duì)制作彈性敏感元件的材料提出了多方面的要求，如彈性模量

16、的溫度系數(shù)要小、線膨脹系數(shù)小且恒定、有良好的機(jī)械加工和熱處理性能等。我國(guó)通常使用合金鋼、碳鋼、銅合金和鋁合金等材料。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第20頁(yè)，共29頁(yè)。第21頁(yè)，共29頁(yè)。1.4 傳感器中的彈牲敏感元件 1.彈性敏感元件的形式 傳感器中彈性敏感元件的輸入量通常是力(力矩)或流體壓力(統(tǒng)稱壓力)，即使其他非電被測(cè)量輸入給彈性敏感元件時(shí)，也是先將它們變換成力或壓力再輸入給彈性敏感元件。 2.變換力的彈性元件 (1)等截面軸等截面軸又稱柱式彈性敏感元件，可以是實(shí)心柱體或空心圓柱體，如圖1-7所示。實(shí)心等截面軸在力的作用下彈性敏感元件的位移很小，因此常用它的應(yīng)變作輸出量。其主要的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方

17、便、測(cè)量范圍寬，可承受數(shù)萬(wàn)牛頓的載荷，但其靈敏度小。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第22頁(yè)，共29頁(yè)。1.4 傳感器中的彈牲敏感元件 (2)環(huán)狀彈性敏感元件環(huán)狀彈性敏感元件多做成等截面圓環(huán)，如圖1-8(a),(b)所示，圓環(huán)有較高的靈敏度，因而它多用于測(cè)量較小的力。圓環(huán)的缺點(diǎn)是加工困難，環(huán)的各個(gè)部位的應(yīng)變及應(yīng)力都不相等。 (3)懸臂梁懸臂梁是一端固定、另一端自由的彈性敏感元件。按截面形狀又可分為等截面矩形懸臂梁和變截面等強(qiáng)度懸臂梁，如圖1-9所示。懸臂梁的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，輸出位移(或應(yīng)變)大，靈敏度高，常用于較小力的測(cè)量。 (4)扭轉(zhuǎn)軸如圖1-10所示為扭轉(zhuǎn)軸式彈性敏感元件，當(dāng)自由端受到轉(zhuǎn)矩的作用

18、時(shí)，扭轉(zhuǎn)軸的表面會(huì)產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)變，在軸表面上與軸線成方向(圖1-10的AB方向)產(chǎn)生應(yīng)變。，而圖1-10中AC方向所產(chǎn)生的應(yīng)變與AB方向的應(yīng)變大小相等，符號(hào)相反。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第23頁(yè)，共29頁(yè)。1.4 傳感器中的彈牲敏感元件3.變換壓力的彈性敏感元件 (1)彈簧管彈簧管又稱波登管，通常是一根彎成C形的空心扁管，管子的截面形狀有橢圓形、平橢圓形、D形、8字形等，如圖1-11所示。彈簧管的另一端(自由端)密封并與傳感器其他部分相連。 (2)波紋管波紋管是一種圓柱管狀的彈性敏感元件，其表面上有許多與圓柱同心的環(huán)狀皺紋(如圖1-12所示)，管的一端封閉，另一端開(kāi)口并與被測(cè)壓力相通。 (3)等截面薄板等截面薄板又稱平膜片，是一種抗彎剛度可以忽略的周邊固定的圓形薄膜，它能將輸入信號(hào)(壓力或壓差)轉(zhuǎn)化為位移信號(hào)。當(dāng)膜片的兩側(cè)面受到不同的壓力時(shí)，