第三講傳感器的基本知識

第三講傳感器的基本知識第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一包含的概念：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②它的輸出量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；④輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一傳感器及基本特性

一、傳感器的組成1-彈簧管2-電位器圖1-4傳感器組成框圖舉例：測量壓力的電位器式壓力傳感器第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一彈性敏感元件（彈簧管）

敏感元件在傳感器中直接感受被測量，并轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一彈性敏感元件（彈簧管）

在下圖中，彈簧管將壓力轉(zhuǎn)換為角位移α第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一彈簧管放大圖

當(dāng)被測壓力p增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動電位器的電刷產(chǎn)生角位移。

第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一被測量通過敏感元件轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)傳感元件轉(zhuǎn)換成電參量

在右圖中，電位器為傳感元件，它將角位移轉(zhuǎn)換為電參量-----電阻的變化（ΔR）

第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一

360度圓盤形電位器

右圖所示的360度圓盤形電位器的中間焊片為滑動片，右邊焊片接地，左邊焊片接電源。接地第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率量。

在左圖中，當(dāng)電位器的兩端加上電源后，電位器就組成分壓比電路，它的輸出量是與壓力成一定關(guān)系的電壓Uo

。

第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一分壓比電路的計算公式如下：

直滑電位器式傳感器的輸出電壓Uo與滑動觸點C的位移量x成正比：對圓盤式電位器來說，Uo與滑動臂的旋轉(zhuǎn)角度成正比：第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一物理型傳感器：物理基礎(chǔ)的基本定律。場的定律、物質(zhì)定律、守恒定律和統(tǒng)計定律構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型:物理學(xué)中場的定律物性型:物質(zhì)定律能量轉(zhuǎn)換能量控制型能量轉(zhuǎn)換型二、傳感器分類傳感器的種類名目繁多，分類不盡相同。工作機(jī)理：物理型、化學(xué)型、生物型第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一按被測量分類：

可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。按測量原理分類：

可分為電阻、電容、電感、光柵、熱電耦、超聲波、激光、紅外、光導(dǎo)纖維等傳感器。

我們課程主要采用第二種分類法。

第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一三、傳感器基本特性

傳感器的特性一般指輸入、輸出特性。一般分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。靜特性：輸入量為常量，或變化極慢動特性：輸入量隨時間較快地變化時輸出與輸入間關(guān)系

微分方程微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，可得到靜特性（動特性的特例）表示傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關(guān)系，希望輸出與輸入具有確定的對應(yīng)關(guān)系，且呈線性關(guān)系。第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一

其靜態(tài)特性主要包括：靈敏度、分辨力、線性度、穩(wěn)定度、電磁兼容性、可靠性等。

輸出量輸入量零點輸出理論靈敏度非線性項系數(shù)第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一靈敏度：

靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出量的變化與引起此變化的輸入量之比，用K來表示：

表征傳感器對輸入量變化的反應(yīng)能力第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一(a)線性傳感器(b)非線性傳感器第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一分辨力：

指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。當(dāng)被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應(yīng)。

對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認(rèn)為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對誤差。

第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一線性度：

線性度又稱非線性誤差，是指傳感器實際特性曲線與擬合直線（有時也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出的百分比。

非線性誤差越小越好。線性度的計算公式如下：第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一作圖法求線性度演示（1—擬合曲線2—實際特性曲線）第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一直線擬合線性化出發(fā)點獲得最小的非線性誤差擬合方法：①理論擬合；②過零旋轉(zhuǎn)擬合；③端點連線擬合；④端點連線平移擬合；⑤最小二乘擬合；第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一①理論擬合擬合直線為傳感器的理論特性，與實際測試值無關(guān)。方法十分簡單，但一般說較大xyΔLmax第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一②過零旋轉(zhuǎn)擬合曲線過零的傳感器。擬合時，使xyΔL2ΔL1第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一③端點連線擬合把輸出曲線兩端點的連線作為擬合直線xyΔLmax第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一④端點連線平移擬合在端點連線擬合基礎(chǔ)上使直線平移，移動距離為原先的一半yxΔLmaxΔL1第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一⑤最小二乘擬合原理:第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一最小二乘擬合方法xy=kx+by第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一

可靠性：可靠性是反映檢測系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)是否耐用的一種綜合性的質(zhì)量指標(biāo)。

浴盆曲線第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一

“老化”試驗：在檢測設(shè)備通電的情況下，將之放置于高溫環(huán)境

低溫環(huán)境

高溫環(huán)境……反復(fù)循環(huán)。老化之后的系統(tǒng)在現(xiàn)場使用時，故障率大為降低。老化試驗臺第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一

遲滯：傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯,如圖2-4所示。也就是說,對于同一大小的輸入信號,傳感器的正反行程輸出信號大小不相等。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械零部件的缺陷所造成的,例如彈性敏感元件的彈性滯后、運(yùn)動部件摩擦、傳動機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動等。遲滯大小通常由實驗確定。遲滯誤差γH可由下式計算:第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一%100maxDH=HFSYr式中:ΔHmax——正反行程輸出值間的最大差值。重復(fù)性：重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時,所得特性曲線不一致的程度,如圖2-5所示。重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差,常用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示,也可用正反行程中的最大偏差表示,即

第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一%100)3~2(±=FSRYrs第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一%10021max×D±=FSRYRr第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一5.零點漂移傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移零漂＝式中ΔY0——最大零點偏差；YFS——滿量程輸出。第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一6、溫漂傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)出的變化溫漂＝式中Δmax

——輸出最大偏差；ΔT——溫度變化范圍；YFS

——滿量程輸出。第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指傳感器的輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。反映輸出值真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。研究傳感器的動態(tài)特性主要是從測量誤差角度分析產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因以及改善措施。

時域：瞬態(tài)響應(yīng)法

頻域：頻率響應(yīng)法第37頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一1.瞬態(tài)響應(yīng)特性在時域內(nèi)研究傳感器的動態(tài)特性時，常用的激勵信號有階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等。傳感器對所加激勵信號的響應(yīng)稱為瞬態(tài)響應(yīng)。

理想情況下，階躍輸入信號的大小對過渡過程的曲線形狀是沒有影響的。但在實際做過渡過程實驗時，應(yīng)保持階躍輸入信號在傳感器特性曲線的線性范圍內(nèi)。

第38頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一2.頻率響應(yīng)特性傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。 （1）零階傳感器的頻率特性 （2）一階傳感器的頻率特性 （3）二階傳感器的頻率特性 （4）頻率響應(yīng)特性指標(biāo)第39頁，共41頁，2023年，2月20日，