傳感器的定義及其組成3

優(yōu)選傳感器的定義及其組成現(xiàn)在是1頁\一共有35頁\編輯于星期一傳感器定義根據(jù)國標(biāo)（GB7665-87傳感器通用術(shù)語），傳感器（Transducer/Sensor）定義為：能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件（傳感器中能夠直接感受被測量的部分。轉(zhuǎn)換元件傳感器中能將敏感元件輸出轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。1.2傳感器的定義及其組成現(xiàn)在是2頁\一共有35頁\編輯于星期一傳感器定義傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。

物理量電量

目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。現(xiàn)在是3頁\一共有35頁\編輯于星期一輸出電量傳感器的構(gòu)成：敏感元件轉(zhuǎn)換元件調(diào)理電路被測量中間量輸出電量敏感元件：它直接感受被測量，并輸出與被測量城區(qū)定關(guān)系的某一物理量。轉(zhuǎn)換元件：它將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個元件(敏感元件)實現(xiàn)的。調(diào)理電路：它將敏感元件和轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換、調(diào)理成一定形式的電量輸出?，F(xiàn)在是4頁\一共有35頁\編輯于星期一測定油箱內(nèi)油面高度的裝置。所用器材和電路元件如圖所示，R是滑動變阻器，它的金屬滑片是杠桿的一端，R’是定值電阻，油量表（由電壓表改裝而成）。油面浮標(biāo)上升時，油量表示數(shù)變大；反之，油量表示數(shù)變小。現(xiàn)在是5頁\一共有35頁\編輯于星期一傳感器定義的理解簡單的說，傳感器就是一個能把非電量轉(zhuǎn)換為電量的器件或裝置。傳感器能夠感受被測量——熱、光、聲、位移、速度、加速度、力、力矩等等。傳感器能將被測量轉(zhuǎn)換成可用信號輸出——電阻、電壓、電流、頻率、脈沖等。轉(zhuǎn)換必須按照一定的規(guī)律進(jìn)行?，F(xiàn)在是6頁\一共有35頁\編輯于星期一傳感器的組成 一般來說，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。通常會輔以必要的信號調(diào)節(jié)電路及電源。敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路輔助電源被測量現(xiàn)在是7頁\一共有35頁\編輯于星期一傳感器組成的理解：敏感元件的作用通常是將被測量（非電量1）變換成另一個與被測量有確定關(guān)系的非電量2，而非電量2易于通過變換元件轉(zhuǎn)換為電量。例如應(yīng)變式壓力傳感器中的彈性模片就將其被測量（壓力）轉(zhuǎn)換為另一非電量（應(yīng)變）。變換元件通常不直接感受被測量。例如應(yīng)變壓力傳感器中的應(yīng)變片，它并不直接感受壓力，而是將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。不是所有的傳感器都能明確的區(qū)分敏感元件與變換元件?，F(xiàn)在是8頁\一共有35頁\編輯于星期一傳感器組成的理解：傳感器的輸出信號通常需要必要的信號調(diào)節(jié)電路將其進(jìn)行放大或轉(zhuǎn)換，而變成易于傳輸、處理、記錄和顯示的形式。常見的信號調(diào)節(jié)電路有放大器、電橋、阻抗變換器、振蕩器等。信號調(diào)節(jié)電路通常完成傳感器輸出與后續(xù)測量電路之間的匹配。現(xiàn)在是9頁\一共有35頁\編輯于星期一1.3傳感器的分類1)按被測物理量分類常見的被測物理量機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場.溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩現(xiàn)在是10頁\一共有35頁\編輯于星期一機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:現(xiàn)在是11頁\一共有35頁\編輯于星期一4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計.結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變.例如:電容式和電感式傳感器.現(xiàn)在是12頁\一共有35頁\編輯于星期一能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.3)按信號變換特征:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.現(xiàn)在是13頁\一共有35頁\編輯于星期一

（3）傳感器的分類傳感器分類方法較多,大體有以下幾種：1）

按傳感器檢測的范疇分類

物理量傳感器化學(xué)量傳感器生物量傳感器２）按傳感器的輸出信號分類模擬傳感器數(shù)字傳感器４）按傳感器的功能分類單功能傳感器多功能傳感器智能傳感器

３）按傳感器的結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器復(fù)合型傳感器6）按傳感器的能源分類有源傳感器無源傳感器

５）按傳感器的轉(zhuǎn)換原理分類機(jī)—電傳感器光—電傳感器熱—電電傳感器磁—電傳感器電化學(xué)傳感器現(xiàn)在是14頁\一共有35頁\編輯于星期一1.4對傳感器的一般要求各種傳感器，由于原理、結(jié)構(gòu)不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，其技術(shù)指標(biāo)也不可能相同。但是有些一般要求，卻基本上是共同的，這就是：①可靠性；②靜態(tài)精度；③動態(tài)性能；④量程；⑤抗干擾能力；⑥通用性；⑦輪廓尺寸；⑧成本；⑨能耗；⑩對被測對象的影響等?，F(xiàn)在是15頁\一共有35頁\編輯于星期一傳感器輸入與輸出之間的關(guān)系 被測量為某值時，可用信號輸出應(yīng)該是多少？可用信號輸出為某值時，對應(yīng)的被測量輸入應(yīng)該是什么？

輸入應(yīng)該按照某種規(guī)律轉(zhuǎn)換為輸出，同時，輸出可以以某種規(guī)律反推出輸入。傳感器被測量輸入可用信號輸出現(xiàn)在是16頁\一共有35頁\編輯于星期一測量的目的在于確定被測物理量的數(shù)值。對于測量系統(tǒng)，通常稱被測的量為輸入，所測出的量為輸出。如果將整個測量系統(tǒng)(或其中一個環(huán)節(jié))簡化為一個方框,X(t)代表輸入,y(t)代表輸出。那么可用圖所示的方框圖表示。1.6傳感器的一般特性現(xiàn)在是17頁\一共有35頁\編輯于星期一①線性度

線性度又稱非線性誤差，是指測試裝置的輸入和輸出是否保持線性關(guān)系,非線性誤差越小越好。模擬儀表的刻度就可做成均勻刻度，而數(shù)字式儀表就可以不必采用線性化環(huán)節(jié)。線性刻度的測量儀表往往實際特性偏離其理論上的線性特性，即非線性現(xiàn)象。線性度是衡量實際曲線偏離理論線性特性曲線程度的指標(biāo)，它以實際示值與理論值之間差值的最大值和儀表測量范圍之比的百分?jǐn)?shù)表示。2.靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)現(xiàn)在是18頁\一共有35頁\編輯于星期一通常用相對誤差表示：Δmax一最大非線性誤差；yFS—量程輸出。非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計算是否簡便。eL=±(Δmax/yFS)×100%①理論擬合；②端點連線平移擬合；③端點連線擬合；④過零旋轉(zhuǎn)擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合現(xiàn)在是19頁\一共有35頁\編輯于星期一直線擬合方法a)理論擬合b)過零旋轉(zhuǎn)擬合c)端點連線擬合d)端點連線平移擬合

現(xiàn)在是20頁\一共有35頁\編輯于星期一②靈敏度：靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來表示：

現(xiàn)在是21頁\一共有35頁\編輯于星期一作圖法求靈敏度過程xyx1ΔxΔy0切點傳感器特性曲線xmax傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。現(xiàn)在是22頁\一共有35頁\編輯于星期一若輸出和輸入都是同一量綱時，則稱為放大倍數(shù)或倍率。例如，一種機(jī)械式位移傳感器當(dāng)輸入信號(位移量)有0.01mm的變化時，輸出信號也是位移量，為10mm，此時K＝10/0.01＝1000K越大，表示儀器越靈敏。從圖形上看，它表示特性曲線的斜率。

如果特性曲線是一根直線，則K是常數(shù)，意即系統(tǒng)是線性的；如果特性曲線是一根曲線，則K是變量，意即測量系統(tǒng)具有非線性特性，其靈敏度(曲線上各點的斜率)是變化的。K＞0，表示輸出量隨之輸入量的增加而增大；而K＜0，則表示輸出量隨輸入量的增加而減少。

現(xiàn)在是23頁\一共有35頁\編輯于星期一③重復(fù)性yx0⊿max2⊿max1重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即重復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差也常用絕對誤差表示。檢測時也可選取幾個測試點，對應(yīng)每一點多次從同一方向趨近，獲得輸出值系列yi1，yi2，yi3，…，yin，算出最大值與最小值之差或3σ作為重復(fù)性偏差ΔRi，在幾個ΔRi中取出最大值ΔRmax作為重復(fù)性誤差。△max1正行程的最大重復(fù)性偏差，△max2反行程的最大重復(fù)性偏差?，F(xiàn)在是24頁\一共有35頁\編輯于星期一④遲滯0yx⊿maxyFS遲滯特性式中△max—正反行程間輸出的最大差值。

遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對誤差表示。檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應(yīng)于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。

傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。遲滯特性如圖所示，它一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即現(xiàn)在是25頁\一共有35頁\編輯于星期一遲滯產(chǎn)生的原因，是由于機(jī)械部分的元件腐蝕，松動，材料的內(nèi)摩擦，磁性材料的磁滯效應(yīng)等原因。遲滯用相同被測量下，正、反行程間儀器的指示值的最大差值與測量范圍之比的百分?jǐn)?shù)表示，在測量中，儀器的變差不能超過其精度，否則不能繼續(xù)使用，必須更換和修理?，F(xiàn)在是26頁\一共有35頁\編輯于星期一分辨力：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。

⑤分辨力與閾值有些傳感器,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時,輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量的大小。分辨力用絕對值表示,用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時稱為分辨率。在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為閾值。

現(xiàn)在是27頁\一共有35頁\編輯于星期一

⑥穩(wěn)定性測試時先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定點，相隔4h、8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。它可用相對誤差表示,也可用絕對誤差表示。穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移?，F(xiàn)在是28頁\一共有35頁\編輯于星期一測試時先將傳感器置于一定溫度(如20℃),將其輸出調(diào)至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數(shù)(如5℃或10℃),再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。⑧抗干擾穩(wěn)定性⑦溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干℃的絕對誤差或相對誤差表示,每℃引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。指傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。評價這些能力比較復(fù)雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析?，F(xiàn)在是29頁\一共有35頁\編輯于星期一㈡測量系統(tǒng)的動態(tài)特性

測量系統(tǒng)的基本動態(tài)特性是指在動態(tài)測量時，測量系統(tǒng)的輸出量與隨時間變化的輸入量之間的函數(shù)關(guān)系，就是通常所講的輸出與輸入的瞬時響應(yīng)。更一般說來，就是測量系統(tǒng)的過渡過程曲線。用體溫表測量體溫，要過幾分鐘才能讀數(shù)，這時因為時間短了，達(dá)不到穩(wěn)定值，要有一過渡過程。一個測量系統(tǒng)的動態(tài)特性標(biāo)志著它的動態(tài)品質(zhì)的好壞，當(dāng)測量系統(tǒng)的極限頻率等于被測信號的最高頻率時，便可認(rèn)為測量系統(tǒng)本身能夠完成被測信號的測量任務(wù)。反之，如果測量系統(tǒng)的極限頻率低于被測信號的最高頻率時，測量系統(tǒng)的輸出就跟不上輸入的被測信號，而產(chǎn)生較大的動態(tài)誤差。也就是說，若一臺儀器的輸出信號是緊緊追蹤一個急速波動的輸入信號，這臺儀器就具有良好的動態(tài)響應(yīng)?，F(xiàn)在是30頁\一共有35頁\編輯于星期一1．?dāng)?shù)學(xué)模型與傳遞函數(shù)分析傳感器動態(tài)特性，必須建立數(shù)學(xué)模型。線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為一常系數(shù)線性微分方程。對線性系統(tǒng)動態(tài)特性的研究，主要是分析數(shù)學(xué)模型的輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系，通過對微分方程求解，得出動態(tài)性能指標(biāo)。對于線性定常（時間不變）系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型為高階常系數(shù)線性微分方程，即y——輸出量；x——輸入量；t——時間a0，a1，…，an——常數(shù)；b0，b1，…，bm——常數(shù)