傳感器及其應(yīng)用-第1章-傳感器簡論課件

傳感器及其應(yīng)用揭陽捷和職業(yè)技術(shù)學校機電部劉陸壹12/3/2023本課程的主要內(nèi)容1.傳感檢測技術(shù)基礎(chǔ)2.常用傳感器原理3.傳感器信號處理電路4.典型傳感器應(yīng)用12/3/20232第1章傳感器簡論一、傳感器測技術(shù)概念1.傳感檢測技術(shù)作用（意義、重要性）

在自然界、社會生活、生產(chǎn)實踐、科學實驗等活動中，存在各種各樣的量，需要知道他們的存在和大小。有些量大到能夠被人們感知，有些量較小，不能被人們感知。要測出人們感興趣量的大小，就要用到對這些量敏感的傳感器，信號處理（調(diào)理）電路，檢測技術(shù)等…12/3/202332.傳感器的概念＊傳感器是人體五官—耳、眼、鼻、舌、皮膚的工程模擬物。＊傳感器廣義概念是一種以一定的精確度將被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測量的某種物理量的測量部件或裝置。＊傳感器狹義概念是能把外界非電信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出的器件或裝置。＊隨著科學技術(shù)的進步，傳感器的“可用信號”內(nèi)涵也會隨之改變，如人們跨入光子時代，光信號將成為更便于快速、高效處理與傳輸?shù)摹翱捎眯盘枴绷恕?2/3/202343.傳感器的組成敏感元件被測量轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路電量電路參數(shù)物理量例如：懸臂梁加速度傳感器12/3/20235敏感元件：懸臂梁把加速度轉(zhuǎn)化為懸臂梁的應(yīng)變。轉(zhuǎn)換元件：電阻應(yīng)變片把應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化?；巨D(zhuǎn)換電路：電橋把電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出。dV12/3/20236二、傳感器的工作機理和分類1.傳感器工作機理傳感器的工作機理是基于各種物理、化學和生物效應(yīng)等，并受相應(yīng)的定律和法則支配。了解這些定律和法則有助于對傳感器本質(zhì)的理解和對新效應(yīng)傳感器的開發(fā)。＊守恒定律：包括能量、動量、電荷量等守恒定律。＊場的定律：如重力場、靜電場、磁場等。遵守場定律的傳感器可稱為“結(jié)構(gòu)型傳感器”＊物質(zhì)定律：表示物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律。遵守物質(zhì)定律的傳感器稱為“物性型傳感器”12/3/20237＊統(tǒng)計法則：把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的法則。2.傳感器的分類＊按被測量分類

該分類法明確了傳感器的用途，便于使用者選擇傳感器，如位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、速度傳感器等。＊按工作原理分類該分類法清楚地表明了傳感器的工作原理，有利于傳感器的設(shè)計和應(yīng)用，如電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁電式傳感器等。

12/3/20238＊按工作機理分類

▽物性型：依靠敏感元件本身的物理化學性質(zhì)的變化實現(xiàn)信號變換。如壓阻式傳感器、壓電式傳感器等。

▽結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。如電容式、電感式傳感器等。＊按基本效應(yīng)分類▽物理型：利用某些變換元件的物理性質(zhì)或某些功能材料的特殊性能制成的傳感器。如PN溫度傳感器。

12/3/20239▽化學型：利用電化學反應(yīng)原理把有機和無機的化學物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。如接觸燃燒氣敏傳感器等。▽生物型：利用生物功能物質(zhì)作識別器件制成的傳感器。如酸度計傳感器等。＊按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類▽能量轉(zhuǎn)換型（無源型、發(fā)電型或主動型傳感器）不需要外加電源而將被測量轉(zhuǎn)化為電量輸出，但其負載能力有限，應(yīng)用時需要注意。如熱電偶、壓電式傳感器等。

▽能量控制型（有源型、被動型傳感器）12/3/202310

需要外加電源才能將被測信號轉(zhuǎn)化為電量，能量控制型傳感器本身參數(shù)的改變（如電阻、電容、電感）不起換能作用。＊按輸出信號的形式分類

▽模擬式：傳感器輸出模擬信號。大多傳感器如此▽數(shù)字式：傳感器輸出數(shù)字信號。如編碼器式傳感器。

工程習慣上常根據(jù)工作原理和被測量命名傳感器，電感式位移傳感器，電容式加速度傳感器等。12/3/202311三、傳感器數(shù)學模型（描述方法）

傳感器作為感受被測量信息的器件，總希望它能按照一定的規(guī)律輸出有用信號，因此，需要研究其輸出-輸入關(guān)系及特性。最有效的描述方法是傳感器的數(shù)學模型。由于傳感器可以測量時不變信號和時變信號，所以應(yīng)該以帶隨機變量的非線性微分方程作為數(shù)學模型。這樣在數(shù)學上有困難，所以，實際上把傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性分開考慮，從而有靜態(tài)模型和動態(tài)模型。12/3/2023121.靜態(tài)數(shù)學模型指在靜態(tài)信號作用下（即輸入量對時間t的各階導數(shù)等于0）得到的數(shù)學模型。其靜態(tài)數(shù)學模型為12/3/202313(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)表示輸出與輸入量之間的關(guān)系曲線稱為特性曲線12/3/2023142.動態(tài)數(shù)學模型傳感器的動態(tài)數(shù)學模型是指傳感器在受到時變輸入量作用時，其輸出－輸入之間的關(guān)系，通常稱為響應(yīng)特性。有些傳感器雖然有良好的靜態(tài)特性，但由于傳感器總存在著彈性、慣性、阻尼等因素，使傳感器的輸出量不僅與輸入量有關(guān)，而且還與輸入量的變化速度等有關(guān)，所以將導致嚴重的動態(tài)誤差，這就必須認真研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性，為此建立的數(shù)學模型稱為動態(tài)模型。常用的動態(tài)方程有：微分方程、傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)。12/3/202315（1）微分方程（時域內(nèi)）優(yōu)點：通過解微分方程易于分清暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。通解僅與傳感器本身特性及初始條件有關(guān)；特解不僅與傳感器的特性有關(guān)，而且還與輸入量有關(guān)。缺點：求解麻煩，尤其是通過增減環(huán)節(jié)來改善傳感器的特性時顯得更不方便。12/3/202316（2）傳遞函數(shù)（復數(shù)域內(nèi)）在數(shù)學上，如果運用拉普拉斯變換將時域的數(shù)學模型轉(zhuǎn)換成復數(shù)域的數(shù)學模型，就得到傳遞函數(shù)。上述微分方程在初始條件為零時，輸出y(t)拉氏變換Y(S)和輸入x(t)的拉氏變換X(S)之比，即為傳遞函數(shù)G(S)。其中傳遞函數(shù)G(S)用于描述系統(tǒng)本身固有的特性，而與輸入量無關(guān)。12/3/202317（3）頻率響應(yīng)函數(shù)（頻域內(nèi)）對于傳感器或系統(tǒng)，其頻率響應(yīng)函數(shù)為：初始條件為零時，輸出的傅立葉變換和輸入的傅里葉變換之比，即如將G(jω)的實部和虛部分開，則有G(jω)=P(ω)+jQ(ω)其中，P(ω)和Q(ω)都是ω的實函數(shù)，以頻率ω為橫坐標，以P(ω)和Q(ω)為縱坐標所繪的圖形分別稱為系統(tǒng)的實頻特性圖與虛頻特性圖。又若將G(jω)寫成G(jω)=A(ω)ejφ(ω)

其中12/3/202318分別稱為幅頻特性和相頻特性。四、傳感器的特性分析傳感器的特性主要是指其輸出與輸入之間的關(guān)系，有靜特性和動特性之分。1.傳感器的靜特性靜特性是指傳感器在輸入量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出與輸入關(guān)系，即當輸入量是常量或變化極慢時，輸出與輸入的關(guān)系。12/3/202319衡量傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標有線性度、重復性、遲滯、靈敏度、分辨力、閾值、穩(wěn)定性、漂移、精確度等。（1）線性度標定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。若在標稱（全量程）輸出范圍A內(nèi)，標定曲線偏離擬合直線的最大偏差為B，則定義非線性度為線性度=(B/A)×100%

線性度圖擬合直線（理論直線法、端點平移法、端點線法、最小二乘法），該如何確定，目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的標準。較常用的是最小二乘法。12/3/202320（2）遲滯

傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中輸出輸入曲線不重合程度稱為遲滯。遲滯誤差一般以正反行程中輸出的最大偏差量與滿量程輸出之比的百分數(shù)表示，即

遲滯特性遲滯特性一般由實驗方法確定。12/3/202321（3）重復性指傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得的特性曲線不一致的程度。重復性誤差常用滿量程輸出的百分數(shù)表示。

正行程的最大重復性偏差為△Rmax1，反行程的最大重復性偏差為△Rmax2

。重復性誤差取這兩個最大偏差之中較大者為△Rmax，與滿量程輸出之比的百分數(shù)表示，即

12/3/202322（4）靈敏度傳感器輸出的變化量與引起此變化量的輸入變化量之比即為其靈敏度。靈敏度表示傳感器對被測變化量的反應(yīng)能力。線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率，即非線性傳感器的靈敏度不是常數(shù)，可表示為12/3/202323（5）分辨力與閾值

分辨力是指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測出被測輸入量的最小變化值。有時對該值用相對滿量程輸入值之百分數(shù)表示，則稱為分辨率。

閾值是使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨力。有些傳感器在零位附近有嚴重的非線性，形成所謂“死區(qū)”，則將該“死區(qū)”的大小作為閾值。12/3/202324（6）穩(wěn)定性

穩(wěn)定性又稱長期穩(wěn)定性，即傳感器在長時間內(nèi)保持其原性能的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過規(guī)定時間間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示，有時也用標定的有效期來表示。（7）漂移

漂移是指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器的輸出存在著與被測輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移常包括零點漂移和靈敏度漂移。

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零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時漂是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間有緩慢的變化；溫漂是指由周圍溫度變化所引起的零點或靈敏度的變化。（8）靜態(tài)誤差(精確度)靜態(tài)誤差是指傳感器在其全量程內(nèi)任一點的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。是系統(tǒng)誤差與隨機誤差綜合影響程度的評價指標。靜態(tài)誤差的求取方法如下：把全部校準數(shù)據(jù)與擬合直線上對應(yīng)值的殘差，看成是隨機分布，求出其標準偏差，即12/3/202326取2σ或3σ值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差是一項綜合性指標，它基本上包含了前述的非線性誤差、遲滯誤差、重復性誤差等。所以也可以把這幾個單項誤差綜合而得，即2.傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。傳感器的動態(tài)特性取決于傳感器本身及輸入信號的形式。12/3/202327

因此，工程上常采用正弦函數(shù)和單位階躍函數(shù)作為“標準”信號函數(shù)，對傳感器的動態(tài)特性進行分析，從而確定評價傳感器動態(tài)特性的指標。（1）頻率響應(yīng)特性

傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)為對系統(tǒng)輸入正弦激勵信號x(x)=Asin(2πft)，在系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，測量輸出和輸入的幅值比和相位差。這樣可以得到頻率f下系統(tǒng)的傳輸特性。從系統(tǒng)的最低測量頻率fmin到系統(tǒng)的最高測量頻率fmax，按一定的增量方式逐步增加正弦激勵信號頻率f，記錄各頻率對應(yīng)的幅值比和相位差，繪制在圖上就可以得到系統(tǒng)的幅頻和相頻特性曲線。

12/3/202328（2）階躍響應(yīng)特性對一階系統(tǒng)來說，對系統(tǒng)輸入階躍信號，測得系統(tǒng)的響應(yīng)信號。取系統(tǒng)輸出值達到最終穩(wěn)態(tài)值的63%所經(jīng)過的時間作為時間常數(shù)

。

對二階系統(tǒng)來說，對系統(tǒng)輸入階躍信號，測得系統(tǒng)的響應(yīng)信號。從而可以測出系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)。

12/3/202329五、傳感器的標定與校準1.傳感器的標定傳感器系統(tǒng)設(shè)計好后，其輸出與輸入的關(guān)系并不知道，只有通過標定才能獲得。利用標準設(shè)備產(chǎn)生已知的非電量（標準），或用基準量來確定傳感器電輸出與非電量輸入關(guān)系的過程，稱為標定。（1）標定設(shè)備標準信號發(fā)生器、輸出信號測試儀器。12/3/202330（2）靜態(tài)標定輸入已知標準非電量，測出傳感器的輸出，給出標定曲線、標定方程和標定常數(shù)，計算出傳感器（系統(tǒng)）的靜態(tài)特性。（3）動態(tài)標定用于確定傳感器的動態(tài)性能指標。2.傳感器的校準傳感器需要定期檢測其基本性能參數(shù)，以判定其是否可以繼續(xù)使用。若能繼續(xù)使用，則應(yīng)對其變化的主要指標進行修正。確定傳感器的測量精度的過程，稱之為傳感器的校準。12/3/202331

六、改善傳感器性能的主要技術(shù)途徑

傳感器性能指標多方面，企圖要求各指標都很高，不論是設(shè)計或是制造都很困難，實際也沒有必要。在應(yīng)用時，可以確保主要性能指標，放寬次要性能指標，以提高傳感器的性價比。同時，在設(shè)計和使用傳感器時，還可以采取一些技術(shù)措施改善傳感器的性能。主要有：1.差動技術(shù)

設(shè)有一傳感器，其靜態(tài)數(shù)學模型為用另一相同的傳感器，但使其輸入量符號相反，則12/3/202332它的輸出為二者相減得于是，有消除了零位輸出；消除了偶次非線性項，得到對稱于原點的相當寬的近似線性范圍，減小了非線性；靈敏度提高了一倍；抵消了共模誤差。以上即為差動技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于電阻式、電感式、電容式傳感器中。12/3/2023332.平均技術(shù)

常用的平均技術(shù)主要有誤差平均效