传感器的定义及其组成课件.ppt

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1、传 感 技 术 的 作 用n 工 业 自 动 化 生 产 ： 检 测 、 控 制 温 度 、 压 力 、 流 量 等 ；n 机 械 制 造 业 ： 无 损 检 测 ； 加 工 精 度 、 表 面 光 洁 度 、 同 轴 度 等 检 测 ；n 航 空 航 天 ： 检 测 飞 机 、 宇 宙 飞 行 器 等 的 飞 行 参 数 、 运 行 状 态 等 ；n 交 通 运 输 ： 仅 汽 车 业 用 30多 种 传 感 器 检 测 车 速 、 方 位 、 转 矩 、油 量 等 ；n 军 事 方 面 ： 现 代 战 争 是 科 技 战 争 ， 就 是 传 感 器 战 争 ； 海 湾 战 争 、美 伊n

2、医 疗 卫 生 ： B超 、 磁 振 、 脑 电 图 、 心 电 图 等 ； n 安 防 环 保 ： 预 报 地 震 、 海 啸 、 火 灾 等 ； 对 水 、 空 气 等 污 染 检 测 ；n 海 洋 工 程 ： 海 底 探 测 ； 海 洋 水 文 信 息 、 气 象 信 息 等 ；n 地 质 勘 探 考 古 ： 探 测 地 下 矿 藏 、 放 射 性 元 素 ； 鉴 定 文 物 制 造 年 代等 ；n 办 公 用 具 家 用 电 器 ： 复 印 机 、 空 调 、 洗 衣 机 、 油 烟 机 、 DVD等 。 n 传 感 器 定 义n 根 据 国 标 （ GB7665-87 传 感 器 通

3、 用 术 语 ） ， 传 感 器（ Transducer/Sensor） 定 义 为 ： 能 感 受 规 定 的 被 测量 并 按 照 一 定 规 律 转 换 成 可 用 输 出 信 号 的 器 件 或 装置 ， 通 常 由 敏 感 元 件 和 转 换 元 件 组 成 。n 敏 感 元 件 （ 传 感 器 中 能 够 直 接 感 受 被 测 量 的 部 分 。n 转 换 元 件 传 感 器 中 能 将 敏 感 元 件 输 出 转 换 为 适 于 传输 和 测 量 的 电 信 号 部 分 。1.2传 感 器 的 定 义 及 其 组 成 传 感 器 定 义 传 感 器 是 借 助 检 测 元 件

4、将 一 种 形 式 的 信 息 转换 成 另 一 种 信 息 的 装 置 。 物 理 量 电 量 目 前 ， 传 感 器 转 换 后 的 信 号 大 多 为 电 信 号 。因 而 从 狭 义 上 讲 ， 传 感 器 是 把 外 界 输 入 的 非 电 信号 转 换 成 电 信 号 的 装 置 。 输 出 电 量 传 感 器 的 构 成 ： 敏 感 元 件 转 换 元 件 调 理 电 路被 测 量 中 间 量 输 出 电 量敏 感 元 件 ： 它 直 接 感 受 被 测 量 ， 并 输 出 与 被 测 量 城 区 定 关 系的 某 一 物 理 量 。转 换 元 件 ： 它 将 敏 感 元 件 的

5、 输 出 转 换 成 一 定 的 电 路 参 数 。 有 时敏 感 元 件 和 转 换 元 件 的 功 能 是 由 一 个 元 件 (敏 感 元 件 ) 实 现 的 。调 理 电 路 ： 它 将 敏 感 元 件 和 转 换 元 件 输 出 的 电 路 参 数 转 换 、 调理 成 一 定 形 式 的 电 量 输 出 。 测 定 油 箱 内 油 面 高 度 的 装 置 。 所 用 器 材 和 电 路 元 件 如 图 所 示 ， R是 滑 动 变阻 器 ， 它 的 金 属 滑 片 是 杠 杆 的 一 端 ， R是 定 值 电 阻 ， 油 量 表 （ 由 电 压 表 改装 而 成 ） 。 油 面 浮

6、 标 上 升 时 ， 油 量 表 示 数 变 大 ； 反 之 ， 油 量 表 示 数 变 小 。 n 传 感 器 定 义 的 理 解n 简 单 的 说 ， 传 感 器 就 是 一 个 能 把 非 电 量 转 换为 电 量 的 器 件 或 装 置 。n 传 感 器 能 够 感 受 被 测 量 热 、 光 、 声 、 位移 、 速 度 、 加 速 度 、 力 、 力 矩 等 等 。n 传 感 器 能 将 被 测 量 转 换 成 可 用 信 号 输 出 电 阻 、 电 压 、 电 流 、 频 率 、 脉 冲 等 。n 转 换 必 须 按 照 一 定 的 规 律 进 行 。 n 传 感 器 的 组 成

7、n 一 般 来 说 ， 传 感 器 由 敏 感 元 件 和 转 换 元 件组 成 。 通 常 会 辅 以 必 要 的 信 号 调 节 电 路 及 电源 。敏 感 元 件 转 换 元 件 信 号 调 节 转 换 电 路辅 助 电 源被 测 量 n 传 感 器 组 成 的 理 解 ：n 敏 感 元 件 的 作 用 通 常 是 将 被 测 量 （ 非 电 量 1） 变 换成 另 一 个 与 被 测 量 有 确 定 关 系 的 非 电 量 2， 而 非 电量 2易 于 通 过 变 换 元 件 转 换 为 电 量 。 例 如 应 变 式 压力 传 感 器 中 的 弹 性 模 片 就 将 其 被 测 量

8、（ 压 力 ） 转 换为 另 一 非 电 量 （ 应 变 ） 。n 变 换 元 件 通 常 不 直 接 感 受 被 测 量 。 例 如 应 变 压 力 传感 器 中 的 应 变 片 ， 它 并 不 直 接 感 受 压 力 ， 而 是 将 应变 转 换 为 电 阻 的 变 化 。 n 不 是 所 有 的 传 感 器 都 能 明 确 的 区 分 敏 感 元 件 与 变 换元 件 。 n 传 感 器 组 成 的 理 解 ：n 传 感 器 的 输 出 信 号 通 常 需 要 必 要 的 信 号 调 节电 路 将 其 进 行 放 大 或 转 换 ， 而 变 成 易 于 传 输 、处 理 、 记 录 和

9、显 示 的 形 式 。n 常 见 的 信 号 调 节 电 路 有 放 大 器 、 电 桥 、 阻 抗变 换 器 、 振 荡 器 等 。n 信 号 调 节 电 路 通 常 完 成 传 感 器 输 出 与 后 续 测量 电 路 之 间 的 匹 配 。 1.3传 感 器 的 分 类1)按 被 测 物 理 量 分 类常 见 的 被 测 物 理 量机 械 量 :长 度 ,厚 度 ,位 移 ,速 度 ,加 速 度 , 旋 转 角 ,转 数 ,质 量 ,重 量 ,力 , 压 力 ,真 空 度 ,力 矩 ,风 速 ,流 速 , 流 量 ;声 : 声 压 ,噪 声 .磁 : 磁 通 ,磁 场 .温 度 : 温

10、度 ,热 量 ,比 热 .光 ： 亮 度 ， 色 彩 机 械 式 ,电 气 式 ,光 学 式 ,流 体 式 等 .2)按 工 作 的 物 理 基 础 分 类 : 4)按 敏 感 元 件 与 被 测 对 象 之 间 的 能 量 关 系 :物 性 型 :依 靠 敏 感 元 件 材 料 本 身 物 理 性 质 的 变 化 来实 现 信 号 变 换 .如 :水 银 温 度 计 .结 构 型 :依 靠 传 感 器 结 构 参 数 的 变 化 实 现 信 号 转 变 . 例 如 :电 容 式 和 电 感 式 传 感 器 . 能 量 转 换 型 和 能 量 控 制 型 .3)按 信 号 变 换 特 征 :能

11、 量 转 换 型 :直 接 由 被 测 对 象 输 入 能 量 使 其 工 作 . 例 如 :热 电 偶 温 度 计 ,压 电 式 加 速 度 计 .能 量 控 制 型 :从 外 部 供 给 能 量 并 由 被 测 量 控 制 外 部 供 给 能 量 的 变 化 .例 如 :电 阻 应 变 片 . （ 3） 传 感 器 的 分 类 1.4对 传 感 器 的 一 般 要 求n 各 种 传 感 器 ， 由 于 原 理 、 结 构 不 同 ， 使用 环 境 、 条 件 、 目 的 不 同 ， 其 技 术 指 标也 不 可 能 相 同 。 但 是 有 些 一 般 要 求 ， 却基 本 上 是 共 同

12、的 ， 这 就 是 ： 可 靠 性 ； 静 态 精 度 ； 动 态 性 能 ； 量 程 ； 抗 干 扰 能 力 ； 通 用 性 ； 轮 廓 尺 寸 ； 成 本 ； 能 耗 ； 对 被 测 对 象 的 影 响等 。 n 传 感 器 输 入 与 输 出 之 间 的 关 系n 被 测 量 为 某 值 时 ， 可 用 信 号 输 出 应 该 是 多少 ？ 可 用 信 号 输 出 为 某 值 时 ， 对 应 的 被 测 量 输入 应 该 是 什 么 ？n 输 入 应 该 按 照 某 种 规 律 转 换 为 输 出 ， 同 时 ，输 出 可 以 以 某 种 规 律 反 推 出 输 入 。传 感 器被 测

13、量输 入 可 用 信 号输 出 n 测 量 的 目 的 在 于 确 定 被 测 物 理 量 的数 值 。 对 于 测 量 系 统 ， 通 常 称 被 测 的 量为 输 入 ， 所 测 出 的 量 为 输 出 。 如 果 将 整个 测 量 系 统 (或 其 中 一 个 环 节 )简 化 为 一 个方 框 , X(t)代 表 输 入 ,y(t)代 表 输 出 。 那 么可 用 图 所 示 的 方 框 图 表 示 。1.6 传 感 器 的 一 般 特 性 n 线 性 度n 线 性 度 又 称 非 线 性 误 差 ， 是 指 测 试 装 置 的输 入 和 输 出 是 否 保 持 线 性 关 系 ,非

14、线 性 误 差 越 小越 好 。n 模 拟 仪 表 的 刻 度 就 可 做 成 均 匀 刻 度 ， 而 数 字 式仪 表 就 可 以 不 必 采 用 线 性 化 环 节 。n 线 性 刻 度 的 测 量 仪 表 往 往 实 际 特 性 偏 离 其 理 论上 的 线 性 特 性 ， 即 非 线 性 现 象 。n 线 性 度 是 衡 量 实 际 曲 线 偏 离 理 论 线 性 特 性 曲 线程 度 的 指 标 ， 它 以 实 际 示 值 与 理 论 值 之 间 差 值的 最 大 值 和 仪 表 测 量 范 围 之 比 的 百 分 数 表 示 。2.静 态 特 性 技 术 指 标 通 常 用 相 对

15、 误 差 表 示 ：max一 最 大 非 线 性 误 差 ； yFS量 程 输 出 。非 线 性 偏 差 的 大 小 是 以 一 定 的 拟 合 直 线 为 基 准 直 线 而 得出 来 的 。 拟 合 直 线 不 同 ， 非 线 性 误 差 也 不 同 。 所 以 ， 选择 拟 合 直 线 的 主 要 出 发 点 ， 应 是 获 得 最 小 的 非 线 性 误 差 。另 外 ， 还 应 考 虑 使 用 是 否 方 便 ， 计 算 是 否 简 便 。eL= (max/yFS) 100% 理 论 拟 合 ； 端 点 连 线 平 移 拟 合 ； 端 点 连 线 拟 合 ； 过 零 旋 转 拟 合

16、； 最 小 二 乘 拟 合 ； 最 小 包 容 拟 合 直 线 拟 合 方 法 a)理 论 拟 合 b)过 零 旋 转 拟 合 c)端 点 连 线 拟 合 d)端 点 连 线 平 移 拟 合 灵 敏 度 ： 灵 敏 度 是 指 传 感 器 在 稳 态 下 输 出 变化 值 与 输 入 变 化 值 之 比 ， 用 K 来 表 示 ： dy yK dx x 作 图 法 求 灵 敏 度 过 程 xy x1xy 0 切 点 传 感 器 特 性 曲 线xmax yK x 传 感 器 输 出 曲 线 的 斜 率 就 是 其 灵敏 度 。 n 若 输 出 和 输 入 都 是 同 一 量 纲 时 ， 则 称

17、为 放 大 倍数 或 倍 率 。 例 如 ， 一 种 机 械 式 位 移 传 感 器 当 输入 信 号 (位 移 量 )有 0.01mm的 变 化 时 ， 输 出 信号 也 是 位 移 量 ， 为 10mm， 此 时n K 10/0.01 1000n K越 大 ， 表 示 仪 器 越 灵 敏 。 从 图 形 上 看 ， 它表 示 特 性 曲 线 的 斜 率 。 如 果 特 性 曲 线 是 一 根 直线 ， 则 K是 常 数 ， 意 即 系 统 是 线 性 的 ； 如 果 特性 曲 线 是 一 根 曲 线 ， 则 K是 变 量 ， 意 即 测 量 系统 具 有 非 线 性 特 性 ， 其 灵 敏

18、 度 (曲 线 上 各 点 的斜 率 )是 变 化 的 。 K 0， 表 示 输 出 量 随 之 输 入量 的 增 加 而 增 大 ； 而 K 0， 则 表 示 输 出 量 随 输入 量 的 增 加 而 减 少 。 重复性y x0 max2 max1 %100/ max FSR ye重 复 性 误 差 可 用 正 反 行 程 的 最大 偏 差 表 示 ， 即 重 复 性 是 指 传 感 器 在 输 入 按同 一 方 向 连 续 多 次 变 动 时 所得 特 性 曲 线 不 一 致 的 程 度 。重 复 性 误 差 也 常 用 绝 对 误 差 表 示 。 检 测 时 也 可 选 取 几 个 测

19、试 点 ，对 应 每 一 点 多 次 从 同 一 方 向 趋 近 ， 获 得 输 出 值 系 列 y i1， yi2，yi3， ， yin ， 算 出 最 大 值 与 最 小 值 之 差 或 3作 为 重 复 性 偏 差 Ri，在 几 个 Ri中 取 出 最 大 值 Rmax 作 为 重 复 性 误 差 。 max1正 行 程 的 最 大 重 复 性 偏 差 ， max2反 行 程 的 最 大 重 复 性 偏 差 。 %100/)32( FSR ye 迟 滞 0y x maxyFS 迟 滞 特 性 %100/2/1 max FSH ye式 中 max正 反 行 程 间 输 出 的 最 大 差

20、值 。 迟 滞 误 差 的 另 一 名 称 叫 回 程 误 差 。 回 程 误 差 常 用绝 对 误 差 表 示 。 检 测 回 程 误 差 时 ， 可 选 择 几 个 测 试 点 。对 应 于 每 一 输 入 信 号 ， 传 感 器 正 行 程 及 反 行 程 中 输 出信 号 差 值 的 最 大 者 即 为 回 程 误 差 。 传 感 器 在 正 (输 入 量 增 大 )反（ 输 入 量 减 小 ） 行 程 中 输 出输 入 曲 线 不 重 合 称 为 迟 滞 。迟 滞 特 性 如 图 所 示 ， 它 一 般是 由 实 验 方 法 测 得 。 迟 滞 误差 一 般 以 满 量 程 输 出

21、的 百 分数 表 示 ,即 n 迟 滞 产 生 的 原 因 ， 是 由 于 机 械 部 分 的元 件 腐 蚀 ， 松 动 ， 材 料 的 内 摩 擦 ， 磁 性 材料 的 磁 滞 效 应 等 原 因 。n 迟 滞 用 相 同 被 测 量 下 ， 正 、 反 行 程 间 仪 器的 指 示 值 的 最 大 差 值 与 测 量 范 围 之 比 的 百分 数 表 示 ， 在 测 量 中 ， 仪 器 的 变 差 不 能 超过 其 精 度 ， 否 则 不 能 继 续 使 用 ， 必 须 更 换和 修 理 。 分 辨 力 ： 指 传 感 器 能 检 出 被 测 信 号 的最 小 变 化 量 。 当 被 测

22、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 数 字 仪 表 而 言 ， 如 果 没 有 其 他 附加 说 明 ， 可 以 认 为 该 表 的 最 后 一 位 所 表示 的 数 值 就 是 它 的 分 辨 力 。 分辨力与阈值有 些 传 感 器 ,当 输 入 量 连 续 变 化 时 ,输 出 量 只 作 阶 梯 变化 ,则 分 辨 力 就 是 输 出 量 的 每 个 “ 阶 梯 ” 所 代 表 的 输入 量 的 大 小 。 分 辨 力 用 绝 对 值 表 示 ,用 与 满 量 程 的 百分 数 表 示 时 称 为 分 辨 率 。 在

23、 传 感 器 输 入 零 点 附 近 的 分辨 力 称 为 阈 值 。 稳定性测 试 时 先 将 传 感 器 输 出 调 至 零 点 或 某 一 特 定 点 ， 相 隔4h、 8h或 一 定 的 工 作 次 数 后 ， 再 读 出 输 出 值 ， 前 后 两次 输 出 值 之 差 即 为 稳 定 性 误 差 。 它 可 用 相 对 误 差 表 示 ,也 可 用 绝 对 误 差 表 示 。 稳 定 性 是 指 传 感 器 在 长 时 间 工 作 的 情 况 下 输 出 量 发 生的 变 化 ， 有 时 称 为 长 时 间 工 作 稳 定 性 或 零 点 漂 移 。 测 试 时 先 将 传 感 器

24、 置 于 一 定 温 度 (如 20 ),将 其 输 出 调至 零 点 或 某 一 特 定 点 ， 使 温 度 上 升 或 下 降 一 定 的 度 数(如 5 或 10 ),再 读 出 输 出 值 ， 前 后 两 次 输 出 值 之 差 即为 温 度 稳 定 性 误 差 。抗干扰稳定性温度稳定性温 度 稳 定 性 又 称 为 温 度 漂 移 ， 是 指 传 感 器 在 外 界 温 度 下输 出 量 发 生 的 变 化 。温 度 稳 定 性 误 差 用 温 度 每 变 化 若 干 的 绝 对 误 差 或 相 对误 差 表 示 ,每 引 起 的 传 感 器 误 差 又 称 为 温 度 误 差 系

25、数 。指 传 感 器 对 外 界 干 扰 的 抵 抗 能 力 ， 例 如 抗 冲 击 和 振 动 的能 力 、 抗 潮 湿 的 能 力 、 抗 电 磁 场 干 扰 的 能 力 等 。评 价 这 些 能 力 比 较 复 杂 ， 一 般 也 不 易 给 出 数 量 概 念 ， 需要 具 体 问 题 具 体 分 析 。 n 测 量 系 统 的 动 态 特 性n 测 量 系 统 的 基 本 动 态 特 性 是 指 在 动 态 测 量 时 ，测 量 系 统 的 输 出 量 与 随 时 间 变 化 的 输 入 量 之 间的 函 数 关 系 ， 就 是 通 常 所 讲 的 输 出 与 输 入 的 瞬时 响

26、应 。 更 一 般 说 来 ， 就 是 测 量 系 统 的 过 渡 过程 曲 线 。 用 体 温 表 测 量 体 温 ， 要 过 几 分 钟 才 能读 数 ， 这 时 因 为 时 间 短 了 ， 达 不 到 稳 定 值 ， 要有 一 过 渡 过 程 。 一 个 测 量 系 统 的 动 态 特 性 标 志着 它 的 动 态 品 质 的 好 坏 ， 当 测 量 系 统 的 极 限 频率 等 于 被 测 信 号 的 最 高 频 率 时 ， 便 可 认 为 测 量系 统 本 身 能 够 完 成 被 测 信 号 的 测 量 任 务 。 反 之 ，如 果 测 量 系 统 的 极 限 频 率 低 于 被 测

27、 信 号 的 最 高频 率 时 ， 测 量 系 统 的 输 出 就 跟 不 上 输 入 的 被 测信 号 ， 而 产 生 较 大 的 动 态 误 差 。 也 就 是 说 ， 若一 台 仪 器 的 输 出 信 号 是 紧 紧 追 踪 一 个 急 速 波 动的 输 入 信 号 ， 这 台 仪 器 就 具 有 良 好 的 动 态 响 应 。 1 数 学 模 型 与 传 递 函 数分 析 传 感 器 动 态 特 性 ， 必 须 建 立 数 学 模 型 。 线 性 系 统 的数 学 模 型 为 一 常 系 数 线 性 微 分 方 程 。 对 线 性 系 统 动 态 特性 的 研 究 ， 主 要 是 分

28、析 数 学 模 型 的 输 入 量 x与 输 出 量 y之间 的 关 系 ， 通 过 对 微 分 方 程 求 解 ， 得 出 动 态 性 能 指 标 。对 于 线 性 定 常 （ 时 间 不 变 ） 系 统 ， 其 数 学 模 型 为 高 阶常 系 数 线 性 微 分 方 程 ， 即 xbdtdxbdtxdbyadtdyadtyda mmmnnn 0101 / y输 出 量 ； x输 入 量 ； t时 间a0， a1， ， an 常 数 ； b0， b1， ， bm 常 数 输 出 量 对 时 间 t的 n阶 导 数 ； 输 入 量 对 时 间 t的 m阶 导 数nn dtyd / mm dt

29、xd / 返 回 2返 回 1 动 态 特 性 的 传 递 函 数 在 线 性 或 线 性 化 定 常 系 统 中 是 指初 始 条 件 为 0时 ， 系 统 输 出 量 的 拉 氏 变 换 与 输 入 量 的 拉氏 变 换 之 比 。当 传 感 器 的 数 学 模 型 初 值 为 0时 ， 对 其 进 行 拉 氏 变 换 ，即 可 得 出 系 统 的 传 递 函 数 01 01)()( )( asasa bsbsbsHsX sY nn mm Y(s)传 感 器 输 出 量 的 拉 氏 变 换 式 ； X(s)传 感 器 输 入 量 的 拉 氏 变 换 式上 式 分 母 是 传 感 器 的 特

30、 征 多 项 式 ， 决 定 系 统 的 “ 阶 ” 数 。可 见 ， 对 一 定 常 系 统 ， 当 系 统 微 分 方 程 已 知 ， 只 要 把 方程 式 中 各 阶 导 数 用 相 应 的 s变 量 替 换 ， 即 求 出 传 感 器 的传 递 函 数 。 被 测 量 随 时 间 变 化 的 形 式 可 能 是 各 种 各 样 的 ， 只 要 输入 量 是 时 间 的 函 数 ， 则 其 输 出 量 也 将 是 时 间 的 函 数 。通 常 研 究 动 态 特 性 是 根 据 标 准 输 入 特 性 来 考 虑 传 感 器的 响 应 特 性 。标 准 输 入 有 三 种 ：经 常 使

31、用 的 是 前 两 种 。u正 弦 变 化 的 输 入u阶 跃 变 化 的 输 入u线 性 输 入 阶 跃 响 应 : 2.测 试 装 置 在 典 型 输 入 下 的 动 态 响 应 系 统 的 阶 跃 输 入 和 响 应 一 阶 传 感 器 的 阶 跃 响 应对 一 阶 系 统 的 传 感 器 ， 设 在 t=0时 ，x和 y 均 为 0， 当 t0时 ， 有 一 单 位 阶跃 信 号 输 入 ,如 图 。 tx01 ty01 二 阶 传 感 器 ： 其 曲 线 如 图 ， 这 是 一 衰 减 振荡 过 程 , t st 0.021 ttst c1的 二 阶 传 感 器 的 过 渡 过 程)(/)( yty