第1章 传感器基础

传感器技术机械学院仪器系陈良洲Tel:15926322522E-mail:[e-mail]2020年2月22日星期六常见的传感器示例2020年2月22日星期六教材及参考书籍教材参考传感器技术,TP21266/3贾伯年主编,东南大学出版社，2007.传感器与检测技术，TP212164宋文绪主编，高等教育出版社,2004.2020年2月22日星期六课程思路典型应用基本原理制造过程以应用为导向，学习最基础的、最专业的，充分理解原理，提高兴趣，解决问题。2020年2月22日星期六课程基本总要求掌握测量的基本知识；掌握各类传感器的基本特性和工作原理、典型测量电路；精通各类传感器的典型应用、典型问题。2020年2月22日星期六课程内容及安排实验8h14温度压力测量2h11物位流量测量2h13位移速度测量2h12传感器基础2h1测量技术基础2h10各类传感器30h2-9共48h1传感器基础2020年2月22日星期六1传感器基础2020年2月22日星期六1传感器基础2020年2月22日星期六1传感器基础要求：掌握传感器的定义、组成；了解传感器的分类；掌握传感器的静态特性；了解传感器的动态特性；掌握传感器的主要技术指标；重点：传感器灵敏度、线性度、迟滞和重复性等静态特性的定义及表示方法。难点：传感器动态特性的定义及其含义。2020年2月22日星期六1传感器基础传感器定义组成与分类特性与指标1.31.11.22020年2月22日星期六1.1传感器定义在不同的学科领域，传感器有不同的名称，这也反映了传感器在不同的技术领域中的不同用途。“传感器”一词使用最为广泛而概括。2020年2月22日星期六1.1传感器定义其最基本的作用是代替、延伸、扩展或补充人的感觉器官功能。传感器——能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。GB/T7765-872020年2月22日星期六1.2组成与分类传感器的典型组成敏感元件信号调理转换电路辅助电源被测量输出信号常为电量转换元件2020年2月22日星期六1.2组成与分类按工作原理分：(贾伯年教材）应变式、电容式、电感式、压电式、霍尔式、光电式、光栅式、热电式以及超声波式、辐射式、半导体式，还有新型的智能式、仿生式、虚拟传感器等；按被测量分：（宋文绪教材）位移、力、速度、温度、流量、气敏、湿敏、流量、物位、成分等；按输出信号分：开关型、模拟型、数字型。传感器的分类2020年2月22日星期六1.2组成与分类传感器技术是知识密集型技术。同一种被测量可以用不同原理的传感器来测量，而同一原理的传感器又可以用来测量不同种类的物理量；我们可先从工作原理出发，学习各类传感器。对工程上的被测参数，则着重于如何合理选择和使用传感器。2020年2月22日星期六传感器的发展方向新效应/新材料/新功能多功能集成化/微型化数字化/智能化/网络化生物器官/仿生1.2组成与分类2020年2月22日星期六1.3特性与技术指标传感器的基本特性就是体现它能否将变化的被测量不失真地变换成相应的电量的能力。常用下面两种特性来描述：1静态特性2动态特性1.3.1静态特性2020年2月22日星期六1.3.1静态特性指被测量的值处于稳定状态时，传感器的输出与输入的关系。对静态特性而言，传感器的输入量x与输出量y之间的关系常可用如下的多项式表示：y=a0+a1x+a2x2+…+anxn2020年2月22日星期六1.3.1静态特性常用的静态特性技术指标：灵敏度1线性度2迟滞3重复性42020年2月22日星期六1.3.1静态特性灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。指单位输入量的变化Δx所引起传感器输出量的变化Δy。用K表示灵敏度：灵敏度1yKxK值越大，传感器越灵敏。2020年2月22日星期六传感器的灵敏度曲线oxyyxyqxyxyxo1.3.1静态特性2020年2月22日星期六1.3.1静态特性一般希望测试系统的灵敏度高，且在满量程范围内是恒定的。但需合理选择：KK2020年2月22日星期六传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度;实际应用中的传感器多为非线性。为了得到线性关系，常引入各种非线性补偿环节进行线性化。1.3.1静态特性线性度22020年2月22日星期六yYFSx理想特性曲线实际特性曲线o静态特性曲线若传感器非线性的方次不高、输入量变化范围较小时，可用一条直线(切线或割线)近似地代表实际曲线的一段。该方法称为直线拟合法，所采用的直线称为拟合直线。2020年2月22日星期六传感器的线性度是指在全量程范围内，实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值ΔLmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用γL表示：max100%LFSLY1.3.1静态特性2020年2月22日星期六yYFSoLmaxxyYFSL1＝LmaxL2oxyYFSLmaxxyYFSL1L2L3L3＝Lmaxox(a)(b)(c)(d)o几种直线拟合方法即使是同类传感器，如果拟合方法不同其象形度也不同，用最小二乘法求取的拟合直线精度最高。端点平移拟合理论拟合过零旋转拟合端点连线拟合min2iiL2020年2月22日星期六yxHmaxYFSo迟滞特性1.3.1静态特性迟滞3指在相同工作条件下，传感器正行程特性与反行程特性的不一致程度。max100%HFSHY2020年2月22日星期六yxoRmax2Rmax1YFS1.3.1静态特性重复性4指传感器的输入量在同一方向变化时，连续进行重复测量所得的特性曲线不一致程度。max100%RFSRY2020年2月22日星期六1.3.1静态特性其它静态特性技术指标：零点、分辨率、准确度、阈值、漂移、过载能力、稳定性、可靠性…1.3.2动态特性2020年2月22日星期六1.3.2动态特性定义1研究方法2阶跃响应3频率响应42020年2月22日星期六传感器的动态特性是指输入量随时间变化时，传感器的响应特性。实际中，对于是动态信号的被测量，传感器的输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过渡过程之中，输出量也是时间的函数，其之间的关系要用动态特性来表示。定义11.3.2动态特性2020年2月22日星期六一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，二者应该具有相同的时间函数。但实际上输出和输入不会具有相同的时间函数，而会有动态误差。1.3.2动态特性2020年2月22日星期六动态测温实验t/℃t1t0o0/s动态误差例:把一支温度计从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t1℃的恒温水槽中，则温度计反映的温度从t0℃变化到t1℃需要一段过渡时间。1.3.2动态特性温度计反映出来的温度与其介质温度的差值就称为动态误差。2020年2月22日星期六1.3.2动态特性要研究传感器的动态特性，需要建立动态数学模型，即传感器在动态输入时，其输出—输入之间的关系，通常称为响应特性。研究动态特性的方法常有：研究方法2时域瞬态响应法：阶跃、脉冲等输入的响应特性；频域频率响应法：正弦等输入的响应特性。2020年2月22日星期六trtd00.50.6320.91.0ty(t)一阶阶跃响应特性阶跃响应3T二阶阶跃响应特性阶跃输入时，传感器的输出随时间变化的特征。1.3.2动态特性2020年2月22日星期六阶跃输入时表征传感器动态特性的主要指标：时间常数tns:指输出量上升到稳态值63%所需的时间；上升时间tr:指输出指示值从最终稳定值的5%或10%变到最终稳定值的95%或90%所需要的时间;响应时间ts:指输入量开始起作用到输出指示值进入稳定值所给定的范围内所需的时间;过调量δ:指输出值与稳定值的最大偏差（或其与稳定值之比）。1.3.2动态特性2020年2月22日星期六1.3.2动态特性02345tx(t)y(t)y(t)x(t)10.6320.8650.9500.9820.993理论上只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但通常认为可取t=(3～4)τ时。如当t=4τ时其输出就可达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。一阶阶跃响应特性2020年2月22日星期六二阶阶跃响应特性y(t)2100.712＝00.10.30.5nt1.3.2动态特性2020年2月22日星期六二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比ξ和固有角频率ωn。ξ=0时，特征根为一对虚根，阶跃响应是一个等幅振荡过程，又称为无阻尼状态；ξ=1时，特征根为两个相同的负实根，阶跃响应是一个由不振荡衰减到振荡衰减的临界过程，故又称为临界阻尼状态；ξ1时，特征根为两个不同的负实根，阶跃响应是一个不振荡的衰减过程，这种状态又称为过阻尼状态；0ξ1时，特征根为一对共轭复根，阶跃响应是一个衰减振荡过程，ξ值不同，衰减快慢也不同，又称为欠阻尼状态。1.3.2动态特性2020年2月22日星期六频率响应4传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。一个传感器输入端有正弦信号作用时，其输出响应仍然是同频率的正弦信号，只是与输入端正弦信号的幅值和相位不同。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的输出与输入的幅值比和两者相位差的变化。1.3.2动态特性2020年2月22日星期六根据一阶传感器的传递函数，即可得其频率特性表达式：2211()11()1()Hjjj1)一阶传感器的频率响应1.3.2动态特性2020年2月22日星期六21.00.70.50.40.30.20.10.10.20.51.02510A()0.50.20.11.025100°－20°－40°－60°－80°()(a)(b)幅频特性相频特性21()1()A()arctan()t幅频特性相频特性1.3.2动态特性2020年2月22日星期六22221()()2()12nnnnnHjjjj2)二阶传感器的频率响应根据二阶传感器的传递函数，即可得其频率特性表达式：1.3.2动态特性2020年2月22日星期六10750.10.20.51.025104321.00.70.50.30.20.070.050.030.020.10.01＝0.10.20.40.60.81.0nA()(a)0°－40°－80°－120°－160°()0.10.20.510521.0n(b)＝0.10.20.40.60.81.02()()2arctan1nnHj222()|()|112nnAHj幅频特性相频特性1.3.2动态特性2020年2月22日星期六3)频率响应特性指标通频带ω0.707：传感器在对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围；时间常数τ：用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性。τ越小，频带越宽；固有频率ωn：二阶传感器的固有频率ωn表征其动态特性；工作频带ω0.95(或ω0.90)：当传感器的幅值误差为±5%(或±10%)时其增益保持在一定值内的频率范围;相位误差：在工作频带范围内，传感器的实际输出与所希望的无失真输出间的相位差值；跟随角Φ0.707:当ω=ω0.707时，对应于相频特性上的相角。1.3.2动态特性2020年2月22日星期六1.00.950.900.707A()0.950.900.7070.707()00.707传感器的频域动态性能指标1.3.2动态特性2020年2月22日星期六本节作业1-1，1-3，1-6，1-8本节结束