传感器的初步认知

传感器及应用课程教学目标与方法●了解传感器的基本概念。●掌握常用传感器的原理、结构、特性和用途，能正确选用传感器。●理解传感器的信号处理方法和测量电路、抗干扰技术及数据采集系统的组成方法。●掌握常用传感器的技术特性及其使用、安装和调整方法。●本课程应采用理论与实践相结合的教学方法，重点理解传感器的原理与特性，掌握传感器的选用、安装与调整技能。传感器的初步认知●1.1传感器的定义与作用●1.2传感器的组成与分类●1.3传感器的基本特性●1.4传感器的测量误差与准确度●1.5传感器中的弹性敏感元件要点：1.传感器的作用、类型及基本特性2.传感器的误差与准确度3.弹性敏感元件的作用与类型1.1传感器的定义与作用1.1.1传感器的定义与作用传感器就是利用物理效应、化学效应、生物效应，把被测的物理量、化学量、生物量等非电量转换成电量的器件或装置。图1-1人机对应关系外界信息五种感官人脑四肢等传感器电子计算机执行器1.1.2传感器的作用和应用领域1.传感器的作用如图1-1所示,人们把传感器比作人的五种感觉器官，但在诸如高温、高湿、深井、高空等环境及高精度、高可靠性、远距离、超细微等方面是人的感官所不能代替的。传感器的作用可包括信息的收集、信息数据的交换及控制信息的采集三大内容。通过传感器对自然界的各种物质信息进行采集。2.传感器的应用领域如图1-2所示,传感器是任何一个自动控制系统必不可少的环节。如今，传感器的应用领域已涉及到科研、各类制造业、农业、汽车、智能建筑、家用电器、安全防范、机器人、人体医学、环境保护、航空航天、遥感技术、军事等各个方面，人们已经离不开各种各样的传感器了。传感器显示与记录设备输出接口计算机输入接口控制设备控制对象图1-2微机化检测与控制系统的基本组成3.传感器在国民经济中的地位传感器技术对现代化科学技术、现代化农业及工业自动化的发展起到基础和支柱的作用，在世界各国也已成为一种重要产业。可以说“没有传感器就没有现代化的科学技术”；没有传感器也就没有人类现代化的生活环境和条件。传感器技术已成为科学技术和国民经济发展水平的标志之一。1.2传感器的组成与分类被测非电量输出电量敏感元件转换元件转换电路图1-3传感器的组成辅助电源从功能上讲，传感器通常由敏感元件、转换元件及转换电路组成，如图1-3所示。1.2.1传感器的组成敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分。在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接转换成电量，往往是先变换为另一种易于变成电量的非电量，然后再转换成电量。如传感器中各种类型的弹性元件，常被称为弹性敏感元件。转换元件是指能将感受到的非电量直接转换成电量的器件或元件。如光电池将光的变化量转换为电动势，应变片将应变转换为电阻量等。转换电路是指将无源型传感器输出的电参数量转换成电量。常用的转换电路有电桥电路，脉冲调宽电路，谐振电路等，它们将电阻、电容、电感等电参量转换成电压、电流或频率。实际上，有些传感器的敏感元件可以直接把被测非电量转换成电量输出，如压电晶体、光电池、热电偶等。通常称它们为有源型传感器。辅助电源为无源传感器的转换电路提供电能。1.2.2传感器的分类传感器几种常用的分类方法：1.按输入量(被测对象)分类输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。例如，物理量传感器又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等等。这种分类方法给使用者提供了方便。2.按转换原理分类从传感器的转换原理来说，通常分为结构型、物性型和复合型三大类。结构型传感器是利用机械构件(如金属膜片等)在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（即物质定律，如虎克定律、欧姆定律等）实现非电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。例如：电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、热敏、气敏、湿敏、磁敏等等。复合型传感器是由结构型传感器和物性型传感器组合而成的，兼有两者的特征。这种分类方法清楚地指明了传感器的原理，便于学习和研究。3.按输出信号的形式分类按输出信号的形式，传感器可分为开关式、模拟式和数字式。4.按输入和输出的特性分类按输入和输出特性，传感器可分为线性和非线性两类。5.按能量转换的方式分类按转换元件的能量转换方式，传感器可分为有源型和无源型两类。有源型也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等，如磁电式、压电式、光电池、热电偶等。无源型也称能量控制型或参数型，它把非电量变成电阻、电容、电感等量。按上述后3种分类方法进行分类便于选择测量电路。xy输入量增量输出量增量1.3传感器的基本特性传感器的特性参数有很多，且不同类型的传感器，其特性参数的要求和定义也各有差异，但都可以通过其静态特性和动态特性进行全面描述。1.3.1传感器的静态特性静态特性表示传感器在被测各量值处于稳定状态时的输出与输出的关系。它主要包括灵敏度、分辨力(或分辨率)、测量范围及误差特性。1.灵敏度灵敏度是指稳态时传感器输出量y和输入量x之比，或输出量的增量△y和相应输入量△x的增量之比。K=线性传感器的灵敏度k为常数；非线性传感器的灵敏度K是随输入量变化的量。2.分辨力传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨力。它往往受噪声的限制，所以噪声电平的大小是决定传感器分辨力的关键因素。实际中，分辨力可用传感器的输出值表示：模拟式传感器以最小刻度的一半所代表的输入量表示，数字式传感器则以末位显示一个字所代表的输入量表示。注意不要与分辨率混淆。分辨力是与被测量有相同量纲的绝对值，而分辨率则是分辨力与量程的比值。3.测量范围和量程在允许误差范围内，传感器能够测量的下限值(ymin)到上限值(ymax)之间的范围称为测量范围，表示为ymin～ymax；上限值与下限值的差称为量程，表示为yF.S＝ymax－ymin。如某温度计的测量范围是-20~100℃，量程则为120℃。4.误差特性传感器的误差特性包括线性度、迟滞、重复性、零漂和温漂等。（1）线性度：线性度即非线性误差，是传感器的校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差（△Lmax）与满量程值（yF.S）的百分比校准曲线：在标准条件下，即在没有加速度、振动、冲击及温度为20±5℃、湿度不大于85%RH、大气压力为101327±7800Pa（760±60mmHg）的条件下，用一定等级的设备，对传感器进行反复循环测试，得到的输入和输出数据用表格列出或画出曲线，这条曲线称为校准曲线。%100SFmaxL.yL拟合直线：对传感器特性线性化，用一条理论直线代替标定曲线，即拟合直线。拟合直线不同，所得线性度也不同。常用的两种拟合直线，即端基拟合直线和独立拟合直线，如图1-4所示。图1-4传感器拟合直线示意图a）端基拟合直线b）独立拟合直线①端基拟合直线是由传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成的一条直线。由此所得的线性度称为端基线性度。这种拟合方法简单直观，应用较广，但拟合精度很低，尤其对非线性比较明显的传感器，拟合精度更差。②独立拟合直线方程是用最小二乘法求得的，在全量程范围内各处误差都最小。独立线性度也称最小二乘法线性度。这种方法拟合精度最高，但计算很复杂。%100SFmaxH.yH图1-5传感器的迟滞特性（2）迟滞：迟滞是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的程度，如图l-5所示。其数值为对应同一输入量的正行程和反行程输出值间的最大偏差△Hmax，与满量程输出值的百分比。用γH表示为或用其一半表示。%100SF.yc112imnΔni3）重复性：如图1-6所示，重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致性。在数值上用各测量值正、反行程标准偏差最大值的两倍或三倍与满量程的百分比表示。记作γK：γKσ=从误差的性质讲，重复性误差属于随机误差。若误差完全按正态分布，则随机误差的标准误差σ，可由各次校准量数据间的最大误差△im求出：式中，σ前的系数为置信因数，n为重复测量的次数。置信因数取2时，置信概率为95%；置信因数取3时，置信概率为99.73%。（4）零漂和温漂：传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一定时间，其输出值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比，即为零漂。温度每升高1℃，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。1.3.2动态特性动态特性是描述传感器在被测量随时间变化时的输出和输入的关系。对于加速度等动态测量的传感器必须进行动态特性的研究，通常是用输入正弦或阶跃信号时传感器的响应来描述的，即传递函数和频率响应。小结：1.传感器的定义2.传感器的组成3.传感器的作用4.传感器的分类5.传感器的基本特性1.4传感器的测量误差与准确度了解测量误差的产生误差的原因熟悉测量误差的分类掌握测量误差的表示方法理解准确度与测量误差的关系1.4.1误差的类型1.按误差的性质分类（1）系统误差在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小和符号保持恒定或按某一确定规律变化，此类误差称为系统误差。系统误差表征测量的准确度。（2）随机误差在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差没有固定的大小和符号，呈无规律的随机性，此类误差称为随机误差。通常用精密度表征随机误差的大小。准确度和精密度的综合称为精确度，简称精度。（3）粗大误差明显偏离约定真值的误差称为粗大误差。它主要是由于测量人员的失误所致，如测错、读错或记错等。含有粗大误差的数值称为坏值，应予以剔除。在测量中，若误差大于极限误差Cσ，即为粗大误差。2.按被测量与时间的关系分类（1）静态误差被测量不随时间变化时测得的误差称为静态误差。（2）动态误差被测量在随时间变化过程中测得的误差称为动态误差。动态误差是由于检测系统对输入信号响应滞后，或对输入信号中不同频率成分产生不同的衰减和延迟所造成的。动态误差值等于动态测量和静态测量所得误差的差值。1.4.2误差的表示方法绝对误差和修正值的量纲必须与示值量纲相同。绝对误差可表示测量值偏离实际值的程度，但不能表示测量的准确程度。（1）绝对误差Δ＝Ax－A0修正值CC=－Δ当Ax＞A0时，为正误差；反之为负误差。（2）相对误差①实际相对误差②示值(标称)相对误差③满度（引用）相对误差1.4.3准确度传感器和测量仪表的误差是以准确度表示的。准确度常用最大引用误差来定义它表示传感器的最大相对误差为±S%。仪表引起的最大测量相对误差为如压力传感器的准确度等级分别为0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0等；我国电工仪表的准确度等级分别为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。某0.1级压力传感器的量程为100MPa，测量50MPa压力时，传感器引起的最大相对误差为±0.2%。1.5传感器中的弹性敏感元件能将力、力矩、压力、温度等物理量变换成位移、转角或应变的弹性元件，称为弹性敏感元件。因此，位移传感器与弹性敏感元件（或构件本身）组合，可构成力、压力、加速度、转矩、液位、流量等传感器。熟悉应力和应变的概念掌握弹性敏感元件的作用、特性和类型1.应力截面积为S的物体受到外力F的作用并处于平衡状态时，在物体单位截面积上引起的内力称为应力图1-7应变种类示意图a)拉、压应力b)剪切应力正（向）应力：拉伸或压缩状态，拉伸为正，压缩为负。切(向)应力：物体一端固定，另一端受平行于端面的力作用，图1-7b所示方向为正值，反之为负值。2.应变物体受外力作用时产生的相对变形纵向应变εl横向应变εr切应变:切应力所产生的变形。式中，x为力F使角点产生位移，L为固定端至力作用点之间的距离3.虎克定律与弹性模量σ=Eετ=Gγ式中，E为弹性模量或称杨氏模量，单位为N／m2；G为剪切模量或称刚性模量；τ为切应力。1.